Summary
이 프로토콜은 마이크로 채널에서 10-1000Hz의 고조파 진동 흐름을 생성하는 편리한 방법을 보여줍니다. 이는 컴퓨터 제어 스피커 다이어프램을 모듈식 방식으로 마이크로채널에 인터페이싱하여 수행됩니다.
Abstract
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
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.
더 짧은 시간 척도에서의 흐름 제어는 흐름 물리학의 질적 변화로 인해 접근 할 수없는 가능성의 과다한 6,11,12,13,14,15를 잠금 해제합니다. 이 다양한 흐름 물리학을 활용하는 가장 실용적인 방법은 음향파 또는 10-1- 10-9 s 또는 10 1-10 9 Hz 범위의 시간 주기를 갖는 진동 흐름을 이용하는 것입니다. 이 주파수 범위의 더 높은 끝은 벌크 음향파(BAW; 100kHz-10MHz) 및 표면 음향파(SAW; 10MHz-1GHz) 장치를 사용하여 액세스됩니다. 전형적인 BAW 장치에서, 전체 기판 및 유체 컬럼은 접합된 압전에 걸쳐 전압 신호를 인가함으로써 진동된다. 이것은 상대적으로 높은 처리량을 가능하게하지만 더 높은 진폭에서 가열을 초래합니다. 그러나 SAW 장치에서, 고체-액체 계면은 압전 기판 상에 패터닝된 한 쌍의 인터디지타이징된 전극에 전압을 인가함으로써 진동된다. 매우 짧은 파장 (1 μm-100 μm)으로 인해 300 nm만큼 작은 입자는 SAW 장치에서 발생하는 압력파에 의해 정밀하게 조작 될 수 있습니다. 작은 입자를 조작하는 능력에도 불구하고, SAW 방법은 파동이 소스로부터의 거리에 따라 빠르게 감쇠되기 때문에 국소 입자 조작으로 제한됩니다.
1-100kHz 주파수 범위에서 진동 흐름은 일반적으로 설계된 캐비티16,17 위의 폴리디메틸실록산(PDMS) 마이크로채널에 결합된 압전 소자를 사용하여 생성됩니다. 패턴화된 캐비티 위의 PDMS 멤브레인은 채널 내의 유체를 가압하는 진동 멤브레인 또는 드럼처럼 동작합니다. 이 주파수 범위에서 파장은 채널 크기보다 크지 만 진동 속도 진폭은 작습니다. 이 주파수 체계에서 가장 유용한 현상은 음향/점성 스트리밍 흐름의 생성이며, 이는 관성(18)을 갖는 액체의 흐름에 내재된 비선형성으로 인해 발생하는 정류된 꾸준한 흐름이다. 꾸준한 스트리밍 흐름은 일반적으로 장애물, 날카로운 모서리 또는 마이크로 버블 근처에서 고속 역회전 소용돌이로 나타납니다. 이들 소용돌이는 19,20을 혼합하고유동 스트림(21)으로부터10 μm 크기의 입자를 분리하는데 유용하다.
10-1000Hz 범위의 주파수의 경우, 진동 구성 요소의 속도와 그에 관련된 꾸준한 점성 스트리밍은 크기가 상당히 크고 유용합니다. 이 주파수 범위 내의 강한 진동 흐름은 관성 집속(22)에 사용될 수 있고, 액적 생성(23)을 촉진하며, 시험관내 연구를 위해 혈류를 모방하는 유동 조건(Womersley 숫자)을 생성할 수 있다. 반면에 스트리밍 흐름은 혼합, 파티클 트래핑 및 조작에 유용합니다. 이러한 주파수 범위에서의 진동 흐름은 또한 전술한 바와 같이 장치에 결합된 압전 소자(23)를 사용하여 달성될 수 있다. 본딩 피에조 요소를 통해 진동 흐름을 구현하는 데 중요한 장애물은 사전에 설계해야 한다는 것입니다. 또한, 접합된 스피커 엘리먼트는 분리가능하지 않으며, 새로운 엘리먼트가 각각의 디바이스(24)에 본딩되어야 한다. 그러나, 이러한 장치들은 콤팩트하다는 이점을 제공한다. 다른 방법은 전기기계 릴레이 밸브(20)를 이용하는 것이다. 이 밸브는 작동을 위해 공압 소스와 맞춤형 제어 소프트웨어가 필요하므로 테스트 및 구현에 대한 기술적 장벽이 증가합니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 장치는 설정된 압력 진폭 및 주파수의 적용을 가능하게 한다.
