プロトタイプ小型化フローサイトメーターおよびコンパニオンマイクロ流体混合技術の縮小重力環境ハードウェアデモンストレーション

この手順の全体的な目標は、他のセットアップに適応できる可能性のあるコンポーネントの準備と飛行中の手順を使用して、小型化されたフローサイトメーターを低重力放物線飛行で操作することです。これは、まず、低重力での使いやすさと安全性のために、既製のコンポーネントとカスタムメイドのコンポーネントを慎重に選択することによって達成されます。2番目のステップは、封じ込め、表示の自動化、および複数のデモンストレーションの促進のための追加の要素を含む放物線飛行試験装置内でコンポーネントを組み立てることです。

次に、チームは綿密な計画、プロトコル開発、トレーニングを通じて、飛行中の実験を成功させるための準備をします。最後のステップは、飛行中のマルチコンポーネントのデモンストレーションです。最終的に、放物線飛行試験は、技術の潜在的な宇宙応用を示し、無重力、重力変化、および振動が性能に及ぼす影響を特定するために使用されます。

この方法はフローサイトメトリーや関連技術にも適用できますが、特に複数のデモンストレーションやトリガー手順を伴うものなど、低重力下での他のタイプの個別診断検査にも部分的に適用できます。そこで、NASAとのパラボラフライトの準備をしていたとき、実験のための最適な準備方法を説明したビデオや文献がそれほど多くなかったため、JOのパラボリックフライトテストに関するこのビデオを制作することに決めました。私たちは実際に、NASA内のさまざまな場所で適切な人々と話すために、非常に懸命に努力しなければなりませんでした。

この場合、Joeの読者にもこの情報を共有していただき、これらのフライトに適切に対応できるようにしたいと考えています。低重力条件下で使用するためのシンプルなフローサイトメトリーシステムを構築するには、複数の流体、光学、および電子のプロトタイプコンポーネントが必要です。まず、システムを駆動するために必要な重量と電力を最小限に抑えた圧力システムを準備します。

流体工学は、小型化されたエアポンプを差圧センサーに接続します。次に、エアフィットを引っ掛けずに装填できる流体源容器を組み立てます。弾性ゴムダイヤフラム、しっかりと固定可能なキャップ、バイアルベースにインレットエアチューブを備えた硬質プラスチックバイアル。

インレットエアチューブの接続部を光学接着剤でシールします。キャップ挿入中および挿入後の液体の排出を防ぐために、キャップ出口チューブの上に一時的なスライドクランプを配置します。バイアルを装填するには、吸気口に接続されたシリンジでダイヤフラムを広げます。

上部に液体を注ぎ、キャップの下に空気が溜まらないように斜めに挿入します。スライドクランプを短時間取り外して、出口チューブをプライミングし、ダイヤフラムによって加えられる崩壊圧力を解放します。ポンプが空気や液体の漏れなしにバイアルを加圧していることを確認します。

ダイヤフラムを圧縮して、キャップ出口チューブから流体の流れを駆動します。必要な3番目のコンポーネントは、流れを損なう背圧を発生させることなく廃棄物を収集するための流体廃棄物容器です。二重封じ込め用に設計されたバイアル内に接着されたバイアルを使用してください。

浮遊液体をトラップするが、キャビン環境との空気圧均等化を可能にする安全なフォームスポンジウィンドウでバイアルをキャップし、使用のためのサンプルローダーと低重力機械を作成し、ガイドレール付きのスプリング式クランプ設計を組み立てます流体ラインの2つのOリング間にシースがキャピラリーを取り付けたように確実にクランプします。キャピラリーがない場合、スプリングがOリングを一緒に押して流体ラインを完成させ、漏れのないプライミングを可能にすることを確認します。動力供給された機械的なサブコンポーネントに依存しないマイクロミキサーを設計します。

ラピッドプロトタイプのPolymethyl soane法を使用して、2つの入口スパイラルボルテックスマイクロミキサーが選択され、個々の流れる粒子を検出するために製造されます。カスタムメイドの手のひらサイズのミニチュア光学ブロックを、市販のオプトメカニカルコンポーネントを使用して顕微鏡ブレッドボードプレートに取り付けます。プロトタイプ組み立ての最後のステップは、デバイス制御とデータ収集のための電子機器とソフトウェアを設計することです。

