Method Article

마이크로채널에서 서브킬로헤르츠 진동 흐름의 생성을 위한 외부 드라이버의 조립 및 특성화

DOI:

10.3791/63294

⸱

January 28th, 2022

 , 
1Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜은 마이크로 채널에서 10-1000Hz의 고조파 진동 흐름을 생성하는 편리한 방법을 보여줍니다. 이는 컴퓨터 제어 스피커 다이어프램을 모듈식 방식으로 마이크로채널에 인터페이싱하여 수행됩니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Microfluidic 기술은 분석 및 합성을위한 화학 및 생물학적 실험실의 표준 도구가되었습니다. 화학 시약 및 세포 배양물과 같은 액체 샘플의 주입은 일반적으로 주사기 펌프, 중력 또는 모세관력에 의해 구동되는 꾸준한 흐름을 통해 주로 이루어집니다. 보완적인 진동 흐름의 사용은 최근 문헌에서 입증 된 수많은 장점에도 불구하고 응용 프로그램에서 거의 고려되지 않습니다. 마이크로 채널에서 진동 흐름의 구현에 대한 중요한 기술적 장벽은 널리 채택되지 않은 원인이 될 가능성이 큽니다. 진동 흐름을 생성할 수 있는 고급 상업용 주사기 펌프는 종종 더 비싸고 1Hz 미만의 주파수에서만 작동합니다. 여기서, 마이크로채널에서 진동 흐름을 발생시키는 저비용, 플러그 앤 플레이형 스피커 기반 장치의 조립 및 동작이 입증된다. 10-1000Hz 범위의 주파수를 갖는 고충실도 고조파 진동 흐름은 독립적인 진폭 제어와 함께 달성될 수 있습니다. 10-600 μm 범위의 진폭은 일반적인 마이크로 채널에서 공진 주파수에서 1mm 이> 진폭을 포함하여 전체 작동 범위에 걸쳐 달성 될 수 있습니다. 발진 주파수는 스피커에 의해 결정되지만 발진 진폭이 유체 특성 및 채널 형상에 민감하다는 것을 보여줍니다. 특히, 발진 진폭은 채널 회로 길이 및 액체 점도가 증가함에 따라 감소하고, 반대로 진폭은 스피커 튜브 두께 및 길이가 증가함에 따라 증가한다. 추가적으로, 이 장치는 마이크로채널 상에 설계될 이전의 특징들을 필요로 하지 않으며 쉽게 분리될 수 있다. 그것은 맥박 흐름을 생성하기 위해 주사기 펌프에 의해 생성 된 꾸준한 흐름과 동시에 사용할 수 있습니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

마이크로채널에서 액체 유량을 정밀하게 제어하는 것은 액적 생산 및 캡슐화1, 혼합2,3, 부유 입자 4,5,6,7 의 분류 및 조작과 같은 랩온어칩 응용 분야에 매우 중요합니다. 흐름 제어를 위해 주로 사용되는 방법은 고정 된 부피의 액체 또는 고정 된 체적 유량을 분배하는 고도로 제어 된 꾸준한 흐름을 생성하는 주사기 펌프이며, 종종 완전히 단방향 흐름으로 제한됩니다. 단방향 유동을 생성하기 위한 대안적인 전략은 중력 헤드(8), 모세관력(9), 또는 전기삼투압 흐름(10)을 사용하는 것을 포함한다. 프로그래밍 가능한 시린지 펌프는 유량 및 분배된 부피의 시간 의존적 양방향 제어를 허용하지만 시린지 펌프의 기계적 관성으로 인해 1초 이상의 응답 시간으로 제한됩니다.

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Protocol

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1. 신속한 프로토 타입 금형 설계 및 제작

  1. PC에서 AutoCAD를 엽니다. 작업 표시줄에서 파일을 선택한 다음 열기 를 선택하고 확장자가 있거나 .dxf 채널 몰드의 3차원(3D) 모델 파일을 찾아 클릭.dwg니다.
  2. 모델을 클릭하고 그 주위의 상자를 드래그하여 전체 모델을 선택합니다. 파일 |를 선택하여 설계를 .stl 파일로 내보냅니다. 내보내기, 다른 형식 및 드롭다운 상자에서 .stl을 선택합니다. 
  3. 파일을 Formlabs FORM3과 같은 고정밀 수지 입체 리소그래피(SLA) 프린터에 업로드합니다. 수지를 수지 챔버에 붓고 인쇄를 시작하고 가장 작은 z 축 단계 (Formlabs CLEAR 수지의 경우 25 미크론)로 금형을 생성합니다.
  4. 자동 부품 인쇄가 완료될 때까지 기다립니다.
    참고: 0.1mm의 작은 피처를 가진 몰드는 이러한 방식으로 제작할 수 있습니다.
  5. 수지로부터 일부를 제거한 후, 이를 이소프로판올에서 5분 동안 교반시켜 임의의 잔여 수지를 제거하였다.
  6. 금형을 공기 또는 질소 가스로 2 분 동안 건조시킵니다.<....

