Summary
وقد تم تطوير النظام باستخدام ميكروفلويديك الرواية ظاهرة سلبية والضخ للمستخدم توصيل السائل نظام للرقابة. هذا النظام ميكروفلويديك لديه القدرة على أن تستخدم في طائفة واسعة من التطبيقات البيولوجية نظرا لانخفاض التكلفة وسهولة الاستخدام والدقة الحجمي ، سرعة عالية والتكرارية والأتمتة.
Abstract
وقد تم وضع نظام جديد يستخدم ميكروفلويديك ظاهرة ضخ السلبي مع مستخدم قطرات السائل تسيطر على نظام التسليم. الضخ السلبي هو ظاهرة التوتر السطحي التي يسببها ضغط السائل محرك الخلافات الحركة في قنوات مغلقة. تقديم السوائل النظام الآلي يتكون من مجموعة من الصمامات الجهد للرقابة مع فتحات صغيرة متصلة خزان السائل ، ونظام التحكم. هذه الصمامات الجهد للرقابة توفر وسيلة دقيقة لتسليم volumetrically قطرات السائل إلى مدخل جهاز ميكروفلويديك بطريقة عالية التردد. بناء على أبعاد أظهر في الدراسة الحالية سبيل المثال ، فإن النظام قادر على تدفق 4 مل في الدقيقة الواحدة (من خلال القناة 2.2mm مستعرضة 260um). استنادا إلى هذه الأبعاد القناة نفسها ، لا يمكن تحقيق تبادل السوائل من نقطة داخل القناة في وقت قصير الى ثمانية مللي ثانية. لوحظ أن هناك تفاعل بين زخم من النظام (الكشف عنها من قبل مجموعة من قطرات إنشاؤها بواسطة الصمامات وسرعة السائل في قناة) ، والتوتر السطحي للسائل. حيث يوفر الزخم لسرعة تدفق السوائل (أو العكس) ، من موازنة التوتر السطحي عند مدخل يوفر التوقف المفاجئ لتدفق أي. هذا التوقف المفاجئ يتيح للمستخدم التحكم في خصائص تدفق للقناة ، ويفتح الباب أمام مجموعة متنوعة من التطبيقات البيولوجية ، وتتراوح في أي مكان من كاشف لتسليم المخدرات خلية الدراسات. ومن الملاحظ أيضا أنه عندما يتم تهدف فتحات في مدخل في زوايا الضحلة ، ويمكن أن يسبب زخم الحبرية إضافية السائل الظواهر المثيرة للاهتمام ، مثل اختلاط قطرات متعددة في المدخل.
Protocol
في هذا التقرير أن نبرهن وسيلة لتوصيل السائل الذي يستخدم قطرات صغيرة التوتر السطحي على ضخ كمية المطلوبة من خلال قناة ميكروفلويديك من أجل تحقيق عدد من الظواهر السوائل المختلفة. على سبيل المثال ، قد يرغب المستخدم في التدفق السائل واحد بأسرع وقت ممكن ، أو تقديم سوائل متعددة في تعاقب سريع لخلق أنماط fluidic محددة. من أجل القيام بذلك ، يجب على المستخدم أولا تطبيق بنيت حول جهاز ميكروفلويديك. microflluidic الجهاز لا يحتاج إلى أن يكون الرهينة ، ولكن يجب أن تكون مصنوعة من مادة ماء. Therfore ، يمكن استخدام الأسلوب مع أي جهاز تقريبا ميكروفلويديك ، مع الأداء تمليه إلى حد كبير من القيود ذات الطابع الهندسي للقناة ميكروفلويديك. للمساعدة في اجتياز المعوقات الهندسية من هذا الأسلوب ، ومقدمة للتحليل العددية ذات الصلة هو قدم لأول مرة.
