Name: Szybki system dostarczania kropelkowy do pasywnego pompowania w urządzeniach mikroprzepływowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-09-02T11:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 22 s
Description: Poznaj metodę pasywnego pompowania w mikroprzepływowych urządzeniach biomedycznych z precyzyjnym dostarczaniem cieczy. System ten umożliwia automatyzację eksperymentów biologicznych przy niskich kosztach.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Finansowanie zostało zapewnione przez Wisconsin Institute of Discovery.

W niniejszym raporcie prezentujemy metodę dostarczania cieczy wykorzystującą napięcie powierzchniowe małych kropel do przepompowania pożądanej objętości przez kanał mikroprzepływowy w celu uzyskania szeregu różnych zjawisk płynowych. Na przykład użytkownik może chcieć przepływać jedną ciecz tak szybko, jak to możliwe, lub dostarczać wiele cieczy w szybkiej sekwencji, aby stworzyć określone wzory płynowe. Aby to osiągnąć, użytkownik musi najpierw opracować zastosowanie oparte na urządzeniu mikroprzepływowym. Urządzenie mikroprzepływowe nie musi być zbondowane, ale powinno być wykonane z materiału hydrofilowego. W związku z tym metodę tę można wykorzystać w niemal każdym urządzeniu mikroprzepływowym, przy czym wydajność jest w dużej mierze determinowana przez ograniczenia geometryczne kanału mikroprzepływowego. Aby ułatwić nawigację po ograniczeniach geometrycznych tej metody, w pierwszej kolejności przedstawiono wprowadzenie do odpowiedniej analizy numerycznej.
<ol>
<li>Metody analityczne: Zgodnie z prawem Laplace'a i prawem Washburna [1], szybkość przepływu w kanale mikrofluidycznym można powiązać z jego wymiarami oraz właściwościami płynącej cieczy, co przedstawiono w równaniu (1), <img src="/files/ftp_upload/1329/eqn1.png" alt="Równanie Younga-Laplace'a; równanie ciśnienia kapilarnego; ΔP=2γ/R=KQ; wzór z badań fizycznych." data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="equation 1">(1) gdzie ΔP to różnica ciśnień między wlotem a wylotem, γ to napięcie powierzchniowe cieczy, R to promień kropli na wlocie, Q to szybkość przepływu, a K to opór hydrauliczny opisany równaniem (2), <img src="/files/ftp_upload/1329/eqn2.png" alt="Równanie wydajności absorpcji światła; wzór matematyczny ze zmiennymi η, λ, h, w." data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="equation 2">(2) gdzie η to lepkość cieczy, L0 to długość kanału, h to wysokość kanału, w to szerokość kanału, λ=w/h oraz g (λ) =1,5 jeżeli λ &gt;4,45 lub <img src="/files/ftp_upload/1329/g_lambd.png" alt="Równanie analizy równowagi statycznej: g(λ)=(1+λ)²/λ²." data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="symbol 6"> jeżeli λ &lt; 4,45. Po podstawieniu równania (2) do równania (1), przy założeniu, że h&lt;w, i rozwiązaniu względem Q, otrzymuje się równanie (3), (3)<img src="/files/ftp_upload/1329/eqn3.png" alt="Q=γwh³/(4RL₀ηg(λ)) równanie dynamiki płynów; analiza właściwości mechanicznych." data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="equation 3"> Tę samą analizę można przeprowadzić dla prędkości płynu wewnątrz kanału, wiedząc, że Q=VA, gdzie V to średnia prędkość płynu, a A to pole przekroju poprzecznego, czyli hw. Podstawiając te wartości do równania (3), otrzymuje się równanie (4), (4)<img src="/files/ftp_upload/1329/eqn4.png" alt="Równanie objętości w optycznej analizie cząstek; schemat badań absorpcyjnych." data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="equation 4"> Ważnym pojęciem mechanicznym często stosowanym w biologii mikrofluidycznej jest naprężenie ścinające, które wiąże się z szybkością przepływu i prędkością zgodnie z równaniem (5), (5)<img src="/files/ftp_upload/1329/eqn5.png" alt="τ=6μQ/(wh²)=6μV/h wzór; analiza równowagi statycznej; równanie naukowe" data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="Equation 5"> Znajomość zależności między szybkością przepływu, prędkością i ich fizycznymi skutkami jako funkcją wymiarów kanału i właściwości płynu jest kluczowa przy projektowaniu urządzenia mikrofluidycznego do określonego celu. Po stworzeniu urządzenia użytkownik musi skalibrować system dozowania płynów, aby uzyskać pożądane charakterystyki przepływu wewnątrz urządzenia.</li>
<li>Kroki konfiguracji i kalibracji systemu dozowania:
<ol>
