Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att konstruera en tryckstyrda sprutpumpen att användas i ultrakalla applikationer. Detta sprutpumpen är tillverkad av ett additivt tillverkade kropp, off-the-shelf hårdvara och öppen källkod elektronik. Resulterande systemet är billig, enkel att bygga, och levererar välreglerad vätskeflöde aktivera snabb mikroflödessystem forskning.
Abstract
Mikrofluidik har blivit ett viktigt verktyg i forskning över den biologiska, kemiska och fysikaliska vetenskaper. En viktig komponent mikroflödessystem experimenterande är en stabil system kan tillhandahålla exakt ett inlopp flöde eller inloppstryck för vätskehantering. Här har vi utvecklat en spruta pumpsystem kan styra och reglera vätska inloppstrycket levereras till en mikroflödessystem enhet. Detta system har utformats med billiga material och additiv tillverkning principer, att utnyttja tredimensionell (3D) utskrift av termoplastiska material och off-the-shelf komponenter när så är möjligt. Detta system består av tre huvudkomponenter: en sprutpump, en tryckgivare och en programmerbar mikrokontroller. Inom detta papper detalj vi en uppsättning protokoll för tillverkning, montering och programmering denna spruta pumpsystem. Dessutom har vi inkluderat representativa resultat som visar hög-trohet, återkopplad reglering av inloppstryck med detta system. Vi förväntar oss detta protokoll tillåter forskare att fabricera billig spruta pumpsystem, sänka inträdeshinder för användning av mikrofluidik i biomedicin, kemiska och materialforskning.
Introduction
Mikroflödessystem verktyg har blivit användbar för forskare i biologisk och kemisk forskning. På grund av låg volym utnyttjande, snabb mätning kapacitet och väldefinierade flöde profiler, mikrofluidik vunnit dragkraft i genomisk och proteomiska forskning, high-throughput screening, medicinsk diagnostik, nanoteknik och encelliga analys1,2,3,4. Dessutom kan flexibiliteten i ultrakalla enheten design lätt grundläggande vetenskap forskning, till exempel undersöka spatiotemporal dynamiken i odlade bakteriekolonier5.
Många typer av FluidInjection system har utvecklats för att leverera korrekt flöde till mikroflödessystem enheter. Exempel på sådana insprutningssystem peristaltiska och återcirkulation pumpar6, tryckregulator system7och spruta pumpar8. Dessa insprutningssystem, inklusive sprutpumpar, består ofta av dyra precisionstillverkade komponenter. Utöka dessa system med slutna återkopplad reglering av trycket i utdata flödet ökar kostnaden av dessa system. Svar utvecklat vi tidigare en robust, låg kostnad spruta pumpsystem som använder slutna återkopplad reglering för att reglera outputted flöde tryck. Genom att använda slutna tryckreglering, är behovet av dyra precisionstillverkade komponenter upphävt9.
Kombinationen av prisvärda 3D-printing hårdvara och en betydande ökning av tillhörande programvara med öppen källkod har gjort design och tillverkning av mikrofabricerade enheter alltmer tillgängliga för forskare från en mängd discipliner10. De system som används för att driva vätska genom dessa enheter är dock fortfarande dyra. För att bemöta detta behov för en låg kostnad styrsystem för vätska, utvecklat vi en design som kan fabriceras av forskare i labbet, som kräver endast ett litet antal församlingen steg. Trots dess låg kostnad och enkel montering, detta system kan ge exakt flödesreglering och tillhandahåller ett alternativ till kommersiellt tillgängliga, slutna spruta pumpsystem, som kan vara oöverkomligt kostsamma.
Här, vi tillhandahåller protokoll för konstruktion och användning av den slutna kontrollerade spruta pumpsystem vi utvecklat (figur 1). Den vätskehantering system består av en fysisk sprutpumpen inspirerad av en tidigare studie11, en mikrokontroller och dimensionerade tryckgivare. När monterade och programmerade med en proportionell-integral-derivat (PID) controller, är systemet kan leverera en välreglerad, tryck-driven flöde till mikroflödessystem enheter. Detta ger en låg kostnad och flexibelt alternativ till hög kostnad kommersiella produkter, möjliggör en bredare grupp av forskare att använda mikrofluidik i deras arbete.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 3D-printing och montering av sprutpumpen
-
Förbereda och 3D-print sprutan pumpkomponenter
- Ladda ner den. STL designfiler från Tilläggsfilerna detta papper.
