Summary
マイクロ アプリケーションで使用される圧力制御シリンジ ポンプを構築するためのプロトコルをご紹介します。このシリンジ ポンプは、相加的製造ボディ、市販ハードウェアとオープン ソースの電子機器から作られます。結果システムは低コストで簡単に構築、できると規則正しい流体急速なマイクロ流体研究を有効にするを提供します。
Abstract
マイクロ生物・化学・物理学の研究で重要なツールとなっています。マイクロ流体実験の 1 つの重要なコンポーネントは、安定した流体入口流量や入口圧力を正確に提供することができるシステムです。ここでは、制御できるシリンジ ポンプ システムを開発した、マイクロ流体デバイスに配信入口流体圧力を調節します。このシステムは、低コストの材料と添加剤の製造原理、熱可塑性材料と可能な限り既製のコンポーネントの 3次元 (3 D) 印刷を活用を使用して設計されました。このシステムは 3 つの主要なコンポーネントで構成される: シリンジ ポンプ、圧力トランスデューサーとプログラム可能なマイクロ コント ローラー。このペーパー内の一連の製造、組立、およびこのシリンジ ポンプ システムをプログラミング プロトコルを詳しく説明します。さらに、我々 は、高忠実度、このシステムを用いて入口圧力のフィードバック制御を示す代表的な結果を含まれています。我々 は、マイクロ流体の使用のための参入障壁を下げるこのプロトコルは低コスト シリンジ ポンプ システムを作製する研究者を許可する期待の医学、化学、材料学。
Introduction
マイクロ ツールは、生物化学研究の科学者のために有用ななっています。マイクロ流体による低ボリュームの使用率、迅速測定機能、および明確に定義された流れプロファイル、ゲノムでトラクションを得て、プロテオーム研究、高スループット スクリーニング、診断、ナノテクノロジー、および単一セル分析1,2,3,4。また、マイクロ流体デバイス設計の柔軟性は、培養細菌コロニー5の時空間ダイナミクスの調査など、基礎科学研究を容易にできます。
各種流体の注入システムは、マイクロ流体デバイスへの流量を正確に実現する開発されています。このような注入システムなどは蠕動と再循環ポンプ6、圧力コント ローラー システム7、およびシリンジ ポンプ8。これら噴射システム、シリンジ ポンプ、しばしば高価な精密加工部品で構成されます。圧出力フローの閉ループ フィードバック制御とこれらのシステムの増強をこれらのシステムのコストを追加します。応答では、我々 は以前出力流量圧力を調節する閉ループ フィードバック コントロールを使用して、堅牢で低コストのシリンジ ポンプ システムを開発しました。閉ループ圧力制御を使用して、高価な精密エンジニア リング コンポーネントの必要性は改廃9です。
手頃な価格の 3 D 印刷ハードウェアと関連付けられているオープン ソース ・ ソフトウェアの重要な成長の組み合わせはアクセシブル デザインとマイクロ流体デバイスの作製ますます研究者にさまざまな分野10から。ただし、これらのデバイスを介してドライブの流体に使用するシステムは高価なままです。この低コストで流体制御システムの必要性に対処する手順アセンブリの数が少ないを必要とする、実験室の研究者によって作製することができますデザインを開発しました。にもかかわらず、低コストで簡単なアセンブリこのシステムは正確な流量制御を提供することができ、市販、クローズド ループのシリンジ ポンプ システムは、非常に高価にすることができますに代わる。
ここで、建設と閉ループ制御の使用のためのプロトコルを提供シリンジ ポンプ システム (図 1) を開発しました。システムの処理液は、ピエゾ抵抗型圧力センサー、マイクロ コント ローラー、以前研究11に触発された物理的なシリンジ ポンプで構成されます。比例・積分・微分 (PID) コント ローラーでプログラムを構成したら、システムは、マイクロ流体デバイスに規則正しい、圧力駆動型のフローを提供することが可能です。これは自分の仕事でマイクロを使用する研究者のより広範なグループを有効にするコストの高い商用製品に低コストで柔軟な代替を提供します。
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Protocol
1. 3 D 印刷とシリンジ ポンプの組立
-
準備し、3 D プリント、シリンジ ポンプ部品
- ダウンロードします。本稿の補足ファイルから STL デザイン ファイル。
注: は、六つがあります。STL ファイルで、タイトル 'JoVE_Syringe_Clamp_10mL_Size.stl', 'JoVE_Syringe_Platform.stl', 'JoVE_Syringe_Plunger_Connectors.stl', 'JoVE_Syringe_Pump_End_Stop.stl', 'JoVE_Syringe_Pump_Motor_Connector.stl' と ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_Push.stl'、補足的なファイル。これらのファイルは、シリンジ ポンプの 3 D プリントされたコンポーネントに対応しています。 - 専用の変換ソフトウェア パッケージでを開くことによって印刷のためこれらのファイルを準備します。STL モデル ファイルに実行可能な命令を使用している 3 D プリンターの設定します。一方、他の人から直接印刷することができる可能性がありますに、プリンターによっては独自のソフトウェアを必要とに適切なソフトウェアを使用されていることを確認します。STL ファイル。
