Summary
Roman mikroakışkan sistemi pasif pompalama olgusu ve kullanıcı kontrollü bir sıvı iletim sistemi kullanılarak geliştirilmiştir. Bu mikroakışkan sistem kullanımı düşük maliyetli, kolay, hacimsel hassasiyet, yüksek hız, tekrarlanabilirlik ve otomasyon verilen biyolojik uygulamalar geniş bir yelpazede kullanılan olma potansiyeline sahiptir.
Abstract
Pasif kullanıcı kontrollü bir damlacık bazlı sıvı dağıtım sistemi ile birlikte pompalama fenomeni kullanan bir roman mikroakışkan sistemi geliştirilmiştir. Pasif pompalama yüzey gerilimi kapalı kanallarda basınç farkları sürücü sıvı hareketi neden olan bir olgudur. Otomatik sıvı iletim sistemi, bir sıvı deposu ve bir kontrol sistemine bağlı mikro-memeleri ile gerilim kontrollü vanalar bir dizi oluşur. Bu gerilim kontrollü vanalar, yüksek frekanslı bir şekilde bir mikroakışkan cihazın giriş sıvı damlacıkları sunmak için hacimsel olarak hassas bir şekilde sunuyoruz. Çalışma örneği göstermiştir boyutları dayanarak, sistem, dakikada 4 mililitre (2.2mm 260um kesitsel kanal aracılığıyla) akan yeteneğine sahiptir. Bu aynı kanalı boyutları dayanarak, kanal içinde bir nokta kadar az sekiz milisaniye cinsinden sıvı alışverişi sağlanabilir. Bu sistemin ivme (kanal vana ve akışkan hızı tarafından oluşturulan damlacıkların bir kombinasyonu tarafından aktarılmamaktadır) ve sıvının yüzey gerilimi arasındaki etkileşimi olduğu görülmektedir. Ivme sıvı akışı (veya tersi), hız vermesi halinde herhangi bir akış bir ani durma girişinde yüzey gerilimi dengeleme sağlar. Bu ani durma kullanıcı kanal akış özellikleri kontrol etmenizi sağlar ve reaktif tesliminden itibaren uyuşturucu hücre çalışmaları her yerde değişen çeşitli biyolojik uygulamalar için kapıyı açar. Ayrıca memeleri sığ açılarda giriş hedefleyen, damlacık ivme girişinde birden fazla damlacıkları karıştırma gibi ek ilginç akışkan fenomenini neden olabilir görülmektedir.
Protocol
Bu yazıda, farklı sıvı olayların bir dizi ulaşmak için bir mikroakışkan kanal üzerinden istediğiniz bir ses pompalamak için küçük damlacık yüzey gerilimi kullanan bir sıvı dağıtım yöntemi göstermektedir. Örneğin, kullanıcı tek bir sıvı akışı için mümkün olduğunca hızlı isteyebilir, ya da belirli akışkan desenleri oluşturmak için peş peşe birden fazla sıvıları teslim. Bunu yapmak için, kullanıcının ilk mikroakışkan bir cihaz etrafında inşa edilen bir uygulama olması gerekir. Microflluidic cihaz Yapıştırılacak değildir, ancak hidrofilik bir malzemeden yapılmış olmalıdır. Dolayısıyla, yöntemin performans mikroakışkan kanal geometrik kısıtlamaları büyük ölçüde dikte ile hemen hemen her mikroakışkan aygıt ile kullanılacak olabilir. Bu yöntem, ilgili sayısal analiz giriş geometrik kısıtlamalar gezinmenize yardımcı olmak için ilk olarak sunulmaktadır.
