Summary
O protocolo demonstra um método conveniente para produzir fluxo oscilatório harmônico de 10-1000 Hz em microcanais. Isso é realizado interligando um diafragma de alto-falante controlado por computador ao microcanal de forma modular.
Abstract
A tecnologia microfluidica tornou-se uma ferramenta padrão em laboratórios químicos e biológicos para análise e síntese. A injeção de amostras líquidas, como reagentes químicos e culturas celulares, é predominantemente realizada através de fluxos constantes que são tipicamente impulsionados por bombas de seringa, gravidade ou forças capilares. O uso de fluxos oscilatórios complementares raramente é considerado em aplicações, apesar de suas inúmeras vantagens como demonstrado recentemente na literatura. A significativa barreira técnica para a implantação de fluxos oscilatórios em microcanais é provavelmente responsável pela falta de sua adoção generalizada. Bombas de seringa comercial avançadas que podem produzir fluxo oscilatório, muitas vezes são mais caras e só funcionam para frequências inferiores a 1 Hz. Aqui, demonstra-se a montagem e a operação de um aparelho baseado em alto-falantes de baixo custo, baseado em alto-falantes do tipo plug-and-play que gera fluxo oscilatório em microcanais. Fluxos oscilatórios harmônicos de alta fidelidade com frequências que variam de 10 a 1000 Hz podem ser alcançados juntamente com controle de amplitude independente. Amplitudes que variam de 10 a 600 μm podem ser alcançadas em toda a gama de operação, incluindo amplitudes > 1 mm na frequência ressonante, em um microcanal típico. Embora a frequência de oscilação seja determinada pelo alto-falante, ilustramos que a amplitude de oscilação é sensível às propriedades fluidas e à geometria do canal. Especificamente, a amplitude de oscilação diminui com o aumento do comprimento do circuito do canal e a viscosidade líquida, e em contraste, a amplitude aumenta com o aumento da espessura e comprimento do tubo de alto-falante. Além disso, o aparelho não requer recursos prévios para serem projetados no microcanal e é facilmente destacável. Pode ser usado simultaneamente com um fluxo constante criado por uma bomba de seringa para gerar fluxos pulsantes.
Introduction
O controle preciso da taxa de fluxo líquido em microcanais é crucial para aplicações de laboratório em um chip, como produção de gotículas e encapsulamento1, mistura 2,3, e a classificação e manipulação de partículas suspensas 4,5,6,7. O método predominantemente utilizado para o controle de fluxo é uma bomba de seringa que produz fluxos estáveis altamente controlados dispensando um volume fixo de líquido ou uma taxa de fluxo volumétrico fixo, muitas vezes limitado ao fluxo totalmente unidirecional. Estratégias alternativas para a produção de fluxo unidirecional incluem o uso da cabeça gravitacional8, forças capilares9 ou fluxo eletro-osmótico10. As bombas de seringa programáveis permitem um controle bidirecional dependente do tempo das taxas de fluxo e volumes dispensados, mas limitam-se a tempos de resposta superiores a 1 s devido à inércia mecânica da bomba de seringa.
O controle de fluxo em escalas de tempo mais curtas desbloqueia uma infinidadede 6,11,12,13,14,15 de outras possibilidades inacessíveis devido a mudanças qualitativas na física do fluxo. O meio mais prático de aproveitar essa física de fluxo variado é através de ondas acústicas ou fluxos oscilatórios com períodos de tempo que variam de 10-1- 10-9 s ou 101 -109 Hz. A extremidade superior desta faixa de frequência é acessada usando dispositivos de onda acústica a granel (BAW; 100 kHz-10 MHz) e ondas acústicas superficiais (SAW; 10 MHz-1 GHz). Em um dispositivo BAW típico, todo o substrato e a coluna de fluido são vibrados aplicando um sinal de tensão através de uma piezoelétrica ligada. Isso permite rendimentos relativamente altos, mas também resulta em aquecimento em amplitudes mais altas. Nos dispositivos SAW, no entanto, a interface líquido-sólido é oscilada aplicando tensão a um par de eletrodos interdigitados padronizados em um substrato piezoelétrico. Devido aos comprimentos de onda muito curtos (1 μm-100 μm) partículas tão pequenas quanto 300 nm podem ser precisamente manipuladas pela onda de pressão gerada em dispositivos SAW. Apesar da capacidade de manipular pequenas partículas, os métodos SAW estão limitados à manipulação de partículas locais, uma vez que a onda atenua rapidamente com distância da fonte.