- プラスチック部品の高品質の 3 D プリンター設定アクリロニ トリル ・ ブタジエン ・ スチレン (ABS) を使用してを印刷します。ポリ乳酸 (PLA) やその他の熱可塑性エラストマーなど、他の一般的な 3 D 印刷材料を使用している場合は、終了の機械的性質 (例えば弾性、強度) は abs 樹脂に匹敵することを確認します。
- 3 D プリンターの印刷のプラットフォームから印刷部分をデタッチします。完成品から印刷のサポート構造を削除します。
注: サポートの構造設計はプリンター固有のソフトウェアを変換するために使用します。3 D プリンターのセットに STL モデル ファイル実行可能命令。量とサポート材料の構造は使用するソフトウェアによって異なります。 - サンドペーパーを使用して任意の大まかなエッジを研磨して滑らかに印刷コンポーネント。最高の結果を得るには、約 220 の粒とサンドペーパーを使用します。組み立てる前に、すべてのコンポーネントがスムーズであることを確認します。
- すべての 7 つの部分が印刷されていることを確認します。
注: これらの部品は、次のようを名前されている: (I) モーター コネクタ (II) 旅行者をプッシュ、(III) 最後の停止、(IV) 注射器プラットフォーム、(V) 注射器のクランプ、(VI) 注射器プランジャー ピンオス コネクタ、(VII) シリンジのプランジャーのメス コネクタ。各コンポーネントのローマ数字は、図 2 aに呼ばれます。アセンブリの部品の詳細なリストは、表の材料にあります。
- ダウンロードします。本稿の補足ファイルから STL デザイン ファイル。
-
シリンジ ポンプを組み立てる (図 2)
- 止めねじとモータ軸 z 軸柔軟なカプラーを使用してネジ棒にステッピング モーターを固定します。前に、ことを確認ステッピング モーター シャフト ドライブの滑りなしネジ棒を回転します。
- モーターのコネクタ上に交尾穴に注射器プラットフォームの接続ペグをしっかりと押して、注射器プラットフォームをモーターのコネクタに接続します。
- モーター コネクタを介して 4 つの 16 mm ネジを留めることによってステップ 1.2.2 の部分と 1.2.1 の手順で組み立てられた部品を添付します。
- 旅行者プッシュの下部にある開口部に 2 つのリニア玉軸受と 0.8 mm の六角ナットを挿入します。
- 旅行者プッシュで 0.8 mm の六角ナットをモーターのコネクタのネジ棒を合わせます。
- 旅行者プッシュとモーターのコネクタを 2 つのリニア シャフトを挿入します。
- モーター コネクタ部分の六角形のスペースで 2 つの六角ナットを置き、移動からリニア シャフトを固定接続を強化する 2 つの 16 mm ネジを使用します。
- エンド ストップの中央の開口部にボール ベアリングを挿入します。
- 1.2.7 の手順アセンブリされた構成部品のエンド ストップに接続します。
- 最後の六角形のスペースで場所 2 六角ナット部分を停止し、アセンブリにあるエンド ストップに接続を強化する 2 つの 16 mm ネジを使用します。
- 鋼ロック ナット 2 個と 2 つの 16 mm ネジを使用して旅行者プッシュ部分にシリンジのプランジャー メス コネクタ部分を接続します。
- ポンプ上部に 10 mL の注射器を配置します。シリンジのプランジャー メス コネクタ部分の切り込みにプランジャーの頭を揃えシリンジ バレルの上部がモーターのコネクタのスロットに固定されてを確認します。
- シリンジのプランジャー オスコネクタ作品をシリンジのプランジャーのメスのコネクタに差し込みます。場所にプランジャーを確保、男性と女性のコンポーネント間のタイトなフィット感があることを確認します。
- 注射器のクランプを 2 つの六角ナットとシリンジ バレルは注射器のクランプのスロットに固定を確保する 2 つの 35 mm ネジを使用して注射器プラットフォームに接続します。
2. マイクロ流体デバイスの作製
-
光リソグラフィを用いたマスター金型します。
注: 以前の文学12に詳細設計とマイクロ流体デバイス作製のための鋳型マスターの作製手順があります。- 最寄りのコンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用すると、フォトマスクの必要な図面を作成し、ガラスまたは石英板に印刷します。
