Summary
Ein neuartiger Mikrofluidik-System wurde entwickelt, mit dem Phänomen der passiven Pumpen und einem Benutzer gesteuert Flüssigkeit Delivery-System. Das Mikrofluidik-System hat das Potenzial, in einer Vielzahl von biologischen Anwendungen aufgrund ihrer niedrigen Kosten, einfache Handhabung, volumetrische Genauigkeit, hohe Geschwindigkeit, Reproduzierbarkeit und Automatisierung eingesetzt werden.
Abstract
Ein neuartiger Mikrofluidik-System wurde entwickelt, nutzt das Phänomen der passiven Pumpen zusammen mit einem Benutzer gesteuert Tropfen Fluid auf Delivery-System. Passive Pumpen ist das Phänomen durch die Oberflächenspannung Druckunterschiede Antriebsfluid Bewegung in geschlossenen Kanälen induziert. Die automatisierte Fluidabgabe System besteht aus einer Reihe von Spannung gesteuerte Ventile mit Mikrodüsen verbunden mit einem Vorratsbehälter und einer Steuerung. Diese Spannung gesteuerte Ventile bieten eine volumetrisch präzise Art, Fluid-Tröpfchen mit dem Einlass eines mikrofluidischen Gerät in einer hohen Frequenz Weise zu liefern. Basierend auf den Abmessungen in der aktuellen Studie beispielsweise gezeigt, ist das System fließfähig 4 Milliliter pro Minute (über einen 2,2 mm von 260um Querschnitt Kanal). Basierend auf diesen gleichen Kanal Abmessungen kann Flüssigkeitsaustausch von einem Punkt im Inneren des Kanals in weniger als acht Millisekunden erreicht werden. Es wird beobachtet, dass es Wechselwirkungen zwischen Dynamik des Systems (vermittelt durch eine Kombination der Tröpfchen durch die Ventile und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in den Kanal erstellt), und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Wo Schwung Geschwindigkeit bietet, um den Fluidstrom (oder umgekehrt), Ausgleich der Oberflächenspannung am Eingang bietet ein jähes Ende zu einer Strömung. Diese plötzliche Stopp ermöglicht dem Benutzer, die Fließeigenschaften des Kanal-Steuerung und öffnet die Tür für eine Vielzahl von biologischen Anwendungen im Bereich irgendwo von Reagenz Lieferung an Drogen-Zell-Studien. Es wird auch beobachtet, dass, wenn Düsen am Einlass bei flachen Winkeln ausgerichtet sind, den Tropfen Dynamik können zusätzliche interessante Flüssigkeit Phänomene, wie das Mischen mehrerer Tröpfchen in der Zulauf zu verursachen.
Protocol
In diesem Bericht zeigen wir eine Flüssigkeit Lieferung Methode, die kleinen Tröpfchen Oberflächenspannung verwendet, um eine gewünschte Lautstärke durch einen mikrofluidischen Kanal zu pumpen, um eine Reihe von verschiedenen flüssigen Phänomene zu erreichen. Zum Beispiel kann der Benutzer wünschen, eine einzige Flüssigkeit so schnell fließen wie möglich, oder liefern mehrere Fluide in rascher Folge auf bestimmte Fluidik-Muster zu erstellen. Um dies zu tun, muss der Anwender zunächst eine Anwendung in einer mikrofluidischen Vorrichtung gebaut. Die microflluidic Gerät muss nicht geklebt werden, sollte aber aus einem hydrophilen Material hergestellt werden. Therfore, kann das Verfahren mit fast jedem Mikrofluidikvorrichtung genutzt werden, mit der Leistung weitgehend bedingt durch die geometrischen Randbedingungen des mikrofluidischen Kanal. Um zu navigieren die geometrische Einschränkungen dieser Methode, eine Einführung in die relevanten numerischen Analyse wird zunächst vorgestellt.
