マイクロ アプリケーションで使用される圧力制御シリンジ ポンプを構築するためのプロトコルをご紹介します。このシリンジ ポンプは、相加的製造ボディ、市販ハードウェアとオープン ソースの電子機器から作られます。結果システムは低コストで簡単に構築、できると規則正しい流体急速なマイクロ流体研究を有効にするを提供します。
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方法論記事
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マイクロ アプリケーションで使用される圧力制御シリンジ ポンプを構築するためのプロトコルをご紹介します。このシリンジ ポンプは、相加的製造ボディ、市販ハードウェアとオープン ソースの電子機器から作られます。結果システムは低コストで簡単に構築、できると規則正しい流体急速なマイクロ流体研究を有効にするを提供します。
マイクロ生物・化学・物理学の研究で重要なツールとなっています。マイクロ流体実験の 1 つの重要なコンポーネントは、安定した流体入口流量や入口圧力を正確に提供することができるシステムです。ここでは、制御できるシリンジ ポンプ システムを開発した、マイクロ流体デバイスに配信入口流体圧力を調節します。このシステムは、低コストの材料と添加剤の製造原理、熱可塑性材料と可能な限り既製のコンポーネントの 3次元 (3 D) 印刷を活用を使用して設計されました。このシステムは 3 つの主要なコンポーネントで構成される: シリンジ ポンプ、圧力トランスデューサーとプログラム可能なマイクロ コント ローラー。このペーパー内の一連の製造、組立、およびこのシリンジ ポンプ システムをプログラミング プロトコルを詳しく説明します。さらに、我々 は、高忠実度、このシステムを用いて入口圧力のフィードバック制御を示す代表的な結果を含まれています。我々 は、マイクロ流体の使用のための参入障壁を下げるこのプロトコルは低コスト シリンジ ポンプ システムを作製する研究者を許可する期待の医学、化学、材料学。
マイクロ ツールは、生物化学研究の科学者のために有用ななっています。マイクロ流体による低ボリュームの使用率、迅速測定機能、および明確に定義された流れプロファイル、ゲノムでトラクションを得て、プロテオーム研究、高スループット スクリーニング、診断、ナノテクノロジー、および単一セル分析1,2,3,4。また、マイクロ流体デバイス設計の柔軟性は、培養細菌コロニー5の時空間ダイナミクスの調査など、基礎科学研究を容易にできます。
各種流体の注入システムは、マイクロ流体デバイスへの流量を正確に実現する開発されています。このような注入システムなどは蠕動と再循環ポンプ6、圧力コント ローラー システム7、およびシリンジ ポンプ8。これら噴射システム、シリンジ ポンプ、しばしば高価な精密加工部品で構成されます。圧出力フローの閉ループ フィードバック制御とこれらのシステムの増強をこれらのシステムのコストを追加します。応答では、我々 は以前出力流量圧力を調節する閉ループ フィードバック コントロールを使用して、堅牢で低コストのシリンジ ポンプ システムを開発しました。閉ループ圧力制御を使用して、高価な精密エンジニア リング コンポーネントの必要性は改廃9です。
手頃な価格の 3 D 印刷ハードウェアと関連付けられているオープン ソース ・ ソフトウェアの重要な成長の組み合わせはアクセシブル デザインとマイクロ流体デバイスの作製ますます研究者にさまざまな分野10から。ただし、これらのデバイスを介してドライブの流体に使用するシステムは高価なままです。この低コストで流体制御システムの必要性に対処する手順アセンブリの数が少ないを必要とする、実験室の研究者によって作製することができますデザインを開発しました。にもかかわらず、低コストで簡単なアセンブリこのシステムは正確な流量制御を提供することができ、市販、クローズド ループのシリンジ ポンプ システムは、非常に高価にすることができますに代わる。
ここで、建設と閉ループ制御の使用のためのプロトコルを提供シリンジ ポンプ システム (図 1) を開発しました。システムの処理液は、ピエゾ抵抗型圧力センサー、マイクロ コント ローラー、以前研究11に触発された物理的なシリンジ ポンプで構成されます。比例・積分・微分 (PID) コント ローラーでプログラムを構成したら、システムは、マイクロ流体デバイスに規則正しい、圧力駆動型のフローを提供することが可能です。これは自分の仕事でマイクロを使用する研究者のより広範なグループを有効にするコストの高い商用製品に低コストで柔軟な代替を提供します。