이 기사에서는, 마이크로채널에서 10-1000 Hz의 주파수 범위에서 진동 유동을 발생시키는 사용자 친화적인 방법의 구성, 동작 및 특성화가 설명된다. 이 방법은 비용 효율적인 조립, 작동 용이성, 표준 미세 유체 채널 및 주사기 펌프 및 튜브와 같은 액세서리와 인터페이스 할 준비가되어있는 것과 같은 수많은 이점을 제공합니다. 추가적으로, 이전의 유사한 접근법들(25)과 비교하여, 이 방법은 정현파 파형과 비정현파 파형 사이의 변조를 포함하는 발진 주파수 및 진폭에 대한 선택적이고 독립적인 제어를 사용자에게 제공한다. 이러한 기능을 통해 사용자는 진동 흐름을 쉽게 배치 할 수 있으므로 생물학 및 화학 분야의 현재 존재하는 광범위한 미세 유체 기술 및 응용 분야에 널리 채택 될 수 있습니다.
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Protocol
1. 신속한 프로토 타입 금형 설계 및 제작
- PC에서 AutoCAD를 엽니다. 작업 표시줄에서 파일을 선택한 다음 열기 를 선택하고 확장자가 있거나 .dxf 채널 몰드의 3차원(3D) 모델 파일을 찾아 클릭.dwg니다.
- 모델을 클릭하고 그 주위의 상자를 드래그하여 전체 모델을 선택합니다. 파일 |를 선택하여 설계를 .stl 파일로 내보냅니다. 내보내기, 다른 형식 및 드롭다운 상자에서 .stl을 선택합니다.
- 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.
- 자동 부품 인쇄가 완료될 때까지 기다립니다.
참고: 0.1mm의 작은 피처를 가진 몰드는 이러한 방식으로 제작할 수 있습니다. - 수지로부터 일부를 제거한 후, 이를 이소프로판올에서 5분 동안 교반시켜 임의의 잔여 수지를 제거하였다.
- 금형을 공기 또는 질소 가스로 2 분 동안 건조시킵니다.
참고 : 실리콘 웨이퍼를 사용한 기존의 미세 유체 금형 제조 및 SU8 또는 KMPR 포토 레지스트가있는 포토 리소그래피는 더 작은 기능을 가진 금형을 생산하는 데에도 사용할 수 있습니다. - 건조된 주형을 60°C에서 UV 광에서 최대 1 h 동안 경화시킨다.
2. PDMS 마이크로채널 제작
- 금형을 알루미늄 호일 시트에 놓습니다. PDMS의 박리를 용이하게하기 위해 실리콘 몰드 이형으로 몰드를 스프레이 코팅하여 1 또는 2 패스로 코팅하십시오.
- PDMS 수지와 가교제를 일회용 컵에 10:1 중량비로 붓고 일회용 숟가락과 섞는다.
- 생성 된 혼합물을 몰드에 붓고 필요한 두께의 필름을 만듭니다. 대형 채널 벽 변형을 방지하려면 PDMS 두께를 5mm 이상 또는 최대 피처 두께의 3-4배 이상으로 유지하십시오.
- PDMS를 부은 몰드를 탈기 챔버에 넣고 뚜껑을 닫습니다. O 링이 챔버를 밀폐 적으로 밀봉했는지 확인하십시오.
- 배기 밸브를 닫고 진공 거친 펌프를 켜서 가스 제거를 시작하십시오.
- 부은 혼합물을 진공 펌프에서 4-6 사이클 이상 동안 탈기시키고 각 사이클은 약 5 분 동안 지속됩니다. 미세한 와이어를 사용하여 나머지 거품 (모서리와 트렌치)을 수동으로 제거하십시오.
