Summary
Il protocollo dimostra un metodo conveniente per produrre un flusso oscillatorio armonico da 10-1000 Hz in microcanali. Questo viene eseguito interfacciando un diaframma dell'altoparlante controllato dal computer al microcanale in modo modulare.
Abstract
La tecnologia microfluidica è diventata uno strumento standard nei laboratori chimici e biologici sia per l'analisi che per la sintesi. L'iniezione di campioni liquidi, come reagenti chimici e colture cellulari, viene effettuata prevalentemente attraverso flussi costanti che sono tipicamente guidati da pompe a siringa, gravità o forze capillari. L'uso di flussi oscillatori complementari è raramente considerato nelle applicazioni, nonostante i suoi numerosi vantaggi, come recentemente dimostrato in letteratura. La significativa barriera tecnica all'implementazione di flussi oscillatori nei microcanali è probabilmente responsabile della mancanza della sua adozione diffusa. Le pompe a siringa commerciali avanzate in grado di produrre flusso oscillatorio, sono spesso più costose e funzionano solo per frequenze inferiori a 1 Hz. Qui viene dimostrato l'assemblaggio e il funzionamento di un apparato a basso costo, basato su altoparlanti di tipo plug-and-play, che genera flusso oscillatorio in microcanali. Flussi oscillatori armonici ad alta fedeltà con frequenze comprese tra 10 e 1000 Hz possono essere raggiunti insieme al controllo indipendente dell'ampiezza. Ampiezze che vanno da 10-600 μm possono essere raggiunte in tutta la gamma di funzionamento, comprese le ampiezze > 1 mm alla frequenza di risonanza, in un tipico microcanale. Sebbene la frequenza di oscillazione sia determinata dall'altoparlante, illustriamo che l'ampiezza dell'oscillazione è sensibile alle proprietà del fluido e alla geometria del canale. In particolare, l'ampiezza dell'oscillazione diminuisce con l'aumentare della lunghezza del circuito del canale e della viscosità del liquido e, al contrario, l'ampiezza aumenta con l'aumentare dello spessore e della lunghezza del tubo dell'altoparlante. Inoltre, l'apparecchio non richiede caratteristiche precedenti per essere progettato sul microcanale ed è facilmente rimovibile. Può essere utilizzato contemporaneamente a un flusso costante creato da una pompa a siringa per generare flussi pulsatili.
Introduction
Il controllo preciso della portata del liquido nei microcanali è fondamentale per le applicazioni lab-on-a-chip come la produzione di goccioline e l'incapsulamento1, la miscelazione 2,3 e lo smistamento e la manipolazione delle particelle sospese 4,5,6,7. Il metodo prevalentemente utilizzato per il controllo del flusso è una pompa a siringa che produce flussi costanti altamente controllati che erogano un volume fisso di liquido o una portata volumetrica fissa, spesso limitata a un flusso interamente unidirezionale. Le strategie alternative per la produzione di flusso unidirezionale includono l'uso della testa gravitazionale8, delle forze capillari9 o del flusso elettro-osmotico10. Le pompe a siringa programmabili consentono un controllo bidirezionale dipendente dal tempo delle portate e dei volumi erogati, ma sono limitate a tempi di risposta superiori a 1 s a causa dell'inerzia meccanica della pompa a siringa.
Il controllo del flusso a scale temporali più brevi sblocca una pletoradi 6,11,12,13,14,15 di possibilità altrimenti inaccessibili a causa di cambiamenti qualitativi nella fisica del flusso. Il mezzo più pratico per sfruttare questa variegata fisica del flusso è attraverso onde acustiche o flussi oscillatori con periodi di tempo che vanno da 10-1- 10-9 s o 101 -109 Hz. L'estremità superiore di questa gamma di frequenze è accessibile utilizzando dispositivi a onda acustica di massa (BAW; 100 kHz-10 MHz) e onde acustiche di superficie (SAW; 10 MHz-1 GHz). In un tipico dispositivo BAW, l'intero substrato e la colonna di fluido vengono vibrati applicando un segnale di tensione attraverso un piezoelettrico legato. Ciò consente rendimenti relativamente elevati, ma si traduce anche in riscaldamento ad ampiezze più elevate. Nei dispositivi SAW, tuttavia, l'interfaccia solido-liquido viene oscillata applicando tensione a una coppia di elettrodi interdigitati modellati su un substrato piezoelettrico. A causa delle lunghezze d'onda molto corte (1 μm-100 μm) particelle piccole come 300 nm possono essere manipolate con precisione dall'onda di pressione generata nei dispositivi SAW. Nonostante la capacità di manipolare piccole particelle, i metodi SAW sono limitati alla manipolazione delle particelle locali poiché l'onda si attenua rapidamente con la distanza dalla sorgente.