<li>Stworzyć urządzenie mikrofluidyczne metodą soft-litografii przy użyciu polidimetylosiloksanu (PDMS, Sylgard 184, Dow Corning) [2]. W JoVE znajduje się szereg artykułów ilustrujących metody wytwarzania urządzeń mikrofluidycznych z PDMS [5]. W tej demonstracji wybraliśmy prosty kanał prosty o następujących wymiarach: szerokość 2,2mm, długość 10mm i wysokość 260µm. Średnice wlotu i wylotu wynoszą odpowiednio 1,8mm i 5,1mm (rycina 1). Odwracalnie przymocować urządzenie z PDMS do szkiełka przedmiotowego poprzez dociśnięcie go do szkiełka (lub innego odpowiedniego podłoża) i usunięcie pęcherzyków powietrza [5]. Odwracalne mocowanie umożliwia wielokrotne wykorzystanie urządzenia. Metodę tę można stosować również w przypadku urządzeń trwale związanych, choć nie jest to wymagane.</li>
<li>Wypełnić urządzenie cieczą. Hydrofobowy charakter PDMS oraz hydrofilowy charakter szkła ułatwiają przemieszczenie kropli umieszczonej na wlocie lub wylocie do wnętrza kanału. Jeśli kropla cieczy nie przemieszcza się do kanału samoistnie lub jeśli do kanału dostaną się pęcherzyki, użytkownik może nałożyć kroplę cieczy na wlocie lub wylocie i użyć pipety na przeciwległym końcu, aby zassać ciecz przez kanał. Inną metodą ułatwiającą wprowadzanie cieczy do kanału jest oddzielenie urządzenia z PDMS od szkiełka i delikatne oczyszczenie obu elementów etanolem. Przywraca to PDMS-owi i szkiełku ich odpowiednio hydrofobowe i hydrofilowe właściwości, które mogły ulec osłabieniu w czasie i w wyniku użytkowania.</li>
<li>Po wypełnieniu urządzenia cieczą, umieścić małą kroplę na wlocie i większą kroplę na wylocie. Upewnić się, że zachodzi pompowanie pasywne, obserwując zapadanie się małej kropli na wlocie oraz przepływ cieczy w stronę wylotu. Ponownie sprawdzić, czy wewnątrz kanału nie ma pęcherzyków.</li>
<li>Używając zestawu startowego do mikrodozowania VHS firmy The Lee Company [3], złożyć jeden lub więcej zaworów (konfiguracja zaworów na rycini 2) składających się z zaworu Lee VHS M/2 24 Volt, dysz 0,062 MINSTAC o rozmiarze otworu 0,0100", adaptera Lee 0,062 Minstac do miękkich rurek, sterownika Lee Spike and Hold (do sterowania przez użytkownika, niewidoczny na rysunku) oraz zestawu przewodów prowadzących (łączących zawór ze sterownikiem Spike and Hold, niewidoczny na rysunku).</li>
<li>Łatwym sposobem mocowania zaworów jest użycie miniaturowych uchwytów Bioscience tools (rycina 2) [4]. Umożliwiają one precyzyjne celowanie i utrzymywanie zaworu w określonej pozycji podczas eksperymentu poprzez przyklejenie zaworu do jednego końca uchwytu i zastosowanie podstawy magnetycznej (niewidocznej na rysunku) po drugiej stronie.</li>
<li>Przygotować system zbiorników, który zostanie umieszczony kilka stóp nad urządzeniem mikrofluidycznym z PDMS (w naszym przypadku użyliśmy strzykawek o pojemności ¾ uncji otwartych do otoczenia, patrz rycina 2). Zbiornik zapewnia wysokość ciśnienia napędzającą dysze, przy czym ciśnienie jest proporcjonalne do wysokości zbiornika. Alternatywnie zawory dysz mogą być poddawane ciśnieniu za pomocą różnych metod (np. sprężonego gazu). Do strzykawki przymocować igłę. Typowa igła strzykawki łatwo dopasowuje się do rurki o średnicy wewnętrznej 1,14 mm. Rurka 1,14 mm łatwo łączy się z rurką o średnicy wewnętrznej 1,58 mm (1/16”), która następnie łączy się z „Soft Tube Adapter” zaworu. Aby zapobiec wyciekom cieczy w połączeniu rurek 1,14 mm i 1,58 mm, można zastosować PDMS jako uszczelniacz. Po utworzeniu linii między igłą strzykawki a zaworem firmy Lee Co., wypełnić zbiorniki w strzykawkach cieczą. Dodatkowa strzykawka i zawór mogą pomóc w procesie odpowietrzania (pokazane, ale nieopisane na rycini 2). Przyłożyć magnes do boku zaworu; w ten sposób odpowietrza się te zawory (są to normalnie zamknięte zawory elektromagnetyczne) i obserwować, jak ciecz zaczyna płynąć ze zbiornika przez zawór i wypływać przez dyszę 0,0100’’.</li>
<li>Skalibrować system, wybierając czas otwarcia zaworu (czas otwarcia to czas, w którym zawór przepuszcza ciecz w jednym impulsie) oraz częstotliwość (liczba impulsów na sekundę). Aktywować jeden zawór przez wybrany okres (około minuty, należy zapamiętać całkowity czas pracy). Zważyć ciecz dostarczoną przez zawór. Znając całkowity czas pracy, częstotliwość i czas otwarcia na impuls, obliczyć masę w gramach na milisekundę wyrzucaną z zaworu. Ta wartość „gramów na milisekundę” pozwoli dobrać czas otwarcia dla dowolnej objętości, jaką użytkownik chce dostarczyć z zaworu.</li>
