マイクロチャネルにおけるサブキロヘルツ振動流を生成するための外部ドライバの組み立てと特性評価

Summary

このプロトコルは、マイクロチャネルで10~1000Hzの高調波振動流を生成するための便利な方法を示しています。これは、コンピュータ制御のスピーカダイアフラムをマイクロチャネルにモジュール方式でインターフェースすることによって行われます。

Abstract

マイクロ流体技術は、分析と合成の両方のための化学および生物学的実験室の標準的なツールとなっています。化学試薬や細胞培養などの液体サンプルの注入は、主にシリンジポンプ、重力、または毛細管力によって駆動される安定した流れによって達成されます。相補的な振動流の使用は、最近文献で実証されたように、その多数の利点にもかかわらず、アプリケーションではめったに考慮されません。マイクロチャネルにおける振動流の実装に対する重大な技術的障壁は、その広範な採用の欠如の原因である可能性が高い。振動流を生成することができる高度な市販のシリンジポンプは、しばしばより高価であり、1Hz未満の周波数でのみ機能する。ここでは、マイクロ流路に振動流を発生させる低コストのプラグアンドプレイ型スピーカ系装置の組み立てと動作を実証する。10~1000Hzの範囲の周波数を持つ高忠実度の高調波振動流は、独立した振幅制御とともに実現できます。10~600μmの範囲の振幅は、一般的なマイクロチャネルで共振周波数で1mm>振幅を含む、動作範囲全体にわたって達成できます。発振周波数はスピーカによって決定されますが、我々は発振振幅が流体特性とチャネル形状に敏感であることを示しています。具体的には、チャネル回路長や液粘度の増加に伴って発振振幅が小さくなり、これに対してスピーカ管の太さや長さが長くなると振幅が大きくなります。さらに、この装置は、マイクロ流路上に事前の機能を設計する必要はなく、容易に取り外し可能である。シリンジポンプによって生成される定常的な流れと同時に使用して、拍動流を生成することができます。

Introduction

マイクロチャネル内の液体流量の正確な制御は、液滴生成およびカプセル化¹、混合^2,3、懸濁粒子⁴、5、⁶、⁷の選別および操作などのラボオンチップアプリケーションにとって重要です。流量制御に主に使用される方法は、固定量の液体または固定体積流量のいずれかを分配する高度に制御された定常流量を生成するシリンジポンプであり、しばしば完全に一方向の流れに限定される。一方向の流れを生成するための代替戦略は、重力ヘッド⁸、毛細管力⁹、または電気浸透流¹⁰を使用することを含む。プログラム可能なシリンジポンプは、流量と分配量の時間依存の双方向制御を可能にしますが、シリンジポンプの機械的慣性のために1秒を超える応答時間に制限されています。

より短い時間スケールでのフロー制御....

Protocol

1. ラピッドプロトタイプ金型の設計と製作

1. PC で AutoCAD を開きます。タスクバーの[ファイル]を選択し、[ 開く ]を選択して、.dxfまたは.dwg拡張子を持つチャネルモールドの3次元(3D)モデルファイルを参照してクリックします。
2. モデル全体を選択するには、モデルの周囲にあるボックスをクリックしてドラッグします。デザインを .stl ファイルとしてエクスポートするには、[ファイル] | を選択します。エクスポート、その他の形式、ドロップダウンボックスから.stlを選択します。 
3. ファイルを Formlabs FORM3 などの高精度樹脂ステレオリソグラフィー (SLA) プリンターにアップロードします。樹脂チャンバーに樹脂を注ぎ、印刷を開始し、最小のz軸ステップ(Formlabs CLEAR樹脂の場合は25ミクロン)で金型を製造します。
4. 自動パーツ印刷が完了するのを待ちます。
   注: 0.1 mm という小さな特徴を持つ金型は、この方法で製造できます。
5. 樹脂から部品を取り除いた後、イソプロパノール中で5分間攪拌し、残りの樹脂を除去します。
6. 金型を空気または窒素ガスで2分間乾燥させます。
   注:シリコンウェーハを使用した従来....