Nella gamma di frequenza 1-100 kHz, i flussi oscillatori sono solitamente generati utilizzando piezo-elementi che sono legati a un microcanale di polidimetilsilossano (PDMS) sopra una cavità progettata16,17. La membrana PDMS sopra la cavità modellata si comporta come una membrana vibrante o un tamburo che pressurizza il fluido all'interno del canale. A questa gamma di frequenze, la lunghezza d'onda è maggiore della dimensione del canale, ma le ampiezze della velocità di oscillazione sono piccole. Il fenomeno più utile in questo regime di frequenza è la generazione di flussi di flusso acustico/viscoso, che sono flussi costanti rettificati causati dalla non linearità inerente al flusso di liquidi con inerzia18. I flussi di flusso costante si manifestano tipicamente come vortici controrotanti ad alta velocità in prossimità di ostacoli, spigoli vivi o microbolle. Questi vortici sono utili per miscelare19,20 e separare particelle di dimensioni 10 μm dal flussodi flusso 21.
Per le frequenze nell'intervallo 10-1000 Hz, sia la velocità della componente oscillatoria che il suo flusso viscoso costante associato sono considerevoli in grandezza e utili. Forti flussi oscillatori in questa gamma di frequenze possono essere utilizzati per la messa a fuoco inerziale22, facilitano la generazione di goccioline23 e possono generare condizioni di flusso (numeri di Womersley) che imitano il flusso sanguigno per studi in vitro . D'altra parte, i flussi di streaming sono utili per la miscelazione, l'intrappolamento delle particelle e la manipolazione. Il flusso oscillatorio in questa gamma di frequenze può anche essere realizzato utilizzando un elemento piezoelettrico legato al dispositivo come descritto sopra23. Un ostacolo significativo all'implementazione di flussi oscillatori attraverso un elemento piezoelettrico legato è che richiede che le caratteristiche siano progettate in anticipo. Inoltre, gli elementi degli altoparlanti incollati non sono staccabili e un nuovo elemento deve essere incollato a ciascun dispositivo24. Tuttavia, tali dispositivi presentano il vantaggio di essere compatti. Un metodo alternativo consiste nell'utilizzare una valvola a relè elettromeccanica20. Queste valvole richiedono sorgenti di pressione pneumatiche e software di controllo personalizzato per il funzionamento e quindi aumentano la barriera tecnica al collaudo e all'implementazione. Tuttavia, tali dispositivi consentono l'applicazione dell'ampiezza e della frequenza di pressione impostate.
In questo articolo, viene descritta la costruzione, il funzionamento e la caratterizzazione di un metodo user-friendly per generare flussi oscillatori nella gamma di frequenze di 10-1000 Hz nei microcanali. Il metodo offre numerosi vantaggi come l'assemblaggio economico, la facilità d'uso e la predisposizione per l'interfaccia con canali e accessori microfluidici standard come pompe a siringa e tubi. Inoltre, rispetto ai precedenti approcci simili25, il metodo offre all'utente un controllo selettivo e indipendente delle frequenze e delle ampiezze di oscillazione, compresa la modulazione tra forme d'onda sinusoidali e non sinusoidali. Queste caratteristiche consentono agli utenti di implementare facilmente flussi oscillatori e, quindi, facilitano l'adozione diffusa in una vasta gamma di tecnologie e applicazioni microfluidiche attualmente esistenti nei campi della biologia e della chimica.
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Protocol
1. Progettazione e fabbricazione rapida di stampi prototipali
- Aprire AutoCAD su un PC. Selezionare File sulla barra delle applicazioni, quindi selezionare Apri e individuare e fare clic su un file di modello tridimensionale (3D) dello stampo del canale con estensione .dxf o .dwg.
- Selezionate l'intero modello facendo clic su di esso e trascinando una casella attorno ad esso. Esportare il progetto come file con estensione stl selezionando File | Esporta, quindi Altri formati e scegliendo .stl dalla casella a discesa.
- Carica il file su una stampante stereolitografica a resina (SLA) ad alta precisione come Formlabs FORM3. Versare la resina nella camera di resina e avviare la stampa e produrre lo stampo con i più piccoli gradini dell'asse z (25 micron per la resina Formlabs CLEAR).
- Attendere il completamento della stampa automatica delle parti.