Obs: Det finns sex. STL-filer, med titeln 'JoVE_Syringe_Platform.stl', 'JoVE_Syringe_Pump_End_Stop.stl', 'JoVE_Syringe_Plunger_Connectors.stl', 'JoVE_Syringe_Clamp_10mL_Size.stl', 'JoVE_Syringe_Pump_Motor_Connector.stl', och ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.stl', i tilläggsfilerna. Dessa filerna motsvarar 3D-tryckt komponenterna i sprutpumpen. - Förbereda dessa filer för utskrift genom att öppna dem i ett program tillägnat omvandlingen av. STL modellfiler till körbara instruktionsuppsättningar för 3D-skrivaren som används. Säkerställa att korrekt programvaran används eftersom vissa skrivare kommer att kräva egenutvecklade programvara, medan andra kanske kunna skriva ut direkt från den. STL-fil.
- Skriva ut plast komponenterna med akrylnitril-butadien-styren (ABS) med en högkvalitativ 3D-skrivare inställning. Om andra vanliga 3D-printing-material som används, såsom polymjölksyra (PLA) eller andra termoplastiska elastomerer, se till att de färdiga mekaniska egenskaperna (t.ex., elasticitet, sträckgräns) är jämförbara med ABS.
- Lossa de tryckta delarna från utskrift plattformen till 3D-skrivaren. Ta bort de utskrivna stödjande strukturen från de färdiga delarna.
Obs: Stödjande strukturen är konstruerad av skrivarspecifika programvara används för att konvertera den. STL modellfiler till körbara anvisningen inställd för 3D-skrivaren. Beloppet och strukturera av det stödjande materialet kan variera beroende på den programvara som används. - Jämna de utskrivna komponenterna genom slipning något ojämna kanter med sandpapper. För bästa resultat, Använd sandpapper med en kornstorlek på ca 220. Kontrollera att alla komponenter är slät innan montering.
- Se till att alla sju delar har skrivits ut.
Obs: Dessa delar har döpts till följande: (I) Motor kontakt, (II) Traveler Push, (III) slutet stoppa, (IV) spruta plattform, (V) spruta Clamp, (VI) sprutkolven hane och (VII) sprutkolven honkontakt. Den romerska siffran för varje komponent är enligt figur 2A. En detaljerad lista över de mekaniska delarna för montering finns i Tabell för material.
- Ladda ner den. STL designfiler från Tilläggsfilerna detta papper.
-
Montera sprutpumpen (figur 2)
- Fäst stegmotor till en gängad stång med en motoraxeln z-flexibelt redskapsfäste med ställskruvar. Innan du fortsätter, kontrollera att roterande stepper motoraxeln enheterna den gängade stången utan glidning.
- Anslut sprutan plattformen till motor kontakten ordentligt genom sprutan plattformens anslutning pinnar i parning hålen ovanpå kopplingen motor.
- Fäst den monterade delen i steg 1.2.1 med delen i steg 1.2.2 med fyra 16 mm skruvar genom motor kopplingen.
- Infoga två linjära kullager och en 0,8 mm hex mutter i öppningarna ligger på botten av resenären push.
- Justera den gängade stången på motor kontakten genom 0,8 mm hex muttern i traveler push.
- Infoga två linjära axlar genom traveler push och motor-kopplingen.
- Placera två sexkantmuttrar i sexkantiga utrymmen av motor connector bit och Använd sedan två 16 mm skruvar att dra åt anslutningarna, säkra de linjära axlarna från att flytta.
- Infoga kullager i mitten öppnandet av sista hållplats.
- Anslut sista hållplats med monterade komponenter från steg 1.2.7.
- Plats två sexkantmuttrar i sexkantiga utrymmen i slutet sluta bit och Använd sedan två 16 mm skruvar att dra åt anslutningarna att anbringa sista hållplats till församlingen.