- Analytische Methoden: Nach dem Laplace Gesetz und die Washburn Law [1], kann man die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb eines mikrofluidischen Kanal, um seine Abmessungen und die Eigenschaften der strömenden Flüssigkeit, wie in Gleichung gesehen (1) beziehen,
(1)
wo Δ P die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und der Auslass ist, γ der Flüssigkeit Oberflächenspannung ist, ist R Einlass Tropfenradius, Q die Flussrate und K ist der fluidische Widerstand als durch Gleichung (2) beschrieben,
(2)
wo η die Viskosität der Flüssigkeit ist, L 0 die Kanallänge ist, h die Kanalhöhe ist, ist w die Kanalbreite, λ = w / h und g (λ) = 1,5, wenn λ> 4,45 oder
wenn λ <4,45. Setzt man Gleichung (2) in Gleichung (1), immer vorausgesetzt, daß h <w und Auflösen nach Q, eine Gleichung (3) erhält,
(3)
Die gleiche Analyse kann für die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in einem Kanal durch das Wissen, was getan werden Q = VA, wobei V die Flüssigkeit durchschnittliche Geschwindigkeit und A die Querschnittsfläche oder hw. Wenn wir diese in Gleichung (3) Sie kommen mit Gleichung (4),
(4)
Eine wichtige mechanische Konzept, das häufig in mikrofluidischen Biologie angewendet wird, ist Schubspannung, die Rate und Geschwindigkeit durch Gleichung (5) fließen bezieht,
(5)
Die Kenntnis der Beziehung zwischen Durchfluss, Geschwindigkeit und ihrer körperlichen Auswirkungen als eine Funktion der Kanal Abmessungen und Eigenschaften der Flüssigkeit ist entscheidend bei der Gestaltung einer mikrofluidischen Vorrichtung für einen bestimmten Zweck. Sobald ein Gerät erstellt wurde, muss der Benutzer dann kalibrieren Flüssigkeitsabgabesystem, um die gewünschte Fließverhalten innerhalb des Gerätes zu erreichen. - Schritte zur Einrichtung und Kalibrierung Delivery System:
- Erstellen Mikrofluidikvorrichtung via Soft-Lithographie mit Polydimethylsiloxan (PDMS, Sylgard 184, Dow Corning) [2]. Es gibt eine Reihe JoVE Artikel, die Methoden zu veranschaulichen für die Herstellung PDMS mikrofluidischen Bauteilen [5]. Für diese Demonstration haben wir eine einfache geraden Kanal gewählt, mit folgenden Dimensionen: 2,2 mm Breite, 10 mm Länge und 260um Höhe. Die Ein-und Auslass Durchmesser 1,8 mm und 5,1 mm (Abbildung 1). Reversibel befestigen PDMS Gerät Objektträger, indem Sie sie auf einen Objektträger aus Glas (oder ein anderes geeignetes Substrat) und Auspressen Luftblasen [5]. Eine reversible Bindung kann das Gerät werden mehrere Male wieder verwendet werden. Das Verfahren kann auch mit fest gebundenen Geräten verwendet werden, aber es ist nicht erforderlich.
- Fill-Gerät mit Flüssigkeit. Die hydrophobe Natur von PDMS und den hydrophilen Charakter des Glases helfen verschieben Sie einen Tropfen, der am Eingang steht, oder Steckdose, in den Kanal. Wenn die Tropfen Flüssigkeit nicht will, in den Kanal selbst oder, wenn Blasen bewegen in den Kanal zu gehen, kann der Benutzer einen Tropfen Flüssigkeit am Eingang oder Ausgang gesetzt, und die Verwendung einer Pipette auf der gegenüberliegenden Seite, um die Flüssigkeit saugen durch den Kanal. Eine weitere Methode zur Unterstützung der Flüssigkeit zu bewegen in den Kanal ist durch die Trennung der PDMS-Gerät aus dem Glasträger und schonend reinigen PDMS-Gerät und den Objektträger mit Ethanol. Dies schaltet auf den PDMS und dem Glasträger ihre hydrophoben und hydrophilen Natur verbunden, die mit der Zeit und nutzen gewesen sein mag geschwächt haben.