利便性と早期のプロトタイピングのために、市販のデータ収集カード、コードとプログラム、リグデバイスを操作し、すべてのデータを同期するためのカスタムソフトウェアに接続された手作業のはんだ付けピースを利用します。ノートパソコンのバッテリーを取り外し、電源ケーブルだけで動作するように設定します。低重力飛行の安全上の理由から、すべてのデバイスに電力を供給するための電力スキームには、迅速かつ完全な電子シャットダウンのメカニズムが含まれている必要があります。

飛行中。飛行中のパフォーマンスを成功させるためには、オンオフボタンが1つある1つの電源タップが航空機の配電パネルに接続されており、利用可能な総スペースと、実験的なリグスペースとリグ周囲のユーザースペースとどのように分割されるかを考慮する必要があります。利用可能な総スペースは、地上での同様のデモンストレーションに提供されるよりも小さなエリアに制限されています。

床、ひざまずく、または立っている高さで、どのコンポーネントにより適切にアクセスするかを判断します。また、サポート構造内で達成される保護から最も恩恵を受けるコンポーネントを検討することも重要です。ここでのリグ支持構造は、飛行加速に耐え、目的の航空機にしっかりと取り付けることができる垂直の機器ラックです。

キャビンの床は、ラック内のレベルにコンポーネントを割り当て、ラップトップを配置するためのトップレベル、プロトタイプのサブコンポーネントを格納するためのミッドラックレベル、追加のワイプ、手袋、その他の廃棄物コンテナを格納するためのフロアレベル。プロトタイプを固定して封じ込め、サンプルを表示するには、プロトタイプ以外のさまざまなコンポーネントを製造または適合させる必要があります。これらには、電子機器を収納するためのカスタムアクリルボックスと、フライトキャビンの汚染を危険にさらすことなくローダーのデモンストレーションを実行するための立方体のスペースを提供するアームアクセス穴付きのカスタムアクリルグローブボックスが含まれます。

マイクロミキサーのデモンストレーションボルトを記録するには、カスタムアクリルチップホルダーとCCDカメラが取り付けられたブレッドボードプレートに実体顕微鏡。光学ブロックの安全なデモンストレーションを可能にするために、カスタムの不透明なアクリルボックスを使用して周囲光を遮断し、レーザーの危険を制御します。いくつかのシンプルな設計戦略により、手動チューブ、飛行中の調整、またはかなりの器用さを必要とするその他のアクションの必要性を排除できます。

たとえば、複数のソース ファイルを同時に加圧するには、カスタム マシンを使用して、流体の流れの方向を制御するための入口ニードルと複数の出口チューブに適合したくり抜かれたシリンダーで構成されるマニホールドを圧力します。コンピューターを使用して、三方電磁弁のパネルを組み立てます。DAQカードに配線されたタンデムMOSFETスイッチによって制御されます。

三方ソレノイドバルブには、デフォルトのオフポートまたはオンポートに常に接続されている共通のポートがあります。オン状態への切り替えは、5ボルトの信号でトリガーされます。ラップトップを 1 回クリックするだけでバルブの状態を切り替えたり、ポンプの駆動圧力を変更したりするなど、ボタン 1 つでデモを進めるようにソフトウェアをプログラムしました。

これにより、環境への漏れや混沌とした環境での実験時間の損失を引き起こす可能性のある手動チューブ調整の必要性を回避できます。サンプルローダーのデモンストレーションには、サンプルをロードし、サンプルを光学ブロックまたはOBに駆動して検出することが含まれます。セットアップでは、ローダーの前と後の2つのバルブを使用します。

ローディング中、両方のバルブはオフに設定され、ローダーが利用されるときに流体の動きを防ぎ、バルブをオンにすると、生理食塩水バイアルから廃バイアルに伸びる流体X経路が開き、ポンプが分析のためにサンプルを駆動できるようになります。光学ブロックのデモンストレーションには、3つの異なるサンプルタイプの連続検出が含まれています 手動でチューブ接続を交換することなく、生理食塩水はサンプル間でシステムをフラッシュすることができます。マイクロミキサーのデモンストレーションには、食血塩水の混合と青黄色の染料の混合セグメントが含まれます。

このセットアップでは、2つのバルブを使用して、血液と生理食塩水のバイアルまたは染料バイアルのいずれかに圧力を誘導し、一度に1つの混合デモンストレーションのみがアクティブになるようにします。追加のバルブにより、生理食塩水混合チップへの気泡注入が可能になります。システムは、飛行中の突然の衝撃、振動、または乗客の衝突に備える必要があります。