</ol>
</li>
</ol>
Przykład: System aktywowany przez minutę (60 sekund). Częstotliwość wynosiła 15 Hz (15 impulsów w jednej sekundzie). Czas otwarcia na pojedynczy impuls wynosił 20 milisekund (ms).
(20ms)(15Hz)(60s)=18000ms.
Oznacza to, że z 60 000 ms w ciągu jednej minuty zawór był faktycznie otwarty przez 18 000 ms. Przyjmijmy, że masa podanego płynu wynosiła 5 gramów. Wówczas
5 g / 18000 ms = 2,78e-4 g/ms.
W przypadku wody, której gęstość wynosi 1 g/mL,
2,78e-4 g/ms = 2,78e-4 mL/ms.
Po kalibracji objętość kropli zależy od czasu otwarcia. Na przykład przy czasie otwarcia wynoszącym 20ms, przy zachowaniu wszystkich parametrów takich samych jak w poprzednim przykładzie,
(2,78e-4 mL/ms)(20 ms) = 5,56e-3 mL = 5,56 μL.
Aby wyznaczyć czas otwarcia y niezbędny do utworzenia kropli o objętości x mikrolitrów (μL),
(x μL) / [(2,78e-4 mL/ms)(1000 μL/mL)] = y ms
8) Skieruj jedną lub więcej dysz do wlotu urządzenia PDMS (rycina 3). Po skalibrowaniu systemu oblicz objętość wypływającą z każdego zaworu na podstawie wymiarów urządzenia mikrofluidycznego. W przypadku pasywnego pompowania z dużą prędkością (w celu uzyskania maksymalnego natężenia przepływu), oblicz objętość kropli wlotowej niezbędną do utworzenia kropli, która tworzy kąt zwilżania 90deg z powierzchnią wlotową [2]. W celu tworzenia pakietów oblicz częstotliwość i czasy otwarcia zaworów oraz timingi zaworów niezbędne do sekwencyjnej aktywacji dwóch zaworów. Jak pokazano na rycini 3, dwie dysze mogą być skierowane na wlot. Można to rozszerzyć na wiele dysz, wszystkie skierowane do wlotu kanału.
Reprezentatywne wyniki:
Po prawidłowej kalibracji, przy poprawnie obliczonych czasach otwarcia zaworu i odpowiednim skierowaniu dysz na wlot, użytkownik powinien zaobserwować przepływ pompowany pasywnie (rycina 4). Z zaworu powinien wydostać się strumień cieczy, który dotrze do wlotu. W momencie dotarcia cieczy do wlotu następuje natychmiastowe zapadnięcie się kropli wlotowej do kanału, w kierunku wylotu. Ciecz wewnątrz kanału przemieszcza się wyłącznie podczas zapadania się kropli wlotowej. Całkowity ruch płynu w kanale ustaje z końcem zapadania się kropli, co zapewnia natychmiastowe zatrzymanie płynu i dobrze zdefiniowane granice fluidyczne (w przypadku przepływu wielu cieczy). Czas zapadania się kropli zależy od promienia otworu wlotowego oraz objętości kropli wlotowej [1]. W naszej konfiguracji i konstrukcji eksperymentalnej zapadanie się kropli wlotowej następuje w ciągu kilku milisekund.
<img border="0" src="/files/ftp_upload/1329/figure1tmb.jpg" alt="Schemat koalescencji kropel; badanie dynamiki cieczy; eksperyment mikrofluidyczny na szkiełku przedmiotowym." data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="Rysunek 1"> Rysunek 1. Mikrofluidyczne urządzenie z PDMS z jednym wlotem po lewej i jednym wylotem po prawej stronie. Prosimy <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1329/figure1.jpg">kliknąć tutaj</a>, aby zobaczyć większą wersję rysunku 1.
<img border="0" src="/files/ftp_upload/1329/figure2tmb.jpg" alt="Schemat zestawu strzykawki z zaworem, zbiornikiem, igłą i cewką do zastosowań w narzędziach nauk biologicznych." data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="Rysunek 2"> Rysunek 2. System zbiornika i konfiguracja zaworu. Prosimy <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1329/figure2.jpg">kliknąć tutaj</a>, aby zobaczyć powiększoną wersję rysunku 2.
<img border="0" src="/files/ftp_upload/1329/figure3tmb.jpg" alt="Analiza elektrochemiczna za pomocą mikroelektrod na kropli cieczy; układ do pomiaru przewodnictwa." data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="Rysunek 3"> Rysunek 3. Dwa zawory, oba skierowane do jednego wlotu urządzenia mikrofluidycznego. Prosimy <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1329/figure3.jpg">kliknąć tutaj</a>, aby zobaczyć powiększoną wersję rysunku 3.
<img border="0" src="/files/ftp_upload/1329/figure4tmb.jpg" alt="Dynamika sekwencyjnego uderzania kropel o powierzchnię; seria obrazów wysokiej prędkości; analiza oddziaływań płynów." data-altupdatedat="1761735611000" data-alt="Rysunek 4"> Rysunek 4. Sekwencja kroków czasowych (33 milisekundy) zapadania się kropli wlotowej po wyrzuceniu płynu z zaworu. Prosimy <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1329/figure4.jpg">kliknąć tutaj</a>, aby zobaczyć powiększoną wersję rysunku 4.

