Сборка и характеристика внешнего драйвера для генерации субкилогерцового колебательного потока в микроканалах

Summary

Протокол демонстрирует удобный способ получения гармонического колебательного потока от 10-1000 Гц в микроканалах. Это выполняется путем модульного сопряжения управляемой компьютером диафрагмы динамика с микроканалом.

Abstract

Микрофлюидная технология стала стандартным инструментом в химических и биологических лабораториях как для анализа, так и для синтеза. Инъекция жидких образцов, таких как химические реагенты и клеточные культуры, преимущественно осуществляется через устойчивые потоки, которые обычно приводятся в движение шприцевыми насосами, гравитацией или капиллярными силами. Использование комплементарных колебательных потоков редко рассматривается в приложениях, несмотря на его многочисленные преимущества, недавно продемонстрированные в литературе. Значительный технический барьер для реализации колебательных потоков в микроканалах, вероятно, ответственен за отсутствие его широкого распространения. Усовершенствованные коммерческие шприцевые насосы, которые могут производить колебательный поток, часто стоят дороже и работают только на частотах менее 1 Гц. Здесь демонстрируется сборка и эксплуатация недорогого акустического аппарата типа plug-and-play, который генерирует колебательный поток в микроканалах. Высокая точность гармонических колебательных потоков с частотами в диапазоне от 10 до 1000 Гц может быть достигнута наряду с независимым управлением амплитудой. Амплитуды в пределах 10-600 мкм могут быть достигнуты во всем диапазоне операций, включая амплитуды > 1 мм на резонансной частоте, в типичном микроканале. Хотя частота колебаний определяется динамиком, мы показываем, что амплитуда колебаний чувствительна к свойствам жидкости и геометрии канала. В частности, амплитуда колебаний уменьшается с увеличением длины цепи канала и вязкости жидкости, и, напротив, амплитуда увеличивается с увеличением толщины и длины трубки динамика. Кроме того, устройство не требует предварительных функций для проектирования на микроканале и легко отсоединяется. Его можно использовать одновременно с устойчивым потоком, создаваемым шприцевым насосом, для создания пульсирующих потоков.

Introduction

Точное управление расходом жидкости в микроканалах имеет решающее значение для лабораторных применений на кристалле, таких как производство капель и инкапсуляция¹, смешивание ^2,3, а также сортировка и обработка взвешенных частиц ^4,5,6,7. Преимущественно используемым методом управления потоком является шприцевой насос, который производит высоко контролируемые устойчивые потоки, дозирующие либо фиксированный объем жидкости, либо фиксированный объемный расход, часто ограниченный полностью однонаправленным потоком. Альтернативные стратегии получения однонаправленного потока включают использование гравитационной головки⁸, капиллярных сил⁹ или электроосмотического потока¹⁰. Программируемые шприцевые насосы позволяют осуществлять двунаправленное регулирование расхода и дозированных объемов в зависимости от времени, но ограничены временем отклика более 1 с из-за механической инерции шприцевого насоса.

Управление потоком в более коротких временных масштабах открывает множество 6,11,12,13,14,15 недоступных возможностей из-за качественных изменений в физике потока. Наиболее практичным средством использования этой разнообразной физики потока являются акустические волны или колебательные потоки с временными периодами в диапазоне от ^10-1 до ^10-9 с или 10¹ -10⁹ Гц. Доступ к верхнему пределу этого частотного диапазона осуществляется с помощью объемных акустических волн (BAW; 100 кГц-10 МГц) и поверхностных акустических волн (SAW; 10 МГц-1 ГГц). В типичном устройстве BAW вся подложка и столб жидкости вибрируются путем подачи сигнала напряжения через связанный пьезоэлектрик. Это обеспечивает относительно высокую пропускную способность, но также приводит к нагреву на более высоких амплитудах. Однако в устройствах SAW интерфейс твердо-жидкий колеблется путем подачи напряжения на пару интердигитированных электродов, узорчатых на пьезоэлектрической подложке. Из-за очень коротких длин волн (1 мкм-100 мкм) частицы размером до 300 нм могут точно манипулировать волной давления, генерируемой в устройствах SAW. Несмотря на способность манипулировать мелкими частицами, методы SAW ограничены локальными манипуляциями с частицами, поскольку волна быстро ослабевает с удалением от источника.

