Assemblaggio e caratterizzazione di un driver esterno per la generazione di flussi oscillatori sub-kilohertz in microcanali

La nostra tecnica porta flussi oscillatori a biologi e chimici usando la microfluidica. Questo dispositivo è veloce da assemblare, facile da usare ed è un metodo plug and play per la produzione di flussi oscillatori ad alta fedeltà. A dimostrare la procedura sarà Giridar Vishwanathan, uno studente di dottorato del mio laboratorio.

Per iniziare, blocca le estremità della clip dell'alligatore di un paio di alligatori per fissare i fili ai terminali di un altoparlante da 15 watt con un cono di otto centimetri. Posizionare il chip del controller aux su un componente isolante. Inserire le estremità del perno nelle prese a vite del chip aux.

Stringere con un cacciavite per garantire la connettività. Collegare un'estremità di un cavo aux al chip del controller e l'altra estremità a una porta aux su un computer. Collegare un adattatore per corrente continua da 12 volt all'alimentatore.

Accendere il chip del controller collegando l'estremità coassiale dell'adattatore CC alla presa di corrente. Utilizzando un browser Internet, accedere a un sito Web di generatore di toni online. Digitare la frequenza desiderata tra 5 e 1200 Hertz nell'applicazione online e scorrere la barra del volume fino alla quantità richiesta.

Fare clic sul simbolo del generatore di tipo d'onda e selezionare la forma d'onda desiderata come segno, quadrato, triangolo o dente di sega. L'impostazione predefinita è una forma d'onda del segno. Premere Riproduci per azionare l'altoparlante.

Fissare l'altoparlante e il chip del controller sul tumulo dell'altoparlante stampato in 3D per il posizionamento sul palco del microscopio. Posizionare l'adattatore stampato in 3D in modo concentrico sul cono dell'altoparlante. Applicare generosamente il sigillante siliconico lungo i bordi dell'adattatore e lasciare polimerizzare per due ore.

Tagliare una punta di micropipetta da 200 microlitri a circa due centimetri dalla sua estremità stretta e disporre della metà più ampia della punta in cui l'estremità conica stretta fungerà da sigillo a cuneo per il fissaggio reversibile. Collegare il tubo di polietilene all'uscita del microcanale prima filettando attraverso la punta della micropipetta, quindi attraverso l'estremità coassiale degli adattatori e, infine, attraverso il lato. Incuneare saldamente l'estremità stretta della punta della pipetta nell'estremità coassiale degli adattatori per creare una tenuta ermetica rimovibile.

Aggiungere particelle traccianti in un flaconcino del 22% peso in peso soluzione di glicerolo per produrre una sospensione neutralmente galleggiante con una frazione volumetrica dallo 0,01% allo 0,1% di polistirene in liquido a 20 gradi Celsius. Mescolare vigorosamente agitando per produrre una sospensione omogenea. Caricare una siringa di ingresso da un millilitro con un millilitro di campione.

Montare e fissare la siringa caricata su una pompa automatica a siringa. Inserire l'ago della siringa nel tubo di ingresso del dispositivo per creare una tenuta stagna. Assicurarsi che il tubo di uscita sia radicato attraverso il gruppo adattatore e in un serbatoio.

Accendere la pompa della siringa, utilizzando il touch screen selezionare il tipo di siringa come Becton-Dickinson 1 mL, quindi selezionare Infondere. Quindi selezionare la portata richiesta del volume di flusso. Avviare il flusso costante utilizzando la pompa a siringa.

Attendere fino a quando il tubo di uscita non viene riempito di liquido fino all'altoparlante. Selezionare l'ampiezza di frequenza e la forma d'onda richieste nell'applicazione del generatore di toni e premere Riproduci per generare un flusso oscillatorio all'interno del microcanale. Montare il dispositivo sul microscopio.

Impostare la configurazione ottica selezionando un obiettivo con un ingrandimento compreso tra 10X e 40X, regolando il piano focale e posizionando il palco. Per ottenere misurazioni su un piano focale ben definito, assicurarsi che la profondità di campo dell'obiettivo sia inferiore alla profondità del canale di un fattore cinque o più. Per osservare il flusso oscillatorio, utilizzare una telecamera ad alta velocità con un frame rate di almeno il doppio della frequenza di oscillazione.

Per una risoluzione utile della forma d'onda, misurare almeno 10 punti per periodo di tempo con frame rate 10 volte maggiore rispetto alla frequenza di oscillazione. In alternativa, per osservare gli effetti di lunga data dei flussi positivi eseguire l'imaging stroboscopico impostando l'osservazione su qualsiasi divisore perfetto della frequenza di oscillazione. Sia per l'imaging diretto che per quello stroboscopico, utilizzare una fotocamera dotata di un otturatore globale per evitare l'effetto jello.

In entrambi i casi, mantenere il tempo di esposizione considerevolmente più piccolo del periodo di oscillazione di un fattore di 10 o più per evitare striature. Per misurare l'ampiezza dell'oscillazione senza una telecamera ad alta velocità, registrare a un frame rate mantenuto vicino ma non al frame rate stroboscopico, il che si traduce in un'oscillazione altamente rallentata da cui l'ampiezza può essere misurata con precisione, osservare e registrare le misurazioni dell'ampiezza. Lo spostamento tracciato delle particelle traccianti sul piano medio del canale ha mostrato un segnale armonico per le frequenze di oscillazione 100, 200, 400 e 800 Hertz.

In un grafico di ampiezza di oscillazione rispetto alla frequenza per tutte le impostazioni del volume degli altoparlanti, la curva caratteristica aveva un picco risonante a circa 180 Hertz oltre il quale l'ampiezza diminuisce con l'aumentare della frequenza. L'effetto di diversi parametri sull'ampiezza oscillatoria sulla gamma di frequenze operative rispetto al caso di riferimento, ha mostrato che quando la viscosità del liquido di lavoro è aumentata, l'ampiezza diminuisce di un fattore di quasi due. Quando il diametro del tubo microfluidico per lo stesso materiale viene aumentato, l'ampiezza aumenta rispetto al caso di riferimento di un fattore compreso tra 1,5 e 3 a seconda della frequenza.

Quando la lunghezza del tubo per lo stesso materiale viene aumentata, l'ampiezza aumenta significativamente vicino alla frequenza di risonanza. Le tracce di spostamento delle particelle per le forme d'onda non sinusoidali hanno mostrato che cambiamenti molto bruschi nella posizione associati a forme d'onda quadrate e a dente di sega non sono possibili nei sistemi reali. Tuttavia, gli spettri di Fourier erano in buon accordo con gli spettri ideali, almeno fino alla terza armonica.

È importante confermare che il tubo di uscita è completamente pieno di liquido. Ciò garantisce che l'ampiezza sia massima e che sia costante nel tempo. È inoltre necessario utilizzare una fotocamera con un otturatore globale.

Abbiamo usato questa tecnica per osservare e misurare con precisione come si comportano le particelle di dimensioni micron dopo aver percorso una distanza molto lunga all'interno di un microcanale. Questo ci ha permesso di implementare nuove tecniche di manipolazione microfluidica.