- Nach dem Befüllen Gerät mit Flüssigkeit, einen kleinen Tropfen auf der Einlass-und ein bigger auf der Auslassseite fallen. Stellen Sie sicher, passive Pumpen ist durch die Beobachtung der kleinen Tropfen am Einlass Zusammenbruch und Beobachten Strömung in Richtung des Auslasses passiert. Wieder stellen Sie sicher, es gibt keine Luftblasen im Inneren des Kanals.
- Mit The Lee Company [3] VHS Mikrodosierung Starthilfe, zusammen ein oder mehrere Ventile (Ventil-Setup in Abbildung 2), bestehend aus dem Lee VHS M / 2 24 Volt Ventil, ein 0,062 MINSTAC Düsen mit Nennweite von 0,0100 ", die Lee 0,062 Minstac zu Soft Tube Adapter, der Lee Spike and Hold-Treiber (für Benutzer steuern, nicht gezeigt) und den Lead Wire Versammlung (Anschluss des Ventils an der Spike and Hold-Treiber, nicht gezeigt).
- Eine einfache Möglichkeit, die Ventile halten wird durch die Verwendung des Bioscience-Tools Miniatur-Halter (Abb. 2) [4]. Diese bieten eine Möglichkeit, genau zielen und halten Sie das Ventil an einer bestimmten Stelle während der Experimente durch Verkleben des Ventils an einem Ende des Inhabers und mit einem magnetischen Sockel (nicht dargestellt) auf der anderen Seite.
- Machen Sie ein Reservoir-System, ein paar Meter über dem PDMS Mikrofluidikvorrichtung (in unserem Fall haben wir genutzt ¾ Unzen Spritzen offen für die Umgebungstemperatur, siehe Abbildung 2) platziert werden. Der Stausee bietet eine Förderhöhe zu den Düsen-Laufwerk, wobei der Druck proportional zur Höhe des Reservoirs. Alternativ kann die Düse Ventile können durch eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen Mitteln (dh komprimiertes Gas) unter Druck gesetzt werden. Bringen Sie eine Spritze Nadel auf die Spritze. Ein typisches Spritzennadel wird einfach in 1,14 mm Innendurchmesser Schlauch befestigen. Die 1,14 mm Schlauch wird dann einfach in 1,58 mm (1 / 16 ") Innendurchmesser Schlauch, der dann selbst eine Verbindung mit dem" Soft Tube Adapter "des Ventils befestigen. Um ein Auslaufen von Flüssigkeit in die 1,14 mm bis 1,58 mm Schlauchanschluss, kann man PDMS als Dichtstoff verwenden. Nun, da gibt es eine Linie zwischen der Kanüle und der Lee Co. Ventil, füllen Spritze Behälter mit Flüssigkeit. Eine zusätzliche Spritze und einem Ventil verwendet werden, um in den Spülvorgang (dargestellt, aber nicht in Abbildung 2 markiert) zu helfen. Legen Sie einen Magneten an der Seite des Ventils, das ist, wie sich diese Ventile gereinigt werden (sie sind in der Regel Magnetventile geschlossen), und beobachten Flüssigkeit zu fließen beginnen aus dem Reservoir durch das Ventil und die 0,0100''Düse.