注: 他の材料でもよい、マスクア ライナー使用の要件に基づいています。これらのフォトマスクの印刷は、通常、サード パーティ ベンダーが行います。 - 写真平版方法を使って、フォトマスクからマスター型を作成します。クリーン ルーム環境でこの手順を実行します。
- Fluorosilane 蒸気真空デシケータ内に作製したマスター型を公開します。
注: このプロセス マスター型からマイクロ流体デバイスの作製とポリジメチルシロキサン (PDMS) のリリースが容易します。マスター型の治療は、ビーカーに fluorosilane の 3 滴を追加し、真空チャンバー内でビーカーを配置します。 - 適用 1 分すぐ真空真空チャンバーですが fluorosilane の成膜を可能にするのに 30 分間、商工会議所でマスター型を保ちます。安全対策として有害 fluorosilane 蒸気への露出を制限する発煙のフードでこの手順を実行します。
- 最寄りのコンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用すると、フォトマスクの必要な図面を作成し、ガラスまたは石英板に印刷します。
-
PDMS デバイスを作製します。
- 重量を量るボート中古ポリマーは、PDMS の重量を量る。最終的な PDMS デバイスの所望の厚さが異なるかもしれませんが、中古ポリマーの 30 g は直径 100 mm の金型マスターに適しています。
- 測定し、硬化剤を加えて、1:10 前のポリマーに対する比率。直径 100 mm のマスター型は、硬化剤の 3 g を追加します。
- 使い捨てスパチュラを使用して手作業で精力的にプレポリマーと硬化剤を混ぜます。30 後 s が小さいチェック定期的に溶液中の気泡を分離、前のポリマーを示すと、硬化剤が十分に混合されました。
- 培養プレートでマスター型を配置し、慎重にマスター金型上に PDMS の混合物を注ぐ。
注: PDMS デバイスの所望の厚さは、アプリケーションによって異なります。 - 1 時間かけて泡に混合物の内で観測されていないことを確認してください真空デシケータで混合物をドガします。存在する任意の気泡がある場合すぐに、真空の圧力を解放し真空を適用し、直します。この手順の後、少なくとも 10 分間座っている混合物を許可します。
- 90 ° C で設定オーブンに PDMS 混合物を移動します。30 分間を治すために混合物を許可します。
- マスター型から、PDMS を削除します。かみそりの刃を使用して、指定した大きさに、PDMS をカットします。汚染物質に PDMS の露出を制限するために手袋を着用します。
- 23 G 調剤針の入口と出口ポートの穴をパンチします。このプロセスを容易にするには、金属ファイルまたは鈍端を削る紙やすりで針をファイルします。PDMS の断続のシリンダーがすべて穿刺後針から削除されることを確認します。
メモ: 異なるサイズの針は穴を開けるに使用できます。このプロトコルの手順 3 で使用する針よりも大きめサイズを確認します。 - フィルター処理された脱イオン水と PDMS を洗浄し、0.2 μ m フィルターが装備空気または窒素源を用いた PDMS を風乾します。
注: 正確な圧力は、重要ではない、建物の中央システムから加圧ガス源に適してこの手順。 - 粉末洗剤などの界面活性剤と第 1 ホウケイ酸ガラス基板をきれいにし、0.2 μ m フィルターが装備加圧空気源を使用してそれを空気乾燥します。カバーガラス疎水性の潤滑剤でコーティングされ、多くの場合は適切に洗浄しない限り、PDMS にバインドすることができるではないと、徹底的にそれをきれい。
- 粘着テープを使用して、残留ほこりを除去する PDMS を軽く触れます。成形品の機能が損なわれないようにテープで大量の力を持つことを押さないでください。
- PDMS デバイスを置き、酸素プラズマ クリーナー 1 分プラズマ クリーナー室から色確認のために洗浄カバーガラスは明るいマゼンタ、プロセス中にします。PDMS 装置が露出、顔アップ、血漿中の成形機能をクリーナーに確認します。
- プラズマ クリーナーからカバー ガラス、PDMS を取るし、カバー ガラス、PDMS デバイス上に下向きに配置。
注: これはカバー ガラス、PDMS にほとんどすぐに結合になります。バインドが表示されない場合は、成形機能を欠いている PDMS のセクションに PDMS にカバーガラスを軽く押してください。これは、PDMS とカバーガラスの間に発生するへの接着が原因。 - 少なくとも 12 時間 90 ° C のオーブンでよく接合、PDMS とカバーガラスを確実に PDMS デバイスを置きます。
3. フィードバック制御シリンジ ポンプ システム アセンブリ
- ワイヤーの絶縁材およびかみそりを使用して圧力センサーの電気ケーブルからシールドの長さの適切な量を削除します。希望の長さ上の配線の危険にさらされないように切断時は優しくすること。絶縁とシールドが削除されます一度、男性の角形コネクタにケーブルを接続します。
- 前の手順に似たようなアプローチを使用すると、ステッピング モーターのリード線から 1-2 cm の絶縁電線を削除し、男性の角形コネクタにケーブルを接続します。