- Fäst sprutkolven honkontakt lappa till traveler push pjäs med två stål lås skruvar och två 16 mm muttrar.
- Placera en 10 mL spruta på toppen av pumpen. Se till huvudet av kolven justeras in i skåran på sprutkolven honkontakt lappa och toppen av sprutcylindern är fast i öppningen av motor kontakten.
- Infoga den spruta kolv hane pusselbiten i honkontakten sprutkolven. Se till att det finns en tight passform mellan manliga och kvinnliga komponenterna, säkra kolven på plats.
- Anslut sprutan klämman till sprutan plattformen med hjälp av två sexkantmuttrar och två 35 mm-skruvar, säkerställa sprutcylindern är fast i öppningen av sprutan klämman.
2. mikroflödessystem enhet förberedelse
-
Fabricera master formar med photolithography
Obs: Ett förfarande med design och tillverkning av master formar för mikroflödessystem enhet tillverkning kan hittas i tidigare litteratur12.- Med programvaran Rekommenderad datorstödd konstruktion (CAD), skapa nödvändiga ritningarna för en photomasken och skriva ut det på glas eller kvarts plåt.
Obs: Andra material kan vara acceptabelt utifrån kraven i den mask aligner används. Utskrift av dessa fotomasker kompletteras vanligtvis av en tredjepartsleverantör. - Använda photolithography metoder för att skapa en herre mögel från fotomask. Utför proceduren i renrum.
- Utsätta den fabricerade herre mögel till en fluorosilane ånga i vakuum exsickator.
Obs: Denna process underlättar frisläppandet av Polydimetylsiloxan (PDMS) från master mögel när fabricera mikroflödessystem enheter. Att behandla den herre mögel, tillsätt tre droppar av fluorosilane till en bägare och placera bägaren i en vakuumkammare. - Tillämpa ett vakuum för 1 min. nära vakuumkammare men hålla den herre mögel i kammaren i 30 min för nedfall av fluorosilane. Som en säkerhetsåtgärd, utföra den här proceduren i dragskåp att begränsa exponeringen för farliga fluorosilane ånga.
- Med programvaran Rekommenderad datorstödd konstruktion (CAD), skapa nödvändiga ritningarna för en photomasken och skriva ut det på glas eller kvarts plåt.
-
Fabricera PDMS enheter
- Väga PDMS före polymeren i väga båt. Även om den sista PDMS-enheten önskad tjocklek kan variera, fungerar 30 g före polymer bra för en master mögel på 100 mm i diameter.
- Mäta och lägga till en härdare i en 1:10 i förhållande till före polymeren. För en herre mögel på 100 mm i diameter, tillsätt 3 g en härdare.
- Blanda före polymer och bota agenten kraftigt för hand med en disponibel spatel. Efter 30 s, kontrollera att det finns små, regelbundet åtskilda luftbubblor i lösningen, vilket indikerar före polymeren och härdare är väl blandade.
- Placera den herre mögel i en kultur tallrik och häll försiktigt PDMS blandningen ovanpå den herre mögel.
Obs: Önskad tjocklek av PDMS enheten kan variera beroende på dess tillämpning. - Lufta blandningen i vakuum exsickator för 1 hr. se till att inga bubblor kan observeras inom blandningen. Om det finns någon närvarande bubblor, släpp vakuum trycket snabbt, och sedan använda ett vakuum. Låt blandningen att sitta i minst 10 min efter proceduren.
- Flytta PDMS blandningen till ugn inställd på 90 ° C. Låt blandningen bota för 30 min.
- Ta bort PDMS från master mögel. Skär PDMS i önskade dimensioner med hjälp av ett rakblad. Använd handskar för att begränsa PDMS exponering för föroreningar.
- Stansa hål för in- och utsugningskanaler med 23 G tubens nål. För att underlätta denna process fil nålen med en metal fil eller sandpapper att vässa trubbiga ändar. Säkerställa att sporadisk cylindern av PDMS tas bort från nålen efter varje punktering.
Obs: Nålar med olika storlekar kan användas för hålslagning. Säkerställa att storleken är något större än de nålar som används i steg 3 i detta protokoll. - Tvätta PDMS med filtrerade avjoniserat vatten och lufttorka på PDMS med en luft eller kväve källa försedd med ett 0,2 µm filter.