Na faixa de frequência de 1-100 kHz, os fluxos oscilatórios são geralmente gerados usando elementos piezo que são ligados a um microcanal polidimetilsiloxano (PDMS) acima de uma cavidadeprojetada 16,17. A membrana PDMS acima da cavidade padronizada se comporta como uma membrana vibrante ou tambor que pressuriza o fluido dentro do canal. Nesta faixa de frequência, o comprimento de onda é maior do que o tamanho do canal, mas as amplitudes de velocidade de oscilação são pequenas. O fenômeno mais útil nesse regime de frequência é a geração de fluxos de fluxo acústico/viscoso, que são fluxos estáveis corrigidos causados pela não linearidade inerente ao fluxo de líquidos com inércia18. Os fluxos de fluxo constantes normalmente se manifestam como vórtices de alta velocidade nas proximidades de obstáculos, cantos afiados ou micro-bolhas. Estes vórtices são úteis para misturar19,20 e separar partículas de tamanho de 10 μm da corrente de fluxo21.
Para frequências na faixa de 10-1000 Hz, tanto a velocidade do componente oscilatório quanto seu fluxo viscoso estável associado são consideráveis em magnitude e útil. Fortes fluxos oscilatórios nesta faixa de frequência podem ser usados para focalizar inercial22, facilitar a geração de gotículas23, e pode gerar condições de fluxo (números de Womersley) que imitam o fluxo sanguíneo para estudos in vitro . Por outro lado, os fluxos de streaming são úteis para mistura, captura de partículas e manipulação. O fluxo oscilatório nesta faixa de frequências também pode ser realizado usando um elemento piezo ligado ao dispositivo como descrito acimade 23. Um obstáculo significativo para implementar fluxos oscilatórios através de um elemento piezo ligado é que ele requer recursos para serem projetados com antecedência. Além disso, os elementos do alto-falante ligados não são destacáveis, e um novo elemento deve ser ligado a cada dispositivo24. No entanto, tais dispositivos apresentam a vantagem de serem compactos. Um método alternativo é o uso de uma válvula de relé eletromecânica20. Essas válvulas requerem fontes de pressão pneumática e software de controle personalizado para operação e, portanto, aumentam a barreira técnica para testes e implementação. No entanto, tais dispositivos permitem a aplicação de amplitude e frequência de pressão definida.
Neste artigo, descreve-se a construção, operação e caracterização de um método fácil de usar para gerar fluxos oscilatórios na faixa de frequência de 10-1000 Hz em microcanais. O método oferece inúmeras vantagens, como montagem econômica, facilidade de operação e pronto para interagir com canais microfluidos padrão e acessórios, como bombas de seringa e tubos. Além disso, em comparação com abordagens similares anteriores25, o método oferece ao usuário controle seletivo e independente de frequências e amplitudes de oscilação, incluindo a modulação entre formas de onda sinusoidal e não sinusoidal. Esses recursos permitem que os usuários implantem facilmente fluxos oscilatórios e, portanto, facilitem a adoção generalizada em uma ampla gama de tecnologias e aplicações microfluidas existentes atualmente nas áreas de biologia e química.
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Protocol
1. Design e fabricação de moldes rápidos do protótipo
- Abra o AutoCAD em um PC. Selecione Arquivo na barra de tarefas e selecione Abrir e navegar e clicar em um arquivo modelo tridimensional (3D) do molde do canal, tendo .dxf ou .dwg extensão.