<ol><li>Berthier, E., Beebe, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow+rate+analysis+of+a+tension+driven+passive+micropump%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Flow rate analysis of a tension driven passive micropump.</a> Lab Chip. 7, 1475-1478 (2007).</li>
<li>Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+Prototyping+of+Microfluidic+Systems+in+Poly%28dimethylsiloxane%29%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane).</a> Anal. Chem. 70, 4974-4984 (1998).</li>
<li>Harris, J., Lee, H., Vahidi, B., Tu, C., Cribbs, D., Cotman, C., NL, J. eon <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-plasma+Bonding+of+PDMS+for+Inexpensive+Fabrication+of+Microfluidic+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Non-plasma Bonding of PDMS for Inexpensive Fabrication of Microfluidic Devices.</a> J Vis Exp. (9), (2007).</li>
<li>Walker, G. M., Beebe, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+passive+pumping+method+for+microfluidic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">A passive pumping method for microfluidic devices.</a> Lab Chip. 2 (3), 131-134 (2002).</li>
</ol>

<ol>
<li>W przypadku wysokoprzepływowego pompowania pasywnego, przy wyborze odpowiedniej kombinacji częstotliwości i objętości pojedynczego impulsu (wynikającej z poprawnego czasu otwarcia), użytkownik powinien zaobserwować efekt przypominający statyczną kroplę lub otoczkę na wlocie oraz bardzo wysoką prędkość przepływu wewnątrz kanału. Jeśli występuje przelewanie, oznacza to, że czas otwarcia i/lub częstotliwość są zbyt wysokie.</li>
<li>Aby wykryć oddziaływania między pędem a napięciem powierzchniowym, użytkownik powinien pompować jeden impul...

<table><tbody><tr><td>Baza elastomeru silikonowego Sylgard 184</td><td>Dow Corning</td><td>Karta Charakterystyki Nr: 01064291</td><td></td></tr><tr><td>Utwardzacz elastomeru silikonowego Sylgard 184</td><td>Dow Corning</td><td>Karta charakterystyki nr: 01064291</td><td></td></tr><tr><td>Zestaw startowy do mikrodozowania VHS</td><td>The Lee Company</td><td>IKTX0322000A</td><td></td></tr><tr><td>Uchwyty miniaturowe</td><td>Narzędzia biotechnologiczne</td><td>MH-2</td><td></td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments</td><td></td><td>System sterowania</td></tr><tr><td>przewód o średnicy wewnętrznej 1,14 mm</td><td>Scientific Commodities Inc.</td><td>BB31695-PE/7</td><td></td></tr><tr><td>przewód o średnicy wewnętrznej 1,57 mm</td><td>Scientific Commodities Inc.</td><td>BB31695-PE/10</td><td></td></tr><tr><td>20 ml BD&amp;#8482; Strzykawka z końcówką Luer-Lok, niesterylna</td><td>BD Biosciences</td><td>301032</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;ol&gt;&lt;li&gt;&lt;a href=&quot;http://www.theleeco.com&quot;&gt;http://www.theleeco.com&lt;/a&gt;.&lt;/li&gt;&lt;li&gt;&lt;a href=&quot;http://www.biosciencetools.com/Catalog/mHolders.htm&quot;&gt;http://www.biosciencetools.com/Catalog/mHolders.htm&lt;/a&gt;.&lt;/li&gt;&lt;/ol&gt;</td></tr></tbody></table>