- Kalibrieren System, indem ein Ventil geöffnet (offene Zeit ist die Zeit, dass das Ventil Flüssigkeit auf einer pro Puls Basis passieren lässt) und Frequenz (Anzahl der Impulse pro Sekunde). Aktivieren Sie ein Ventil für einen gewählten Zeitraum (eine Minute oder so, nur nicht vergessen, die gesamte Laufzeit). Wiegen Sie die Flüssigkeit, die aus dem Ventil geliefert wurde. Die Kenntnis der gesamten Laufzeit, Häufigkeit und pro-Puls offene Zeit, die Berechnung der Gramm pro Millisekunde Schuss aus dem Ventil. Diese "Gramm pro Millisekunde" Wert ermöglicht es Ihnen, eine offene Zeit für jede gewünschte Lautstärke kann der Anwender möchten aus dem Ventil geliefert werden wählen.
(1) 
(2) 
Beispiel: System für eine Minute (60 Sekunden) aktiviert. Die Frequenz lag bei 15 Hz (15 Impulse pro Sekunde). Die pro-Puls offene Zeit betrug 20 Millisekunden (ms).
(20ms) (15Hz) (60s) = 18000ms.
Dies bedeutet, dass von den 60.000 ms in einer Minute wurde das Ventil tatsächlich für 18.000 ms öffnen.
Nehmen wir an, das Volumen der Flüssigkeit geliefert 5 Gramm gewogen. Dann,
5 Gramm / 18000 ms = 2.78e -4 Gramm / ms.
Im Falle von Wasser, mit seiner Dichte zu einem Gramm pro Milliliter (ml)
2.78e -4 Gramm / ms = 2.78e -4 ml / ms.
Nach der Kalibrierung wird das Volumen eines Tropfens abhängig von der offenen Zeit. Zum Beispiel mit einer offenen Zeit von 20ms, und alle Parameter gleich bleiben wie im vorigen Beispiel,
(2.78e -4 ml / ms) (20 ms) = 5.56e -3 ml = 5,56 ul.
Um die offene Zeit y benötigt, um einen Tropfen x Mikroliter (ul) Volumen zu machen,
(X ul) / [(2.78e -4 ml / ms) (1000 ul / ml)] = y ms
8) Ziel eine oder mehrere Düsen mit dem Einlass der PDMS-Gerät (Abbildung 3). Nachdem das System kalibriert, Berechnung des Volumens kommen aus jedem Ventil, basierend auf Mikrofluidikvorrichtung Dimensionen. Für High-Speed-passive Pumpen (zum maximalen Durchfluss zu erhalten), die Berechnung der Ein-Tropfen-Volumen notwendig, um einen Einlass Tropfen, die eine 90deg Kontaktwinkel besitzt mit Ein-Oberfläche [2] zu schaffen. Für Paket-Erstellung, Berechnung Ventil Frequenz und offene Zeiten und die Steuerzeiten notwendig, zwei Ventile in der Reihenfolge zu aktivieren. Wie in Abbildung 3 zu sehen, können die beiden Düsen am Eingang hingewiesen werden. Dies kann auf mehrere Düsen erweitert, die alle auf dem Kanal Eingang gerichtet.
Repräsentative Ergebnisse:
Wenn sie richtig kalibriert, mit geöffnetem Ventil mal richtig berechnet und die Düsen richtig am Eingang soll, sollte der Benutzer in der Lage sein zu sehen, fließen passiv gepumpt (Abbildung 4). Ein Burst von flüssigen should kommen aus dem Ventil und erreichen den Eingang. Als Flüssigkeit in die Bucht, es ist ein Instant-Zusammenbruch der Einlass Drop in den Kanal, auf den Auslass. Die Flüssigkeit in den Kanal bewegt sich nur während des Zusammenbruchs der einen Einlass fallen. Komplette flüssige Bewegung innerhalb des Kanals stoppt am Ende des Tropfens Zusammenbruch und bietet für sofortige Flüssigkeit zu stoppen und gut definierte fluidische Grenzen (in dem Fall, dass der Benutzer fließt mehreren Flüssigkeiten). Die Dauer der Drop Zusammenbruch hängt von der Einlassöffnung Radius und das Volumen der Ein-drop [1]. In unserem Versuchsaufbau und Design, tritt Einlass drop Zusammenbruch in einer Angelegenheit von ein paar Millisekunden.