NOTA: gli stampi con caratteristiche di soli 0,1 mm possono essere fabbricati in questo modo. - Dopo aver rimosso la parte dalla resina, agitarla in isopropanolo per 5 minuti per rimuovere la resina rimanente.
- Asciugare lo stampo con aria o azoto gassoso per 2 min.
NOTA: Le fabbricazioni di stampi microfluidici convenzionali con wafer di silicio e la fotolitografia con qualsiasi fotoresist SU8 o KMPR possono anche essere utilizzate per produrre uno stampo con caratteristiche più piccole. - Polimerizzare lo stampo essiccato a 60 °C in luce UV per un massimo di 1 ora.
2. Fabbricazione di microcanali PDMS
- Posizionare lo stampo su un foglio di alluminio. Per facilitare la delaminazione del PDMS, rivestire a spruzzo lo stampo con rilascio dello stampo in silicone in 1 o 2 passaggi.
- Versare la resina PDMS e il reticolante in una tazza usa e getta nel rapporto di 10: 1 in peso e mescolare con un cucchiaio usa e getta.
- Versare la miscela risultante sullo stampo per produrre un film di spessore richiesto. Per evitare deformazioni della parete del canale di grandi dimensioni, mantenere uno spessore PDMS superiore a 5 mm o 3-4 volte lo spessore massimo della feature.
- Posizionare lo stampo con PDMS versato nella camera di degas e chiudere il coperchio. Assicurarsi che l'O-ring sigilli ermeticamente la camera.
- Chiudere la valvola di scarico e accendere la pompa grezza per vuoto per avviare il degasaggio.
- Degassare la miscela versata in una pompa per vuoto per oltre 4-6 cicli con ogni ciclo della durata di circa 5 min. Rimuovere manualmente le bolle rimanenti (negli angoli e nelle trincee) usando un filo sottile.
- Impostare la temperatura del forno a 80 °C e lasciarlo preriscaldare. Mettere la miscela in forno a 80 °C per 2 ore per polimerizzare.
- Rimuovere lo stampo indurito dal forno e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente per 10 minuti.
- Usando un bisturi, ritaglia con cura i bordi dello stampo. Per una delaminazione ottimale, utilizzare una siringa per iniettare isopropanolo tra lo stampo e il PDMS indurito.
- Staccare il PDMS indurito dallo stampo e tagliarlo in singoli dispositivi con una lama di rasoio. Le dimensioni di ciascun dispositivo devono variare da 10 mm x 10 mm a 30 mm x 70 mm per essere incollate con la slitta di vetro.
- Praticare un foro di 1,0-3,0 mm di diametro all'ingresso e all'uscita utilizzando un punzone per biopsia.
- Accendere il generatore di plasma a radiofrequenza (RF) portatile. Per attivare il vetrino, passare costantemente l'elettrodo a filo su una slitta di vetro asciutta e pulita più volte per 2 minuti. Mantenere uno spazio tra filo e vetro di circa 5 mm. Posizionare il lato del dispositivo del PDMS indurito a contatto con il vetrino attivato e quindi posizionarlo in un forno a 80 °C per 2 ore.
- Tagliare i tubi di ingresso e di uscita in polietilene alla lunghezza richiesta e inserirli nei fori di ingresso e di uscita.
- Per evitare il distacco del tubo durante il funzionamento, applicare il sigillante siliconico sulla superficie di contatto e lasciare polimerizzare per 2 ore per fissare il tubo.
3. Assemblaggio del driver oscillatorio
- Blocca le estremità della clip a coccodrillo di una coppia di fili alligatore-pin ai terminali di un altoparlante. Qui è stato utilizzato un altoparlante da 15 W con un cono di 8 cm, anche se possono essere utilizzati anche altri altoparlanti.
- Posizionare il chip del controller aux su un contenitore isolante. Inserire le estremità del perno nelle prese a vite del chip del controller aux e stringere saldamente con un cacciavite per garantire la connettività.
- Collegare un'estremità di un cavo aux al chip del controller e l'altra estremità a una porta aux su un computer o uno smartphone.
- Collegare un adattatore per corrente continua (DC) da 12 V all'alimentatore. Accendere il chip del controller collegando l'estremità coassiale dell'adattatore CC alla presa di corrente.
- Utilizzando un browser Internet, accedere a un sito Web generatore di toni online (ad esempio, https://www.szynalski.com/tone-generator/ ).
- Digitare la frequenza desiderata (5-1200 Hz) nell'applicazione online. Scorrere la barra del volume fino alla quantità richiesta (ad esempio, 100%).