- الطرق التحليلية : وفقا لقانون لابلاس وقانون اشبرن [1] ، واحدة يمكن أن تتصل معدل التدفق داخل قناة ميكروفلويديك لأبعادها وخصائص السائل المتدفق كما يتضح في المعادلة (1) ،
(1)
حيث Δ P هو الفرق بين الضغط على مدخل ومخرج ، وγ هو توتر سطح السائل ، R هو نصف قطرها قطرة مدخل ، Q هي معدل التدفق وK هي المقاومة كما وصفها fluidic المعادلة (2) ،
(2)
حيث η هو اللزوجة السائل ، L 0 هو طول القناة ، هو ارتفاع ح القناة ، ث هو عرض القناة ، λ = ث / ح ز (λ) = 1.5 إذا λ> 4.45 أو
إذا λ <4.45. استبدال المعادلة (2) في المعادلة (1) ، على افتراض أن دائما ح <ث وحل لسؤال واحد يحصل على المعادلة (3) ،
(3)
ويمكن أن يتم نفس التحليل للسرعة السائل داخل القناة مع العلم أن س = VA ، حيث V هي سرعة السائل المتوسط وA هي مساحة المقطع العرضي أو الأب. في توصيل هذه المعادلة (3) الذي يأتي مع المعادلة (4) ،
(4)
مفهوم هام الميكانيكية التي يتم تطبيقها في كثير من الأحيان في البيولوجيا ميكروفلويديك هو إجهاد القص ، والتي تتعلق معدل التدفق وسرعة باستخدام المعادلة (5) ،
(5)
معرفة العلاقة بين معدل التدفق وسرعته وآثارها الجسدية بوصفها وظيفة من قناة أبعاد وخصائص السوائل أمر بالغ الأهمية في تصميم جهاز ميكروفلويديك لغرض معين. مرة واحدة يتم إنشاء الجهاز ، يجب على المستخدم ثم معايرة نظام التسليم السائل لتحقيق تدفق الخصائص المطلوبة داخل الجهاز. - الخطوات في إعداد ومعايرة نظام التسليم :
- إنشاء جهاز ميكروفلويديك عبر تقنية الطباعة الحجرية الناعمة باستخدام polydimethylsiloxane (PDMS ، Sylgard 184 ، داو كورننغ) [2]. هناك عدد المقالات التي توضح إن الرب طرق لصنع أجهزة ميكروفلويديك PDMS [5]. لهذه التظاهرة ، فقد اخترنا قناة بسيطة على التوالي ، وذات أبعاد على النحو التالي : 2.2mm العرض والطول والارتفاع 10MM 260um. مدخل ومخرج وبأقطار 1.8mm 5.1mm وعلى التوالي (الشكل 1). نعلق عكسية PDMS الجهاز لشريحة زجاجية عن طريق الضغط عليه على شريحة زجاجية (أو الركيزة مناسبة أخرى) وابعاد أي فقاعات هواء [5]. مرفق عكسها يسمح الجهاز إعادة استخدامها عدة مرات. ويمكن أيضا أن تستخدم الأسلوب مع أجهزة المستعبدين بشكل دائم ، ولكنه غير مطلوب.
- شغل الجهاز مع السائل. طبيعة مسعور PDMS من ماء وطبيعة المساعدة الزجاج تحريك نقطة التي يتم وضعها في مدخل أو مخرج ، في القناة. اذا قطرة من السائل لا يريد الخوض في القناة نفسها ، أو إذا فقاعات الانتقال إلى القناة ، ويمكن للمستخدم أن يضع قطرة من السائل عند مدخل أو مخرج ، واستخدام ماصة في الطرف المقابل لامتصاص السائل من خلال القناة. طريقة أخرى للمساعدة على تحريك السائل في القناة عن طريق فصل الجهاز PDMS من شريحة زجاجية والتنظيف بلطف والجهاز PDMS الشريحة الزجاجية مع الايثانول. هذا يعود إلى PDMS وشريحة زجاجية طبيعتهم مسعور وماء ، على التوالي ، والتي قد ضعفت مع مرور الوقت والاستخدام.
- بعد ملء الجهاز مع السائل ، ووضع قطرة صغيرة على مدخل وbigge aص قطرة على مأخذ. تأكد من ضخ السلبي يحدث من خلال مشاهدة قطرة صغيرة في مدخل انهيار ومراقبة تدفق السوائل نحو المخرج. مرة أخرى ، تأكد من عدم وجود فقاعات داخل القناة.