В диапазоне частот 1-100 кГц колебательные потоки обычно генерируются с использованием пьезоэлементов, которые связаны с микроканалом полидиметилсилоксана (PDMS) над расчетной полостью^16,17. Мембрана PDMS над узорчатой полостью ведет себя как вибрационная мембрана или барабан, который создает давление на жидкость в канале. В этом диапазоне частот длина волны больше, чем размер канала, но амплитуды скорости колебаний малы. Наиболее полезным явлением в этом частотном режиме является генерация акустических/вязких потоковых потоков, которые являются выпрямленными устойчивыми потоками, вызванными нелинейностью, присущей потоку жидкостей с инерцией¹⁸. Устойчивые потоки обычно проявляются в виде высокоскоростных встречно-вращающихся вихрей в непосредственной близости от препятствий, острых углов или микропузырьков. Эти вихри полезны для смешивания^19,20 и отделения частиц размером 10 мкм от потока^{потока 21}.

Для частот в диапазоне 10-1000 Гц как скорость колебательной составляющей, так и связанное с ней устойчивое вязкое течение значительны по величине и полезны. Сильные колебательные потоки в этом диапазоне частот могут быть использованы для инерционной фокусировки²², облегчают генерацию капель²³ и могут генерировать условия потока (числа Вомерсли), которые имитируют кровоток для исследований in vitro . С другой стороны, потоковые потоки полезны для смешивания, улавливания частиц и манипулирования. Колебательный поток в этом диапазоне частот также может быть осуществлен с использованием пьезоэлемента, связанного с устройством, как описано выше²³. Существенным препятствием для реализации колебательных потоков через связанный пьезоэлемент является то, что он требует предварительного проектирования функций. Кроме того, связанные элементы динамика не являются съемными, и новый элемент должен быть прикреплен к каждому устройству²⁴. Тем не менее, такие устройства представляют собой преимущество компактности. Альтернативным методом является использование электромеханического релейного^{клапана 20}. Эти клапаны требуют пневматических источников давления и специального программного обеспечения управления для работы и, следовательно, увеличивают технический барьер для тестирования и внедрения. Тем не менее, такие устройства позволяют применять заданную амплитуду и частоту давления.

В данной статье описано построение, эксплуатация и характеристика удобного для пользователя метода генерации колебательных потоков в диапазоне частот 10-1000 Гц в микроканалах. Метод предлагает множество преимуществ, таких как экономичная сборка, простота в эксплуатации и готовность к сопряжению со стандартными микрофлюидными каналами и аксессуарами, такими как шприцевые насосы и трубки. Кроме того, по сравнению с предыдущими аналогичными подходами²⁵, способ предлагает пользователю селективное и независимое управление частотами и амплитудами колебаний, включая модуляцию между синусоидальными и несинусоидальными формами волн. Эти функции позволяют пользователям легко развертывать колебательные потоки и, следовательно, способствуют широкому внедрению в широкий спектр существующих в настоящее время микрофлюидных технологий и приложений в области биологии и химии.

Protocol

1. Быстрое проектирование и изготовление прототипа пресс-формы

1. Откройте AutoCAD на ПК. Выберите Файл на панели задач, затем выберите Открыть и найдите и нажмите на файл трехмерной (3D) модели формы канала, имеющий расширение .dxf или .dwg.
2. Выделите всю модель, щелкнув и перетащив вокруг нее поле. Экспортируйте проект в виде STL-файла, выбрав Файл | Экспорт, затем Другие форматы и выбор .stl из раскрывающегося списка. 
3. Загрузите файл на высокоточный стереолитографический (SLA) принтер, такой как Formlabs FORM3. Залейте смолу в смоляную камеру, начните печать и изготовьте форму с наименьшими шагами оси Z (25 микрон для смолы Formlabs CLEAR).
4. Дождитесь завершения автоматической печати деталей.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Пресс-формы с размером до 0,1 мм могут быть изготовлены таким образом.
5. После удаления части из смолы перемешайте ее в изопропаноле в течение 5 мин, чтобы удалить оставшуюся смолу.
6. Высушите форму воздухом или газообразным азотом в течение 2 мин.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Обычные микрофлюидные формы с кремниевыми пластинами и фотолитография с любыми фоторезистами SU8 или KMPR также могут быть использованы для производства пресс-формы с меньшими характеристиками.
7. Отвержьте высушенную плесень при 60 °C в ультрафиолетовом свете в течение максимум 1 ч.

