Montaż i charakterystyka zewnętrznego sterownika do generowania subkilohercowego przepływu oscylacyjnego w mikrokanałach

Nasza technika umożliwia biologom i chemikom korzystanie z mikrofluidyki przepływy oscylacyjne. To urządzenie jest szybkie w montażu, łatwe w użyciu i jest metodą typu plug and play do wytwarzania przepływów oscylacyjnych o wysokiej wierności. Procedurę zademonstruje Giridar Vishwanathan, doktorant z mojego laboratorium.

Aby rozpocząć, clamp końcówki zacisku krokodylkowego pary aligatora, aby przypiąć przewody do zacisków 15-watowego głośnika z ośmiocentymetrowym stożkiem. Umieść układ kontrolera aux na elemencie izolacyjnym. Włóż końcówki pinów do gniazd śrubowych układu aux.

Dokręć śrubokrętem, aby zapewnić łączność. Podłącz jeden koniec aux do układu kontrolera, a drugi koniec do portu aux w komputerze. Podłącz zasilacz prądu stałego 12 V do zasilania.

Włącz układ kontrolera, podłączając koncentryczną końcówkę zasilacza prądu stałego do gniazdka elektrycznego. Korzystając z przeglądarki internetowej, przejdź do witryny internetowego generatora tonów. Wpisz żądaną częstotliwość w zakresie od 5 do 1200 Hz w aplikacji online i przewiń pasek głośności do wymaganej wartości.

Kliknij symbol generatora typów fal i wybierz żądaną formę fali, taką jak znak, kwadrat, trójkąt lub piłokształtny. Ustawieniem domyślnym jest formularz fali znaku. Naciśnij przycisk Odtwórz, aby uruchomić głośnik.

Przyklej głośnik i chip kontrolera do wydrukowanego w 3D kopca głośnika w celu umieszczenia na stoliku mikroskopu. Umieść wydrukowany w 3D adapter koncentrycznie na stożku głośnika. Nałóż obficie uszczelniacz silikonowy wzdłuż krawędzi adaptera i pozostaw do utwardzenia na dwie godziny.

Odetnij końcówkę mikropipety o pojemności 200 mikrolitrów około dwóch centymetrów od jej wąskiego końca i umieść szerszą połowę końcówki w miejscu, w którym wąska stożkowa końcówka będzie służyć jako uszczelnienie klinowe do odwracalnego mocowania. Podłącz rurkę polietylenową do wyjścia mikrokanału, najpierw przewlekając ją przez końcówkę mikropipety, a następnie przez koncentryczny koniec adaptera, a na końcu wyprowadzając go z boku. Mocno wciśnij wąską końcówkę końcówki pipety w koncentryczną końcówkę adaptera, aby uzyskać odłączane szczelne uszczelnienie.

Dodaj cząstki znacznikowe do fiolki z 22% wagowo roztworem glicerolu, aby uzyskać neutralnie wyporną zawiesinę o ułamku objętościowym od 0,01% do 0,1% polistyrenu w płynie w temperaturze 20 stopni Celsjusza. Mieszać energicznie, wstrząsając, aby uzyskać jednorodną zawiesinę. Załadować strzykawkę wlotową o pojemności jednego mililitra z jednym mililitrem próbki.

Usyp i przymocuj załadowaną strzykawkę do automatycznej pompy strzykawkowej. Włóż igłę strzykawki do rurki wlotowej urządzenia, aby uzyskać wodoszczelne uszczelnienie. Upewnij się, że rurka wylotowa jest przepuszczona przez zespół adaptera i do zbiornika.

Włącz pompę strzykawkową, za pomocą ekranu dotykowego wybierz typ strzykawki jako Becton-Dickinson 1 ml, a następnie wybierz Infuse. Następnie wybierz żądane natężenie przepływu objętości przepływu. Zainicjuj stały przepływ za pomocą pompy strzykawkowej.