- Analitik Yöntemler: Laplace Kanunu ve Washburn Kanunu [1] göre, bir mikroakışkan boyutları ve denklemde görüldüğü gibi akan sıvı (1) özelliklerini bir kanal içindeki akış hızı ilgili olabilir,
(1)
Δ P giriş ve çıkış arasındaki basınç farkı, burada γ sıvı yüzey gerilimi, R giriş damla yarıçapı, debisi Q ve K Denklem (2) tarafından açıklandığı gibi akışkan direnci
(2)
η sıvı viskozitesi olduğu, L 0 kanal uzunluğu, h kanal yüksekliği, w, kanal genişliği, λ = w / h ve g (λ) = 1.5> 4.45 veya eğer λ
λ <4.45. Her zaman, h <w ve Q çözme, denklem (3) elde varsayarak, denklem (1) (2) eşitliği Saydırma
(3)
V sıvı ortalama hız ve hw kesit alanı ya da Q = VA, bilerek bir kanal içindeki akışkan hızı için aynı analiz yapılabilir. (3) denklemi içine bu tanıttığım, denklem (4) ile gelip
(4)
Önemli mekanik kavramı sık sık mikroakışkan biyoloji uygulanan bir denklem (5) akış hızı ve hız ile ilgilidir kayma gerilmesi,
(5)
Belirli bir amaç için bir mikroakışkan cihazın tasarım debisi, hızı ve kanal boyutları ve sıvı özellikleri bir fonksiyonu olarak fiziksel etkileri arasındaki ilişkiyi bilmek çok önemlidir. Bir cihaz oluşturulduktan sonra, kullanıcıya daha sonra cihazın içinde istenen akış özellikleri elde etmek için sıvı iletim sistemi kalibre etmek gerekir. - Dağıtım Sistemi kurma ve Kalibre Adımlar:
- Polidimetilsiloksan (PDMS, Sylgard 184, Dow Corning) [2] kullanarak yumuşak litografi tekniği ile mikroakışkan cihaz oluşturun. PDMS mikroakışkan cihazlar [5] için yöntemler göstermek sayısı vallahi makaleler vardır. 2.2mm genişliği, 10mm uzunluk ve 260um yükseklik: Bu gösteri için, aşağıdaki gibi boyutları ile, basit düz bir kanal seçtiniz. Giriş ve çıkış çapları sırasıyla 1.8mm ve 5.1mm (Şekil 1). Geri dönüşümlü cam slayt (veya başka uygun bir substrat) üzerine basarak ve her türlü hava kabarcıkları [5] sıkarak cam slayt PDMS cihaz takmak. Geri dönüşümlü bir ek cihaz birden çok kez tekrar kullanılmak üzere izin verir. Bu yöntem aynı zamanda sürekli olarak gümrüklü cihazlar ile kullanılır, ancak bu gerekli değildir.
- Cihaz sıvı ile doldurun. PDMS hidrofobik doğa ve cam yardım hidrofilik doğa kanal içine bir giriş yer almaktadır bırak, ya da çıkış hareket ettirin. Damla sıvı kendisi tarafından kanal ya da kanal içine kabarcıklar hareket gitmek istemezse, kullanıcı giriş veya çıkış sıvı bir damla koymak ve sıvı emmek ters sonunda bir pipet kullanın kanal üzerinden. Cam slayt PDMS cihazı ayıran ve yavaşça PDMS cihaz ve etanol ile cam slayt temizleme, kanal içine sıvı hareket yardımcı başka bir yöntemi. Bu zaman ve kullanımı ile zayıflamış olabilir sırasıyla PDMS ve cam slayt hidrofobik ve hidrofilik doğanın, geri döner.
- Cihaz sıvı ile doldurulduktan sonra, küçük bir damla giriş ve bir Bigger çıkışına bırakın. Pompalama pasif emin olun, giriş çöküşü küçük bir damla izlerken ve çıkışına doğru sıvı akışını gözlemlemek oluyor. Yine, kanal içinde hava kabarcığı olmadığından emin olun.
- Lee Şirketi Kullanıcı [3] VHS mikro dağıtım başlangıç kiti kullanarak, Lee VHS M / 2 24 Volt Vana oluşan bir veya daha fazla vanaları (Şekil 2 valf kurulum), 0.0100, orifis boyutu ile bir 0,062 MINSTAC Nozullar ", bir araya koymak Lee 0.062 Minstac Yumuşak Tüp Adaptörü, Lee Spike ve tutun Sürücü (kullanıcı kontrolü için gösterilmemiştir) ve Kurşun Tel Meclisi (Spike vana bağlayarak ve gösterilen, Sürücü tutun).