2. Изготовление микроканалов PDMS

1. Поместите форму на лист алюминиевой фольги. Чтобы облегчить расслоение PDMS, распылительное покрытие формы силиконовым высвобождением формы в 1 или 2 прохода.
2. Налейте смолу PDMS и поперечный компоновщик в одноразовый стаканчик в соотношении 10:1 по весу и смешайте одноразовой ложкой.
3. Вылейте полученную смесь на форму для получения пленки необходимой толщины. Для предотвращения деформации стенок крупных каналов поддерживайте толщину PDMS более 5 мм или в 3-4 раза больше максимальной толщины объекта.
4. Поместите форму с налитой PDMS в дегазовую камеру и закройте крышку. Убедитесь, что уплотнительное кольцо герметично закрывает камеру.
5. Закройте выпускной клапан и включите вакуумный насос, чтобы начать дегазацию.
6. Дегазируйте налитую смесь в вакуумном насосе в течение 4-6 циклов, каждый цикл которых длится около 5 минут. Вручную удалите оставшиеся пузырьки (в углах и траншеях) с помощью тонкой проволоки.
7. Установите температуру духовки на 80 °C и дайте ей предварительно нагреться. Поместите смесь в духовку при температуре 80 °C на 2 ч для затвердевания.
8. Выньте отвержденную плесень из духовки и оставьте при комнатной температуре на 10 мин для охлаждения.
9. С помощью скальпеля аккуратно вырежьте края формы. Для оптимального расслоения используйте шприц для введения изопропанола между формой и отвержденной PDMS.
10. Снимите отвержденный PDMS с формы и разрежьте его на отдельные устройства лезвием бритвы. Размер каждого устройства должен варьироваться от 10 мм х 10 мм до 30 мм х 70 мм, чтобы быть склеенным со стеклянным затвором.
11. Сделайте отверстие диаметром 1,0-3,0 мм на входе и выходе с помощью биопсийного перфоратора.
12. Включите портативный радиочастотный (РЧ) плазменный генератор. Чтобы активировать стеклянную горку, последовательно пропустите проволочный электрод по чистому сухому стеклянному слайду несколько раз в течение 2 минут. Поддерживайте зазор между проволокой и стеклом примерно 5 мм. Поместите часть устройства отвержденной PDMS в контакт с активированным стеклом, а затем поместите в духовку с температурой 80 °C на 2 ч.
13. Нарежьте полиэтиленовые входные и выпускные трубки на необходимую длину и вставьте их во входное и выходное отверстия.
14. Чтобы предотвратить отслоение трубки во время работы, нанесите силиконовый герметик на контактную поверхность и дайте отверждаться в течение 2 ч, чтобы закрепить трубку.

3. Колебательный драйвер в сборе

1. Зажмите концы зажимов аллигатора пары проводов от аллигатора к клеммам динамика. Здесь использовался динамик мощностью 15 Вт с конусом 8 см, хотя можно использовать и другие динамики.
2. Поместите микросхему контроллера aux на изоляционный контейнер. Вставьте концы штифтов в винтовые гнезда микросхемы контроллера aux и плотно затяните отверткой, чтобы обеспечить подключение.
3. Подключите один конец кабеля AUX к чипу контроллера, а другой конец к порту AUX на компьютере или смартфоне.
4. Подключите адаптер постоянного тока (DC) 12 В к источнику питания. Включите микросхему контроллера, подключив коаксиальный конец адаптера постоянного тока к разъему питания.
5. Используя интернет-браузер, перейдите на веб-сайт онлайн-генератора тонов (например, https://www.szynalski.com/tone-generator/).
6. Введите нужную частоту (5-1200 Гц) в онлайн-приложении. Прокрутите полосу громкости до необходимого количества (например, 100%).
7. Нажмите на символ Генератор волн и выберите нужную форму сигнала (синус, квадрат, треугольник, пилообразный). Обратите внимание, что по умолчанию используется синусоидальная форма. Нажмите кнопку Воспроизведения , чтобы привести в действие динамик.