szybki system dostarczania oparty na kropelkach do pompowania pasywnego w urządzeniach mikroprzepływowych

High Speed Droplet-based Delivery System for Passive Pumping in Microfluidic Devices

Opracowano nowy system mikrofluidyczny, który wykorzystuje zjawisko pompowania pasywnego wraz z kontrolowanym przez użytkownika systemem dostarczania płynów opartym na kropelkach. Pompowanie pasywne to zjawisko, w którym różnice ciśnień wywołane napięciem powierzchniowym napędzają ruch cieczy w zamkniętych kanałach. Zautomatyzowany system dostarczania płynów składa się z zestawu zaworów sterowanych napięciem z mikrodyszami, podłączonych do zbiornika z cieczą oraz systemu sterowania. Zawory sterowane napięciem umożliwiają wolumetrycznie precyzyjne dostarczanie kropelek cieczy do wlotu urządzenia mikrofluidycznego z wysoką częstotliwością. W oparciu o wymiary przedstawione w przykładzie w niniejszym badaniu, system jest w stanie przepływać 4 mililitry na minutę (przez kanał o przekroju 2,2 mm na 260 µm). Przy tych samych wymiarach kanału wymiana cieczy w punkcie wewnątrz kanału może zostać osiągnięta w czasie tak krótkim, jak osiem milisekund. Zaobserwowano współzależność między pędem układu (nadanym przez kombinację kropelek tworzonych przez zawory i prędkość cieczy w kanale) a napięciem powierzchniowym cieczy. Podczas gdy pęd nadaje prędkość przepływowi cieczy (lub odwrotnie), wyrównanie napięcia powierzchniowego na wlocie powoduje nagłe zatrzymanie każdego przepływu. To gwałtowne zatrzymanie pozwala użytkownikowi kontrolować charakterystykę przepływu w kanale i otwiera drogę do różnorodnych zastosowań biologicznych, od dostarczania odczynników po badania nad oddziaływaniem leków na komórki. Zaobserwowano również, że gdy dysze są skierowane na wlot pod niewielkimi kątami, pęd kropelek może powodować dodatkowe interesujące zjawiska fluidalne, takie jak mieszanie się wielu kropelek w wlocie.

Opracowano nowy system mikrofluidyczny wykorzystujący zjawisko pompowania pasywnego oraz sterowany przez użytkownika system dostarczania płynów. Ze względu na niski koszt, łatwość obsługi, precyzję objętościową, wysoką prędkość, powtarzalność i automatyzację, system mikrofluidyczny ten ma potencjał do zastosowania w szerokim zakresie aplikacji biologicznych.

Szybki system dostarczania oparty na kropelkach do pompowania pasywnego w urządzeniach mikroprzepływowych

Opracowano nowatorski system mikrofluidyczny, który wykorzystuje zjawisko pompowania pasywnego wraz z kontrolowanym przez użytkownika dostarczaniem cieczy w postaci kropli...