- Selecione o modelo inteiro clicando e arrastando uma caixa ao redor dele. Exporte o design como um arquivo .stl selecionando | de arquivos Exporte, em seguida, Outros formatos e escolha .stl da caixa suspensa.
- Carregue o arquivo para uma impressora estereolitográfica de resina de alta precisão (SLA), como formlabs FORM3. Despeje a resina na câmara de resina e inicie a impressão e produza o molde com as menores etapas do eixo z (25 mícrons para resina Formlabs CLEAR).
- Aguarde que a impressão automática da peça seja concluída.
NOTA: Moldes com características tão pequenas quanto 0,1 mm podem ser fabricados desta forma. - Depois de remover a peça da resina, agitar-a em isopropanol por 5 minutos para remover qualquer resina restante.
- Seque o molde com ar ou gás nitrogênio por 2 minutos.
NOTA: Fabricações convencionais de molde microfluido com bolachas de silício e fotolitografia com qualquer fotoresista SU8 ou KMPR também podem ser usadas para produzir um molde com características menores. - Cure o molde seco a 60 °C em luz UV por um máximo de 1h.
2. Fabricação de microcanal do PDMS
- Coloque o molde em uma folha de papel alumínio. Para facilitar a delaminação do PDMS, reveste o molde com liberação de molde de silicone em 1 ou 2 passes.
- Despeje resina PDMS e cross-linker em um copo descartável na proporção de 10:1 em peso e misture com uma colher descartável.
- Despeje a mistura resultante sobre o molde para produzir um filme de espessura necessária. Para evitar a deformação da parede do canal grande, mantenha a espessura do PDMS de mais de 5 mm ou 3-4 vezes a espessura máxima do recurso.
- Coloque o molde com PDMS derramado na câmara de degas e feche a tampa. Certifique-se de que o anel O sela hermeticamente a câmara.
- Feche a válvula de escape e ligue a bomba de vácuo para iniciar a desgaseamento.
- Desgas a mistura derramada em uma bomba de vácuo para mais de 4-6 ciclos com cada ciclo durando aproximadamente 5 min. Remova manualmente todas as bolhas restantes (em cantos e trincheiras) usando um fio fino.
- Coloque a temperatura do forno a 80 °C e deixe pré-aqueça. Coloque a mistura no forno a 80 °C por 2h para curar.
- Retire o molde curado do forno e deixe-o em temperatura ambiente por 10 minutos para esfriar.
- Usando um bisturi, corte cuidadosamente as bordas do molde. Para a dominação ideal, use uma seringa para injetar isopropanol entre o molde e o PDMS curado.
- Retire o PDMS curado do molde e corte-o em dispositivos individuais com uma lâmina de barbear. O tamanho de cada dispositivo deve variar entre 10 mm x 10 mm a 30 mm x 70 mm para ser ligado ao escorregador de vidro.
- Faça um orifício de 1,0-3,0 mm de diâmetro na entrada e saída usando um soco de biópsia.
- Ligue o gerador de plasma de radiofrequência portátil (RF). Para ativar o deslizamento de vidro, passe constantemente o eletrodo de arame sobre uma lâmina de vidro seco limpa várias vezes por 2 minutos. Mantenha uma abertura de arame para vidro de aproximadamente 5 mm. Coloque o lado do dispositivo do PDMS curado em contato com o escorregador de vidro ativado e, em seguida, coloque em um forno de 80 °C por 2h.
- Corte a entrada de polietileno e a tubulação de saída no comprimento necessário e insira-as nos orifícios de entrada e saída.
- Para evitar o descolamento do tubo durante a operação, aplique selante de silicone na superfície de contato e deixe a cura por 2h para fixar o tubo.