Observera: Det exakta trycket är inte kritisk, och en trycksatt gas källa från byggnadens centrala systemet fungerar bra för detta steg. - Rengör en nr 1 Borsilikat skyddsglaset substrat med ett ytaktivt ämne, såsom ett pulveriserat rengöringsmedel, och lufttorka det med hjälp av en trycksatt luft källa försedd med ett 0,2 µm filter. Ren det noggrant som skyddsglaset är ofta belagda med hydrofoba smörjmedel och är inte binda till PDMS såvida det är ordentligt rengjorda.
- Med tryckkänslig tejp, nudda PDMS för att ta bort kvarvarande damm. För att säkerställa de gjutna funktionerna inte äventyras, tryck inte med stora mängder kraft på bandet.
- Placera PDMS enheten och ett rengjorda lock glas till ett syre plasma renare för 1 min. kontrollera färgen från plasma renare kammaren är ljus magenta under processen. Kontrollera att enhetens PDMS har dess gjuten funktioner exponerade, ansikte-upp, i plasma renare.
- Ta PDMS och skyddsglaset från plasma renare och placera skyddsglaset, nedåt, till PDMS enheten.
Obs: Detta kommer att orsaka täckglaset och PDMS band nästan omedelbart. Om bindningen inte är synlig, tryck försiktigt täcka glaset till PDMS i ett avsnitt av PDMS saknar gjuten funktioner. Detta bör leda till limning ska ske mellan PDMS och skyddsglaset. - Placera den PDMS-enheten i en ugn vid 90 ° C i minst 12 h att säkerställa PDMS och skyddsglaset är väl bundna.
3. feedback-kontrollerade spruta Pump System montering
- Ta bort en lämplig mängd längd wire isoleringen och avskärmning från tryckgivares elektriska kabeln med en rakhyvel. Vara varsam när man skär för att säkerställa att trådarna inte äventyras ovanför önskad längd. En gång isolering och avskärmning avlägsnas, Anslut kablarna till manliga rektangulära anslutningar.
- Använder ett liknande förhållningssätt till föregående steg, ta bort 1-2 cm tråd isolering från en stegmotor leder och Anslut kablarna till manliga rektangulära anslutningar.
- Anbringa sprutan på inloppssidan av trycksensorn. Anslut en 22 G tubens injektionsnålen på utloppssidan av trycksensorn.
- Dra ena änden av 0,51 cm diameter slangar över 22 G tubens nålen bifogas tryckgivaren.
- Skjut den andra änden av 0,51 cm diameter slang över en 22 G tubens nål som kan anslutas till mikroflödessystem enheten. Anslut nålen till inlet port mikroflödessystem enheten.
- Anslut outlet porten av en mikroflödessystem enhet till en avfallshantering reservoar med en 22 G nål och 0,51 cm diameter slang, liknande till hamnens inlopp anslutning.
- Montera den elektroniska kretsen på en prototyping breadboard enligt diagrammet i figur 3.
Obs: Detta bakbord serverar att villkora signalen från tryckgivaren skall övervakas av en mikrokontroller. Andra kompatibla microcontrollers kan användas för att övervaka signalen. - Anslut kablarna från stepper motor med stepper motor driver. Anslut ledningarna från tryckgivaren och stepper motor föraren med bakbord enligt schematiskt Figur3. De frilagda ledningarna från Tryckgivaren är färgkodade och ska anslutas enligt följande: röd bör ansluta till V +, svart bör ansluta till V-, gröna bör ansluta till Signal + och vit bör ansluta till Signal-.
- Anslut utsignalen från bakbord med analog ingång pin på mikrokontroller.
- Anslut logik ingående stiften från stepper motor föraren med digital stiften på mikrokontroller. STEG indata på drivrutinen stepper motor är ansluten med en puls bredd modulerade (PWM) port digital Pins på mikrokontroller, betecknas med en ' ~' tecken.
- Anslut nätdelen med bakbord enligt diagrammet i figur 3. Ställa in strömförsörjningen till 10 V för bakbord och stepper motor föraren.