Pompowanie pasywne wymaga umieszczenia dużej kropli przy wylocie i małej przy wlocie. Wywoła to różnicę ciśnień niezbędną do wymuszenia przepływu. Naprzemienne krople różnych cieczy spowodują przemieszczanie się pakietów w kanale, które ostatecznie zostaną zebrane przy wylocie.Wysokie przepływy można osiągnąć poprzez dostarczanie kropli o małej objętości z częstotliwością wystarczająco wysoką, aby uzyskać stabilną powłokę płynu na wlocie. Cześć, jestem Pedro Reto z laboratorium Justina Williamsa w Katedrze Inżynierii Biomedycznej na University of Wisconsin Medicine. A ja jestem Brian Mogan, również z laboratorium Williamsa.Jestem Aaron Burier z laboratorium profesora S, również z wydziału inżynierii biomedycznej w W Medicine. Dzisiaj zaprezentujemy procedurę pompowania pasywnego w urządzeniach mikrofluidycznych. W naszym laboratorium stosujemy tę procedurę do badania przepływu w mikrokanałach oraz wymiany fluidycznej wewnątrz kanału w zastosowaniach biologicznych.Zacznijmy zatem. Najpierw, wykorzystując technikę miękkiej litografii, stwórz urządzenie mikrofluidyczne z polidimetylosiloksanu. Następnie wytnij urządzenie, a potem odwróć je.Przymocuj urządzenie PDMS do szkiełka przedmiotowego, dociskając je i usuwając pęcherzyki powietrza. Odwracalny sposób mocowania umożliwia wielokrotne wykorzystanie urządzenia. Następnie napełnij urządzenie cieczą.Używamy wody z barwnikiem spożywczym. Jeśli ciecz nie wpłynie do kanału samoistnie, należy nanieść kroplę cieczy na wlot i użyć pipety na przeciwległym końcu, aby zassać ciecz przez kanał. Po napełnieniu urządzenia cieczą, należy umieścić małą kroplę na wlocie i większą kroplę na wylocie.Upewnij się, że ciecz przepływa, obserwując zapadanie się małej kropli przy wlocie, podczas gdy kropla przy wylocie powiększa się. Zanim przejdziemy dalej, wyjaśnijmy podstawowe zależności dotyczące pompowania pasywnego. Dynamika pompowanych kropli zależy od kilku czynników: wymiarów kanału, w tym jego wysokości i długości, oraz wielkości kropli umieszczonej przy wlocie.Aby lepiej zobrazować wpływ tych czynników na przepływ, przedstawimy kilka przykładów. Zacznijmy od dwóch podobnych kanałów. Mają one taką samą szerokość i wysokość, lecz jeden z nich jest dłuższy od drugiego.Teraz umieszczamy krople tej samej wielkości przy wlocie każdego kanału. Zwróćmy uwagę, że kropla przy wlocie do krótszego kanału zapada się szybciej niż kropla przy wlocie do kanału dłuższego. Dzieje się tak, ponieważ dłuższy kanał wykazuje większy opór hydrauliczny, a przepływ w jego wnętrzu jest wolniejszy.Następnie przyjrzyjmy się dwóm kolejnym kanałom o tej samej długości i wysokości, ale różnej szerokości. Umieśćmy identyczne krople na wlocie każdego kanału i zaobserwujmy ich zapadanie się. Zauważ, że w węższym kanale zapadanie się kropli wlotowej trwa dłużej?Dzieje się tak, ponieważ węższy kanał wykazuje większy opór hydrauliczny niż kanał szerszy. Na koniec weźmy dwa identyczne kanały i umieśćmy krople o różnych rozmiarach na wlocie każdego z nich. Zauważmy, że większa kropla wlotowa zapada się dłużej niż mniejsza kropla wlotowa.Dzieje się tak, ponieważ mniejsza kropla ma mniejszą objętość i większe ciśnienie wewnętrzne niż kropla większa. Wiedząc, że mniejsze krople są korzystniejsze od większych, oraz obserwując, jak szybko mogą one ulec zapadnięciu, stawiamy teraz pytanie, w jaki sposób dostarczyć objętościowo precyzyjne krople do wlotu kanału, aby umożliwić przeprowadzenie eksperymentów biologicznych.Używając zestawu startowego do mikrodozowania firmy Lee Company, należy złożyć jeden lub więcej zaworów, z których każdy składa się z zaworu wol, dyszy o rozmiarze otworu 0,0100 cala oraz adaptera do miękkiego wężyka. W tym miejscu mamy zawór połączony z modułem sterującym za pomocą złączy zaworowych, co wykonaliśmy w poprzednim kroku. Następnie mamy źródło napięcia impulsowego, którym jest ten przewód tutaj.Następnie mamy źródło napięcia kontrolnego, a po nim źródło napięcia podtrzymującego. I na koniec, w połączeniu z masą, aby utrzymać zawory na miejscu podczas celowania w wlot. Należy użyć miniaturowych uchwytów