3. Montagem do driver oscilatório
- Aperte as extremidades do clipe do jacaré de um par de fios de jacaré-a-pino nos terminais de um alto-falante. Aqui um alto-falante de 15 W com um cone de 8 cm foi usado, embora outros alto-falantes também possam ser usados.
- Coloque o chip controlador aux em um recipiente isolante. Insira as extremidades do pino nas tomadas de parafuso do chip controlador aux e aperte firmemente com uma chave de fenda para garantir a conectividade.
- Conecte uma extremidade de um cabo aux ao chip controlador e a outra extremidade a uma porta aux em um computador ou smartphone.
- Conecte um adaptador de corrente direta (DC) de 12 V à fonte de alimentação. Ligue o chip do controlador conectando a extremidade coaxial do adaptador DC à tomada de energia.
- Usando um navegador de internet, navegue até um site de gerador de tons online (por exemplo, https://www.szynalski.com/tone-generator/ ).
- Digite a frequência desejada (5-1200 Hz) no aplicativo online. Role a barra de volume até a quantidade necessária (por exemplo, 100%).
- Clique no símbolo Gerador tipo onda e selecione a forma de onda desejada (seno, quadrado, triângulo, dente de serra). Note que o padrão é uma forma de onda senoidal. Pressione Play para acionar o alto-falante.
4. Montagem do adaptador
NOTA: O conjunto completo do adaptador alto-para-tubo é ilustrado pelo esquema na Figura 1.
- Corrija o alto-falante (Figura 1(I)) no suporte do alto-falante impresso em 3D (Figura 1(II)) (ver speakermount.stl no arquivo suplementar 1) colocando uma fita sobre a superfície curva e ambos os lados da montagem.
- Oriente o alto-falante verticalmente com a superfície do cone do alto-falante voltada para cima. Coloque o adaptador impresso em 3D (Figura 1(III)) (ver speakertubeadapter.stl em Arquivo Suplementar 2) concentricamente no cone do alto-falante.
- Aplique o selante de silicone generosamente ao longo das bordas do adaptador e deixe a cura por 2h.
- Posicione o alto-falante e o suporte do alto-falante no estágio do microscópio e a fita para baixo para evitar o movimento durante a operação.
- Corte uma ponta de micro-pipeta de 200 μL aproximadamente 2 cm de sua extremidade estreita e descarte a metade mais larga da ponta. A extremidade cônica estreita servirá como um selo de cunha para fixação reversível.
- Conecte a tubulação de polietileno (Figura 1(V)) à saída do microcanal (Figura 1(VI)) primeiro roscando através da ponta de micro-pipeta (Figura 1(IV)), e depois através da extremidade coaxial do adaptador e finalmente para fora através do lado.
- Coloque firmemente a extremidade estreita da ponta da pipeta na extremidade coaxial do adaptador para criar uma vedação apertada destacável.
5. Operação da configuração experimental para fluxos oscilatórios em microcanais
- Adicione partículas rastreadoras em um frasco de 22% de peso/peso (w/w) solução de glicerol para produzir uma suspensão de flutuação neutra com uma fração de volume de 0,01%-0,1% de poliestireno líquido a 20 °C. Misture vigorosamente tremendo para produzir uma suspensão homogênea.
- Carregue uma seringa de 1 mL com 1 mL de amostra. Monte e aperte a seringa carregada em uma bomba de seringa automática. Insira a agulha de seringa na tubulação de entrada do dispositivo para criar uma vedação impermeável.
- Certifique-se de que o tubo de saída seja roteado através do conjunto do adaptador e em um reservatório (consulte seção anterior no conjunto do adaptador).
- Ligue a bomba de seringa. Usando a tela sensível ao toque, selecione o tipo de seringa como Becton-Dickinson 1 mL. Em seguida, selecione Infuse. Em seguida, selecione a taxa de fluxo necessária (0-1 mL/min) ou o volume de fluxo (< 1 mL).
