Summary
Burada mikrosıvısal uygulamalarında kullanılmak üzere bir basınç kontrollü şırınga pompa oluşturmak için bir iletişim kuralı mevcut. Bu şırınga pompa bir additively imal edilmiş vücut, kapalı donanım ve açık kaynak elektronik yapılır. Elde edilen sistemdir düşük maliyetli, oluşturmak, basit ve hızlı mikrosıvısal araştırma etkinleştirmek için iyi düzenlenmiş sıvı akışı sunar.
Abstract
Havacilik biyolojik, kimyasal ve fiziksel bilimler arasında araştırma kritik bir araç haline gelmiştir. Bir önemli mikrosıvısal deneme sistemi doğru bir giriş akış hızı veya giriş basıncı verebilmektedir istikrarlı bir akışkan bileşenidir. Burada, biz kontrol özelliğine sahip bir şırınga pompa sistemi geliştirdik ve giriş sıvı basıncı düzenleyen bir mikrosıvısal aygıtına teslim. Bu sistem düşük maliyetli malzemeler ve termoplastik malzeme ve kapalı mümkün olan her durumda, üç boyutlu (3D) baskı yararlanarak katkı üretim ilkeleri kullanılarak tasarlanmıştır. Bu sistem üç ana bileşenden oluşur: bir şırınga pompa, basınç detektörler ve programlanabilir mikroişlemci. Bu kağıt, imalatı, montajı ve bu şırınga pompa sistemi programlama için iletişim kuralları kümesi detay. Ayrıca, yüksek sadakat, bu sistemi kullanarak giriş basıncı kontrolünü geri bildirim göstermek temsilcisi sonuçları dahil ettik. Bu iletişim kuralı araştırmacılar düşük maliyetli şırınga pompa sistemleri, imal etmek sağlayacak Havacilik kullanımı için giriş bariyeri düşürücü bekliyoruz içinde biyomedikal, kimya ve malzeme araştırma.
Introduction
Mikrosıvısal araçları biyolojik ve kimyasal araştırmada bilim adamları için yararlı hale gelmiştir. Düşük hacimli kullanımı, hızlı ölçüm yetenekleri ve iyi tanımlanmış akışı profilleri nedeniyle, havacilik arazi içinde genomik kazanmıştır ve proteomik araştırma, yüksek üretilen iş tarama, tıbbi teşhis, nanoteknoloji ve tek hücreli analiz1,2,3,4. Ayrıca, mikrosıvısal aygıt tasarım esnekliğini kolayca kültürlü bakteri kolonileri5kronolojik zamanmekansal dinamiklerini araştıran gibi temel bilim araştırma sağlar.
Adl tip-in sıvı enjeksiyon sistemleri doğru akış mikrosıvısal cihazlara sunmak için geliştirilmiştir. Böyle enjeksiyon sistemleri örnekler peristaltik ve devridaim pompalar6, basınç kontrol sistemleri7ve Enjektör pompalar8. Şırınga pompalar, dahil olmak üzere bu enjeksiyon sistemleri genellikle pahalı hassas mühendislik bileşenlerden oluşur. Çıkış akışı basıncı kapalı döngü geri besleme kontrolü ile bu sistemler artırmada bu sistemler maliyet ekler. Buna karşılık, daha önce Çıktılanan akış basıncı düzenlemek için kapalı çevrim geribildirim denetimini kullanan bir sağlam, düşük maliyetli şırınga pompa sistemi geliştirdi. Kapalı çevrim basınç denetimi kullanarak, pahalı bileşenleri hassas mühendislik ihtiyacını kaldırıldı9' dur.
