Summary
Een nieuwe microfluïdische systeem is ontwikkeld met behulp van het fenomeen van de passieve pompen en een door de gebruiker gecontroleerd vloeistof aflevering systeem. Dit microfluïdische systeem heeft de potentie om te worden gebruikt in een breed scala van biologische toepassingen, gezien de lage kosten, gebruiksgemak, volumetrische precisie, hoge snelheid, herhaalbaarheid en automatisering.
Abstract
Een nieuwe microfluïdische systeem is ontwikkeld dat gebruik maakt van het fenomeen van de passieve pompen, samen met een door de gebruiker gecontroleerd druppel vloeistof op basis van levering-systeem. Passieve pompen is het verschijnsel waarbij oppervlaktespanning drukverschillen rijden vloeiende beweging geïnduceerd in gesloten kanalen. Het geautomatiseerde vloeistof levering bestaat uit een set van voltage gestuurde kleppen met micro-nozzles aangesloten op een vloeistof reservoir en een controlesysteem. Deze spanning kleppen bieden een volumetrisch nauwkeurige manier om de vloeistof druppels te leveren aan de inlaat van een microfluïdische apparaat in een hoge frequentie manier. Op basis van de afmetingen aangetoond in de huidige studie bijvoorbeeld het systeem in staat van stromende 4 milliliter per minuut (via een 2,2 mm door 260um dwarsdoorsnede kanaal). Op basis van deze zelfde kanaal afmetingen, kunnen soepele uitwisseling van een punt in het kanaal worden bereikt in slechts acht milliseconden. Opgemerkt wordt dat er een wisselwerking tussen dynamiek van het systeem (bijgebracht door een combinatie van de druppels die door de kleppen en de vloeistofsnelheid in het kanaal), en de oppervlaktespanning van de vloeistof. Waar momentum snelheid biedt aan de stroming (of vice-versa), evenwicht van de oppervlaktespanning aan de inlaat zorgt voor een plotselinge stop aan een flow. Deze plotselinge stop kan de gebruiker de controle over de vloei-eigenschappen van het kanaal en opent de deur voor een verscheidenheid aan biologische toepassingen, variërend overal van reagentia de levering van drugs-cel studies. Het is ook waargenomen dat wanneer nozzles gericht zijn op de inlaat op ondiepe hoeken, de druppel momentum kunnen extra interessant vocht verschijnselen, zoals het mengen van meerdere druppels in de inlaat te veroorzaken.
Protocol
In dit rapport tonen wij een vloeistof levering methode die kleine druppels oppervlaktespanning gebruikt om een gewenste volume pomp door middel van een microfluïdische kanaal om een aantal verschillende vloeistof fenomenen te bereiken. Bijvoorbeeld, kan de gebruiker wenst tot een vloeistofstroom zo snel mogelijk, of leveren meerdere vloeistoffen in snelle opeenvolging van specifieke vloeibare patronen te creëren. Om dit te doen, moet de gebruiker eerst een applicatie gebouwd rond een microfluïdische apparaat. De microflluidic apparaat hoeft niet te worden gebonden, maar dient te worden gemaakt van een hydrofiel materiaal. Is dus in, kan de methode worden gebruikt met vrijwel elk microfluïdische apparaat, met de prestaties grotendeels bepaald door de geometrische beperkingen van de microfluïdische kanaal. Om u te helpen navigeren door de geometrische beperkingen van deze methode, een inleiding tot de relevante numerieke analyse wordt eerst gepresenteerd.