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

상기 설정의 능력 및 성능을 설명하기 위해, 정사각형 단면을 갖는 간단한 선형 마이크로채널에서의 진동 유동의 대표적인 결과가 제시된다. 채널의 폭과 높이는 110μm이고 길이는 5cm입니다. 먼저, 구형 폴리스티렌 트레이서 입자의 움직임과 이를 사용하여 진동 신호의 충실도와 달성 가능한 진동 진폭의 범위를 확인하는 방법에 대해 설명합니다. 그런 다음 특정 유체 특성 또는 미세 유체 물질이 진동 진폭에 미치는 영향에 대해 논의합니다. 마지막으로, 비정현파 파형에 대한 기능을 설명합니다.

비교를 위해, 우리는 다음과 같은 유체 특성, 채널 기하학 및 미세 유체 재료에 의해 참조 사례를 정의합니다. 작동 액체는 직경, d = 1 μm 및 밀도, ρ = 1.20 kg /m3을 갖는 트레이서 입자의 0.01 % 부피 분율을 갖는 탈이온수 (μ = 1.00 mPa.s)입니다. ρd2/18μ로 주어진 해당 입자 응답 시간은 70ns로, .......

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

우리는 미세 유체 장치에서 10 ~ 1000Hz 범위의 주파수를 갖는 진동 흐름을 생성하기 위한 외부 스피커 기반 장치의 어셈블리(프로토콜 중요 단계 3 및 4 참조) 및 작동(프로토콜 중요 단계 5 및 6 참조)을 시연했습니다. 정지 트레이서 입자의 입자 추적은 고조파 운동의 충실도를 결정하고 작동 주파수 범위에서 달성 가능한 진동 진폭의 범위를 교정하는 데 필요합니다. 주어진 볼륨 설정에 대한 진폭-주파수 곡선은 주로 변경할 수 없는 스피커의 특성에 따라 달라집니다(그림 3A,B의 대표 결과에서 스피커 특성에 대한 설명 참조). 그러나, 특정 채널 설계를 위해, 진동 진폭은 튜빙 특성, 액체 점도, 또는 이들의 조합을 적절히 변형시킴으로써 변형되고 튜닝될 수 있다. 예를 들어, 그림 4에서는 튜브 직경이 크거나 튜브 길이가 길수록 동일한 체적 설정에 대해 진동 진폭의 크기가 증가할 수 있음.......

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

우리는이 작업을 가능하게하기 위해 일리노이 대학의 기계 과학 및 공학 래피드 프로토 타이핑 연구소에서 제공 한 지원 및 시설을 인정하고 싶습니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Oscillatory Driver Assembly
Alligator-to-pin wireAdafruit3255작은 앨리게이터 클립-수 점퍼 와이어 (12)
Aux 케이블Adafruit26983.5mm 수/수 스테레오 케이블 1m
컨트롤러 칩DamgooTPA311650w+50w 2채널 오디오 증폭기(블루투스 및 AUX)
DC 어댑터Adafruit79812 V DC 1A 조절 스위칭 전원 어댑터
마이크로 피펫 팁VWR 시그니처37001-532200 ul 마이크로 피펫 팁
실리콘 실란트Loctite908570투명 실리콘 방수 실란트 (80 ml)
스피커Drok68439964.5 인치 4 옴 40 W 스피커
스피커 마운트보충 파일의 'speakermount.stl'에서 3D 프린팅
파일의 'speaketubeadapter.stl'에서 3D 프린팅스피커-튜브 어댑터
Microchannel Manufacture
Biopsy punchMiltex15110플런저가 있는 바이옵시 펀치 (1 - 4 mm)
탈기 장치
일회용 컵
일회용 숟가락
유리 슬라이드VWR 서명16004-4303 "x 1"사전 청소 1mm 두께
금형Si-SU-8 또는 3D 인쇄
오븐Fischer ScientificIsotemp
PDMS 수지 및 가교제Dow Chemical4019862Sylgard 184 PDMS 수지 및 가교제(500g)
폴리에틸렌 튜빙Becton Dickinson Intramedic427440폴리에틸렌 튜빙(PE 60 - PE 200)
면도날VWR55411-050단면 산업용 면도날
RF 플라즈마 발생기Electro-Technic ProductsBD-20고주파 발생기
실리콘 몰드 릴리스CRC03301식품 등급 실리콘 몰드 릴리스 (16 oz)
<강한>관찰 및 특성화
카메라EdgertronicSC2+
렌즈니콘플랜 플루어 10x
현미경니콘Ti 이클립스 수동 스테이지
바늘Becton Dickinson305175  PrecisionGlide 20G
주사기Becton Dickinson1180100555Monoject 1ml
주사기 펌프Harvard Apparatus이중 주사기 프로그래밍 가능한 주사기 펌프
추적기 입자SpherotechPP-10-10폴리스티렌 추적기 입자 1 um
추가 된

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Collins, J., Lee, A. P. Control of serial microfluidic droplet size gradient by step-wise ramping of flow rates. Microfluidics and Nanofluidics. 3, 19-25 (2007).
  2. Lee, C. Y., Chang, C. L., Wang, Y. N., Fu, L. M. Microfluidic Mixing: A Review. ....

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Oscillatory FlowMicrofluidic TechnologyMicrochannel OscillationSpeaker Based ApparatusHarmonic Oscillatory FlowSyringe PumpTracer ParticlesStroboscopic ImagingHigh Speed CameraParticle Displacement

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