Abbildung 1. PDMS Mikrofluidik-Gerät mit einem Eingang, links, und einen Ausgang, rechts.
Abbildung 2. Reservoir und Ventil-Setup.
Abbildung 3. Zwei Ventile, die beide an einem Eingang eines mikrofluidischen Gerät ab.
Abbildung 4. Time-Schrittfolge (33 Millisekunden) der Einlass-drop Zusammenbruch folgenden Fluid Ausstoß aus einem Ventil.
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Discussion
- Für High-Speed-passive Pumpen, wenn die richtige Kombination aus Frequenz und pro Puls Volumen (aufgrund der richtige offene Zeit) gewählt wird, sollte der Benutzer sehen, was scheint eine statische Drop oder Schale am Eingang und eine sehr schnelle Fließgeschwindigkeit innerhalb Kanal sein. Wenn ein Überlauf stattfindet, sind die offenen Zeit und / oder die Frequenz zu hoch.
- Um festzustellen, Dynamik / Oberflächenspannung Interaktionen, sollte der Benutzer einen Impuls in einer Zeit, Pumpe und beobachten Sie die intra-Kanal-Umgebung, während Puls auftritt (von Anfang bis Ende). Es wird von den Autoren empfohlen, fluoreszierende Kügelchen zu verwenden, um eine genaue Darstellung der intra-Kanal Flüssigkeit Verhalten bieten. Nach dem Zusammenbruch eines einzigen Tropfen auf den Einlass der Benutzer sehen darf, im Inneren des Kanals, Bewegung der Perlen auf den Auslass. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, kann der Anwender beachten Sie, dass Perlen vorne (in Richtung Ausgang) eine gewisse Distanz und dann leiden an einer kleinen Rückfluss, bevor er zu einem vollständigen und einem plötzlichen Bremsmanöver. Wenn der Einlass Drop zur gleichen Zeit wie die intra-Kanal-Medium beobachtet wird, sollte der Anwender beachten Sie, dass die kleinen Rückfluss von Perlen zu einem kleinen, aber plötzlich Rebound der Einlass-Tropfen entspricht. Dies deutet darauf hin, dass es eine Dynamik / Oberflächenspannung Beziehung in die Flüssigkeit passiv gepumpt, in erster Linie in die Flüssigkeit fällt am Eingang ausgeliefert. Der Impuls wird entweder Schwung durch die Ventile der Einlass-Drop und / oder Impulse durch den Rückgang einstürzenden erstellt vermittelt. So oder so ist diese Dynamik in intra-Kanal Fluidgeschwindigkeit übertragen. Momentum und ihrer Auswirkungen ist etwas, das Studium in der Zukunft mehr und kann zahlreiche Einsatzmöglichkeiten haben muss.
- Wenn die Düsen an den Eingängen in einem sehr flachen Winkel ausgerichtet sind, können Impulse der Tröpfchen in einer Reihe von verschiedenen Veränderungen in den Tropfen Zusammenbruch Phänomene führen. Zum Beispiel, wenn Farbstoffe in der Flüssigkeit verwendet werden, kann der Anwender beobachten, einer Verwirbelung der Flüssigkeit am Eintritt und als ein Ergebnis sehen, eine Mischung von Farbstoffen nicht nur einzelne Farbstoff Farben werden in den Kanal gepumpt, was darauf hindeutet, dass Flüssigkeiten am Eingang haben wurde während des Zusammenbruchs gemischt. In einigen Fällen kann dies in immer genaue Flüssigkeit Austausch problematisch, sondern auch in anderen Anwendungen kann es sich als vorteilhaft für die Förderung Mischen von Flüssigkeiten. Bei sehr extremen flachen Winkeln der Düsen, mit Tröpfchen mit hoher Geschwindigkeit kombiniert, kann der Anwender die Tröpfchen "abprallen" der Einlass, da die Dynamik des Tropfens zu groß wird, damit es mit dem Einlass Tropfen zusammenfließen .