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1. 3 D 印刷とシリンジ ポンプの組立
2. マイクロ流体デバイスの作製
3. フィードバック制御シリンジ ポンプ システム アセンブリ
4. 圧力センサーのキャリブレーション
注: は、この稿では選択増幅器を用いた、利得を計算する式は G = 5 + (200 k ・ RG) RG = R1 と G アンプゲインを =。ここで増幅器のゲインは約 606 です。この値は、抵抗 R1 の使用を変更することによって変更できます。さらに、マイコン ボードのロジック レベルは 5 V とインストルメンテーションの 10 V の電源が、単純な電圧ディバイダー回路、R2 と R3 が 5 V 以上の出力信号を保護するために使用します。
5. マイクロ流体デバイスから画像をキャプチャ
6. シリンジ圧ポンプを制御します。
7. チューニング PID コント ローラーのパラメーター
注: アプリケーションおよびマイクロ流体デバイスのジオメトリに応じて最適なコント ローラーのパラメーター値が異なる場合があります。たとえば、長期の研究 (時間)、低い比例定数 (Kp) は応答時間を犠牲にしてオーバー シュートを最小限にすることが望ましいかもしれません。これらのトレードオフは、実験条件と目標によって異なります。
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ここでは、フィードバック制御の注射器の構築システムをポンプし、マイクロ流体アプリケーションの潜在的な用途を示すプロトコルを提案します。図 1は、シリンジ ポンプ、圧力センサー、マイクロ流体デバイス、マイクロ コント ローラー、圧力センサー回路とステッピング モーター ドライバーの接続システムを示しています。図2 シリンジ ポンプ アセンブリの詳細なコールアウトが表示され、電子回路圧力センシングの図が図 3で提示されます。制御パラメーターのチューニングのプロセスを図 4に示します。最後に、2 入口の Y 形マイクロ流体デバイスの入口圧力制御の代表的な結果を図 5に示します。
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ここでは、閉ループ圧力制御とシリンジ ポンプ システムの新しい設計を提案します。これは、3 D プリントされたシリンジ ポンプ ピエゾ抵抗圧センサーとオープン ソースのマイクロ コント ローラーに統合することによって達成されました。PID コント ローラーを採用し、正確にインレット圧を制御し、同時にセット ポイントとその安定性を維持しながら高速応答時間を提供することができました。
マイクロ流体デバイスを用いた多くの実験は精密な流体制御を必要とし、よ特徴付けられた流プロファイルを悪用します。時空の濃度勾配15を探索し、さらに解析16.精密流体封入を生成する実験を含んでいる安定した流量プロファイルの重要な例PID コント ローラーを使用して、高パフォーマンスの応答を維持するために、このプロトコルで記述されているシステムには、流れの調節と長期的な安定性そのような層流の実験を検討する必要が生成されます。
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著者が明らかに何もありません。
著者は海軍研究のオフィスからサポート N00014-17-12306 と N00014-15-1-2502 賞し、同様、空軍科学研究局から賞 FA9550-13-1-0108 と国立科学財団助成金第 1709238 を認めます。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Arduino IDE | Arduino.org | Arduino Uno R3制御ソフトウェア | |
| ヘッダコネクタ, 2ポジション | Digi-Key | WM4000-ND | |
| ヘッダコネクタ, 3ポジション | Digi-Key | WM4001-ND | |
| ヘッダコネクタ, 4ポジション | Digi-Key | WM4002-ND | |
| フックアップワイヤ, 22ゲージ, 黒 | Digi-Key | 1528-1752-ND | |
| フックアップワイヤ、22ゲージ、青 | Digi-Key | 1528-1757-ND | |
| フックアップワイヤ、22ゲージ、赤 | Digi-Key | 1528-1750-ND | |
| フックアップワイヤ、22ゲージ、白 | Digi-Key | 1528-1768-ND | |
| フックアップワイヤ、22ゲージ、黄色 | Digi-Key | 1528-1751-ND | |