- Inicie o fluxo constante usando a bomba de seringa. Aguarde até que o volume suficiente do fluido tenha fluído e o tubo de saída esteja cheio de líquido até o alto-falante.
NOTA: A amplitude oscilatória para uma determinada configuração não variará com o fluxo de transporte constante se o tubo de saída estiver preparado. - Selecione uma frequência, amplitude e forma de onda necessárias na aplicação do gerador de tons conforme descrito na etapa 3.5 e pressione Play para gerar fluxo oscilatório dentro do microcanal.
6. Medição de observação e amplitude
- Monte o dispositivo no microscópio. Configure a configuração óptica selecionando uma lente objetiva com uma ampliação entre 10x e 40x ajustando o plano focal e posicionando o estágio.
- Para obter medições em um plano focal bem definido, certifique-se de que a profundidade de campo da lente objetiva seja menor do que a profundidade do canal por um fator de 5 ou mais.
- Para observar o fluxo oscilatório, use uma câmera de alta velocidade com uma taxa de quadro de pelo menos o dobro da frequência de oscilação calculada usando o teorema da amostragem de Nyquist. Para uma resolução praticamente útil da forma de onda, meça pelo menos 10 pontos por período de tempo usando uma taxa de quadros > 10 vezes a da frequência de oscilação.
- Alternativamente, para observar apenas os efeitos retificados ou de longo tempo dos fluxos pulsantes, realize imagens e stroboscópicas definindo a frequência de observação para qualquer divisor perfeito da frequência de oscilação.
- Para imagens diretas e estroboscópicas, use uma câmera equipada com um obturador global para evitar o efeito gelatina. Em ambos os casos, mantenha o tempo de exposição consideravelmente menor do que o período de oscilação (por um fator de 10 ou mais) para evitar a est streaking.
- Para medir a amplitude de oscilação sem uma câmera de alta velocidade, o registro em um framerate manteve-se próximo, mas não igual à taxa de quadros estroboscópicos (por exemplo, 49 quadros/s para um sinal de 50 Hz). Isso resulta em uma oscilação altamente desacelerada a partir da qual a amplitude pode ser medida com precisão.
- Observe e regisse as medidas de amplitude.
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Representative Results
Para ilustrar a capacidade e o desempenho da configuração acima, são apresentados resultados representativos do fluxo oscilatório em um microcanal linear simples com uma seção quadrada transversal. A largura e altura do canal são de 110 μm e seu comprimento é de 5 cm. Primeiro, descrevemos o movimento das partículas rastreoures de poliestireno esféricos e como estas podem ser usadas para verificar a fidelidade do sinal oscilatório, bem como a amplitude de oscilação alcançável. Em seguida, discutimos o efeito de propriedades específicas de fluidos ou materiais microfluidos na amplitude de oscilação. Finalmente, ilustramos a capacidade de formas de onda não sinusoidais.
Para comparação, definimos o caso de referência pelas seguintes propriedades fluidas, geometria do canal e materiais microfluidos. O líquido de trabalho é água deionizada (μ = 1,00 mPa.s) com fração de volume de 0,01% de partículas rastreadoras que têm diâmetro, d = 1 μm e densidade, ρ = 1,20 kg/m3. O tempo correspondente de resposta de partículas, dado por ρd2/18μ, é de 70 ns, muito menor do que as escalas de tempo oscilatória correspondentes (1-100 ms). As partículas são observadas no canal de média altura com um objetivo de 10x e uma profundidade de foco de 10 μm. O tubo microfluido tem diâmetros de 1,27 mm x 0,76 mm (exterior x interior) e um comprimento de tubo de saída de 12 cm que é mantido 5 cm acima do nível do canal.