- Fare clic sul simbolo Generatore di tipo onda e selezionare la forma d'onda desiderata (seno, quadrato, triangolo, dente di sega). Si noti che il valore predefinito è una forma d'onda sinusoidale. Premere Riproduci per azionare l'altoparlante.
4. Assemblaggio dell'adattatore
NOTA: l'intero gruppo adattatore altoparlante-tubo è illustrato dallo schema illustrato nella Figura 1.
- Fissare l'altoparlante (Figura 1(I)) sul supporto per altoparlanti stampato in 3D (Figura 1(II)) (vedere speakermount.stl nel file supplementare 1) attaccando un nastro sulla superficie curva e su entrambi i lati del supporto.
- Orientare l'altoparlante verticalmente con la superficie del cono dell'altoparlante rivolta verso l'alto. Posizionare l'adattatore stampato in 3D (Figura 1 (III)) (vedere speakertubeadapter.stl nel file supplementare 2) in modo concentrico sul cono dell'altoparlante.
- Applicare generosamente il sigillante siliconico lungo i bordi dell'adattatore e lasciare polimerizzare per 2 ore.
- Posizionare l'altoparlante e il supporto dell'altoparlante sul palco del microscopio e abbassare il nastro adesivo per impedire il movimento durante il funzionamento.
- Tagliare una punta di micro-pipetta da 200 μL a circa 2 cm dalla sua estremità stretta e disporre della metà più ampia della punta. L'estremità conica stretta fungerà da sigillo a cuneo per l'attacco reversibile.
- Collegare il tubo di polietilene (Figura 1(V)) all'uscita del microcanale (Figura 1(VI)) prima filettando attraverso la punta della micropipetta (Figura 1(IV)), quindi attraverso l'estremità coassiale dell'adattatore e infine attraverso il lato.
- Incuneare saldamente l'estremità stretta della punta della pipetta nell'estremità coassiale dell'adattatore per creare una tenuta ermetica rimovibile.
5. Funzionamento del setup sperimentale per flussi oscillatori in microcanali
- Aggiungere particelle traccianti in un flaconcino di soluzione di glicerolo al 22% peso/peso (p/p) per produrre una sospensione a galleggiamento neutro con una frazione volumetrica dello 0,01%-0,1% di polistirene in liquido a 20 °C. Mescolare vigorosamente agitando per produrre una sospensione omogenea.
- Caricare una siringa di ingresso da 1 mL con 1 mL di campione. Montare e fissare la siringa caricata su una pompa a siringa automatica. Inserire l'ago della siringa nel tubo di ingresso del dispositivo per creare una tenuta stagna.
- Assicurarsi che il tubo di uscita sia instradato attraverso l'assieme adattatore e in un serbatoio (vedere la sezione precedente sull'assemblaggio dell'adattatore).
- Accendere la pompa della siringa. Utilizzando il touch screen, selezionare il tipo di siringa come Becton-Dickinson 1 mL. Quindi, seleziona Infondere. Quindi selezionare la portata richiesta (0-1 mL/min) o il volume di portata (< 1 mL).
- Avviare il flusso costante utilizzando la pompa a siringa. Attendere che il volume sufficiente di fluido sia fluito e che il tubo di uscita sia pieno di liquido fino all'altoparlante.
NOTA: l'ampiezza oscillatoria per una determinata impostazione non varierà con il flusso di trasporto costante se il tubo di uscita è innescato. - Selezionare una frequenza, un'ampiezza e una forma d'onda richieste nell'applicazione del generatore di toni come descritto nel passaggio 3.5 e premere Play per generare un flusso oscillatorio all'interno del microcanale.
6. Osservazione e misurazione dell'ampiezza
- Montare il dispositivo sul microscopio. Impostare la configurazione ottica selezionando un obiettivo con un ingrandimento compreso tra 10x e 40x regolando il piano focale e posizionando il palco.
- Per ottenere misurazioni su un piano focale ben definito, assicurarsi che la profondità di campo dell'obiettivo sia inferiore alla profondità del canale di un fattore di 5 o più.
- Per osservare il flusso oscillatorio, utilizzare una telecamera ad alta velocità con un frame rate di almeno il doppio della frequenza di oscillazione calcolata utilizzando il teorema di campionamento di Nyquist. Per una risoluzione praticamente utile della forma d'onda, misurare almeno 10 punti per periodo di tempo utilizzando un framerate > 10 volte quello della frequenza di oscillazione.