- Analysemethoden: Volgens de Laplace Wet en de Washburn wet [1], kan men het debiet betrekking hebben binnen een microfluïdische kanaal om de afmetingen en de eigenschappen van de stromende vloeistof zoals te zien in vergelijking (1),
(1)
waar Δ P is het drukverschil tussen de inlaat en de uitlaat, γ is de vloeistof oppervlaktespanning, R is de inlaat druppel radius, Q is het debiet en K is de vloeibare weerstand zoals beschreven door vergelijking (2),
(2)
waar η is de vloeistof viscositeit, L 0 is het kanaal lengte, h is het kanaal hoogte, w is de kanaalbreedte, λ = b / h en g (λ) = 1,5 als λ> 4,45 of
Als λ <4.45. Vervangen door vergelijking (2) in vergelijking (1), altijd in de veronderstelling dat h <w en op te lossen voor Q, een vergelijking (3) verkrijgt,
(3)
Dezelfde analyse kan gedaan worden voor de snelheid van de vloeistof in een kanaal door te weten dat Q = VA, waarbij V de vloeistof gemiddelde snelheid en A is de doorsnede of hw. Het aansluiten van deze in vergelijking (3) Je komt met vergelijking (4),
(4)
Een belangrijk mechanisch concept dat vaak wordt toegepast in microfluïdische biologie is shear stress, die betrekking heeft op snelheid en snelheid stromen door vergelijking (5),
(5)
Het kennen van de relatie tussen debiet, snelheid en hun fysieke gevolgen als een functie van kanaal afmetingen en eigenschappen van vloeistof is cruciaal in het ontwerp van een microfluïdische apparaat voor een bepaald doel. Zodra een apparaat wordt gemaakt, moet de gebruiker dan het ijken van de vloeistof delivery systeem om de gewenste vloei-eigenschappen te bereiken in het apparaat. - Stappen bij het opzetten en kalibreren Delivery System:
- Maak microfluïdische apparaat via soft-lithografie techniek met behulp van polydimethylsiloxaan (PDMS, Sylgard 184, Dow Corning) [2]. Er zijn nummer Jove artikelen die methoden te illustreren voor het maken van PDMS microfluïdische apparaten [5]. Voor deze demonstratie, hebben we gekozen voor een eenvoudige rechte kanaal, met afmetingen als volgt: 2,2 mm breedte, lengte en 10mm 260um hoogte. De inlaat-en uitlaatopeningen zijn 1,8 mm en 5.1mm respectievelijk (figuur 1). Reversibel hechten PDMS apparaat glasplaatje door erop te drukken op een glasplaatje (of een ander geschikt substraat) en knijpen eventuele luchtbellen weg [5]. Een omkeerbare bevestiging kan het apparaat opnieuw worden meerdere malen gebruikt. De methode kan ook gebruikt worden met een permanent gekoppelde apparaten, maar het is niet nodig.
- Vul het apparaat met vloeistof. De hydrofobe karakter van PDMS en de hydrofiele aard van het glas te verplaatsen van een druppel die wordt geplaatst op de inlaat of uitlaat, in het kanaal. Als de druppel vloeistof wil niet in te gaan op het kanaal zelf, of als zeepbellen te verplaatsen in het kanaal, kan de gebruiker een druppel vloeistof gezet bij de inlaat of uitlaat, en gebruik een pipet aan de andere kant om de vloeistof te zuigen door het kanaal. Een andere methode van het helpen van de vloeistof te verplaatsen naar het kanaal wordt door het scheiden van de PDMS-apparaat van het glas glijden en voorzichtig schoonmaken van de PDMS-apparaat en het glazen schuif met ethanol. Dit keert terug naar de PDMS en de glazen schuif hun hydrofobe en hydrofiele naturen, respectievelijk, die zijn verzwakt met de tijd en gebruik.
- Na het vullen van het apparaat met vloeistof, een kleine druppel op de inlaat en een Bigger druppel op het stopcontact. Zorg ervoor dat passieve pompen gebeurt door te kijken naar de kleine daling bij de inlaat ineenstorting en het observeren van de vloeistofstroom naar de uitlaat. Nogmaals, zorg ervoor dat er geen luchtbellen in het kanaal.
- Gebruik van de Lee Company's [3] VHS micro doseren starten kit, samen een of meer kleppen (kleppen setup in figuur 2), bestaande uit de Lee VHS M / 2 24 Volt Valve, een 0.062 MINSTAC Nozzles met een spuitopening van 0,0100 ", de lee 0.062 Minstac Soft Tube-adapter, de Lee Spike en Hold Driver (voor de gebruiker controle, niet afgebeeld) en de Lead Wire Vergadering (het aansluiten van de klep aan de Spike en Driver, Hold niet getoond).