- Wenn passiv Förderung von Flüssigkeiten in einer mikrofluidischen Vorrichtung, ist die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in Abhängigkeit von dem Gerät Abmessungen und Eigenschaften der Flüssigkeit wie in den Gleichungen (1) bis (4) gezeigt. Der Druck, der durch einen Tropfen Flüssigkeit vorgesehen ist umgekehrt proportional zum Rückgang Radius, also eine größere Tropfenradius bietet weniger treibende Druck. Wenn der Kanal Breite und Höhe mit einander wachsen proportional, desto größer diese Dimensionen sind, desto größer die Geschwindigkeit ist. Doch irgendwann kommt der Punkt, wo große Kanalabmessungen einen mikrofluidischen Gerät in den macrofluidic Welt, wo die Grenze der laminaren und turbulenten Strömungen gerecht zu werden. In dieser Region der Reynolds-Zahlen diese Gleichungen nicht mehr funktionieren. So, um das System in der Region der laminaren Strömung, eine der Dimensionen halten kann größer werden (Kanalbreite), während die andere konstant gelassen irgendwo in der Mikro-Skala (Kanalhöhe). Die Einlassöffnung kann als konstant gelassen werden oder mit der Kanalbreite Skala. Mit diesen Annahmen im Hinterkopf, wenn die Einlassöffnung Waagen mit Kanalbreite, wird es einen Punkt geben, wo der Druck durch den Einlass Flüssigkeit Tropfen vorgesehen ist, weniger als die fluidische Widerstand durch eine Erhöhung der Kanalbreite zur Verfügung gestellt. Wenn dieser Punkt erreicht ist, wird eine Verringerung der Fluidik Geschwindigkeit betrachtet werden. Wenn der Einlass ist konstant gelassen und die Breite ist größer gemacht, so ist die Geschwindigkeit größer werden, bis der Punkt, an dem die fluidischen Widerstand mit einem Anstieg der Kanalbreite überwältigt die Durchflussmenge Vorteil durch eine Zunahme der Querschnittsfläche zur Verfügung gestellt gewonnen. Es ist eine heikle Balance zwischen dem Kanal und Einlassöffnung Abmessungen und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit sinken. Die größte Geschwindigkeit für einen Kanal erreicht werden kann, wenn der Kanal Höhe ist gleich der Kanalbreite werden, dh eine quadratische Querschnittsfläche. Eine quadratische Querschnittsfläche ist die Dimension, Volumenstrom maximiert bei gleichzeitiger Minimierung der Kontaktoberfläche, dh größte Durchfluss mit mindestens fluidische Widerstand.
- Verschiedene biologische Anwendungen wahrscheinlich erfordern unterschiedliche Mikrofluidikvorrichtung Designs. Der Vorteil der passiven Pumpen besteht darin, dass, solange es einen Einlass und einen Auslass, passive Pumpen funktionieren wird. Es ist auch sehr praktisch, dass es erfordert nicht die Mikrofluidikvorrichtung zu seinem Substrat geklebt werden. Dies ermöglicht es, mit fast jeder Art von Substrat verwendet werden. Zur Vermeidung von menschlichen Fehlern oder hohe Kosten, verwenden die Autoren der Lee Company VHS Starthilfe zusammen mit LabVIEW (National Instruments). Dieses System ermöglicht es dem Benutzer, Volumenströme und Lieferzeiten zu steuern, während die präzise und automatisierte Fluidabgabe Methode. Mehrere Ein-und Auslässe können auch verwendet werden, aber die Kontrolle über die Richtung der Strömung ist schwieriger in diesen Szenarien.
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Acknowledgments
Die Finanzierung wurde von der Wisconsin Institute of Discovery zur Verfügung gestellt.
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).