- تستخدم الشركة لي [3] VHS عدة الاستغناء الجزئي ابتداء ، مجتمعة واحد أو أكثر الصمامات (الإعداد صمام في الشكل 2) ، ويتألف من صمام VHS لي 24 م / 2 فولت ، وفوهات MINSTAC 0،062 مع حجم فتحة 0.0100 "، و لي 0.062 Minstac لمحول أنبوب لينة ، وسبايك لي وامسك سائق (لتحكم المستخدم ، لا يظهر) والجمعية أسلاك الرصاص (الذي يربط بين صمام إلى المصطلحات وامسك سائق ، لا يظهر).
- طريقة سهلة لعقد الصمامات باستخدام أدوات مصغرة أصحاب العلوم البيولوجية (الشكل 2) [4]. هذه توفر وسيلة لهدف ، وعلى وجه التحديد عقد صمام في موقف معين خلال التجارب التي الإلتصاق صمام إلى واحدة من نهاية حامل واستخدام قاعدة المغناطيسي (لا يظهر) على الجانب الآخر.
- جعل نظام خزان لتوضع على بعد بضعة أقدام فوق جهاز ميكروفلويديك PDMS (في حالتنا نحن تستخدم المحاقن ¾ مفتوحة للاوقية (الاونصة) المحيطة ، انظر الشكل 2). الخزان يوفر رئيس ضغط لدفع الفوهات ، مع الضغط الذي يتناسب مع ارتفاع الخزان. بدلا من ذلك يمكن للصمامات فوهة تضغط أي عدد من وسائل مختلفة (أي ضغط الغاز). نعلق إبرة حقنة لالحقنة. وهناك إبرة حقنة نموذجية نعلق بسهولة إلى 1.14 ملم أنابيب قطرها الداخلي. سوف أنابيب 1.14 ملم ثم نعلق بسهولة إلى 1،58 ملم (1 / 16 ") أنابيب قطرها الداخلي الذي يربط نفسه ثم إلى" محول أنبوب لينة "في الصمام. لمنع تسرب السائل في 1،14-1،58 مم مم اتصال الأنابيب ، يمكن للمرء استخدام PDMS كما تسرب. الآن أن هناك خط بين إبرة حقنة وصمام شركة لي ، وملء الخزانات المحاقن مع السائل. ويمكن استخدام حقنة اضافية وصمام للمساعدة في عملية تطهير (كما هو موضح ولكن ليس المسمى في الشكل 2). وضع مغناطيس على جانب من صمام ، وهذا هو كيف يتم تطهير هذه الصمامات (عادة ما تكون مغلقة الملف اللولبي الصمامات) ، وبلغ بدء تدفق السائل من الخزان من خلال صمام والخروج من فوهة ''0.0100.
- معايرة النظام من خلال اختيار الوقت لفتح صمام (الوقت مفتوح هو الوقت الذي صمام يسمح لتمرير السوائل على أساس النبض الواحد) وتردد (عدد النبضات في الثانية الواحدة). تنشيط one صمام لفترة المختار (لمدة دقيقة او نحو ذلك ، فقط تذكر وقت التشغيل الكلي). وزن السائل التي تم تسليمها من الصمام. معرفة وقت التشغيل الكلي والتردد ولكل نبضة وقت فتح ، لحساب غرام لكل ميلي ثانية واطلقوا الرصاص من الصمام. وهذا "غرام لكل ميلي ثانية واحدة" القيمة تسمح لك لاختيار الوقت لفتح أي حجم المطلوب المستخدم قد ترغب في أن تسلم من الصمام.
(1) 
(2) 
على سبيل المثال : نظام تشغيل لمدة دقيقة (60 ثانية). كان التردد 15 هرتز (15 نبضات في الثانية الواحدة). كانت المرة مفتوحة لكل نبضة 20 ميلي ثانية (مللي ثانية).
(20ms) (15Hz) (60s) = 18000ms.
كان صمام هذا يعني أنه من أصل 60000 مللي في دقيقة واحدة ، في الواقع مفتوحة لل18000 مللي ثانية.