- 오븐 온도를 80 °C로 설정하고 예열하십시오. 혼합물을 80°C의 오븐에 2시간 동안 두어 경화시킨다.
- 경화 된 금형을 오븐에서 꺼내 실온에서 10 분 동안 그대로 두어 식히십시오.
- 메스를 사용하여 조심스럽게 금형의 가장자리를 잘라냅니다. 최적의 박리를 위해 주사기를 사용하여 주형과 경화된 PDMS 사이에 이소프로판올을 주입하십시오.
- 경화 된 PDMS를 몰드에서 떼어 내고 면도날로 개별 장치로 자릅니다. 각 장치의 크기는 유리 슬라이드와 결합하려면 10mm x 10mm ~ 30mm x 70mm 사이여야 합니다.
- 생검 펀치를 사용하여 입구와 출구에 직경 1.0-3.0mm의 구멍을 만드십시오.
- 핸드헬드 무선 주파수(RF) 플라즈마 발생기를 켭니다. 유리 슬라이드를 활성화하려면 2 분 동안 깨끗한 건조 유리 슬라이드 위에 와이어 전극을 여러 번 꾸준히 통과시킵니다. 와이어 대 유리 간격을 약 5mm로 유지하십시오. 경화된 PDMS의 장치 측면을 활성화 유리 슬라이드와 접촉시킨 다음, 80°C 오븐에 2시간 동안 놓는다.
- 폴리에틸렌 입구 및 출구 튜브를 필요한 길이로 자르고 입구 및 출구 구멍에 삽입하십시오.
- 작동 중 튜브 분리를 방지하려면 접촉면에 실리콘 실란트를 바르고 2 시간 동안 경화시켜 튜브를 고정하십시오.
3. 진동 구동기 어셈블리
- 한 쌍의 악어-핀 와이어의 악어 클립 끝을 스피커의 단자에 고정합니다. 여기에서는 8cm 콘이있는 15W 스피커가 사용되었지만 다른 스피커도 사용할 수 있습니다.
- 보조 컨트롤러 칩을 절연 컨테이너에 놓습니다. 핀 끝을 aux 컨트롤러 칩의 나사 소켓에 삽입하고 드라이버를 사용하여 단단히 조여서 연결을 보장합니다.
- aux 케이블의 한쪽 끝을 컨트롤러 칩에 연결하고 다른 쪽 끝을 컴퓨터 또는 스마트폰의 aux 포트에 연결합니다.
- 12V 직류(DC) 어댑터를 전원 공급 장치에 연결합니다. DC 어댑터의 동축 끝을 전원 소켓에 연결하여 컨트롤러 칩에 전원을 켭니다.
- 인터넷 브라우저를 사용하여 온라인 톤 생성기 웹 사이트 (예 : https://www.szynalski.com/tone-generator/)로 이동하십시오.
- 온라인 응용 프로그램에서 원하는 주파수(5-1200Hz)를 입력합니다. 볼륨 막대를 필요한 양(예: 100%)으로 스크롤합니다.
- 파형 생성기 기호를 클릭하고 원하는 파형(사인, 사각형, 삼각형, 톱니)을 선택합니다. 기본값은 사인 파형입니다. 재생을 눌러 스피커를 작동시킵니다.
4. 어댑터 어셈블리
주: 전체 스피커-튜브 어댑터 어셈블리는 그림 1의 회로도에 나와 있습니다.
- 곡면과 마운트의 양쪽에 테이프를 붙여서 스피커(그림 1(I))를 3D 인쇄 스피커 마운트(그림 1(II))에 고정합니다(보충 파일 1의 speakermount.stl 참조).
- 스피커 콘 표면을 위로 향하도록 스피커를 수직으로 조정합니다. 3D 인쇄 어댑터(그림 1(III))(보충 파일 2의 speakertubeadapter.stl 참조)를 스피커 콘에 동심원적으로 놓습니다.
- 실리콘 실란트를 어댑터의 가장자리를 따라 넉넉하게 바르고 2 시간 동안 치료하십시오.
- 스피커와 스피커 마운트를 현미경 스테이지에 놓고 테이프를 내려 작동 중 움직임이 방지되도록 합니다.