- Een gemakkelijke manier om de kleppen te houden wordt met behulp van de bio-tools miniatuur houders (figuur 2) [4]. Deze bieden een manier om nauwkeurig te richten en houd de klep op een bepaalde positie tijdens de experimenten door het lijmen van de klep aan het ene uiteinde van de houder en het gebruik van een magnetische voet (niet afgebeeld) aan de andere kant.
- Maak een reservoir systeem geplaatst worden een paar meter boven de PDMS microfluïdische apparaat (in ons geval gebruikten we ¾ ounce spuiten open voor het ambient, zie figuur 2). Het reservoir geeft een druk hoofd naar de nozzles rijden, met de druk die evenredig is aan de hoogte van het reservoir. U kunt het mondstuk kleppen kunnen worden onder druk gezet door een aantal verschillende middelen (dat wil zeggen, samengeperst gas). Bevestig een injectienaald op de spuit. Een typische naald zal gemakkelijk hechten in 1,14 mm binnendiameter slang. De 1,14 mm buis zal dan gemakkelijk hechten in 1,58 mm (1 / 16 ") binnendiameter slang, die vervolgens zich verbindt met de" Soft Tube Adapter "van de klep. Om te voorkomen dat lekkage van vloeistof in de 1,14 mm tot 1,58 mm buis aansluiting, kan men gebruik maken van PDMS als een kit. Nu dat er een lijn tussen de naald van de spuit en de Lee Co klep, vul spuit reservoirs met vloeistof. Een extra spuit en een klep kan worden gebruikt om te helpen bij het zuiveringsproces (gelijst maar zijn niet gelabeld in figuur 2). Plaats een magneet aan de zijkant van de klep, dit is hoe deze kleppen zijn verwijderd (ze zijn normaal gesloten magneetventielen), en kijk vloeistof gaan stromen uit het reservoir door de klep en de 0,0100''mondstuk.
- Kalibreer het systeem door te kiezen voor een klep open tijd (open tijd is de tijd dat de klep kan vloeistof door te geven op een per puls basis) en frequentie (aantal pulsen per seconde). Activeer een ventiel voor een gekozen periode (een minuut of zo, alleen niet vergeten de totale looptijd). Weeg de vloeistof die werd geleverd uit het ventiel. Het kennen van de totale looptijd, de frequentie en per-puls open tijd, het aantal gram per milliseconde te berekenen schoot uit het ventiel. Deze "gram per milliseconde" value zal u toelaten om een open tijd voor een gewenste volume van de gebruiker willen worden verlost van de klep te kiezen.
(1) 
(2) 
Voorbeeld: Systeem geactiveerd voor een minuut (60 seconden). De frequentie is 15 Hz (15 pulsen in een seconde). Het per-puls open tijd was 20 milliseconden (ms).
(20ms) (15Hz) (60s) = 18000ms.
Dit betekent dat van de 60.000 MS in een minuut, de klep was eigenlijk open voor 18.000 ms.
Laten we aannemen dat het volume van de vloeistof geleverd 5 gram woog. Dan,
5 gram / 18000 ms = 2.78e -4 gram / ms.
In het geval van water, met de dichtheid als een gram per milliliter (ml),
2.78e -4 gram / ms = 2.78e -4 ml / ms.
Na de kalibratie, het volume van een druppel is afhankelijk van de open tijd. Bijvoorbeeld, met een open tijd van 20ms, en alle parameters blijft hetzelfde als in het vorige voorbeeld,
(2.78e -4 ml / ms) (20 ms) = 5.56e -3 ml = 5,56 pi.
Om de open tijd y die nodig is om een druppel x microliter (pi) volume te maken,
(X pi) / [(2.78e -4 ml / ms) (1000 pi / ml)] = y ms
8) Doel van een of meer mondstukken naar de inlaat van de PDMS-apparaat (figuur 3). Na gekalibreerd het systeem, het berekenen van de hoeveelheid die uit elke klep, op basis van microfluïdische apparaat afmetingen. Voor hoge snelheid passieve pompen (tot maximum debiet te verkrijgen), het berekenen van de inlaat druppel volume nodig is om een inlaat druppel die een 90deg contacthoek bezit met inlaat oppervlak [2] te creëren. Voor packet creatie, berekenen klep frequentie en open tijden en de klep timings nodig om twee kleppen te activeren in de juiste volgorde. Zoals te zien in figuur 3, kunnen de twee nozzles worden opgemerkt bij de inlaat. Dit kan uitgebreid tot meerdere nozzles, allemaal gericht op het kanaal inlaat.