firmy bioscience tools.Umożliwiają one precyzyjne celowanie i utrzymywanie zaworu w określonej pozycji. Podczas przeprowadzania eksperymentu, używając strzykawek o pojemności three quarter ounce, należy stworzyć system zbiorników, które zostaną umieszczone kilka stóp nad urządzeniem PDMS. Zbiornik zapewnia ciśnienie hydrostatyczne niezbędne do zasilania dysz.Przymocuj igłę do strzykawki. Następnie połącz igłę strzykawki z rurką o średnicy wewnętrznej 1,14 mm, a ją z kolei z rurką o średnicy wewnętrznej 1,58 mm. Jako uszczelniacz zastosuj PDMS.Teraz podłącz rurkę o średnicy wewnętrznej 1,58 mm do adaptera miękkiego wężyka zaworu. Po ustanowieniu połączenia między igłą strzykawki a zaworem, napełnij zbiorniki strzykawki cieczą, aby przepłukać zawory i umożliwić napełnienie rurek wodą. Umieść magnes z boku zaworu i obserwuj, jak ciecz zaczyna przepływać ze zbiornika przez zawór i wypływać przez dyszę o średnicy 0,01 cala.System ten sterujemy za pomocą komputera z wykorzystaniem oprogramowania LabVIEW oraz sterownika impulsu i podtrzymania (spike and hold control box) firmy Lee Company. Aby skalibrować system, należy skierować jeden zawór do szalki Petriego lub łódki wagowej. Następnie otwiera się zawór na wybrany czas i waży całkowitą objętość wody wypływającej z dyszy.Podziel tę objętość przez całkowity czas otwarcia systemu. Kalibracja ta pozwala użytkownikowi wyznaczyć objętość wody wyrzucanej z dyszy w dowolnym przedziale czasu. Po skalibrowaniu systemu skieruj dyszę do wlotu kanału i, w oparciu o przeprowadzoną kalibrację, wyrzuć taką objętość, aby kropla trafiła do wlotu kanału, będąc jednocześnie wystarczająco mała, by nie powodować zanieczyszczeń, i wystarczająco duża, by była zauważalna.Pamiętaj o usuwaniu pęcherzyków powietrza pomiędzy eksperymentami. Teraz, gdy podstawowe zasady pompowania pasywnego zostały omówione, a kalibracja systemu wyjaśniona, przyjrzyjmy się temu, co użytkownik powinien zaobserwować przy prawidłowym przebiegu procesu. Następujący film przedstawia przepływ przez kanał mikrofluidyczny, przechodząc od większych objętości przy niższych częstotliwościach do małych objętości przy wysokich częstotliwościach.Powinno to przybliżyć użytkownikowi możliwości pompowania wstecznego wraz z zautomatyzowanym systemem dozowania płynów. Wymiary urządzenia wykorzystanego w poniższych materiałach wideo to 2.22 millimeter szerokości, 10 millimeter długości i 260 micrometer wysokości. Średnice wlotu i wylotu wynoszą odpowiednio 1.78 millimeter i 5.11 millimeter.Do wytworzenia przepływów naprzemiennych, przedstawionych powyżej, niezbędne są dwa lub więcej zawory. W dalszej części znajduje się film prezentujący maksymalny przepływ możliwy do uzyskania z obecnie używanego urządzenia. W tym przypadku do podawania cieczy wykorzystano pojedynczy zawór.Aby zachować równowagę systemu, ważne jest, aby skierować zawór bezpośrednio nad wlot. Należy zwrócić uwagę na kształt kropli tworzącej się w miejscu wlotu. Reprezentuje ona stałe ciśnienie utrzymywane poprzez dostarczanie wody do wlotu z prędkością równą maksymalnej wydajności pasywnego pompowania urządzenia.Zauważmy również, że w pewnym momencie kropla wlotowa przelewa się. Jest to najprawdopodobniej spowodowane zaburzeniem kropli wylotowej. Poprzez usunięcie nadmiaru cieczy we wlocie układ powraca do stanu równowagi i przepływ zostaje wznowiony.Właśnie zaprezentowaliśmy sposób konfiguracji, kalibracji i obsługi pasywnego systemu pompowego z wykorzystaniem komercyjnie dostępnych mikrodysz. Podczas przeprowadzania tych eksperymentów zawsze należy pamiętać o zapewnieniu stabilnego źródła ciśnienia, aby uniknąć przedostawania się pęcherzyków powietrza do kanału, a także o uwzględnieniu kompromisów między geometrią kanału a rozmiarem kropli w celu uzyskania pożądanych przepływów i wymian. Należy dbać o to, aby kropla wylotowa nie stała się zbyt duża, co mogłoby doprowadzić do rozlania cieczy lub jej dotarcia do wlotu, oraz utrzymywać urządzenia z PDMS w czystości i suchości.To już wszystko. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w przeprowadzaniu eksperymentów.