- 200μL 마이크로 피펫 팁을 좁은 끝에서 약 2cm 떨어진 곳에서 자르고 팁의 더 넓은 절반을 폐기합니다. 좁은 원뿔형 끝은 가역적 부착을위한 쐐기 씰 역할을합니다.
- 먼저 마이크로 피펫 팁(그림 1(IV))을 통해 나사산을 연결한 다음 어댑터의 동축 끝을 통과하여 마지막으로 측면을 통해 밖으로 나와서 폴리에틸렌 튜브(그림 1(V))를 마이크로 채널(그림 1(VI)) 콘센트에 연결합니다.
- 피펫 팁의 좁은 끝을 어댑터의 동축 끝에 단단히 쐐기하여 분리 가능한 타이트한 씰을 만듭니다.
5. 마이크로채널의 진동 흐름을 위한 실험 설정의 작동
- 트레이서 입자를 22% 중량/중량(w/w) 글리세롤 용액의 바이알에 첨가하여 20°C에서 액체에서 0.01%-0.1% 폴리스티렌의 부피 분율을 갖는 중성 부력 현탁액을 생성한다. 흔들어서 격렬하게 섞어서 균질한 현탁액을 생성한다.
- 1 mL 입구 주사기를 1 mL의 시료와 함께 로딩하십시오. 적재된 주사기를 장착하고 자동 주사기 펌프에 고정합니다. 주사기 바늘을 장치의 입구 튜브에 삽입하여 수밀 씰을 만듭니다.
- 출구 튜브가 어댑터 어셈블리를 통해 저장소로 라우팅되는지 확인합니다(어댑터 어셈블리의 이전 섹션 참조).
- 주사기 펌프를 켭니다. 터치 스크린을 사용하여 주사기 유형을 Becton-Dickinson 1 mL로 선택하십시오. 그런 다음 주입을 선택합니다. 그런 다음 필요한 유량 (0-1 mL / 분) 또는 유량 (< 1 mL)을 선택하십시오.
- 주사기 펌프를 사용하여 꾸준한 흐름을 시작하십시오. 충분한 양의 유체가 흐르고 출구 튜브가 스피커까지 액체로 채워질 때까지 기다리십시오.
참고: 주어진 설정에 대한 진동 진폭은 출구 튜브가 프라이밍된 경우 일정한 수송 흐름에 따라 변하지 않습니다. - 3.5단계에서 설명한 대로 톤 발생기 응용 제품에서 필요한 주파수, 진폭 및 파형을 선택하고 Play 를 눌러 마이크로채널 내부의 진동 흐름을 생성합니다.
6. 관측 및 진폭 측정
- 현미경에 장치를 장착하십시오. 배율이 10x에서 40배 사이인 대물 렌즈를 선택하여 초점면을 조정하고 스테이지를 배치하여 광학 구성을 설정합니다.
- 잘 정의된 초점면에서 측정을 얻으려면 대물 렌즈의 피사계 심도가 채널 깊이보다 5배 이상 작은지 확인하십시오.
- 진동 흐름을 관찰하려면 나이퀴스트 샘플링 정리를 사용하여 계산한 진동 주파수의 최소 두 배 이상의 프레임 속도를 가진 고속 카메라를 사용하십시오. 파형의 실질적으로 유용한 분해능을 위해, 발진 주파수의 10배> 프레임 속도를 사용하여 시간 주기당 적어도 10 포인트를 측정하십시오.
- 대안으로, 맥박 흐름의 정류 또는 장시간 효과만을 관찰하기 위해, 관찰 주파수를 진동 주파수의 임의의 완벽한 약수로 설정하여 스트로보스코픽 이미징을 수행한다.
- 다이렉트 및 스트로보스코픽 이미징의 경우, 젤로 효과를 피하기 위해 글로벌 셔터가 장착된 카메라를 사용하십시오. 두 경우 모두 노출 시간을 진동 시간(10배 이상)보다 상당히 작게 유지하여 줄무늬를 방지하십시오.