| 計装アンプ | Instruments INA122P | ||
| マイコン、Arduino Uno R3 | Arduino.org A000066 | ||
| ミニブレッドボード | Amazon | B01IMS0II0 | |
| 電源 | BK Precision | 1550 | |
| 圧力センサ | PendoTech | PRESS-S-000 | |
| 角型コネクタ、ハウジング | Digi-Key | WM2802-ND | |
| 角型コネクタ、 | Digi-Key | WM2565CT-ND | |
| 抵抗器、10kΩ | Digi-Key | 1135-1174-1-ND | |
| 抵抗器、330Ω | Digi-Key | 330ADCT-ND | |
| ステッピングモータドライバ、 | EasyDriver Digi-Key | 1568-1108-ND | |
| USB 2.0ケーブル、A-オス-B-オス | Amazon | PC045 | |
| 3Dプリント材料、Z-ABS | Zortrax | さまざまな色が利用可能です | |
| 3Dプリンター | Zortrax | M200 | シリンジポンプ部品の印刷 |
| ボールベアリング、17x6x6mm | アマゾン | B008X18NWK | |
| 六角小ネジ、M3x16mm | Amazon | B00W97MTII | |
| 六角小ネジ、M3x35mm | アマゾン | B00W97N2UW | |
| 六角ナット、M3 0.5 | アマゾン | B012U6PKMO | |
| 六角ナット、M5 | Amazon | B012T3C8YQ | |
| 旋盤丸棒 | Amazon | B00AUB73HW | |
| リニアボールベアリング | Amazon | B01IDKG1WO | |
| リニアフレキシブルカプラー | Amazon | B010MZ8SQU | |
| スチールロックナット、M3 0.5 | Amazon | B000NBKLOQ | |
| ステッピングモータ、NEMA-17、1.8o/ステップ | Digi-Key | 1568-1105-ND | |
| シリンジ、10mL、ルアーロックチップ | BD | 309604 | |
| スレッドロッドアマゾン | B01MA5XREY | ||
| 1H、1H、2H、2H-パーフルオロオクチルトリクロロシラン | フィッシャーサイエンティフィック | AAL1660609 | |
| カメラモジュール | Raspberry Pi Foundation | V2 | |
| コンパクトオーブン | ッシャーサイエンティフィック | PR305220G | ベーキングPDMSプレポリマー混合物そして、デバイス |
| ディスペンシングニードル、22ゲージ | McMaster-Carr | 75165A682 | |
| ディスペンシングニードル、23ゲージ | McMaster-Carr | 75165A684 | |
| ッシャーブランドプレミアムカバーグラスFisherScientific | 12-548-5C | ||
| ガラス文化ペトリ皿、130x25mm | アメリカの教育製品 | 7-1500-5 | |
| プラズマクリーナー | Harrick Plasma | PDC-32G | カバーガラスとPDMSデバイスの結合 |
| Razor Blades | FisherScientific | 7071A141 | |
| スコッチマジックテープ | Amazon | B00RB1YAL6 | |
| シングルボードコンピューター | Raspberry Pi Foundation | Raspberry Pi 2 model B | |
| スマートスパチュラ | FisherScientific | EW-06265-12 | |
| Sylgard 184 シリコーンエラストマーキット | FisherScientific | NC9644388 | |
| シリンジフィルター | Thermo Scientific | 7252520 | |
| タイゴンチューブ | コールパーマー | EW-06419-01 | |
| 真空デシケー | ターFisherScientific | 08-594-15C | モールド上のPDMSプレポリマー混合物とコーティングフルオロシランの脱気 |
| FisherScientific | S67090A |
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