دعونا نفترض أن حجم السائل تسليم وزنه 5 غرامات. ثم ،
5 غرام / 18000 = 2.78e مللي جرام -4 / مللي.
في قضية المياه ، مع كثافة كونها غرام واحد لكل مليلتر (مل) ،
2.78e غراما -4 / MS = 2.78e -4 مل / مللي.
بعد المعايرة ، وحجم انخفاض يعتمد على الوقت مفتوحة. على سبيل المثال ، مع الوقت 20ms المفتوحة ، وجميع المعلمات المتبقية هي نفسها كما في المثال السابق ،
(2.78e مل -4 / MS) (20 مللي) = 5.56e مل -3 = 5.56 ميكرولتر.
لإيجاد الوقت اللازم لفتح ذ جعل قطرة من حجم × (ميكرولتر) ميكروليتر ،
(خ ميكرولتر) / [(2.78e مل -4 / MS) (1000 ميكروليتر / مل) = ذ مللي
8) هدف واحد أو أكثر من الفتحات إلى مدخل الجهاز PDMS (الشكل 3). بعد معايرة النظام ، وحساب حجم الخروج من كل صمام ، استنادا إلى أبعاد الجهاز ميكروفلويديك. لسلبية عالية السرعة الضخ (للحصول على الحد الأقصى لمعدل التدفق) ، وحساب حجم الانخفاض مدخل ضروري لخلق انخفاض المدخل الذي يمتلك 90deg زاوية اتصال مع سطح مدخل [2]. لإنشاء حزمة ، وحساب وفتح صمام تردد مرات والتوقيتات اللازمة لتفعيل صمام صمامين في التسلسل. كما رأينا في الشكل 3 ، يمكن أشار الفتحات اثنان في المدخل. ويمكن تمديد هذه الفتحات لمتعددة ، كلها تهدف إلى مدخل القناة.
ممثل النتائج :
عندما محسوبة بشكل صحيح ، مع أوقات فتح صمام محسوبة بشكل صحيح والفتحات التي تهدف بشكل صحيح في المدخل ، ينبغي أن يكون المستخدم قادرا على رؤية تدفق ضخ بسلبية (الشكل 4). وابلا من السائل شولد يخرج من صمام والوصول إلى مدخل. كما يصل إلى مدخل السائل ، ثمة لحظة انهيار للانخفاض في مدخل القناة ، نحو المخرج. السائل داخل القناة يتحرك فقط أثناء انهيار هبوط المدخل. استكمال حركة السائل داخل القناة يتوقف عند نهاية انهيار قطرة ، الذي ينص على وقف فوري وسائل محددة جيدا حدود fluidic (في حالة أن المستخدم هو السوائل المتدفقة متعددة). مدة الانهيار انخفاض يعتمد على مدخل الميناء ونصف قطرها حجم الانخفاض مدخل [1]. في الإعداد لدينا التجريبية والتصميم ، وانهيار مدخل انخفاض يحدث في أي أمر من ميلي ثانية قليلة.
الشكل 1. الجهاز ميكروفلويديك PDMS مدخل واحد ، إلى اليسار ، ومخرج واحد ، الحق. الرجاء انقر هنا لرؤية نسخة أكبر من الرقم 1.
نظام خزان الرقم 2. الإعداد وصمام. الرجاء انقر هنا لرؤية نسخة أكبر من الشكل 2.
الشكل 3. اثنان من الصمامات ، وكلاهما استهدف مدخل واحد للجهاز ميكروفلويديك. الرجاء انقر هنا لرؤية نسخة أكبر من الرقم 3.
الشكل 4 دوام خطوة تسلسل (33 ملي ثانية) من الانهيار انخفاض مدخل التالية قذف السائل من صمام. الرجاء انقر هنا لرؤية نسخة أكبر من الرقم 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
- لسلبية عالية السرعة الضخ ، وإذا ما تم اختيار الحق في الجمع بين التردد ولكل وحدة التخزين نبض (بسبب الوقت الذي فتح الصحيح) ، ينبغي أن يرى المستخدم ما يبدو أنه تراجع ثابت أو قذيفة على مدخل ومعدل تدفق سريع للغاية داخل القناة. إذا تجاوز يحدث ، في الوقت فتح و / أو تردد عالية جدا.