Os deslocamentos rastreados de partículas rastreadoras no plano médio do canal para diferentes frequências de oscilação são mostrados na Figura 2. Observa-se um sinal harmônico para todas as frequências de oscilação mostradas, que são 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz e 800 Hz. A taxa de quadros de imagem foi maior ou igual a 20 vezes a frequência de oscilação. A configuração de amplitude (volume do alto-falante) foi mantida constante nas diferentes frequências de oscilação. Para as frequências de 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz e 800 Hz, as amplitudes correspondentes são de aproximadamente 125 μm, 100 μm, 25 μm e 10 μm, respectivamente.
O deslocamento rastreado de partículas também é usado para determinar a fidelidade do movimento harmônico e a amplitude de oscilação, um passo crítico no processo de calibração. A fidelidade do deslocamento harmônico de partículas em diferentes frequências de oscilação e amplitudes é ilustrada usando o espectro fourier e mostrada na Figura 3A. Para frequências de 50 Hz, 200 Hz e 400 Hz, respectivamente, são consideradas três amplitudes diferentes caracterizadas pela diferença potencial no cabo aux (ou tensão de entrada do amplificador). As configurações são denominadas baixas (30%, 1,5 V, amarelas), intermediárias (60%, 3 V, laranja) e altas (90%, 4,5 V, vermelhas). Aqui, a porcentagem representa a magnitude da configuração de volume em relação ao volume máximo do alto-falante, ou tensão correspondente de 5 V. Os espectros fourier de deslocamento de partículas em frequências de oscilação de 50 Hz, 200 Hz e 800 Hz são mostrados na Figura 3A para três diferentes tensões de entrada amplificadora (1,5 V, 3 V, 4,5 V) correspondentes às cores amarelo, laranja e vermelho, respectivamente. O pico primário do espectro corresponde exatamente à frequência aplicada para todas as configurações de volume. O pico primário é > 10 vezes os picos secundários, mesmo na maior amplitude.
Para uma tensão de entrada do amplificador de 5 V, a amplitude do deslocamento do cone do alto-falante tem um valor máximo de 5 mm e permanece uma constante para frequências de até 50 Hz e, em seguida, diminui aproximadamente quadráticamente para frequências acima de 50 Hz (por exemplo, 1,5 mm a 100 Hz). A amplitude de oscilação de partículas no líquido é proporcional à potência transduzida dada pelo produto da amplitude do cone do alto-falante e da frequência de oscilação. Esperamos, portanto, que a amplitude oscilatória seja máxima perto da frequência ressonante do alto-falante e diminua para frequências em ambos os lados para uma tensão de entrada de amplificador fixo. Além disso, podemos também esperar que a amplitude oscilatória do fluido varie linearmente com a tensão de entrada do amplificador e seu valor não pode exceder o da amplitude do cone do alto-falante.
Essas expectativas são confirmadas em um gráfico de amplitude oscilação versus frequência mostrado na Figura 3B. Para todas as configurações de volume de alto-falantes, a curva característica tem um pico ressonante, que ocorre a aproximadamente 180 Hz, além do qual a amplitude diminui com frequência crescente. As curvas em diferentes tensões parecem idênticas, exceto para traduções verticais em escala de log, implicando que a amplitude oscilatória varia linearmente com a tensão. Finalmente, a amplitude máxima é inferior a 1,5 mm mesmo na frequência ressonante de 5 V. No entanto, uma configuração de volume pode ser selecionada de modo que amplitudes de oscilação de > 100 μm podem ser alcançadas ao longo de toda a faixa de frequência operacional.