- In alternativa, per osservare solo gli effetti rettificati o a lungo termine dei flussi pulsatili, eseguire l'imaging stroboscopico impostando la frequenza di osservazione su qualsiasi divisore perfetto della frequenza di oscillazione.
- Sia per l'imaging diretto che per quello stroboscopico, utilizzare una fotocamera dotata di un otturatore globale per evitare l'effetto jello. In entrambi i casi, mantenere il tempo di esposizione considerevolmente più piccolo del periodo di oscillazione (di un fattore di 10 o più) per evitare striature.
- Per misurare l'ampiezza dell'oscillazione senza una telecamera ad alta velocità, registrare a un framerate mantenuto vicino ma non uguale al frame rate stroboscopico (ad esempio, 49 fotogrammi/s per un segnale a 50 Hz). Ciò si traduce in un'oscillazione altamente rallentata da cui è possibile misurare con precisione l'ampiezza.
- Osservare e registrare le misure di ampiezza.
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Representative Results
Per illustrare la capacità e le prestazioni della configurazione di cui sopra, vengono presentati i risultati rappresentativi del flusso oscillatorio in un semplice microcanale lineare con una sezione trasversale quadrata. La larghezza e l'altezza del canale sono 110 μm e la sua lunghezza è di 5 cm. In primo luogo, descriviamo il movimento delle particelle traccianti sferiche di polistirene e come queste possono essere utilizzate per verificare la fedeltà del segnale oscillatorio e la gamma di ampiezze di oscillazione raggiungibili. Discutiamo quindi l'effetto di specifiche proprietà del fluido o materiali microfluidici sull'ampiezza dell'oscillazione. Infine, illustriamo la capacità di forme d'onda non sinusoidali.
Per confronto, definiamo il caso di riferimento in base alle seguenti proprietà del fluido, alla geometria del canale e ai materiali microfluidici. Il liquido di lavoro è acqua deionizzata (μ = 1,00 mPa.s) con frazione volumetrica dello 0,01% di particelle traccianti che hanno diametro, d = 1 μm e densità, ρ = 1,20 kg/m3. Il corrispondente tempo di risposta alle particelle, dato da ρd2/18μ, è di 70 ns, che è molto inferiore alle corrispondenti scale temporali oscillatorie (1-100 ms). Le particelle sono osservate a metà del canale con un obiettivo 10x e una profondità di messa a fuoco di 10 μm. Il tubo microfluidico ha diametri 1,27 mm x 0,76 mm (esterno x interno) e una lunghezza del tubo di uscita di 12 cm che si trova 5 cm sopra il livello del canale.
Gli spostamenti tracciati delle particelle traccianti sul piano intermedio del canale per diverse frequenze di oscillazione sono mostrati nella Figura 2. Un segnale armonico viene osservato per tutte le frequenze di oscillazione mostrate, che sono 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz e 800 Hz. Il frame rate di imaging era maggiore o uguale a 20 volte la frequenza di oscillazione. L'impostazione dell'ampiezza (volume dell'altoparlante) è stata mantenuta costante sulle diverse frequenze di oscillazione. Per le frequenze 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz e 800 Hz, le ampiezze corrispondenti sono rispettivamente di circa 125 μm, 100 μm, 25 μm e 10 μm.
Lo spostamento tracciato delle particelle viene anche utilizzato per determinare la fedeltà del movimento armonico e la gamma di ampiezze di oscillazione, una fase critica nel processo di calibrazione. La fedeltà dello spostamento armonico delle particelle a diverse frequenze di oscillazione e ampiezze è illustrata utilizzando gli spettri di Fourier e mostrata nella Figura 3A. Per frequenze rispettivamente di 50 Hz, 200 Hz e 400 Hz, vengono considerate tre diverse ampiezze caratterizzate dalla differenza di potenziale nel cavo aux (o tensione di ingresso dell'amplificatore). Le impostazioni sono denominate bassa (30%, 1,5 V, gialla), intermedia (60%, 3 V, arancione) e alta (90%, 4,5 V, rosso). Qui, la percentuale rappresenta l'entità dell'impostazione del volume rispetto al volume massimo dell'altoparlante o alla tensione corrispondente di 5 V. Gli spettri di Fourier dello spostamento delle particelle a frequenze di oscillazione di 50 Hz, 200 Hz e 800 Hz sono mostrati nella Figura 3A per tre diverse tensioni di ingresso dell'amplificatore (1,5 V, 3 V, 4,5 V) corrispondenti rispettivamente ai colori giallo, arancione e rosso. Il picco primario dello spettro corrisponde esattamente alla frequenza applicata per tutte le impostazioni del volume. Il picco primario è > 10 volte i picchi secondari, anche alla massima ampiezza.