- 圧力センサーの入口側に注射器に貼付します。圧力センサーの出口側に 22 G 調剤針を接続します。
- 圧力センサーに接続されている 22 G 調剤針上 0.51 cm 径チューブの一方の端をスライドさせます。
- マイクロ流体デバイスに接続することができます 22 G 調剤針上 0.51 cm 径チューブのもう一方の端をスライドさせます。針をマイクロ流体デバイスの入口ポートに接続します。
- マイクロ流体デバイスの出口ポートを 22 G 針と 0.51 cm 径チューブ、入口ポートの接続に似たを使用して廃棄物処理タンクに接続します。
- 図 3の図によるとプロトタイピングのブレッド ボード上の電子回路を組み立てます。
注: このブレッド ボードは、マイクロ コント ローラーによって監視される圧力センサーからの信号を条件に提供しています。他の互換性のあるマイクロ コント ローラーは、圧力センサーの信号をモニターできる使用可能性があります。 - ステッピング モーター ドライバーとステッピング モーターからの配線を接続します。圧力センサーと図 3の回路図によるとブレッド ボードとステッピング モーター ドライバーからの配線を接続します。圧力センサーから露出されたワイヤーは色分けされ、次のように接続されている必要があります: 赤 V + に接続する必要があります、黒に接続する必要があります v、緑 + 信号に接続してください、白信号に接続してください。
- ブレッド ボードをマイクロ コント ローラーのアナログ入力ピンから出力信号を接続します。
- ステッピング モーター ドライバーをマイクロ コント ローラーのデジタルのピンからロジック入力端子を接続します。ステッピング モーター ドライバーのステップ入力がデジタルのピンで示されるマイクロ コント ローラーのパルス幅変調 (PWM) ポートに接続されている、' ~' 記号。
- 図 3の図によるとブレッド ボードに電源装置を接続します。電源をブレッド ボードとステッピング モーター ドライバーの 10 V に設定します。
4. 圧力センサーのキャリブレーション
注: は、この稿では選択増幅器を用いた、利得を計算する式は G = 5 + (200 k ・ RG) RG = R1 と G アンプゲインを =。ここで増幅器のゲインは約 606 です。この値は、抵抗 R1 の使用を変更することによって変更できます。さらに、マイコン ボードのロジック レベルは 5 V とインストルメンテーションの 10 V の電源が、単純な電圧ディバイダー回路、R2 と R3 が 5 V 以上の出力信号を保護するために使用します。
- ダウンロードし、マイクロ コント ローラー用の適切な統合開発環境 (IDE) をインストールします。
- 補足的なファイルから ' Pressure_Sensing.ino' をタイトル コント ローラー コードをダウンロードします。これを使用してコード デュアル圧力センサーから圧力信号を取得することです。
注: このペーパーで使用されるマイクロ コント ローラーとコント ローラーのコードは、ステッピング モーターを作動させるために 200 ms ごと圧力センサーからのアナログ信号を読む 10 ビット分解能のアナログ入力端子を含みます。AnalogRead() のブラケットの数は、図 3の圧力センサー回路電圧ディバイダー回路から出力信号に接続されているアナログ入力ピンに対応します。遅延変数が表す間隔信号の再評価されると、出力 ms でそれに応じて。 - コンセント キャップとセンサーの入口へ知られていた圧力を適用し、結果の出力信号を測定します。
注: 圧力センサーをキャリブレーションする単純なメソッドは、さまざまな高さで開催された水の貯水池を使用します。検出結果の重力の圧力は、圧力センサーをキャリブレーションするいずれかになります。 - X 軸・ y 軸切片の数値値を取得する y 軸の圧力信号 (V) 適用調整圧 (Pa) と図をプロットします。
- 補足的なファイル、フィードバック制御系の圧力値を校正するための 'Dual_Pump_PID_Control.ino' コードで sensor1Offset と sensor2Offset の変数など、コント ローラーのコードでこの数値を適用します。
5. マイクロ流体デバイスから画像をキャプチャ
- 講ずべきマイコン マイコン トリガー圧力測定によるイメージがキャプチャされるよう、オープン ソース シングル ボード コンピューター シリアル インター フェースを介してマイクロ コント ローラーを接続します。
- 顕微鏡の目の部分の 1 つにシングル ボード コンピューター、カメラ モジュールに接続します。ここでは、20 倍の倍率を使用して、マイクロ流体デバイスをイメージします。
6. シリンジ圧ポンプを制御します。
- オープン ソースのマイクロ コント ローラー用 IDE を開きます。マイコンの IDE のライブラリのディレクトリに Timer.h13と14の AccelStepper.h ライブラリをダウンロードします。