Em seguida, são apresentados casos de exemplo selecionados sobre o efeito da viscosidade líquida, do diâmetro do tubo e do comprimento do tubo na amplitude oscilatória sobre a faixa de frequências operacionais em relação ao caso de referência descrito acima. Para esses experimentos, a amplitude do driver (volume do alto-falante) é mantida constante no nível intermediário e apenas um parâmetro de configuração é modificado por vez, enquanto os parâmetros restantes são idênticos à caixa de controle de referência (símbolos de diamante). Os resultados correspondentes para amplitude de oscilação versus frequência são mostrados na Figura 4. Quando a viscosidade do líquido de trabalho é aumentada alterando para uma solução de 25% de glicerol (μ = 1,81 mPa.s) a amplitude diminui em um fator de quase 2 sobre a gama de frequências operacionais (símbolos quadrados). Isso sugere que, em geral, o aumento da viscosidade líquida em relação à da água desionizada resultaria em uma amplitude característica semelhante versus curva de frequência com uma constante diminuição do fator na amplitude. Quando o diâmetro do tubo microfluido para o mesmo material (polietileno) é aumentado para 2,41 mm x 1,67 mm, a amplitude aumenta em relação ao caso de referência por um fator entre 1,5-3 dependendo da frequência (símbolos de círculo). O aumento é maior em altas frequências e menor em baixas frequências, indicando que a frequência ressonante aumentou. Quando o comprimento do tubo para o mesmo material (polietileno) é aumentado para 24 cm (por um fator de 2), a amplitude aumenta significativamente perto da frequência ressonante, mas permanece inalterada da caixa de controle de referência em frequências muito baixas e muito altas (símbolos de triângulo).
Além das formas de onda sinusoidal discutidas acima, formas de onda não sinusoidal também são demonstradas. As faixas de deslocamento de partículas para formas de onda quadradas, triângulos e dente-de-serra são mostradas na Figura 5A. Aqui, a configuração de amplitude é intermediária (60% do máximo), a frequência de condução é de 100 Hz, e as partículas são observadas a 4000 quadros/s. Como esperado, mudanças muito acentuadas na posição associadas a formas de onda quadradas e dente-de-serra não são possíveis em sistemas reais com um tempo de resposta finito. Para este sistema de alto-falantes, o tempo de resposta pode ser estimado em 0,5 ms. No entanto, observa-se que os espectros fourier dessas formas de onda estão em boa concordância com os espectros ideais, pelo menos até o terceiro harmônico, como mostrado na Figura 5B.
Figura 1. Um esquema para ilustrar o design e a montagem do aparelho. Os componentes críticos são (I) alto-falante, (II) suporte de alto-falante, (III) adaptador alto-a-tubo, (IV) selo de cunha de ponta de pipeta,(V) tubos de polietileno e (VI) microcanal PDMS. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Exemplos de deslocamento de partículas durante o fluxo oscilatório. Faixas de partículas representativas durante a entrada de forma de onda sinusoidal em diferentes frequências foram obtidas por meio de imagens de alta velocidade. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Análise do deslocamento de partículas para fidelidade de sinal e amplitude. (A) Análise de espectro fourier de oscilações sinusoidais em diferentes frequências de oscilação e amplitudes, ou volumes de alto-falantes. (B) A curva característica da amplitude de oscilação versus frequência em três configurações diferentes de volume de alto-falante. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. Efeitos do comprimento do tubo, diâmetro do tubo e viscosidade líquida na amplitude oscilatória. Quando comparado com o caso de referência, um aumento no comprimento do tubo ou no diâmetro do tubo levará a um aumento da amplitude de oscilação sobre a faixa de frequências operacionais. Um aumento da viscosidade, no entanto, diminui a amplitude de oscilação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. Exemplos de formas de onda não sinusoidal. (A) Deslocamentos de partículas para formas de onda quadradas, triangulares e de dente-de-serra em uma frequência de oscilação de 100 Hz. (B) O espectro fourier correspondente para deslocamentos de partículas não sinusoidais. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Arquivo complementar 1. Estereotlithografia para produzir um suporte de alto-falante impresso em 3D referido na Figura 1 (II). Clique aqui para baixar este Arquivo.
Arquivo complementar 2. Esterelithografia para produzir um adaptador de tubo de alto-falante impresso em 3D referido na Figura 1 (III). Clique aqui para baixar este Arquivo.