Representatieve resultaten:
Op de juiste wijze geijkt, met klep open tijden correct berekend en de sproeiers goed gericht op de inlaat, moet de gebruiker kunnen zien stromen passief gepompt (figuur 4). Een uitbarsting van vloeibare shOuld komen uit het ventiel en bereiken de inlaat. Als vloeibare bereikt de inlaat, is er een direct ineenstorting van de inlaat druppel in het kanaal, naar de uitlaat. Vloeistof in het kanaal beweegt alleen tijdens de instorting van een inlaat te laten vallen. Volledige vloeistof verkeer binnen het kanaal stopt aan het eind van de druppel ineenstorting, die voorziet in onmiddellijke vloeistof te stoppen en goed gedefinieerde vloeibare grenzen (in het geval dat de gebruiker meerdere vloeistoffen stromen). De duur van de daling van instorten is afhankelijk van de inlaatpoort radius en het volume van de inlaat laten vallen [1]. In onze experimentele opstelling en het ontwerp, inlaat daling van instorting optreedt in een kwestie van een paar milliseconden.
Figuur 1. PDMS microfluïdische apparaat met een inlaat, links, en een uitlaat, rechts. Gelieve Klik hier voor een grotere versie van figuur 1 te zien.
Figuur 2. Reservoir systeem en de klep te stellen. Gelieve Klik hier voor een grotere versie van figuur 2 te zien.
Figuur 3. Twee kleppen, beide gericht op een enkele inlaat van een microfluïdische apparaat. Gelieve Klik hier voor een grotere versie van figuur 3 te zien.
Figuur 4. Time-stap sequence (33 milliseconden) van de inlaat druppel vloeistof instorten na het uitwerpen van een klep. Gelieve Klik hier voor een grotere versie van figuur 4 te zien.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
- Voor hoge snelheid passieve pompen, als de juiste combinatie van frequentie en per puls volume (als gevolg van de juiste open tijd) wordt gekozen, moet de gebruiker zien wat lijkt op een statische druppel of shell aan de inlaat en een zeer snelle doorstroming binnen kanaal. Als overflow optreedt, de open tijd en / of de frequentie te hoog zijn.
- Voor het detecteren van momentum / oppervlaktespanning interacties, moet de gebruiker een puls pomp per keer en let op de intra-channel omgeving, terwijl puls zich voordoet (van begin tot eind). Het wordt aanbevolen door de auteurs om fluorescerende beads te gebruiken om een accurate weergave van de intra-channel vloeistof gedrag. Na de ineenstorting van een enkele druppel in de inlaat van de gebruiker moet zien, in het kanaal, de verplaatsing van kralen naar de uitlaat. Met behulp van een high speed camera, kan de gebruiker er rekening mee dat vooruit kralen bewegen (richting uitlaat) een bepaalde afstand en dan last van een kleine terugstroom alvorens een volledig en plotseling stoppen. Als de inlaat daling is waargenomen op hetzelfde moment als de intra-kanaal medium, moet de gebruiker er rekening mee dat de kleine terugstroming van kralen komt overeen met een kleine, maar plotselinge opleving van de inlaat te laten vallen. Dit suggereert dat er een momentum / oppervlaktespanning relatie in de vloeistof wordt passief gepompt, voornamelijk in de vloeistof druppels afgeleverd op de inlaat bestaat. Het momentum is ofwel elan van de kleppen aan de inlaat te laten vallen en / of momentum gecreëerd door de daling van instorten. Hoe dan ook, is dit momentum overgebracht naar intra-channel vloeistofsnelheid. Momentum en de gevolgen ervan is iets dat moet worden onderzocht en in de toekomst en kunnen talrijke toepassingsmogelijkheden.
