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

Наша методика доносит колебательные потоки до биологов и химиков с помощью микрофлюидики. Это устройство быстро собирается, простое в использовании и является методом plug and play для создания высокоточных колебательных потоков. Продемонстрировать процедуру будет Гиридар Вишванатан, аспирант из моей лаборатории.

Для начала зажмите концы зажима аллигатора пары аллигаторов, чтобы прикрепить провода к клеммам 15-ваттного динамика с восьмисантиметровым конусом. Поместите микросхему контроллера aux на изоляционный компонент. Вставьте концы штифтов в винтовые гнезда aux чипа.

Затяните с помощью отвертки, чтобы обеспечить подключение. Подключите один конец кабеля AUX к микросхеме контроллера, а другой конец к порту AUX на компьютере. Подключите к источнику питания адаптер постоянного тока напряжением 12 В.

Включите микросхему контроллера, подключив коаксиальный конец адаптера постоянного тока к разъему питания. Используя интернет-браузер, перейдите на веб-сайт онлайн-генератора тонов. Введите желаемую частоту от 5 до 1200 Гц в онлайн-приложении и прокрутите полосу громкости до необходимого количества.

Нажмите на символ генератора типов волн и выберите нужную форму волны, такую как знак, квадрат, треугольник или пилообразный зуб. По умолчанию используется форма знаковой волны. Нажмите кнопку Воспроизведения, чтобы привести в действие динамик.

Прикрепите динамик и чип контроллера к 3D-печатному холмику динамиков для позиционирования на сцене микроскопа. Поместите 3D-печатный адаптер концентрически на конус динамика. Обильно нанесите силиконовый герметик по краям адаптера и дайте отверждаться в течение двух часов.

Отрежьте наконечник микропипетки объемом 200 микролитров примерно в двух сантиметрах от его узкого конца и утилизируйте более широкую половину наконечника, где узкий конический конец будет служить клиновым уплотнением для реверсивного крепления. Подключите полиэтиленовую трубку к микроканальному выходу, сначала продекав через наконечник микропипетки, а затем через коаксиальный конец адаптеров и, наконец, выйдя через бок. Прочно вклиньте узкий конец наконечника пипетки в коаксиальный конец адаптеров, чтобы создать съемное плотное уплотнение.

Добавьте индикаторные частицы во флакон весом 22% по массе раствора глицерина для получения нейтрально плавучей суспензии с объемной долей от 0,01% до 0,1% полистирола в жидкости при температуре 20 градусов Цельсия. Энергично перемешайте, встряхнув, чтобы получить однородную суспензию. Загрузите впускной шприц на один миллилитр с одним миллилитром образца.

Насыпьте и прикрепите нагруженный шприц к автоматическому шприцевому насосу. Вставьте иглу шприца во впускную трубку устройства, чтобы создать водонепроницаемое уплотнение. Убедитесь, что выпускная трубка укоренена через узел адаптера и в резервуар.

Включите шприцевой насос, с помощью сенсорного экрана выберите тип шприца Becton-Dickinson 1 мл, затем выберите Infuse. Затем выберите требуемый расход объема потока. Инициируйте постоянный поток с помощью шприцевого насоса.

Подождите, пока выпускная трубка не наполнится жидкостью до динамика. Выберите требуемую амплитуду частоты и форму волны в приложении тон-генератора и нажмите кнопку Воспроизведения, чтобы создать колебательный поток внутри микроканала. Установите устройство на микроскоп.

Настройте оптическую конфигурацию, выбрав объектив с увеличением от 10X до 40X, а также отрегулировав фокальную плоскость и позиционируя сцену. Для получения измерений в четко определенной фокальной плоскости убедитесь, что глубина резкости объектива меньше глубины канала в пять и более раз. Для наблюдения за колебательным потоком используйте высокоскоростную камеру с частотой кадров не менее чем в два раза превышающей частоту колебаний.

Для полезного разрешения волновой формы измерьте не менее 10 точек за период времени с частотой кадров в 10 раз большей, чем частота колебаний. В качестве альтернативы, чтобы наблюдать долгосрочные эффекты положительных потоков, выполняют стробоскопическую визуализацию, устанавливая наблюдение на любой идеальный делитель частоты колебаний. Как для прямого, так и для стробоскопического изображения используйте камеру, оснащенную глобальным затвором, чтобы избежать эффекта желе.

В любом случае, держите время экспозиции значительно меньше, чем период времени колебаний, в 10 или более раз, чтобы предотвратить растяжение. Чтобы измерить амплитуду колебаний без высокоскоростной камеры, записывайте с частотой кадров, близкой к стробоскопической частоте кадров, но не к ней, что приводит к сильно замедленному колебанию, из которого амплитуда может быть точно измерена, наблюдать и записывать измерения амплитуды. Отслеживаемое смещение индикаторных частиц в средней плоскости канала показывало гармонический сигнал для частот колебаний 100, 200, 400 и 800 Гц.

На графике амплитуды колебаний по отношению к частоте для всех настроек громкости динамиков характеристическая кривая имела резонансный пик на уровне около 180 Гц, за которым амплитуда уменьшается с увеличением частоты. Влияние различных параметров на амплитуду колебаний в диапазоне рабочих частот по отношению к опорному случаю показало, что при увеличении вязкости рабочей жидкости амплитуда уменьшается почти в два раза. Когда диаметр микрофлюидных труб для того же материала увеличивается, амплитуда увеличивается по сравнению с эталонным случаем в 1,5-3 раза в зависимости от частоты.

Когда длина трубки для того же материала увеличивается, амплитуда значительно увеличивается вблизи резонансной частоты. Треки смещения частиц для несинусоидальных волновых форм показали, что очень резкие изменения положения, связанные с квадратными и пилообразными волновыми формами, невозможны в реальных системах. Тем не менее, спектры Фурье были в хорошем согласии с идеальными спектрами, по крайней мере, до третьей гармоники.

Важно подтвердить, что выходная трубка полностью заполнена жидкостью. Это гарантирует, что амплитуда максимальна и что она постоянна со временем. Также необходимо использовать камеру с глобальным затвором.

Мы использовали эту технику для точного наблюдения и измерения того, как частицы микронного размера ведут себя после того, как они путешествуют на очень большое расстояние внутри микроканала. Это позволило нам внедрить новые методы микрофлюидных манипуляций.