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Discussion
Demonstramos o conjunto (ver protocolo passos críticos 3 e 4) e operação (ver protocolo passos críticos 5 e 6) de um aparelho externo baseado em alto-falantes para a geração de fluxo oscilatório com frequências na faixa de 10 a 1000 Hz em dispositivos microfluidos. O rastreamento de partículas de partículas suspensas é necessário para determinar a fidelidade do movimento harmônico, bem como para calibrar a amplitude de oscilação alcançável ao longo da faixa de frequências operacionais. A curva de amplitude-freqüência para uma determinada configuração de volume depende principalmente das características do alto-falante, que não podem ser alteradas (ver discussão das características do alto-falante em resultados representativos para Figura 3A,B). No entanto, para um determinado desenho do canal, a amplitude oscilatória pode ser modificada e ajustada modificando adequadamente as propriedades de tubulação, a viscosidade líquida ou as combinações dele. Por exemplo, mostramos na Figura 4 que um diâmetro maior do tubo ou maior comprimento do tubo pode aumentar a magnitude da amplitude oscilatória para a mesma configuração de volume. O aumento da viscosidade, no entanto, diminui a gama de amplitudes oscilatórias, proporcionando aos usuários uma gama de amplitudes, estendendo-se de 10 μm a 1 mm.
A vantagem significativa deste método é a facilidade de montagem, implementação e operação. Todo o custo do driver oscilatório é inferior a US$ 60 e sua montagem levará apenas aproximadamente 2 h quando as peças forem compradas (ver Tabela de Materiais). Ao contrário dos métodos alternativos para gerar fluxo oscilatório em dispositivos microfluidos25, este método não impõe praticamente nenhuma restrição de design e garante um mínimo de tempo de execução. Apesar de sua simplicidade, nosso método permite ao usuário um controle surpreendentemente preciso das amplitudes de oscilação, mantendo a fidelidade das formas de onda oscilatória sinusoidal e não sinusoidal. A técnica também gera movimento harmônico sobre uma faixa de frequência de duas ordens de magnitude. Por fim, essa técnica pode ser usada em conjunto com um componente de fluxo constante gerado por controladores de fluxo microfluido padrão, como bombas de seringa ou geradores de pressão, para gerar um fluxo pulsal de alta frequência. Como demonstrado anteriormente 22,28, a amplitude e frequência oscilatórias não são afetadas pela presença de um fluxo de transporte constante quando a velocidade de fluxo constante é pequena em comparação com a velocidade de fluxo oscilatório. Este método é, portanto, ideal para um ambiente de laboratório de pesquisa.
Uma limitação correspondente do método é que a amplitude não pode ser definida no valor desejado. Deve ser medido e calibrado à amplitude para um determinado canal microfluido. Atualmente, não é escalável e, portanto, não é imediatamente adequado para aplicações industriais. O desenvolvimento adicional deste aparelho envolveria o desenho de um diafragma simples que pode ser ligado e acionado pelo alto-falante para permitir amplitudes maiores e minimizar a dependência do tubo e do canal microfluido.
No geral, este trabalho fornece uma abordagem de baixo custo, robusta e personalizável para gerar fluxos oscilatórios em canais microfluidos em uma faixa de frequência relativamente inexplorada. Esta técnica tem se mostrado útil para a microrrequeologia de26 newtonianos e27 líquidos não newtonianos, mistura aprimorada na microescala28, e foco inercial em canais de comprimento reduzido22. A abordagem delineada neste trabalho fornece uma metodologia acessível e adaptável para gerar fluxos puramente oscilatórios, ou fluxos pulsantes quando combinados com um fluxo constante de uma bomba de seringa. Como resultado, essa técnica conveniente pode permitir a implementação de fluxos oscilatórios em pesquisas existentes e industriais na microescala.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Gostaríamos de reconhecer o apoio dado e as instalações fornecidas pelo Departamento de Ciência Mecânica e Engenharia Rapid Prototyping Lab da Universidade de Illinois para viabilizar este trabalho.
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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