- 고속 카메라 없이 진동 진폭을 측정하기 위해, 스트로보스코픽 프레임 레이트에 근접하지만 동일하지 않게 유지되는 프레임 레이트로 기록한다(예를 들어, 50Hz 신호의 경우 49프레임/s). 이로 인해 진폭을 정확하게 측정할 수 있는 매우 느린 진동이 발생합니다.
- 진폭 측정을 관찰하고 기록합니다.
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Representative Results
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, 해당 진동 시간 스케일(1-100ms)보다 훨씬 작습니다. 입자는 10x 목표와 10 μm의 초점 깊이로 채널 중간 높이에서 관찰됩니다. 미세 유체 튜브는 직경이 1.27mm x 0.76mm (외부 x 내부)이고 채널 레벨보다 5cm 높게 유지되는 출구 튜브 길이가 12cm입니다.
서로 다른 진동 주파수에 대한 채널 미드플레인에서 트레이서 입자의 추적된 변위는 그림 2에 나와 있습니다. 표시된 모든 발진 주파수(100Hz, 200Hz, 400Hz 및 800Hz)에 대해 고조파 신호가 관찰됩니다. 이미징 프레임 속도는 발진 주파수의 20배보다 크거나 같았습니다. 진폭(스피커 볼륨) 설정은 서로 다른 진동 주파수에 걸쳐 일정하게 유지되었다. 주파수 100Hz, 200Hz, 400Hz 및 800Hz의 경우 해당 진폭은 각각 약 125μm, 100μm, 25μm 및 10μm입니다.
입자의 추적 변위는 또한 고조파 운동의 충실도와 교정 공정의 중요한 단계 인 진동 진폭의 범위를 결정하는 데 사용됩니다. 서로 다른 진동 주파수 및 진폭에서 입자의 고조파 변위의 충실도는 푸리에 스펙트럼을 사용하여 설명되고 그림 3A에 도시되어 있습니다. 각각 50Hz, 200Hz 및 400Hz의 주파수의 경우 aux 케이블(또는 증폭기 입력 전압)의 전위차를 특징으로 하는 세 가지 진폭이 고려됩니다. 설정의 이름은 낮음(30%, 1.5V, 노란색), 중간(60%, 3V, 주황색) 및 높음(90%, 4.5V, 빨간색)입니다. 여기서, 백분율은 최대 스피커 볼륨 또는 5 V의 대응 전압에 대하여 설정된 볼륨의 크기를 나타낸다. 50Hz, 200Hz 및 800Hz의 진동 주파수에서 입자 변위의 푸리에 스펙트럼은 각각 노란색, 주황색 및 적색 색상에 해당하는 3개의 서로 다른 증폭기 입력 전압(1.5V, 3V, 4.5V)에 대해 그림 3A 에 나와 있습니다. 스펙트럼의 기본 피크는 모든 볼륨 설정에 대해 적용된 주파수와 정확히 일치합니다. 1차 피크는 가장 높은 진폭에서도 이차 피크의 10배가 >니다.
5V의 증폭기 입력 전압의 경우, 스피커 콘 변위의 진폭은 최대 5mm를 가지며 최대 50Hz의 주파수에 대해 일정하게 유지된 다음 50Hz 이상의 주파수(예: 100Hz에서 1.5mm)의 경우 대략 직교적으로 감소합니다. 액체의 입자 진동 진폭은 스피커 콘 진폭과 발진 주파수의 곱에 의해 주어진 변환된 전력에 비례한다. 따라서 스피커 공진 주파수 근처에서 진동 진폭이 최대이고 고정 증폭기 입력 전압의 경우 양쪽의 주파수에 대해 감소할 것으로 예상됩니다. 또한, 유체의 진동 진폭은 증폭기 입력 전압에 따라 선형적으로 변할 것으로 예상할 수 있으며 그 값은 스피커 콘 진폭의 값을 초과할 수 없습니다.