- Als de nozzles zijn gericht op de inhammen op een zeer ondiep hoek, kan momentum van de druppels resulteren in een aantal van de verschillende veranderingen in de druppel instorten verschijnselen. Bijvoorbeeld, als kleurstoffen worden gebruikt in de vloeistof, kan de gebruiker zien een kolkende van de vloeistof bij de inlaat en als gevolg daarvan ziet een mengsel van kleurstoffen in plaats van een kleurstof kleuren wordt gepompt in het kanaal, wat suggereert dat vloeistoffen bij de inlaat hebben gemengd tijdens het instorten. In sommige gevallen kan dit problematisch zijn in het krijgen van nauwkeurig vloeistof uitwisselingen, maar in andere toepassingen kan blijken te zijn gunstig voor het bevorderen van het mengen van vloeistoffen. In het geval van zeer extreme ondiepe hoeken van de sproeiers, in combinatie met druppels van hoge snelheid, kan de gebruiker de druppels 'stuiteren' van de inlaat, als het momentum van de druppel te groot wordt om deze te verenigen met de inlaat druppel .
- Bij het passief vloeistof pompen in een microfluïdische apparaat, de vloeistof snelheid is een functie van het apparaat afmetingen en vloeistof eigenschappen zoals weergegeven in vergelijkingen (1) tot (4). De druk die door een druppel vloeistof is omgekeerd evenredig aan de daling van radius, dat wil zeggen een grotere daling straal biedt minder autorijden druk. Als het kanaal breedte en hoogte groeit evenredig met elkaar, dan des te groter deze dimensies zijn, hoe groter de snelheid kan worden. Echter, er komt een punt waar grote kanaal afmetingen van een microfluïdische apparaat nemen in de macrofluidic wereld waar de grens van laminaire en turbulente stroming te ontmoeten. In dat gebied van Reynoldsgetallen deze vergelijkingen niet meer werken. Dus om het systeem te houden in het gebied van laminaire stroming, een van de dimensies kan groter worden (kanaal breedte), terwijl de andere blijft constant ergens in de micro-schaal (kanaal hoogte). De inlaat-poort kan worden overgelaten als een constante of kan schaal met het kanaal breedte. Met deze veronderstellingen in het achterhoofd, als de inlaatpoort schalen met kanaalbreedte, komt er een punt waar de druk die door de inlaat vloeistof daling is minder dan de vloeibare verzet door een toename van de kanaalbreedte. Wanneer dit punt is bereikt, zal een vermindering van de vloeibare snelheid te zien. Als de inlaatpoort wordt overgelaten constant en de breedte is groter dan de snelheid zal groter worden tot aan het punt waarop de vloeibare weerstand die zijn opgedaan met een toename van de kanaalbreedte overmeestert het debiet voordeel verstrekt door een toename van de doorsnede. Er is een delicaat evenwicht tussen het kanaal en inlaatpoort afmetingen en de oppervlaktespanning van de vloeistof te laten vallen. De grootste snelheid voor een kanaal kan worden bereikt wanneer het kanaal hoogte gelijk is aan het kanaal breedte, dat wil zeggen een vierkante dwarsdoorsnede. Een vierkante dwarsdoorsnede is de dimensie die volumestroom maximaliseert terwijl het minimaliseren van contactoppervlak, dat wil zeggen de grootste debiet met minimaal vloeibare weerstand.
- Verschillende biologische toepassingen waarschijnlijk vragen om verschillende microfluïdische apparaat ontwerpen. Het voordeel van passieve pompen is dat zolang er een inlaat en een uitlaat, passieve pomp zal werken. Het is ook heel handig in, dat het niet vereist dat de microfluïdische apparaat te hechten aan de ondergrond. Dit maakt het mogelijk om te gebruiken met vrijwel elk type ondergrond. Om te voorkomen dat menselijke fouten of hoge kosten, de auteurs gebruiken de Lee Company's VHS te beginnen kit samen met LabVIEW (National Instruments). Met dit systeem kan de gebruiker volumestromen en levertijden controle en tegelijkertijd een precieze en geautomatiseerde vloeistof levering methode. Meerdere in-en uitgangen kunnen ook worden gebruikt, maar de controle van de richting van de stroming is moeilijker in deze scenario's.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
De financiering werd verstrekt door de Wisconsin Institute of Discovery.
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).