- 補足的なファイルから ' Dual_Pump_PID_Control.ino' をタイトル コント ローラーのコードをダウンロードしてください。このコードは、2 つのポンプとフィードバック制御シリンジ ポンプ システムを制御する使用されます。
- プログラム コント ローラー コードに合わせて行われている実験。制御パラメーターまたは所望の応答と、テスト期間に合わせてタイミング パラメーターを変更します。コンパイルしてマイクロ コント ローラー実験を実行する前にコードをアップロードします。
注: コント ローラーのコードに setPoint1/2 の値は圧力レベルを変更する使用され、ポンプの速度を調整する stepper1/2Out の値が使用されます。AccelStepper stepper1/2 列の最後の 2 つの値は、マイコンのポート番号に対応します。MilliTiming 変数を指示圧力センサーからのアナログ信号を読み取る頻度と printTiming 変数はシリアル モニター検査のために速度と圧力値の出力の周波数を指示します。すべてのユニットは、maxError 変数がマイコン ボードの論理レベルから決まりますさんです。5 の値が使用されますこのプロトコルでマイコンが 5 V、ここ。 - シリンジ ポンプ システムの電源を入れます。ステッピング モーター電源 10 V の電圧を設定します。
7. チューニング PID コント ローラーのパラメーター
注: アプリケーションおよびマイクロ流体デバイスのジオメトリに応じて最適なコント ローラーのパラメーター値が異なる場合があります。たとえば、長期の研究 (時間)、低い比例定数 (Kp) は応答時間を犠牲にしてオーバー シュートを最小限にすることが望ましいかもしれません。これらのトレードオフは、実験条件と目標によって異なります。
- 最初 (Kp) ステップ関数の応答時間を短縮する比例定数を調整することで手動のアプローチを使用してコント ローラーを調整します。
注: アルゴリズムのアプローチが可能性がありますが使用、手動のチューニング マイクロ用の作品に表示されます本。 - 次に、積分 (Ki) とオーバー シュートを最小限に抑え、セット ポイントの安定性の差動 (Kd) パラメーターを変更します。
- 補足的なファイルのコント ローラーのコードの Kp、Ki、および Kd 変数 PID の値を設定します。
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Representative Results
ここでは、フィードバック制御の注射器の構築システムをポンプし、マイクロ流体アプリケーションの潜在的な用途を示すプロトコルを提案します。図 1は、シリンジ ポンプ、圧力センサー、マイクロ流体デバイス、マイクロ コント ローラー、圧力センサー回路とステッピング モーター ドライバーの接続システムを示しています。図2 シリンジ ポンプ アセンブリの詳細なコールアウトが表示され、電子回路圧力センシングの図が図 3で提示されます。制御パラメーターのチューニングのプロセスを図 4に示します。最後に、2 入口の Y 形マイクロ流体デバイスの入口圧力制御の代表的な結果を図 5に示します。
図 1: フィードバック制御シリンジ ポンプ システムのセットアップ。この画像は、シリンジ ポンプ システムのセットアップを示しています。注射器は注射剤が含まれているし、3 D プリントされたシリンジ ポンプが作動します。Aピエゾ抵抗型圧力センサーはBで接続されてシリンジ ポンプとCマイクロ流体デバイス、デバイスからの圧力を検出され、 Dに電気信号に変換されます。計装用アンプ一度液体で圧力センサー回路は、チューブを介して配信されます。Eで圧力センサーからの信号を読むオープン ソースのマイコン ボードをし、 Fに必要な信号を送信します。・ シリンジ ポンプの作動を制御するステッピング モーター ドライバー。G.電源とHノート パソコンは、動作し、システムをプログラムする必要です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: 3 D プリントされたシリンジ ポンプの組立写真。この図は、写真でプロトコルの手順 1.2 に対応する 3 D プリントされたシリンジ ポンプ アセンブリの詳細な手順を示します。A.シリンジ ポンプ アセンブリのための材料を表しています。B.このイメージは、ネジ棒 (ステップ 1.2.1) にステッピング モーターを接続する方法を示しています。C.プロトコル (ステップ 1.2.3) のステップ 1.2.2 からプロトコルの手順 1.2.1 から部分部分に接続する方法を示します。+この画像は旅行者プッシュ ピース (ステップ 1.2.5) のアセンブリを示します。E.この画像は、エンド ストップを接続する方法を示しています (ステップ 1.2.10)。F.このイメージは、アセンブリ構成部品 (ステップ 1.2.11) にシリンジのプランジャー メス コネクタ部分を接続する方法を示しています。