4. press kalibrering
Obs: Baserat på förstärkaren valt i detta papper, formeln för att beräkna vinsten är G = 5 + (200k/RG) med RG = R1 och G = förstärkare vinst. Förstärkare vinsten här är ungefär 606. Detta värde kan ändras genom att ändra motståndet används för R1. Dessutom som styrelsen microcontroller logik är 5 V och instrumenteringen drivs med 10 V, används en enkel spänningsavdelare krets, R2 och R3, för att skydda utsignalen att vara mer än 5 V.
- Hämta och installera den lämpliga integrerad utvecklingsmiljön (IDE) för mikrokontroller.
- Hämta controller koden med titeln 'Pressure_Sensing.ino' från tilläggsfilerna. Använd den här koden är att förvärva trycket signalen från dubbla tryckgivare.
Obs: Den microcontroller och controller kod som används i denna uppsats inkludera analog ingång stift med en 10-bitars upplösning som läsa de analoga signalerna från tryckgivaren varje 200 ms att ansätta stegmotorerna. Antalet i fästet analogRead() motsvarar den analoga ingångsstift ansluten till utsignalen från spänningsavdelare kretsen i tryck sensor kretsen i figur 3. Dröjsmål variabeln representerar intervallet som signalen är reevaluated och utdata följaktligen i ms. - Tillämpa kända tryck på öppningen av sensorn med utloppet utjämnade och mäta resulterande utsignalen.
Obs: En enkel metod att kalibrera trycksensorn använder en reservoar med vatten i varierande höjder. Resulterande gravitationella trycket upptäckt tillåter en att kalibrera trycksensorn. - Rita diagrammet med kalibrering trycket (Pa) på x-axeln och tryck signalen (V) på y-axeln för att få ett numeriskt värde av y-skärningspunkten.
- Applicera detta numeriska värde i controller koden, till exempel variablerna sensor1Offset och sensor2Offset i 'Dual_Pump_PID_Control.ino' koden Tilläggsfiler, kalibrera tryck värdet i systemet för kontroll av feedback.
5. fånga bilder från mikroflödessystem enheten
- Ansluta en mikrokontroller till en öppen källkod single-board dator via ett seriellt gränssnitt så att bilden fångas av mikrodator utlösare tryckmätningarna ska fattas av mikrokontroller.
- Anslut en kameramodul gjort för single-board dator till en av ögat-bitar av ett stereomikroskop. Här används en 20 X förstoring till bild mikroflödessystem enheterna.
6. Kontrollera sprutan tryckpumpar
- Öppna IDE för öppen källkod mikrokontroller. Ladda ner Timer.h13 och AccelStepper.h14 bibliotek till mikrokontrollers IDE biblioteket katalog.
- Hämta controller koden med titeln 'Dual_Pump_PID_Control.ino' från Tilläggsfilerna. Denna kod används för att styra feedback-kontrollerade spruta pumpsystemet med två pumpar.
- Programmera styrenhet koden så att den passar de experiment som genomförs. Ändra parametrarna eller parametrarna timing att passa önskat svar och varaktigheten av experimentet. Kompilera och ladda upp koden till mikrokontroller innan du kör experimentet.
Obs: I controller-kod, setPoint1/2 värden används för att ändra trycknivån och stepper1/2Out värden används för att justera pumpens varvtal. De sista två värdena i kolumnen AccelStepper stepper1/2 motsvarar portnumret på mikrokontroller. Variabeln milliTiming dikterar frekvensen av läsning den analoga signalen från tryckgivarna och variabeln printTiming dikterar frekvensen för utmatning av hastighet och tryck värden till en serial monitor för inspektion. Alla enheter är i ms. maxError variabeln bestäms från logik nivå styrelsens mikrokontroller. Värdet 5 används här som mikrokontroller i detta protokoll är 5 V. - Slå på strömförsörjningen för spruta pumpar systemet. Ställ in spänningen till 10 V för stepper motor strömförsörjningen.