- Vanalar tutmak için kolay bir yol Bioscience araçları minyatür sahipleri ile (Şekil 2) [4]. Bunlar tam amacı ve tutucu bir ucuna vana yapıştırma vana ile deney sırasında belirli bir konumda tutun ve diğer tarafta bir manyetik tabanı (gösterilmemiştir) kullanarak bir yol sağlar.
- PDMS mikroakışkan cihazı (bizim durumumuzda kullanılan ¾ ortam açık ons şırıngalar, bakınız şekil 2) birkaç metre üzerine yerleştirilen bir rezervuar sistemi olun. Rezervuar rezervuar yüksekliği ile orantılı olan basınç, basınçlı püskürtme uçlarını sürücü sağlar. Alternatif olarak meme vanalar, farklı yollarla herhangi bir sayı (yani, sıkıştırılmış gaz) tarafından basınçlı olabilir. Şırınga bir şırınga iğnesi takın. Tipik bir şırınga iğnesi kolayca 1.14 mm iç çapı boru içine eklenecektir. 1.14 mm tüp daha sonra kolayca 1.58 mm (1 / 16 ") valf Yumuşak Tube Adapter" kendisi bağlanır sonra iç çapı boru "eklenecektir. 1.14 mm 1.58 mm hortum bağlantısı sıvı sızmasını önlemek için, tek bir dolgu olarak PDMS kullanabilirsiniz. Şimdi şırınga iğne ve Lee Co kapak arasında bir çizgi var, sıvı şırınga rezervuarları doldurun. Tasfiye süreci (Şekil 2'de gösterildiği ancak etiketli) yardımcı olmak için ekstra bir şırınga ve bir valf kullanılabilir. Vana tarafına bir mıknatıs yerleştirin; bu vanalar (solenoid valfler, normalde kapalı) nasıl temizlenir, ve valfi üzerinden rezervuar ve 0.0100''memesi dışarı akan sıvı başlangıç izlemek.
- Valfi açık bir zaman (açık vana başına bir darbe bazında geçmek için sıvı izin verdiği zaman) ve frekansı (saniyedeki bakliyat sayısı) seçerek sistemi kalibre edin. Seçilen bir süre (bir dakika kadar toplam çalışma süresi, sadece hatırlamak) için bir valf etkinleştirin. Vana teslim edildi sıvı tartılır. Toplam çalışma süresi, sıklığı ve başına darbe açık, milisaniyelik başına gram hesaplamak bilmek valf dışarı vurdu. Bu "milisaniye gram" değeri açık bir zaman seçmek için istediğiniz herhangi bir hacim için kullanıcı vana teslim olmasını isteyebilirsiniz sağlayacaktır.
(1) 
(2) 
Örnek: Sistem aktif bir dakika (60 saniye). Frekansı 15 Hz (bir saniyede 15 darbeler). Darbeli başı açık süresi 20 milisaniye (ms) oldu.
(20ms) (15Hz) (60s) = 18000ms.
Bu, bir dakika içinde 60.000 ms olduğunu ifade eder, vana, 18.000 ms aslında açıktı.
Diyelim sıvı hacmi, 5 gram tartılır teslim varsayalım. Daha sonra,
5 gram / 18000 ms / = 2.78e -4 gram ms.
Su durumda, yoğunluğu başına bir gram mililitre (ml) olan,
2.78e -4 gram / ms = 2.78e -4 mL / ms.
Kalibrasyon sonra, bir damla hacmi açık bağlıdır. Örneğin, açık bir zaman 20ms, ve tüm parametreler, önceki örnekte olduğu gibi aynı kalan
(2.78e -4 mL / ms) (20 ms) = 5.56e -3 ml = 5.56 mcL.
Y x mikrolitrelik (mcL) hacmi bir damla yapmak için gerekli açık bulmak için,
(X mcL) / [(2.78e -4 mL / ms) (1000 mcL / ml)] = y ms
8) Amaç PDMS cihazın giriş (Şekil 3) bir veya daha fazla memeleri. Sistem kalibre edilmiş olması, mikroakışkan cihaz boyutları dayalı, her vana çıkan hacmi hesaplayabilir. Yüksek hızda pasif pompalama (maksimum akış hızı elde etmek için) için, giriş yüzey [2] 90deg bir temas açısı sahip bir giriş damla oluşturmak için gerekli giriş damla hacmi hesaplayabilir. Paket oluşturma için, vana frekans ve açık süreleri ve sırayla iki vanalar etkinleştirmek için gerekli olan valf zamanlamasını hesaplar. Şekil 3'te görüldüğü gibi, iki memeleri girişinde işaret olabilir. Bu kanal girişinde amaçlayan birden memeleri.