4. Адаптер в сборе

ПРИМЕЧАНИЕ: Полный комплект адаптера от динамика до трубки проиллюстрирован схемой на рисунке 1.

1. Закрепите динамик (рисунок 1(I)) на креплении для 3D-печати (рисунок 1(II)) (см. speakermount.stl в дополнительном файле 1), наклеив ленту на изогнутую поверхность и обе стороны крепления.
2. Ориентируйте динамик вертикально с поверхностью конуса динамика вверх. Поместите адаптер для 3D-печати (рисунок 1(III)) (см. speakertubeadapter.stl в дополнительном файле 2) концентрически на конус динамика.
3. Обильно нанесите силиконовый герметик по краям адаптера и дайте затвердеть в течение 2 ч.
4. Расположите динамик и крепление динамика на сцене микроскопа и лентой вниз, чтобы предотвратить движение во время работы.
5. Отрежьте наконечник микропипетки объемом 200 мкл примерно в 2 см от его узкого конца и утилизируйте более широкую половину наконечника. Узкий конический конец будет служить клиновым уплотнением для реверсивного крепления.
6. Подключите полиэтиленовую трубку (фиг.1(V)) к выходному отверстию микроканала (фиг.1(VI)), сначала проведя резьбу через наконечник микропипетки (фиг.1(IV)), а затем через коаксиальный конец адаптера и, наконец, через боковую часть.
7. Плотно вклиньте узкий конец наконечника пипетки в коаксиальный конец адаптера, чтобы создать съемное плотное уплотнение.

5. Эксплуатация экспериментальной установки для колебательных потоков в микроканалах

1. Добавьте индикаторные частицы во флакон 22% масс/вес (мас./мас.) раствор глицерина для получения нейтрально плавучей суспензии с объемной долей 0,01%-0,1% полистирола в жидкости при 20 °C. Энергично перемешайте, встряхнув, чтобы получить однородную суспензию.
2. Загрузите входной шприц объемом 1 мл с образцом объемом 1 мл. Установите и прикрепите нагруженный шприц к автоматическому шприцевому насосу. Вставьте иглу шприца во впускную трубку устройства, чтобы создать водонепроницаемое уплотнение.
3. Убедитесь, что выпускная трубка проложена через узел адаптера и в резервуар (см. предыдущий раздел о сборке адаптера).
4. Включите шприцевой насос. С помощью сенсорного экрана выберите тип шприца Becton-Dickinson 1 мл. Затем выберите Влить. Затем выберите требуемую скорость потока (0-1 мл/мин) или объем потока (< 1 мл).
5. Инициируйте постоянный поток с помощью шприцевого насоса. Подождите, пока не потечет достаточный объем жидкости и выходная трубка не наполнится жидкостью до динамика.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Амплитуда колебаний для данной настройки не будет изменяться с постоянным транспортным потоком, если выходная трубка загрунтована.
6. Выберите требуемую частоту, амплитуду и форму сигнала в приложении тон-генератора, как описано в шаге 3.5, и нажмите кнопку Воспроизведения , чтобы создать колебательный поток внутри микроканала.

6. Наблюдение и измерение амплитуды

1. Установите устройство на микроскоп. Настройте оптическую конфигурацию, выбрав объектив с увеличением от 10 до 40 раз, регулируя фокальную плоскость и позиционируя сцену.
2. Для получения измерений в четко определенной фокальной плоскости убедитесь, что глубина резкости объектива меньше глубины канала в 5 и более раз.
3. Чтобы наблюдать колебательный поток, используйте высокоскоростную камеру с частотой кадров, по крайней мере, в два раза превышающей частоту колебаний, рассчитанную с использованием теоремы Выборки Найквиста. Для практически полезного разрешения формы сигнала измерьте не менее 10 точек за период времени, используя частоту кадров, > в 10 раз превышающую частоту колебаний.
4. В качестве альтернативы, чтобы наблюдать только выпрямленные или длительные эффекты пульсирующих потоков, выполните стробоскопическую визуализацию, установив частоту наблюдения на любой идеальный делитель частоты колебаний.
5. Как для прямого, так и для стробоскопического изображения используйте камеру, оснащенную глобальным затвором, чтобы избежать эффекта желе. В любом случае, держите время воздействия значительно меньше, чем период времени колебаний (в 10 раз или более), чтобы предотвратить растяжение.
6. Чтобы измерить амплитуду колебаний без высокоскоростной камеры, записывайте с частотой кадров, близкой к стробоскопической частоте кадров, но не равной ей (например, 49 кадров/с для сигнала 50 Гц). Это приводит к сильно замедленному колебанию, от которого можно точно измерить амплитуду.
7. Наблюдайте и записывайте измерения амплитуды.