アライメントを安定させるために、簡単にミスアライメントされる部品、特に光学部品に速乾性エポキシを塗布します。クイックドライエポキシの上に工業用グレードのエポキシを塗布して、物理的外乱試験用の顕微鏡IピースへのCCDカメラアタッチメントなど、必要に応じて他のコンポーネントを固定します。すべてのコンポーネントを所定の位置に取り付けた状態でリグサポート構造を振ってください。

リグを外乱にさらした後、個々のコンポーネントの機能、特に、実験の途中で飛行機が突然水平になったり、リグに突然力が当たったりするなど、予期しない飛行中の出来事に対してトレーニングされた位置合わせされた光学コンポーネントを確認します。ラックにパッドを追加することで、浮かぶ乗客を保護します。コーナーでは、飛行中にデバイスを専門的に操作するための主要なオペレーターとして複数の個人を訓練します。

パライス中に誰が病気になるかは予測できず、特定のユーザーが1つのフライトでは影響を受けず、別のフライトで病気になる可能性があります。飛行場所に輸送した後、航空機に積み込む前に、必要な修理を行い、チューブ接続を設定した後、リグを確認してください。各フライト日には、その日のデモンストレーションに対応するサンプルバイアルを準備してフックします。

セットアップから実験までの間隔が長くなる可能性があることや、飛行場所によっては周囲温度が高くなる可能性があることを覚悟してください。スコポラミンとテキストアンフェタミンなどの薬を服用して飛行中の病気を避け、床と平行にゆっくりと上昇し、高重力時には平らに横たわることで、いくつかの初期の放物線を使用して重力の移行に適応します。飛行位置に入ると、リグオペレーターは専用の放物線空域に近づくと、リグオペレーターが高重力間隔で横になり、放物線が始まるとレッグストラップにアクセスできるように十分なスペースを提供します。

減重力時には体に強い力を加えないでください。これにより、体があまりにも速く、やや危険に見えるため、サンプルローダーのデモンストレーションを実行できません。平面が低重力に入ったら、サンプルシリンジを使用して、計数ビーズ染料混合物を指先に一滴垂らします 指刺しサンプルをシミュレートするには、キャピラリー消耗品を使用して指からサンプルを拾い上げ、サンプルをキャピラリーローダーにロードします。

サンプルを光学系に打ち込み、検出します。顕微鏡の下に設置されたマイクロ流体ミキサーのデモンストレーションを実行します。血液と生理食塩水を1対1の比率で1.52345で混合し、それぞれ少なくとも2つの放物線に対して6つのPSIを混合します。

他の読み取り値に同期したビデオデータの記録。ミキサーのデモンストレーションの実際の飛行中の映像をこちらに公開しています。生理食塩水の入口に空気を注入して、チャネル構造が最適な混合を妨げる可能性のある気泡を閉じ込めるかどうかをテストします。混ぜる。

青と黄色の食品は、それぞれ少なくとも2つの放物線に対して1.52345と6つのPSIで死にます。ここでも、ここに示す同期データの記録は、実体顕微鏡パネルに取り付けられたCCDカメラで見た2つのマイクロミキサーのデモンストレーションの代表的な結果です。Aは微小重力条件下で青色と黄色の色素が混ざり合っている様子、パネルBは月重力条件下で血液と生理食塩水が混ざり合っている様子です。

混合は、スパイラルに沿った任意のポイントと出口チャネルで視覚的に評価でき、微小重力飛行中の蛍光標識された白血球の光学ブロック検出のデモンストレーションです。フローサイトメトリーデータの重要なパフォーマンス指標には、ここに示すように、ピーク強度、S/N比、ピークカウント率、検出効率の変動係数が含まれます。光学ブロック検出は、約 1.5 G からほぼゼロ G への遷移によって比較的影響を受けず、1.5 G への遷移後も継続します。

月重力下でのローダーのデモンストレーション後に、ロードされたサンプルにスパイクされた蛍光計数ビーズの検出は、サンプルが正常にロードされ、検出のための光学ブロックに到達したことを示しています。このビデオを見た後、パラボラフライトでデバイステストを実行し、重力を減らす方法、特にどのような手順が実行可能か、慎重な計画、部品の選択、テストの実装など、すべてが経験から高い歩留まりを確保するのに役立つことをよりよく理解できるはずです。