Temsilcisi Sonuçlar:
Valfi açık, doğru hesaplanan kez ve düzgün bir giriş amaçlayan memeleri, uygun kalibre edilmiş, kullanıcı akış pasif pompalanır (Şekil 4) görmek mümkün olmalıdır. Bir patlama sıvı should vana çıkıp giriş ulaşmak. Sıvı girişine ulaştığında, kanal içine açılan giriş çıkışına doğru, bir anlık çöküşü vardır. Kanal içindeki bir giriş damla çöküşü sırasında sıvı sadece hareket eder. Komple kanal içindeki akışkan hareket anlık sıvı durdurmak için açılan çöküşü sonunda durur ve iyi durumda kullanıcı birden fazla sıvı akan olduğunu akışkan sınırları tanımlanır. Damla çöküşü süre giriş liman yarıçapı ve giriş bırak [1] hacmi bağlıdır. Bizim deneysel kurulum ve tasarım, giriş damla çöküşü, birkaç milisaniyelik bir konuda oluşur.
Şekil 1 PDMS mikroakışkan bir giriş cihazı, sol, ve bir çıkış, doğru. Lütfen Şekil 1'de bir büyük halini görmek için buraya tıklayınız .
Şekil 2. Rezervuar sistemi ve supap ayarları. Lütfen Şekil 2'de büyük halini görmek için buraya tıklayın .
Şekil 3 İki vanalar, tek bir mikroakışkan bir cihazın girişinde amaçladık. Lütfen Şekil 3 büyük halini görmek için buraya tıklayın .
Şekil 4 bir vana sıvı ejeksiyon aşağıdaki giriş açılan çöküşü Zaman adım dizisi (33 milisaniye). Lütfen Şekil 4 büyük halini görmek için buraya tıklayın .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
- Frekans ve başına darbe hacmi doğru kombinasyonunu (doğru açık zaman nedeniyle) seçilirse, pompa yüksek hızda pasif, kullanıcı girişinde statik bir düşüş ya da kabuk ve çok hızlı bir akış hızı, kanal içinde gibi görünüyor ne olduğunu görmek gerekir. Taşma oluşursa, açık ve / veya frekansı çok yüksek.
- Momentum / yüzey gerilimi etkileşimleri saptamak için, kullanıcı, bir defada bir darbe pompa ve darbe (başından sonuna kadar) oluşmasını-kanal içi ortamı gözlemlemek gerekir. Bu kanal içi sıvı davranış doğru bir tasviri sağlamak için floresan boncuk kullanmak için yazarlar tarafından önerilmektedir. Girişinde tek bir damla çöküşü üzerine boncuk kullanıcı çıkışına doğru kanal içinde hareket görmelisiniz. Yüksek hızlı kamera kullanarak, kullanıcı boncuk ileri çıkışına doğru belirli bir mesafe hareket ve ardından tam ve ani durma noktasına gelmeden önce küçük bir backflow muzdarip not alabilir. Giriş açılan kanal içi aracı olarak aynı zamanda görülürse, kullanıcı boncuk küçük backflow girişinde açılan bir küçük ama ani geri tepme tekabül dikkat etmelisiniz. Bu girişinde teslim pasif öncelikle sıvı, pompalanan sıvı içinde bir momentum / yüzey gerilim ilişkisi damla var olduğunu göstermektedir. Ivme giriş damla damla çöken tarafından oluşturulan ve / veya ivme vanalar aktarılmamaktadır ya ivme. Her iki şekilde de, bu ivme-kanal içi sıvı hızı aktarılır. Momentum ve bunun etkileri, gelecekte daha fazla çalışılması gerekmektedir ve çok sayıda potansiyel uygulamalar olabilir bir şeydir.