G.シリンジのプランジャー オスコネクタ作品 (ステップ 1.2.13) のアセンブリを示します。H.この画像は、注射器のクランプを接続する方法を示しています (ステップ 1.2.14)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: マイクロ コント ローラーおよび圧力センサー回路図。回路では、増幅型圧力圧力センサーからの信号を測定するためのマイコン ボードをことができます。A.これは回路の組立写真です。B.この図は、回路基板のレイアウトを示しています。圧力センサーから露出されたワイヤーは色分けされ、次のように接続されている必要があります: 赤 V + に接続する必要があります、黒に接続する必要があります v、緑 + 信号に接続してください、白信号に接続してください。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: 制御パラメーターのチューニングします。シリンジ ポンプの流体圧力を調整するために使用する PID コント ローラーは、比例 (Kp)、積分 (Ki)、および差分 (Kd) パラメーターを変更することによって調整されるかもしれません。ここでは、どのように応答時間を減らすを助ける (Kp を使用) のチューニングを示します。さらにチューニング (Ki、Kd を使用して) は、setpoint の安定性を確保し、オーバー シュートの低減に役立ちます。このプロトコルでは、コント ローラーではマニュアル試行錯誤のアプローチを使用して、主に調整できます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: 層流マイクロ流体デバイスの入口圧力のコントロール。このプロトコルの手順 2 で説明されている手順を次の Y 字マイクロ流体デバイスを作製しました。2 入口ポートと 1 つの出口ポートを搭載しています。入口圧力を制御する 2 つのシリンジ ポンプ システムが組み立てられます。注射器の 1 つが青い染料で読み込まれ、他が水を搭載します。A.両方のポンプによって提供される同じ圧力から生じる流体のこれらのイメージは、このプロトコルの手順 6 で詳細なアプローチを使用してキャプチャされます。B.どのように入口圧力が監視され、図 4でチューニング PID コント ローラーを使用して制御を示します。セット ポイントとの密着を観察できます。短い (s) と長いの (h) の実験と同様の結果を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
ここでは、閉ループ圧力制御とシリンジ ポンプ システムの新しい設計を提案します。これは、3 D プリントされたシリンジ ポンプ ピエゾ抵抗圧センサーとオープン ソースのマイクロ コント ローラーに統合することによって達成されました。PID コント ローラーを採用し、正確にインレット圧を制御し、同時にセット ポイントとその安定性を維持しながら高速応答時間を提供することができました。
マイクロ流体デバイスを用いた多くの実験は精密な流体制御を必要とし、よ特徴付けられた流プロファイルを悪用します。時空の濃度勾配15を探索し、さらに解析16.精密流体封入を生成する実験を含んでいる安定した流量プロファイルの重要な例PID コント ローラーを使用して、高パフォーマンスの応答を維持するために、このプロトコルで記述されているシステムには、流れの調節と長期的な安定性そのような層流の実験を検討する必要が生成されます。
ただし、マイクロ流体デバイスとそれらを含む実験を持って微妙な変化との違いを認識することが重要です。たとえば、異なるマイクロ ジオメトリ (幅と高さ) が異なる流れプロファイル生じます。その結果、PID コント ローラーのパラメーターをそれに応じて調節する必要があります。さらに、いくつかの実験は、圧力範囲の厳格な規制を必要があります。これらのケースでは、圧力オーバー シュートを許容できない場合があります。そのため、通常の応答時間を犠牲にして、オーバー シュートを最小限になるよう PID 制御パラメーターを調整する必要があります。
この注射器ポンプ システムの低コスト生産、研究者マイクロ流体実験を迅速に開発することができるはずです。3 D プリントされたシリンジ ポンプ、マイクロ コント ローラー、および圧力センサー回路の費用の見積もりは約米国 $130 です。市販の選択肢と対照をなしてように蠕動と再循環ポンプ シリンジ ポンプ システムはさまざまな検査用途に適合させることができるフレキシブルで簡単なプラットフォームを提供します。ここで説明しません、バンバン コント ローラーなどの単純な制御戦略長期マイクロ流体研究使用可能性があります。また、シリンジ ポンプ システムは、真空圧をコントロール ボリュームに適用する使用可能性があります。