Results

Для иллюстрации возможностей и производительности вышеуказанной установки представлены репрезентативные результаты колебательного потока в простом линейном микроканале с квадратным сечением. Ширина и высота канала составляют 110 мкм, а длина – 5 см. Во-первых, мы опишем движение сферических частиц индикатора полистирола и то, как они могут быть использованы для проверки точности колебательного сигнала, а также диапазона достижимых амплитуд колебаний. Затем мы обсуждаем влияние специфических свойств жидкости или микрофлюи...

Discussion

Мы продемонстрировали сборку (см. протокольные критические шаги 3 и 4) и работу (см. протокольные критические шаги 5 и 6) внешнего акустического аппарата для генерации колебательного потока с частотами в диапазоне от 10 до 1000 Гц в микрофлюидных устройствах. Отслеживание частиц взвешенных индикаторных частиц требуется для определения точности гармонического движения, а также для калибровки диапазона амплитуд колебаний, достижимых в диапазоне рабочих частот. Амплитудно-частотная кривая для данной настройки громкости зави...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
<сильный>колебательный драйвер в сборе
аллигаторный провод к контакту	Adafruit	3255	Маленький зажим типа «крокодил» к проводу перемычки (12)
Вспомогательный кабель	Adafruit	2698	3,5 мм Папа/Штекер стереокабель 1 м
Микросхема контроллера	Damgoo	TPA3116	50 Вт + 50 Вт 2-канальный усилитель звука (Bluetooth и AUX)
DC адаптер	Adafruit	798	12 В постоянного тока 1 А регулируемый переключающий адаптер питания
Наконечник для микропипетки	VWR Signature	37001-532	200 мкл наконечник для микропипетки
Силиконовый герметик	Loctite	908570	Прозрачный силиконовый водонепроницаемый герметик (80 мл)
Динамик	Drok	6843996	4,5 дюйма 4 Ом 40 Вт Крепление
			для динамика3D-печать с помощью 'speakermount.stl' в дополнительных файлах
		для подключения динамика-лампы	3D-принтер от 'speaketubeadapter.stl' в дополнительных файлах
Microchannel Manufacture
Biopsy Punch	Miltex	15110	Биопсийный перфоратор с плунжером (1 - 4 мм)
Дегазатор
Одноразовая чашка
Одноразовая ложка
Стеклянные слайды	VWR Signature	16004-430	3" x 1" предварительно очищенная толщина 1 мм
Форма			Si - SU-8 или 3D-печатная
печь	Fischer Scientific		Isotemp
PDMS смола и сшиватель	Dow Chemical 4019862		Sylgard 184 PDMS смола и сшиватель (500 г)
Полиэтиленовая трубка	Becton Dickinson Intramedic	427440	Полиэтиленовая трубка (PE 60 - PE 200)
Бритвенные лезвия	VWR	55411-050	Однолезвийные промышленные бритвенные лезвия
Радиочастотный плазменный генератор	Electro-Technic Products	BD - 20	Высокочастотный генератор
Силиконовая пресс-форма CRC		03301	Пресс-форма для пищевого силикона (16 унций)
Observation and Characterization
Camera	Edgertronic		SC2+
Lens	Nikon		Plan Fluor 10x
Microscope	Nikon		Ti Eclipse ручная ступень
Иглы	Becton Dickinson	305175	PrecisionGlide 20G
Шприц	Becton Dickinson	1180100555	Monoject 1 мл
Шприцевой насос	Harvard Apparatus		Двойной шприц Программируемый шприцевой насос
Частицы	индикатора Spherotech	PP-10-10	Частицы индикатора полистирола 1 мкм