Per una tensione di ingresso dell'amplificatore di 5 V, l'ampiezza dello spostamento del cono dell'altoparlante ha un valore massimo di 5 mm e rimane una costante per frequenze fino a 50 Hz e quindi diminuisce approssimativamente quadraticamente per frequenze superiori a 50 Hz (ad esempio, 1,5 mm a 100 Hz). L'ampiezza di oscillazione delle particelle nel liquido è proporzionale alla potenza trasdotta data dal prodotto dell'ampiezza del cono dell'altoparlante e alla frequenza di oscillazione. Ci aspettiamo quindi che l'ampiezza oscillatoria sia massima vicino alla frequenza di risonanza dell'altoparlante e diminuisca per le frequenze su entrambi i lati di esso per una tensione di ingresso dell'amplificatore fisso. Inoltre, possiamo anche aspettarci che l'ampiezza oscillatoria del fluido vari linearmente con la tensione di ingresso dell'amplificatore e il suo valore non può superare quello dell'ampiezza del cono dell'altoparlante.
Queste aspettative sono confermate in un grafico dell'ampiezza di oscillazione rispetto alla frequenza mostrata nella Figura 3B. Per tutte le impostazioni del volume degli altoparlanti, la curva caratteristica ha un picco di risonanza, che si verifica a circa 180 Hz, oltre il quale l'ampiezza diminuisce con l'aumentare della frequenza. Le curve a tensioni diverse appaiono identiche tranne che per le traslazioni verticali in scala logaritmica che implicano che l'ampiezza oscillatoria varia linearmente con la tensione. Infine, l'ampiezza massima è inferiore a 1,5 mm anche alla frequenza di risonanza di 5 V. Tuttavia, è possibile selezionare un'impostazione del volume in modo tale da ottenere ampiezze di oscillazione di > 100 μm sull'intera gamma di frequenze operative.
Successivamente, vengono presentati casi di esempio selezionati sull'effetto della viscosità del liquido, del diametro del tubo e della lunghezza del tubo sull'ampiezza oscillatoria nell'intervallo di frequenze operative rispetto al caso di riferimento sopra descritto. Per questi esperimenti, l'ampiezza del driver (volume dell'altoparlante) viene mantenuta costante al livello intermedio e viene modificato un solo parametro di setup alla volta mentre i parametri rimanenti sono identici al case di controllo di riferimento (simboli a diamante). I risultati corrispondenti per l'ampiezza di oscillazione rispetto alla frequenza sono mostrati nella Figura 4. Quando la viscosità del liquido di lavoro viene aumentata passando a una soluzione di glicerolo al 25% (μ = 1,81 mPa.s) l'ampiezza diminuisce di un fattore di quasi 2 nell'intervallo delle frequenze operative (simboli quadrati). Ciò suggerisce che, in generale, l'aumento della viscosità del liquido rispetto a quella dell'acqua deionizzata comporterebbe un'ampiezza caratteristica simile rispetto alla curva di frequenza con una diminuzione costante del fattore di ampiezza. Quando il diametro del tubo microfluidico per lo stesso materiale (polietilene) viene aumentato a 2,41 mm x 1,67 mm, l'ampiezza aumenta rispetto al caso di riferimento di un fattore compreso tra 1,5-3 a seconda della frequenza (simboli circolari). L'aumento è maggiore alle alte frequenze e più piccolo alle basse frequenze, indicando che la frequenza di risonanza è aumentata. Quando la lunghezza del tubo per lo stesso materiale (polietilene) viene aumentata a 24 cm (di un fattore 2), l'ampiezza aumenta significativamente vicino alla frequenza di risonanza ma rimane invariata dal case di controllo di riferimento a frequenze molto basse e molto alte (simboli triangolari).
Oltre alle forme d'onda sinusoidali discusse sopra, vengono dimostrate anche forme d'onda non sinusoidali. Le tracce di spostamento delle particelle per forme d'onda quadrate, triangolari e a dente di sega sono mostrate nella Figura 5A. Qui, l'impostazione dell'ampiezza è intermedia (60% del massimo), la frequenza di guida è 100 Hz e le particelle sono osservate a 4000 fotogrammi / s. Come previsto, cambiamenti molto bruschi nella posizione associati a forme d'onda quadrate e a dente di sega non sono possibili in sistemi reali con un tempo di risposta finito. Per questo sistema di altoparlanti, il tempo di risposta può essere stimato in 0,5 ms. Tuttavia, si osserva che gli spettri di Fourier di queste forme d'onda sono in buon accordo con gli spettri ideali, almeno fino alla terza armonica come mostrato in Figura 5B.