7. trimma parametrarna PID-regulator
Obs: Idealisk controller parametervärden kan variera beroende på programmet och mikroflödessystem enhet geometri. Exempelvis, för långsiktiga studier (timmar), vara en lägre proportion konstant (Kp) att föredra att minimera överskridande på bekostnad av svarstiden. Dessa kompromisser är beroende av experimentella förutsättningar och målsättningar.
- Tune handkontrollen, med en manuell metod, genom att första justera proportionell konstanten (Kp) att förbättra svarstiden för en step-funktionen.
Obs: Även om algoritmiska metoder kan användas, manuell sökning fungerar för mikroflödessystem program visas i detta dokument. - Nästa, ändra integral (Ki) och differential (Kd) parametrar att minimera överskridandet och säkerställa ett inställt stabilitet.
- Ange PID värden för variabler som Kp, Ki och Kd i kodexen controller Tilläggsfilerna.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Här presenterar vi ett protokoll för byggandet av en feedback-kontrollerade spruta pump system och demonstrera dess potentiella användningsområden för mikroflödessystem applikationer. Figur 1 visar det anslutna systemet av sprutpumpen, tryckgivare, ultrakalla enheten, microcontroller, pressure sensorkrets och stepper motor driver. Detaljerade bildtexter för spruta pump sammansättning redovisas i figur 2 och den elektroniska kretsen Schematisk för tryck avkänning presenteras i figur 3. Processen för tuning kontrollerande parametrarna visas i figur 4. Slutligen är representativa resultat för att kontrollera inloppstrycket i en två-inlopp Y-formad mikroflödessystem enhet visas i figur 5.
Figur 1: inställning av feedback-kontrollerade spruta pumpsystemet. Denna bild visar inställningen av sprutan pumpsystemet. Sprutan innehåller lösningen för injektion och manövreras av 3D-tryckt sprutpumpen. Som A. dimensionerade Tryckgivaren är ansluten med B. de sprutpumpen och C. mikroflödessystem enheten, trycket från enheten upptäcks och omvandlas till en elektrisk signal till D. Tryck sensorkrets med instrumentering förstärkare en gång vätska levereras genom slangen. Signalen från tryckgivaren läses av E. öppen källkod mikrokontroller ombord som sedan överför de nödvändiga signalen till F. stepper motor föraren att styra aktivering av sprutpumpen. G. en strömförsörjning och H. en bärbar dator behövs för att driva och programmera systemet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: montering foto för 3D-tryckt sprutpumpen. Denna figur visar de stegvisa instruktionerna för 3D-tryckt spruta pump församlingen, med bilder som motsvarar förfarandet i steg 1.2 i protokollet. A. denna bild visar material för spruta pump församlingen. B. denna bild visar hur stegmotor är ansluten till den gängade stången (steg 1.2.1). C. denna bild visar hur delen från steg 1.2.1 i protokollet är ansluten till delen från steg 1.2.2 i protokollet (steg 1.2.3). D. Denna bild visar montering av resenären push lappa (steg 1.2.5). E. denna bild visar hur sista hållplats är ansluten (steg 1.2.10). F. denna bild visar hur sprutkolven honkontakt lappa är ansluten till de monterade komponenterna (steg 1.2.11). G. denna bild visar montering av den spruta kolv hane pusselbiten (steg 1.2.13). H. denna bild visar hur sprutan klämman är ansluten (steg 1.2.14). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Illustration för mikrokontroller och tryck sensor circuit. Kretsen kan styrelsen microcontroller att mäta förstärks trycket signaler från trycksensorn. A. detta är den församling foton för kretsen. B. denna figur visar de kretskort layouterna. De frilagda ledningarna från Tryckgivaren är färgkodade och ska anslutas enligt följande: röd bör ansluta till V +, svart bör ansluta till V-, gröna bör ansluta till Signal + och vit bör ansluta till Signal-. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: trimning av kontrollparametrar. Den PID-regulator som används för att reglera spruta pump vätsketrycket kan justeras genom att ändra den proportionella (Kp), integral (Ki) och differential (Kd) parametrar. Här visar vi hur tuning (med Kp) hjälper till att minska svarstiden. Ytterligare tuning (med Ki och Kd) kan bidra till att säkerställa en setpoint stabilitet och minska överskridandet. I detta protokoll trimmas primärt styrenheter med en manuell trial-and-error metod. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: kontroll av inloppstryck för en laminär mikroflödessystem enhet. En Y-formad mikroflödessystem enhet är tillverkat enligt det förfarande som beskrivs i steg 2 i detta protokoll. Enheten har två inloppsportar och en outlet-port. Två spruta pumpsystem monteras för att styra inlopps trycket. En av sprutorna är laddad med ett blått färgämne och den andra är laddad med vatten. A. dessa bilder av strömningen som härrör från samma tryck som tillhandahålls av både pumpar fångas med hjälp av den metod som beskrivs i steg 6 i detta protokoll. B. denna figur visar hur inlopps trycket övervakas och styras via den PID-regulator inställd i figur 4. Nära anslutning till börvärdet kan observeras. Kortare (s) och längre (h) experiment har visat liknande resultat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Här presenterade vi en ny design för en spruta pumpsystem med slutna tryckreglering. Detta uppnåddes genom att integrera en 3D-tryckt sprutpumpen med dimensionerade tryckgivare och en öppen källkod-mikrokontroller. Genom att anställa en PID-regulator, kunde vi exakt styra inloppstrycket och tillhandahålla snabba svarstider samtidigt bibehållen stabilitet om ett börvärde.
Många experiment använder mikroflödessystem enheter kräver en exakt fluidic kontroll och utnyttja en välkarakteriserad laminär profil. Exempel där ett stabilt flöde profil är viktigt experiment som utforska tidsmässig och rumslig koncentration övertoningar15 och generera exakt fluidic inneslutningar för ytterligare analys16. Genom att använda en PID-regulator för att upprätthålla höga prestanda svaret, ger det system som beskrivs i detta protokoll den flödesreglering och långsiktig stabilitet nödvändigt att studera sådana laminär experiment.
Det är dock viktigt att inse att mikroflödessystem enheter och experiment med dem har subtila variationer och skillnader. Exempelvis kan olika mikroflödessystem geometrier (kanalbredd och höjd) kräva olika flöde profiler. Som ett resultat, måste parametrarna för de PID-regulatorer stämmas med detta. Dessutom kan några experiment kräver en stram reglering av tryckområden. I dessa fall godtas trycket överskridandet inte. Som sådan, måste de PID parametrarna stämmas så att överskridandet minimeras, vanligtvis på bekostnad av svarstiden.
På grund av låg kostnad produktion av denna spruta pumpsystem, bör forskare kunna utveckla snabbt mikroflödessystem experiment. Den beräknade kostnaden för en 3D-tryckt sprutpumpen, mikrokontroller och pressure sensorkrets är cirka US$ 130. I motsats till kommersiellt tillgängliga alternativ, såsom peristaltiska och återcirkulation pumpar, detta spruta pumpsystem ger en flexibel och enkel plattform som kan anpassas till en mängd laboratorieverksamhet. Även om inte diskuteras här, kan enklare kontrollstrategier, såsom bang-bang handkontrollen, användas för mikroflödessystem långtidsstudier. Dessutom kan de spruta pumpsystem användas att tillämpa ett vakuumtryck till en kontroll av volym.
En potentiell begränsning av denna spruta värmepumpsystem använder en PID-regulator är beroendet av en konstant strömförsörjning. Eftersom metoden PID control kräver den konstant kroppsmedvetenheten av stepper motor, finns det ett relativt stort effektbehov. Däremot energi bang-bang handkontrollen endast stepper motor vid behov använder betydligt mindre ström. Detta effektbehov kan mildras genom att utveckla en hybrid kontrollstruktur som implementerar en PID-regulator för att initialt nå ett inställt intervall, och då de ger energi stepper motor spolarna när trycket värdet är inom ett visst inställt intervall. En enkel bang-bang-controller kan alternativt användas också.
Dessutom denna spruta pumpsystem möjliggör ett flexibelt prestanda och kontroll genom att förändra storleken på både stegmotor och sprutan själv. I tidigare experiment, har vi använt sprutor med 1 mL, 5 mL, 10 mL och 30 mL. Naturligtvis varje sprutpumpen kan kräva lite olika PID controller parametrar och skulle därför kräva individualiserad parametern tuning. Denna flexibilitet tillåter dock spruta pumpsystemet beskrivs i detta protokoll som ska användas i en rad applikationer.