이러한 기대치는 그림 3B에 표시된 진동 진폭 대 주파수 플롯에서 확인됩니다. 모든 스피커 볼륨 설정에서 특성 곡선은 약 180Hz에서 발생하는 공진 피크를 가지며, 그 이상으로 주파수가 증가함에 따라 진폭이 감소합니다. 서로 다른 전압에서의 곡선은 로그 스케일의 수직 변환을 제외하고는 동일하게 나타나며, 이는 진동 진폭이 전압에 따라 선형적으로 변한다는 것을 의미합니다. 마지막으로, 최대 진폭은 5V의 공진 주파수에서도 1.5mm 미만입니다. 그럼에도 불구하고, 전체 작동 주파수 범위에서 > 100μm의 진동 진폭을 달성할 수 있도록 볼륨 설정을 선택할 수 있습니다.
다음으로, 위에서 설명된 기준 케이스에 대하여 작동 주파수의 범위에 걸친 진동 진폭에 대한 액체 점도, 튜브 직경 및 튜브 길이의 영향에 대한 선택 예제 케이스가 제시된다. 이러한 실험을 위해 드라이버 진폭(스피커 볼륨)은 중간 레벨에서 일정하게 유지되고 나머지 파라미터는 기준 제어 케이스(다이아몬드 심볼)와 동일한 반면 한 번에 하나의 설정 파라미터만 수정됩니다. 진동 진폭 대 주파수에 대한 해당 결과를 그림 4에 나타내었다. 작동 액체의 점도가 25% 글리세롤 용액(μ = 1.81 mPa.s)으로 변화하여 증가될 때, 진폭은 작동 주파수(정사각형 기호)의 범위에 걸쳐 거의 2배만큼 감소한다. 이것은 일반적으로 탈이온수에 비해 액체 점도를 증가시키면 진폭의 일정한 요인 감소와 함께 주파수 곡선 대 유사한 특성 진폭을 초래할 것임을 시사한다. 동일한 재료(폴리에틸렌)에 대한 미세유체 튜브 직경이 2.41 mm x 1.67 mm로 증가하면, 주파수(원 기호)에 따라 1.5-3 사이의 요인만큼 기준 케이스에 비해 진폭이 증가한다. 증가는 고주파에서는 더 크고, 낮은 주파수에서는 더 작으며, 이는 공진 주파수가 증가했음을 나타냅니다. 동일한 재료(폴리에틸렌)에 대한 튜브 길이가 24cm(2배)로 증가하면 진폭은 공진 주파수 근처에서 크게 증가하지만 매우 낮고 매우 높은 주파수(삼각형 기호)에서 기준 제어 케이스와는 다르게 유지됩니다.
위에서 논의된 정현파 파형 이외에도, 비정현파 파형도 또한 입증된다. 사각형, 삼각형 및 톱니 파형에 대한 입자 변위 트랙이 도 5A에 도시되어 있다. 여기서 진폭 설정은 중간(최대값의 60%)이고, 구동 주파수는 100Hz이며, 입자는 4000프레임/s에서 관찰됩니다. 예상대로, 정사각형 및 톱니 파형과 관련된 위치의 매우 급격한 변화는 유한 응답 시간을 갖는 실제 시스템에서는 불가능합니다. 이러한 스피커 시스템의 경우, 응답 시간은 0.5ms로 추정될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이들 파형들의 푸리에 스펙트럼들은 도 5B에 도시된 바와 같이, 적어도 세 번째 고조파까지, 이상적인 스펙트럼들과 양호한 일치에 있는 것으로 관찰된다.