PID コント ローラーを使用してこのシリンジ ポンプ システムの潜在的な制限の 1 つは、一定の電力供給に依存です。PID 制御方式では、ステッピング モーターの一定の活性化を必要とするため比較的大きな電力要求事項があります。対照的に、バンバン コント ローラーのみ大幅に少ない電力を使用、必要に応じてステッピングモータを吹き込みます。この電源要件は、最初のセットのポイントの範囲に到達する PID コント ローラーを実装し、圧力値が与えられたセットのポイントの範囲内で一度解除ステッピング モーター コイルを吹き込むハイブリッド制御構造の開発によって緩和されるかもしれません。また、シンプルなバンバン コント ローラー同様に使用することがあります。
また、この注射器ポンプ システムは柔軟なパフォーマンスと制御、ステッパー モーターおよび注射器自体のサイズを変えることによって。前の実験で 1 mL、5 mL、10 mL、30 mL の注射器を使用しています。当然、各シリンジ ポンプはわずかに異なる PID コント ローラーのパラメーターを必要とする可能性があります、個別のパラメータ チューニングを必要とするでしょう、したがって。ただし、この柔軟性により幅広い用途に使用されるこのプロトコルで記述されている注射器ポンプ システムです。
マイクロ デバイス障害の共通領域は、カバーガラスに PDMS を効果的に結合することができないことに注意してください。マイクロ流体デバイス作製のため、バインディングが有効な場合はプラズマ クリーナーのパワーを最適化してください。また、潤滑油やカバーガラスの表面上の不純物は一切、PDMS との強い絆を確実に接合する前に除去されるべき。徹底的に洗浄し、PDMS コンポーネントから任意のほこりを削除するは、PDMS とガラスの間に良好なシールが形成されるように役立つはずです。
低コスト、フィードバック制御シリンジ ポンプ システムは、柔軟な方法で安定性の高い流体のプロファイルを操作する研究者をことができます。圧力センサー モジュールを統合すると単純な PID 制御方式、システムは高性能圧力駆動型フロー制御を提供することができます。このツールは、マイクロ ツールが使用されている多くの研究分野で広く適用できます。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
著者は海軍研究のオフィスからサポート N00014-17-12306 と N00014-15-1-2502 賞し、同様、空軍科学研究局から賞 FA9550-13-1-0108 と国立科学財団助成金第 1709238 を認めます。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Arduino IDE | Arduino.org | Arduino Uno R3 control software | |
| Header Connector, 2 Positions | Digi-Key | WM4000-ND | |
| Header Connector, 3 Positions | Digi-Key | WM4001-ND | |
| Header Connector, 4 Positions | Digi-Key | WM4002-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Black | Digi-Key | 1528-1752-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Blue | Digi-Key | 1528-1757-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Red | Digi-Key | 1528-1750-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, White | Digi-Key | 1528-1768-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Yellow | Digi-Key | 1528-1751-ND | |
| Instrumentation Amplifier | Texas Instruments | INA122P | |
| Microcontroller, Arduino Uno R3 | Arduino.org | A000066 | |
| Mini Breadboard | Amazon | B01IMS0II0 | |
| Power Supply | BK Precision | 1550 | |
| Pressure Sensor | PendoTech | PRESS-S-000 | |
| Rectangular Connectors, Housings | Digi-Key | WM2802-ND | |
| Rectangular Connectors, Male | Digi-Key | WM2565CT-ND | |
| Resistors, 10k Ohm | Digi-Key | 1135-1174-1-ND | |