- Memeleri çok sığ bir açıyla girişler hedefleyen damlacıklarının ivme damlacık çöküşü fenomen çeşitli değişiklikler bir dizi neden olabilir. Örneğin, sıvı boyalar kullanılması halinde, kullanıcı girişinde sıvı dönen gözlemlemek olabilir ve sonuç olarak çok kanal içine pompalanan tek boya renk boyalar daha bir karışımı, girişinde sıvıları olduğunu düşündüren çöküşü esnasında karışık. Bazı durumlarda bu doğru sıvı alışverişi elde sorunlu olabilir, ama diğer uygulamalarda sıvıların karışım teşvik için yararlı olduğu ortaya çıkabilir. Memeleri çok yüksek hızda damlacıkları ile birlikte aşırı sığ açıları, durumlarında, kullanıcı damla ivme giriş damla ile kaynaşmaya izin için çok büyük olur, damlacıkları giriş off sıçrayan 'gözlemlemek olabilir .
- Pasif mikroakışkan bir cihaz sıvı pompalarken, akışkan hızı denklemler (1) (4) ile gösterilen cihaz boyutları ve akışkan özellikleri bir fonksiyonudur. Sıvı bir damla tarafından sağlanan basınç açılan yarıçapı ile ters orantılıdır, yani daha büyük bir damla yarıçapı daha az sürüş basıncı sağlar. Kanal genişliği ve yüksekliği birbirleri ile orantılı büyür, daha sonra daha fazla bu boyutları, daha fazla hız olabilir. Ancak, büyük kanal boyutları laminer ve türbülanslı akışta sınır karşılamak macrofluidic dünyaya mikroakışkan bir cihaz almak bir noktaya geliyor. Bu bölgede bu denklemler artık çalışmaz Reynolds numaraları. Diğer yere mikro ölçekli (kanal yüksekliği) sabit iken, laminer akış, boyutları bölgenin sistemi korumak için (kanal genişliği) büyük olabilir. Giriş bağlantı noktası sabit olarak sol ya da kanal genişliği ile büyük ölçekli olabilir. Akılda Bu varsayımlar ile, kanal genişliği ile giriş deliği ölçekleri, sıvı giriş damla tarafından sağlanan basınç, kanal genişliği bir artış tarafından sağlanan akışkan direnci daha az bir noktaya gelecektir. Bu noktaya ulaşıldığında, akışkan hızında bir azalma görülecektir. Giriş bağlantı noktası sabit bırakılır ve genişliği daha yapılır, daha sonra hız, akışkan direnç kanal genişliği overpowers kesit alanı bir artış sağlanan akış hızı avantajı bir artış ile kazanılan noktasına kadar büyük olacak. Kanal ve giriş deliği sıvı damla boyutları ve yüzey gerilimi arasında hassas bir denge vardır. Kanal yüksekliği kanal genişliği eşit olduğunda bir kanal için büyük hız elde edilebilir, yani bir kare kesit alanı. Bir kare kesit alanı, yüzey temas alanı, yani en akışkan direnci ile büyük akış hızı en aza indirerek, hacim akış hızı en üst düzeye çıkarır boyutudur.
- Farklı biyolojik uygulamalarda muhtemelen farklı mikroakışkan cihaz tasarımları gerektirir. Pasif pompalama yararı kadar uzun bir giriş ve bir çıkış var olduğu gibi, pasif pompa çalışacaktır. Bu onun yüzeye yapıştırılabilir mikroakışkan cihaz gerektirmez ki de çok uygundur. Bu substrat hemen hemen her türü ile kullanılmasına izin verir. Insan hatası ya da yüksek maliyetler önlemek için, yazarlar LabVIEW (Ulusal Ins birlikte Lee Şirket VHS başlangıç kititruments). Bu sistem, hassas ve otomatik sıvı dağıtım yöntemi sağlarken kullanıcı hacimsel akar ve teslimat süreleri kontrol etmek için izin verir. Birden fazla giriş ve çıkışları da kullanılabilir, ancak akış yönünü kontrol bu senaryolarda daha zordur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Finansman Wisconsin Discovery Enstitüsü tarafından sağlanmıştır.
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).