Det bör noteras att ett gemensamt område för microdevice misslyckande är en oförmåga att effektivt bond PDMS att skyddsglaset. För mikroflödessystem enhet tillverkning, bör makt av plasman renare optimeras om bindningen är ineffektiva. Också, några smörjmedel eller orenheter på täckglaset yta bör avlägsnas före limning att säkerställa en stark bindning med PDMS. Ordentligt tvätt och att ta bort damm från komponenten PDMS bör bidra till att säkerställa en god tätning bildas mellan PDMS och glas.
Låg kostnad, feedback-kontrollerad spruta pumpsystemet presenteras här gör det möjligt för forskare att manipulera vätska profilen med en hög grad av stabilitet på ett flexibelt sätt. Genom att integrera modulen tryck avkänning med enkla metoder för kontroll av PID, är systemet kunna erbjuda högpresterande tryck-driven flödeskontroll. Detta verktyg kan användas i stort sett över många forskningsområden där mikrofluidik verktyg är i användning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna erkänner support från Office of Naval Research awards N00014-17-12306 och N00014-15-1-2502, samt av Air Force Office för vetenskaplig forskning award FA9550-13-1-0108 och den nationella Science Foundation Grant nr 1709238.
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
- Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
- Duncombe, T. A., Tentori, A. M., Herr, A. E. Microfluidics: reframing biological enquiry. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 16 (9), 554-567 (2015).
- Prakadan, S. M., Shalek, A. K., Weitz, D. A. Scaling by shrinking: empowering single-cell 'omics' with microfluidic devices. Nature Reviews Genetics. 18 (6), (2017).
- Kim, Y., Langer, R. Microfluidics in nanomedicine. Reviews in Cell Biology and Molecular Medicine. 1, 127-152 (2015).
- Rusconi, R., Garren, M., Stocker, R. Microfluidics expanding the frontiers of microbial ecology. Annual Review of Biophysics. 43, 65-91 (2014).
- Skafte-Pedersen, P., Sabourin, D., Dufva, M., Snakenborg, D. Multi-channel peristaltic pump for microfluidic applications featuring monolithic PDMS inlay. Lab on a Chip. 9 (20), 3003-3006 (2009).
- Heo, Y. J., Kang, J., Kim, M. J., Chung, W. K. Tuning-free controller to accurately regulate flow rates in a microfluidic network. Scientific Reports. 6, 23273 (2016).
- Kuczenski, B., LeDuc, P. R., Messner, W. C. Pressure-driven spatiotemporal control of the laminar flow interface in a microfluidic network. Lab on a Chip. 7 (5), 647-649 (2007).
- Lake, J. R., Heyde, K. C., Ruder, W. C. Low-cost feedback-controlled syringe pressure pumps for microfluidics applications. PLoS One. 12 (4), (2017).
- Kong, D. S., et al. Open-source, community-driven microfluidics with metafluidics. Nature Biotechnology. 35 (6), 523-529 (2017).
- Wijnen, B., Hunt, E. J., Anzalone, G. C., Pearce, J. M. Open-source syringe pump library. PLoS One. 9 (9), e107216 (2014).
- Ferry, M. S., Razinkov, I. A., Hasty, J. Microfluidics for synthetic biology: from design to execution. Methods in Enzymology. , 295-372 (2011).
- Christensen, J. Arduino Libraries for Timer.h. , Available from: https://github.com/JChristensen/Timer (2018).
- Adafruit Industries. Arduino Libraries for AccelStepper.h. , Available from: https://github.com/adafruit/AccelStepper (2018).
- Lin, F., et al. Generation of dynamic temporal and spatial concentration gradients using microfluidic devices. Lab on a Chip. 4 (3), 164-167 (2004).
- Korczyk, P. M., Cybulski, O., Makulska, S., Garstecki, P. Effects of unsteadiness of the rates of flow on the dynamics of formation of droplets in microfluidic systems. Lab on a Chip. 11 (1), 173-175 (2011).