| Resistors, 330 Ohm | Digi-Key | 330ADCT-ND | |
| Stepper Motor Driver, EasyDriver | Digi-Key | 1568-1108-ND | |
| USB 2.0 Cable, A-Male to B-Male | Amazon | PC045 | |
| 3D Printed Material, Z-ABS | Zortrax | A variety of colors are available | |
| 3D Printer | Zortrax | M200 | Printing out the syringe pump components |
| Ball Bearing, 17x6x6mm | Amazon | B008X18NWK | |
| Hex Machine Screws, M3x16mm | Amazon | B00W97MTII | |
| Hex Machine Screws, M3x35mm | Amazon | B00W97N2UW | |
| Hex Nut, M3 0.5 | Amazon | B012U6PKMO | |
| Hex Nut, M5 | Amazon | B012T3C8YQ | |
| Lathe Round Rod | Amazon | B00AUB73HW | |
| Linear Ball Bearing | Amazon | B01IDKG1WO | |
| Linear Flexible Coupler | Amazon | B010MZ8SQU | |
| Steel Lock Nut, M3 0.5 | Amazon | B000NBKLOQ | |
| Stepper Motor, NEMA-17, 1.8o/step | Digi-Key | 1568-1105-ND | |
| Syringe, 10mL, Luer-Lok Tip | BD | 309604 | |
| Threaded Rod | Amazon | B01MA5XREY | |
| 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane | FisherScientific | AAL1660609 | |
| Camera Module | Raspberry Pi Foundation | V2 | |
| Compact Oven | FisherScientific | PR305220G | Baking PDMS pre-polymer mixture and the device |
| Dispensing Needle, 22 Gauge | McMaster-Carr | 75165A682 | |
| Dispensing Needle, 23 Gauge | McMaster-Carr | 75165A684 | |
| Fisherbrand Premium Cover Glasses | FisherScientific | 12-548-5C | |
| Glass Culture Petri Dish, 130x25mm | American Educational Products | 7-1500-5 | |
| Plasma Cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | Binding the cover glass with the PDMS device |
| Razor Blades | FisherScientific | 7071A141 | |
| Scotch Magic Tape | Amazon | B00RB1YAL6 | |
| Single-board Computer | Raspberry Pi Foundation | Raspberry Pi 2 model B | |
| Smart Spatula | FisherScientific | EW-06265-12 | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | FisherScientific | NC9644388 | |
| Syringe Filters | Thermo Scientific | 7252520 | |
| Tygon Tubing | ColeParmer | EW-06419-01 | |
| Vacuum Desiccator | FisherScientific | 08-594-15C | Degasing PDMS pre-polymer mixture and coating fluorosilane on the master mold |
| Weighing Dishes | FisherScientific | S67090A |
References
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