- للكشف عن التفاعلات التوتر الزخم / سطح ، يجب على المستخدم مضخة نبضة واحدة في وقت ومراقبة البيئة داخل القناة بينما نبض يحدث (من البداية إلى النهاية). فمن المستحسن من قبل المؤلفين لاستخدام الخرز الفلورسنت لتقديم تصوير دقيق للسلوك السائل داخل القناة. عند انهيار قطرة واحدة في مدخل المستخدم يجب أن نرى ، داخل القناة ، والحركة من الخرز نحو المخرج. باستخدام كاميرا عالية السرعة ، ويمكن للمستخدم أن نلاحظ أن حبات المضي قدما (نحو مخرج) على مسافة معينة ومن ثم تعاني من حويضي الصغيرة قبل التوصل إلى وقف كامل ومفاجئ. إذا لوحظ انخفاض مدخل في نفس الوقت باعتبارها وسيلة داخل القناة ، يجب على المستخدم ملاحظة أن حويضي صغيرة من الخرز يتوافق مع انتعاش مفاجئ للصغير ولكن الانخفاض المدخل. هذا يوحي بأن هناك علاقة توتر الزخم / السطحية في السائل التي يتم ضخها بشكل سلبي ، في المقام الأول في قطرات السائل ألقاها في المدخل. الزخم هو إما الزخم الكشف عنها من قبل صمامات مدخل إلى الانخفاض و / أو الزخم الذي أوجده تراجع الانهيار. اما الطريقة ، يتم نقل هذا الزخم في سرعة السائل داخل القناة. الزخم وآثارها شيء يجب أن يكون درس اكثر في المستقبل ، وربما يكون العديد من التطبيقات المحتملة.
- إذا كنت تهدف فتحات في مداخل بزاوية ضحلة جدا ، ويمكن أن زخم قطرات يسفر عن عدد من التغييرات في مختلف الظواهر انهيار الحبرية. على سبيل المثال ، إذا كنت تستخدم الأصباغ في السائل ، يمكن للمستخدم مراقبة عملية دوامات من السائل عند مدخل ونتيجة لذلك نرى مزيجا من ألوان الصبغات بدلا من الصبغة واحد يجري ضخها في القناة ، مما يوحي بأن السوائل في مدخل و كان مختلطا خلال الانهيار. في بعض الحالات يمكن أن يكون هذا مشكلة في الحصول على السائل التبادلات دقيقة ، ولكن في التطبيقات الأخرى التي قد تكون مفيدة لتعزيز خلط السوائل. في الحالات القصوى من زوايا ضحلة جدا من الفوهات ، جنبا إلى جنب مع قطرات من سرعة عالية ، ويمكن للمستخدم مراقبة قطرات "كذاب قبالة' من مدخل ، وعلى زخم الهبوط يصبح كبيرا جدا كي تتمكن من الاندماج مع انخفاض مدخل .