Figura 1. Uno schema per illustrare la progettazione e l'assemblaggio dell'apparato. I componenti critici sono (I) altoparlante, (II) supporto per altoparlante, (III) adattatore altoparlante-tubo, (IV) guarnizione a cuneo a punta pipetta, (V) tubo in polietilene e (VI) microcanale PDMS. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Esempi di spostamento delle particelle durante il flusso oscillatorio. Tracce di particelle rappresentative durante l'ingresso di forme d'onda sinusoidali a frequenze diverse sono state ottenute utilizzando l'imaging ad alta velocità. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Analisi dello spostamento delle particelle per la fedeltà del segnale e l'intervallo di ampiezza. (A) Analisi dello spettro di Fourier delle oscillazioni sinusoidali a diverse frequenze e ampiezze di oscillazione, o volumi degli altoparlanti. (B) La curva caratteristica dell'ampiezza di oscillazione rispetto alla frequenza a tre diverse impostazioni del volume dell'altoparlante. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Effetti della lunghezza del tubo, del diametro del tubo e della viscosità del liquido sull'ampiezza oscillatoria. Rispetto al caso di riferimento, un aumento della lunghezza o del diametro del tubo porterà ad un aumento dell'ampiezza dell'oscillazione nell'intervallo delle frequenze operative. Un aumento della viscosità, tuttavia, diminuisce l'ampiezza dell'oscillazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5. Esempi di forme d'onda non sinusoidali. (A) Spostamenti di particelle per forme d'onda quadrate, triangolari e a dente di sega ad una frequenza di oscillazione di 100 Hz. (B) I corrispondenti spettri di Fourier per gli spostamenti di particelle non sinusoidali. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Fascicolo complementare 1. File di stereolitografia per produrre un supporto per altoparlanti stampato in 3D di cui alla Figura 1 (II). Fare clic qui per scaricare questo file.
Fascicolo complementare 2. File di stereolitografia per produrre un adattatore per tubo altoparlante stampato in 3D di cui alla Figura 1 (III). Fare clic qui per scaricare questo file.
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Discussion
Abbiamo dimostrato l'assemblaggio (vedi protocolli critici 3 e 4) e il funzionamento (vedi protocolli critici passaggi 5 e 6) di un apparato esterno basato su altoparlanti per la generazione di flusso oscillatorio con frequenze comprese tra 10 e 1000 Hz in dispositivi microfluidici. Il tracciamento delle particelle traccianti sospese è necessario per determinare la fedeltà del moto armonico e per calibrare l'intervallo di ampiezze di oscillazione ottenibili nell'intervallo delle frequenze operative. La curva ampiezza-frequenza per una data impostazione del volume dipende principalmente dalle caratteristiche dell'altoparlante, che non possono essere modificate (vedere la discussione sulle caratteristiche dell'altoparlante nei risultati rappresentativi per la Figura 3A,B). Tuttavia, per un particolare design del canale, l'ampiezza oscillatoria può essere modificata e regolata modificando opportunamente le proprietà del tubo, la viscosità del liquido o le loro combinazioni. Ad esempio, nella Figura 4 mostriamo che un diametro del tubo maggiore o una lunghezza del tubo più lunga possono aumentare la grandezza dell'ampiezza oscillatoria per la stessa impostazione del volume. L'aumento della viscosità, tuttavia, riduce la gamma di ampiezze oscillatorie, fornendo agli utenti una gamma di ampiezze, che si estende da 10 μm a 1 mm.
Il vantaggio significativo di questo metodo è la sua facilità di assemblaggio, implementazione e funzionamento. L'intero costo del driver oscillatorio è inferiore a $ 60 e il suo assemblaggio richiederà solo circa 2 ore una volta acquistate le parti (vedere Tabella dei materiali). A differenza dei metodi alternativi per la generazione del flusso oscillatorio nei dispositivimicrofluidici 25, questo metodo non impone praticamente vincoli di progettazione e garantisce tempi di implementazione minimi. Nonostante la sua semplicità, il nostro metodo consente all'utente un controllo sorprendentemente preciso delle ampiezze di oscillazione mantenendo la fedeltà delle forme d'onda oscillatorie sia sinusoidali che non sinusoidali. La tecnica genera anche moto armonico su una gamma di frequenze di due ordini di grandezza. Infine, questa tecnica può essere utilizzata insieme a una componente a flusso costante generata da regolatori di flusso microfluidici standard, come pompe a siringa o generatori di pressione, per generare un flusso pulsatile ad alta frequenza. Come precedentemente dimostrato 22,28, l'ampiezza e la frequenza oscillatoria non sono influenzate dalla presenza di un flusso di trasporto costante quando la velocità del flusso costante è piccola rispetto alla velocità del flusso oscillatorio. Questo metodo è quindi ideale per un ambiente di laboratorio di ricerca.