Results

上記のセットアップの能力および性能を説明するために、正方形の断面を有する単純な線形マイクロ流路における振動流の代表的な結果が提示される。チャネルの幅と高さは110μmで、長さは5cmです。まず、球状ポリスチレントレーサ粒子の運動と、これらを使用して振動信号の忠実度と達成可能な振動振幅の範囲を確認する方法について説明します。次に、振動振幅に対する特定の流体特性またはマイクロ流体材料の影響について説明します。最後に、非正弦波波形の機能について説明します。

比較のために、我々は以下の流体特性、チャネル形状、およびマイクロ流体材料によって参照ケースを定義する。作動液体は、直径、d = 1μmおよび密度、ρ = 1.20kg/m³を有するトレーサー粒子の0.01%体積分率を有する脱イオン水(μ = 1.00mPa.s)である。ρd²/18μで与えられる対応する粒子応答時間は70nsで、対応する振動時間スケール(1-100ms)よりはるかに小さいです。粒子は、10倍の対物レンズと10μmの焦点深度を有するチャネル中の高さで観察される.......

Discussion

我々は、マイクロ流体デバイスにおいて10~1000Hzの範囲の周波数を有する振動流を生成するための外部スピーカベースの装置のアセンブリ(プロトコルクリティカルステップ3および4を参照)および動作(プロトコルクリティカルステップ5および6を参照)を実証した。浮遊トレーサ粒子の粒子追跡は、高調波運動の忠実度を決定し、動作周波数の範囲にわたって達成可能な振動振幅の範囲を較正するために必要です。特定の音量設定の振幅周波数曲線は、主にスピーカの特性に依存しますが、これは変更できません(図3A,Bの代表的な結果のスピーカ特性の説明を参照)。しかしながら、特定のチャネル設計のために、振動振幅は、チューブ特性、液体粘度、またはそれらの組み合わせを適切に修正することによって修正および同調することができる。たとえば、図4では、チューブの直径を大きくしたり、チューブの長さを長くしたりすると、同じボリューム設定の振動振幅の大きさが大きくなることを示しています。ただし、粘度を上げると振動振幅の範囲が狭くなり、1.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Oscillatory Driver Assembly
Alligator-to-pin wire	Adafruit	3255	小さなワニ口クリップ - オス ジャンパー ワイヤー (12)
補助ケーブル	Adafruit	2698	3.5 mm オス/オス ステレオ ケーブル 1 m
コントローラー チップ	Damgoo	TPA3116	50w+50w 2 チャンネル オーディオ アンプ (Bluetooth および AUX)
DCアダプター	Adafruit	798	12 V DC 1A 安定化スイッチング電源アダプター
マイクロピペットチップ	VWR シグネチャー	37001-532	200 ul マイクロピペットチップ
シリコンシーラント	ロックタイト	908570	クリアシリコン防水シーラント (80 ml)
スピーカー	Drok	6843996	4.5 インチ 4 Ω 40 W スピーカー
スピーカーマウント			補足ファイルの「speakermount.stl」から3Dプリント
スピーカーからチューブへのアダプター			補足ファイルの「speaketubeadapter.stl」から3Dプリント
Microchannel Manufacture
Biopsyパンチ	Miltex	15110	プランジャー付き生検パンチ(1-4mm)
デガッサー
使い捨て可能なコップ
可能なスプーン
ガラス スライド	VWR 署名	16004-430	3" x 1" pre clean 厚さ 1 mm
厚い型			Si - SU-8 または 3D プリント
オーブン	フィッシャー サイエンティフィ		アイソテンプ
PDMS 樹脂および架橋剤	ダウ ケミカル	4019862	シルガード184 PDMS樹脂および架橋剤(500 g)
ポリエチレンチューブ	ベクトン・ディキンソン・イントラメディック	427440	ポリエチレンチューブ(PE 60 - PE 200)
カミソリブレードVWR		55411-050	シングルエッジ工業用カミソリブレード
RFプラズマ発電機	エレクトロテクニック製品	BD-20	高周波発生器
シリコーンモールドリリース	CRC	03301	食品グレードのシリコンモールドリリース(16オンス)
ObservationおよびCharacterization
CameraEdgertronic		SC2 +
レンズ	ニコン		プランフルーア10倍
顕微鏡	コン		Tiエクリプス手動ステージ
針	ベクトンディキンソン		305175 PrecisionGlide 20G
シリンジ	ベクトン ディキンソン	1180100555	Monoject 1 ml
シリンジ ポンプ	ハーバード 装置		デュアル シリンジ プログラム可能なシリンジ ポンプ
トレーサー 粒子	Spherotech	PP-10-10	ポリスチレン トレーサー粒子 1 um