- عندما ضخ سيولة بشكل سلبي في جهاز ميكروفلويديك ، سرعة السائل هي وظيفة من أبعاد الجهاز وخصائص السوائل كما هو مبين في المعادلات (1) من خلال (4). الضغوط التي تقدمها قطرة من السائل يتناسب عكسيا مع انخفاض في دائرة نصف قطرها ، أي نصف قطرها أكبر انخفاض ضغط أقل يوفر القيادة. إذا كان عرض القناة والارتفاع النسبي تنمو مع بعضها البعض ، ثم زادت هذه الأبعاد هي ، ويمكن زيادة سرعة يكون. ومع ذلك ، هناك نقطة ويأتي فيها أبعاد قناة كبيرة تأخذ جهاز ميكروفلويديك في العالم حيث macrofluidic حدود الصفحي والتدفق المضطرب قاء. في تلك المنطقة من أرقام رينولدز هذه المعادلات لم تعد تعمل. بحيث يمكن للحفاظ على النظام في المنطقة من التدفق الصفحي ، واحدة من أكبر تصبح أبعاد (عرض القناة) ، بينما يتم ترك الأخرى ثابتة في مكان ما في (ارتفاع قناة) الصغيرة الحجم. قد غادرت ميناء مدخل وثابت أو قد النطاق مع عرض القناة. مع هذه الافتراضات في الحسبان ، إذا كانت موازين مدخل الميناء مع عرض القناة ، وسيكون هناك نقطة حيث تأتي الضغوط التي قدمتها قطرة السائل مدخل أقل من المقاومة التي تقدمها fluidic زيادة في عرض القناة. عندما يتم التوصل إلى هذه النقطة ، سيتم النظر في تخفيض سرعة fluidic. إذا غادرت ميناء مدخل ثابت ويتم عرض أكبر ، وبعد ذلك سوف تصبح أكبر من سرعة حتى النقطة التي اكتسبت المقاومة fluidic مع زيادة في عرض القناة يقهر ميزة معدل تدفق المقدمة من زيادة في منطقة مستعرضة. هناك توازن دقيق بين القناة وأبعاد مدخل الميناء والتوتر السطحي للانخفاض السوائل. ويمكن تحقيق سرعة أكبر على القناة عند ذروة القناة هي مساوية لعرض القناة ، أي مربع مستعرضة المنطقة. ساحة مستعرضة المجال هو البعد الذي يزيد حجم معدل التدفق مع تقليل المساحة السطحية الاتصال ، أي معدل تدفق أكبر مع المقاومة fluidic الأقل.
- التطبيقات البيولوجية المختلفة تتطلب من المرجح مختلفة التصاميم الجهاز ميكروفلويديك. صالح الضخ السلبي انه طالما هناك مدخل ومخرج آن ، ستعمل الضخ السلبي. كما أنها مريحة للغاية لأنه لا يحتاج الجهاز ميكروفلويديك لتكون الركيزة المستعبدين من أعماله. وهذا يسمح لاستخدامه مع أي نوع تقريبا من الركيزة. لتجنب الخطأ البشري أو تكاليف عالية ، واستخدام الكتاب لشركة اتش اس لي عدة بدءا ابفيو (LabVIEW) جنبا إلى جنب مع (الوطني الوظائفtruments). هذا النظام يسمح للمستخدم للسيطرة على تدفقات الحجمي ومواعيد التسليم مع ضمان التسليم الآلي السائل دقيقة والأسلوب. ويمكن أيضا مداخل ومنافذ متعددة يمكن استخدامها ، ولكن السيطرة على اتجاه تدفق أكثر صعوبة في هذه السيناريوهات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
تم توفير التمويل من قبل معهد ويسكونسن للاكتشاف.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sylgard 184 Silicone elastometer base | Dow Corning | MSDS No.: 01064291 | |
| Sylgard 184 Silicone elastometer curing agent | Dow Corning | MSDS No.: 01064291 | |
| VHS Microdispensing Starting kit | The Lee Company | IKTX0322000A | |
| Miniature Holders | Bioscience Tools | MH-2 | |
| LabVIEW | National Instruments | Control System | |
| 1.14mm I.D. tubing | Scientific Commodities Inc. | BB31695-PE/7 | |
| 1.57mm I.D. tubing | Scientific Commodities Inc. | BB31695-PE/10 | |
| 20 mL BD™ Luer-Lok Tip Syringe, non-sterile | BD Biosciences | 301032 | |
References
- Berthier, E., Beebe, D. J. Flow rate analysis of a tension driven passive micropump. Lab Chip. 7, 1475-1478 (2007).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Anal. Chem. 70, 4974-4984 (1998).
- Harris, J., Lee, H., Vahidi, B., Tu, C., Cribbs, D., Cotman, C., NL, J. eon Non-plasma Bonding of PDMS for Inexpensive Fabrication of Microfluidic Devices. J Vis Exp. (9), (2007).
- Walker, G. M., Beebe, D. J. A passive pumping method for microfluidic devices. Lab Chip. 2 (3), 131-134 (2002).