high-speed-droplet-based-delivery-system-for-passive-pumping

Research

JoVE Journal

Biology

Biologia

System dostarczania oparty na kroplkach o wysokiej prędkości do pasywnego pompowania w mikrofluidalnych urządzeniach

Mikrofluidyczne platformy kropelkowe są obiecującymi narzędziami do eksperymentów wysokoprzepustowych, ponieważ umożliwiają one niskokosztowe generowanie piko-litrowych, samoczynnie odseparowanych komór z częstotliwością rzędu kHz. Dzięki integracji z szybkimi, czułymi i wysokorozdzielczymi metodami spektroskopii fluorescencyjnej, duże ilości informacji generowanych w tych systemach mogą być efektywnie wydobywane, przetwarzane i wykorzystywane.

Metody detekcji fluorescencyjnej dla mikroprzepływowych platform kroplkowych

Łącząc generowanie monodyspersyjnych kropli z inercyjnym porządkowaniem komórek i cząsteczek, opisujemy metodę enkapsulacji pożądanej liczby komórek lub cząsteczek w pojedynczej kropli z częstotliwością rzędu kHz. Wykazujemy wydajność dwukrotnie przekraczającą wydajność enkapsulacji nieuporządkowanej w przypadku kropli z jedną lub dwiema cząsteczkami.

Wysokoprzepustowa mikroenkapsulacja pojedynczych komórek i wielu komórek

Opracowaliśmy technikę pikoiniekcji kropli mikroprzepływowych, która nie wymaga metalowych elektrod. W związku z tym urządzenia wykorzystujące naszą technikę są prostsze w produkcji i obsłudze.

Pikoiniekcja kropli mikroprzepływowych bez elektrod metalowych

Opisano protokół produkcji i obsługi urządzeń do odwadniania pól (Field-DW), a także wstępne badania wpływu pól elektrycznych na zawartość kropel.

Wykorzystanie zmniejszonej interakcji kropelka-powierzchnia w celu optymalizacji transportu bioanalitów w cyfrowej mikrofluidyce

Prezentujemy dyskretny system wprowadzania próbek kropel do spektrometrii mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICPMS). Opiera się na tanim i jednorazowym chipie mikroprzepływowym, który generuje wysoce monodyspersyjne kropelki w zakresie wielkości 40−60 μm przy częstotliwościach od 90 do 7 000 Hz.

Układ mikroprzepływowy do próbki ICPMS Wprowadzenie

Tutaj demonstrujemy prostą metodę produkcji mikrokropelek o kontrolowanej wielkości, monodyspersyjnych, typu woda w oleju (W/O) za pomocą kapilarnego odśrodkowego urządzenia mikroprzepływowego. Metoda ta wymaga jedynie niewielkiej objętości próbki i umożliwia produkcję o wysokiej wydajności. Spodziewamy się, że ta metoda będzie przydatna do szybkich analiz biochemicznych i komórkowych.

Kapilarne odśrodkowe urządzenie mikroprzepływowe do formowania mikrokropel monodyspersyjnych o kontrolowanej wielkości

Wykazano, że urządzenie do współprzepływu z inwersją faz generuje monodyspersyjne kropelki o wysokiej lepkości powyżej 1 Pas, co jest trudne do zrealizowania w mikroprzepływach kropelkowych.

Wytwarzanie kropelek o wysokiej lepkości za pomocą mikroprzepływowego urządzenia kapilarnego ze strukturą współprzepływu z inwersją faz

Ten artykuł przedstawia protokół do zasiewania rzadkiej populacji komórek za pomocą końcówek pipet do kropelkowych urządzeń mikroprzepływowych w celu zapewnienia wyższej efektywności enkapsulacji komórek w kropelkach.

Metoda oparta na końcówkach pipet do wysiewu komórek do kropelkowych platform mikroprzepływowych

Obecny protokół opisuje pneumatyczną platformę mikroprzepływową, która może być używana do efektywnego koncentracji mikrocząstek.

Pneumatycznie napędzana platforma mikroprzepływowa do zagęszczania mikrocząstek

Prezentacja dwuwarstwowego urządzenia opartego na polidimetylosiloksanie (PDMS) do produkcji bibliotek kombinatorycznych w emulsjach (korkach) typu woda w oleju jest przedstawiona. Niezbędny sprzęt i oprogramowanie wymagane do automatyzacji produkcji zatyczek jest szczegółowo opisane w protokole, a także pokazano produkcję ilościowej biblioteki zatyczek fluorescencyjnych.

Dwuwarstwowe urządzenie mikroprzepływowe do kombinatorycznej produkcji korków

Poznaj metodę pasywnego pompowania w mikroprzepływowych urządzeniach biomedycznych z precyzyjnym dostarczaniem cieczy. System ten umożliwia automatyzację eksperymentów biologicznych przy niskich kosztach.

Szybki system dostarczania oparty na kropelkach do pompowania pasywnego w urządzeniach mikroprzepływowych

Przeglądaj więcej filmów