Una limitazione corrispondente del metodo è che l'ampiezza non può essere impostata al valore desiderato. Deve essere misurato e calibrato in base all'ampiezza di un dato canale microfluidico. Attualmente non è scalabile e quindi non è immediatamente adatto per applicazioni industriali. L'ulteriore sviluppo di questo apparato comporterebbe la progettazione di un semplice diaframma che può essere incollato e azionato dall'altoparlante per consentire ampiezze maggiori e ridurre al minimo la dipendenza dal tubo e dal canale microfluidico.
Nel complesso, questo lavoro fornisce un approccio a basso costo, robusto e personalizzabile per generare flussi oscillatori in canali microfluidici in una gamma di frequenze relativamente inesplorata. Questa tecnica si è dimostrata utile per la microreologia dei liquidi newtoniani26 e non newtoniani27 , la miscelazione migliorata alla microscala28 e la messa a fuoco inerziale in canali di lunghezza ridotta22. L'approccio delineato in questo lavoro fornisce una metodologia accessibile e adattabile per generare flussi puramente oscillatori, o flussi pulsatili quando combinati con un flusso costante da una pompa a siringa. Di conseguenza, questa tecnica conveniente può consentire l'implementazione di flussi oscillatori nella ricerca esistente e industriale su microscala.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Vorremmo riconoscere il supporto fornito e le strutture fornite dal Dipartimento di Scienze Meccaniche e Ingegneria Rapid Prototyping Lab presso l'Università dell'Illinois per consentire questo lavoro.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Oscillatory Driver Assembly | |||
| Alligator-to-pin wire | Adafruit | 3255 | Small alligator clip to male jumper wire (12) |
| Aux cable | Adafruit | 2698 | 3.5 mm Male/Male stereo cable 1 m |
| Controller chip | Damgoo | TPA3116 | 50w+50w 2 channel audio amplifier (bluetooth and AUX) |
| DC adapter | Adafruit | 798 | 12 V DC 1A regulated switching power adapter |
| Micro-pipette tip | VWR Signature | 37001-532 | 200 ul micropipette tip |
| Silicone sealant | Loctite | 908570 | Clear silicone waterproof sealant (80 ml) |
| Speaker | Drok | 6843996 | 4.5 inch 4 Ohm 40 W speaker |
| Speaker mount | 3D printed from 'speakermount.stl' in supplementary files | ||
| Speaker-to-tube adapter | 3D printed from 'speaketubeadapter.stl' in supplementary files | ||
| Microchannel Manufacture | |||
| Biopsy punch | Miltex | 15110 | Biopsy punch with plunger (1 - 4 mm) |
| Degasser | |||
| Disposable cup | |||
| Disposable spoon | |||
| Glass Slides | VWR Signature | 16004-430 | 3" x 1" pre clean 1 mm thick |
| Mold | Si - SU-8 or 3D printed | ||
| Oven | Fischer Scientific | Isotemp | |
| PDMS resin and cross-linker | Dow Chemical | 4019862 | Sylgard 184 PDMS resin and crosslinker (500 g) |
| Polyethylene tubing | Becton Dickinson Intramedic | 427440 | Polyethylene tubing (PE 60 - PE 200) |
| Razor blades | VWR | 55411-050 | Single edge industrial razor blades |
| RF plasma generator | Electro-Technic Products | BD - 20 | High frequency generator |
| Silicone Mold Release | CRC | 03301 | Food Grade Silicon Mold release (16 oz) |
| Observation and Characterization | |||
| Camera | Edgertronic | SC2+ | |
| Lens | Nikon | Plan Fluor 10x | |
| Microscope | Nikon | Ti Eclipse manual stage | |
| Needles | Becton Dickinson | 305175 | PrecisionGlide 20G |
| Syringe | Becton Dickinson | 1180100555 | Monoject 1 ml |
| Syringe pump | Harvard Apparatus | Dual syringe programmable syringe pump | |
| Tracer Particles | Spherotech | PP-10-10 | Polystyrene tracer particles 1 um |
References
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