그림 1. 장치 설계 및 조립을 설명하기 위한 개략도이다. 중요한 구성 요소는 (I) 스피커, (II) 스피커 마운트, (III) 스피커-튜브 어댑터, (IV) 피펫-팁 웨지 씰, (V) 폴리에틸렌 튜브 및 (VI) PDMS 마이크로채널입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. 진동 흐름 동안의 입자 변위의 예. 서로 다른 주파수에서 정현파 파형 입력 동안 대표적인 입자 트랙은 고속 이미징을 사용하여 얻어졌다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. 신호 충실도 및 진폭 범위에 대한 입자 변위 분석. (A) 서로 다른 진동 주파수와 진폭 또는 스피커 볼륨에서의 정현파 진동의 푸리에 스펙트럼 분석. (B) 세 가지 다른 스피커 볼륨 설정에서 진동 진폭 대 주파수의 특성 곡선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 튜브 길이, 튜브 직경 및 액체 점도가 진동 진폭에 미치는 영향. 기준 케이스와 비교할 때, 튜브 길이 또는 튜브 직경의 증가는 작동 주파수 범위에 걸쳐 진동 진폭의 증가로 이어질 것이다. 그러나 점도가 증가하면 진동 진폭이 감소합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5. 비정현파 파형의 예. (A) 100Hz의 진동 주파수에서 정사각형, 삼각형 및 톱니 파형에 대한 입자 변위. (B) 비정현파 입자 변위에 대한 해당 푸리에 스펙트럼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 1. 도 1 (II)에 언급된 3D 프린트된 스피커 마운트를 생성하기 위한 스테레오리소그래피 파일. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
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 있음을 보여 줍니다. 그러나 점도를 높이면 진동 진폭의 범위가 줄어들어 사용자에게 10μm에서 1mm까지 확장되는 진폭 범위를 제공합니다.
이 방법의 중요한 장점은 조립, 구현 및 작동이 쉽다는 것입니다. 진동 구동기의 전체 비용은 $ 60 미만이며 부품을 구입하면 조립 시간이 약 2 시간 밖에 걸리지 않습니다 (재료 표 참조). 미세유체 장치(25)에서 진동 유동을 생성하기 위한 대안적인 방법과는 달리, 이 방법은 사실상 설계 제약을 부과하지 않으며 구현에 대한 리드 타임을 최소화한다. 단순함에도 불구하고, 우리의 방법은 사용자가 정현파 및 비정현파 진동 파형의 충실도를 유지하면서 진동 진폭을 놀라울 정도로 정밀하게 제어할 수 있게 해줍니다. 이 기술은 또한 크기가 두 차수의 주파수 범위에서 고조파 운동을 생성합니다. 마지막으로,이 기술은 주사기 펌프 또는 압력 발생기와 같은 표준 미세 유체 흐름 컨트롤러에 의해 생성 된 꾸준한 흐름 구성 요소와 함께 사용하여 고주파 맥박 흐름을 생성 할 수 있습니다. 앞서 도22,28에서 입증된 바와 같이, 진동 진폭 및 주파수는 진동 유속에 비해 꾸준한 유속이 작을 때 꾸준한 수송 흐름의 존재에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서이 방법은 연구 실험실 설정에 이상적입니다.
이 방법의 상응하는 한계는 진폭을 원하는 값으로 설정할 수 없다는 것입니다. 주어진 미세유체 채널에 대한 진폭으로 측정되고 교정되어야합니다. 현재 확장 가능하지 않으므로 산업 응용 분야에 즉시 적합하지 않습니다. 이 장치의 추가 개발에는 더 큰 진폭을 허용하고 튜브 및 미세 유체 채널에 대한 의존성을 최소화하기 위해 스피커에 결합하고 스피커에 의해 작동 할 수있는 간단한 다이어프램의 설계가 포함됩니다.
전반적으로이 작업은 상대적으로 탐험되지 않은 주파수 범위에서 미세 유체 채널에서 진동 흐름을 생성하기위한 저비용, 견고하고 사용자 정의 가능한 접근 방식을 제공합니다. 이 기술은 뉴턴 26 및 비 뉴턴27 액체의 미세 유변학, 마이크로 스케일 (28)에서의 향상된 혼합, 및 감소 된 길이22의 채널에서의 관성 집중에 유용한 것으로 나타났다. 이 작업에 설명 된 접근 방식은 주사기 펌프의 꾸준한 흐름과 결합 될 때 순전히 진동 흐름 또는 맥박 흐름을 생성하는 접근 가능하고 적응 가능한 방법론을 제공합니다. 결과적으로,이 편리한 기술은 마이크로 스케일에서 기존 연구 및 산업으로의 진동 흐름의 구현을 가능하게 할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
우리는이 작업을 가능하게하기 위해 일리노이 대학의 기계 과학 및 공학 래피드 프로토 타이핑 연구소에서 제공 한 지원 및 시설을 인정하고 싶습니다.
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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