Poczekaj, aż rurka wylotowa zostanie napełniona płynem aż do głośnika. Wybierz wymaganą amplitudę częstotliwości i kształt fali w aplikacji generatora tonów, a następnie naciśnij Play, aby wygenerować przepływ oscylacyjny wewnątrz mikrokanału. Zamontuj urządzenie na mikroskopie.

Skonfiguruj konfigurację optyczną, wybierając soczewkę obiektywu o powiększeniu od 10X do 40X, a następnie dostosowując płaszczyznę ogniskowej i ustawiając stolik. Aby uzyskać pomiary w dobrze zdefiniowanej płaszczyźnie ogniskowej, należy upewnić się, że głębia ostrości soczewki obiektywu jest pięciokrotnie lub więcej mniejsza niż głębokość kanału. Aby obserwować przepływ oscylacyjny, użyj szybkiej kamery o częstotliwości odświeżania co najmniej dwukrotnie większej niż częstotliwość oscylacji.

Aby uzyskać użyteczną rozdzielczość kształtu fali, zmierz co najmniej 10 punktów w okresie czasu z 10 razy większą liczbą klatek na sekundę niż częstotliwość oscylacji. Alternatywnie, aby zaobserwować długoterminowe skutki przepływów dodatnich, należy wykonać obrazowanie stroboskopowe, ustawiając obserwację na dowolny idealny dzielnik częstotliwości oscylacji. Zarówno w przypadku obrazowania bezpośredniego, jak i stroboskopowego, należy używać aparatu wyposażonego w migawkę globalną, aby uniknąć efektu galaretki.

W obu przypadkach czas ekspozycji powinien być znacznie krótszy niż okres oscylacji 10-krotnie lub więcej, aby zapobiec powstawaniu smug. Aby zmierzyć amplitudę oscylacji bez szybkiej kamery, nagrywaj z szybkością klatek utrzymywaną bliską, ale nie stroboskopową szybkości odświeżania, co powoduje znacznie spowolnioną oscylację, na podstawie której można dokładnie zmierzyć, obserwować i rejestrować pomiary amplitudy. Śledzone przemieszczenie cząstek znacznikowych w płaszczyźnie środkowej kanału wykazało sygnał harmoniczny dla częstotliwości oscylacji 100, 200, 400 i 800 Hz.

Na wykresie amplitudy oscylacji w funkcji częstotliwości dla wszystkich ustawień głośności głośnika, krzywa charakterystyczna miała szczyt rezonansowy na poziomie około 180 Hz, powyżej którego amplituda maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Wpływ różnych parametrów na amplitudę oscylacyjną w zakresie częstotliwości roboczych w odniesieniu do przypadku referencyjnego wykazał, że wraz ze wzrostem lepkości cieczy roboczej amplituda zmniejsza się prawie dwukrotnie. Gdy średnica rurki mikroprzepływowej dla tego samego materiału jest zwiększana, amplituda wzrasta w porównaniu z przypadkiem referencyjnym o współczynnik od 1,5 do 3 w zależności od częstotliwości.

Gdy długość rurki dla tego samego materiału jest zwiększona, amplituda wzrasta znacznie w pobliżu częstotliwości rezonansowej. Tory przemieszczeń cząstek dla niesinusoidalnych kształtów fal wykazały, że bardzo gwałtowne zmiany położenia związane z kształtami fal kwadratowych i piłokształtnych nie są możliwe w rzeczywistych systemach. Niemniej jednak widma Fouriera były w dobrej zgodzie z widmami idealnymi, przynajmniej do trzeciej harmonicznej.

Ważne jest, aby upewnić się, że rurka wylotowa jest całkowicie wypełniona płynem. Gwarantuje to, że amplituda jest maksymalna i że jest stała w czasie. Należy również użyć aparatu z migawką globalną.

Wykorzystaliśmy tę technikę do precyzyjnej obserwacji i zmierzenia, jak zachowują się cząstki o rozmiarach mikronów po pokonaniu bardzo dużej odległości wewnątrz mikrokanału. Pozwoliło nam to na wdrożenie nowych technik manipulacji mikroprzepływowej.