Uygun fiyatlı 3D baskı donanım ve ilişkili açık kaynak yazılım önemli bir artış ile birlikte tasarım ve imalat mikrosıvısal cihazların giderek disiplinler10çeşitli araştırmacılar için erişilebilir yaptı. Ancak, bu cihazlar aracılığıyla sürücü sıvı için kullanılan sistemler pahalı kalır. Bir düşük maliyetli sıvı kontrol sistemi için bu gereksinimi karşılamak için derleme adımları yalnızca az sayıda gerektiren laboratuvarında araştırmacılar tarafından sahte olduğu bir tasarım geliştirdi. Rağmen düşük maliyetli ve kolay montaj, bu sistem hassas akış denetimi sağlayabilir ve çok pahalı olabilir piyasada bulunan, kapalı çevrim şırınga pompa sistemleri bir alternatif sağlar.
Burada, inşaat ve kapalı kontrol döngü kullanımı için protokolleri sağlamak şırınga pompa sistemi biz (Şekil 1). Akışkan sistemi önceki bir çalışma11, mikroişlemci ve piezoresistive basınç sensörü esinlenerek bir fiziksel şırınga pompa oluşur. Monte ve bir orantılı-integral-türev (PID) denetleyicisi ile programlanmış, sistem iyi düzenlenmiş, basınç odaklı akışı mikrosıvısal cihazlara sunma yeteneğine sahip olur. Bu yüksek maliyetli ticari ürünler, daha geniş bir grup araştırmacı Havacilik işlerinde kullanmak üzere etkinleştirme için ucuz ve esnek bir alternatif sağlar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 3D baskı ve şırınga pompa montajı
-
Hazırlamak ve 3D baskı şırınga pompa bileşenleri
- İndir. STL tasarım dosyaları Ek dosyalar bu kağıt.
Not: Altı vardır. STL dosyaları, başlıklı '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', ve ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.stl', ek dosyaları. Bu dosyalar şırınga pompa 3D baskılı bileşenleri için karşılık gelir. - Yazdırma için bu dosyaları dönüştürme adanmış bir yazılım paketi açarak hazırlayın. Kullanılan 3D yazıcı için STL modeli dosyaları çalıştırılabilir komut kümeleri için. Bazı yazıcılar özel mülk yazılım gerektirir gibi diğerleri doğrudan doğruya--dan yazdırmanız mümkün olabilir, ancak uygun yazılım kullanıldığından emin olun. STL dosya.
- Plastik bileşenleri Akrilonitril bütadien stiren (ABS) ile yüksek kaliteli 3D-yazıcı ayarını kullanarak yazdırın. Diğer yaygın 3D baskı malzemeleri, polylactic asit (PLA) veya diğer termoplastik elastomerler gibi kullanılıyorsa, bitmiş mekanik özellikleri (Örneğin, elastikiyet, verim gücü) ABS için benzer olduğundan emin olun.
- 3D yazıcı yazdırılan parçalarını yazdırma platformu üzerinden bağlantısını kesin. Yazdırılan destek yapısı parçalar kaldırın.
Not: Destek yapısı dönüştürmek için kullanılan yazıcıya özel yazılım tarafından tasarlanmıştır. STL modeli dosyaları çalıştırılabilir öğretim için 3D-yazıcıyı ayarlayın. Tutar ve yardımcı malzemeleri yapısını kullanılan yazılım göre değişebilir. - Yazdırılan bileşenleri tarafından zımparalama zımpara kullanarak herhangi bir sert kenarları düz. En iyi sonucu elde etmek için yaklaşık 220 grit büyüklüğü ile zımpara kağıdı kullanın. Montaj önce tüm bileşenlerin düzgün olduğundan emin olun.
- Tüm yedi bölüme yazdırıldıktan emin olun.
Not: Aşağıdaki bölümleri adı var: (I) Motor bağlantısı, (II) gezgin itmek, (III) bitiş durdurmak, (IV) şırınga Platform, (V) şırınga kelepçe, (VI) şırınga dalgıç erkek bağlantısı ve (VII) şırınga dalgıç kadın bağlayıcı. Romen rakamı her bileşen için Şekil 2Aadlandırılır. Derleme için mekanik parçaların ayrıntılı bir liste Tablo malzemelerbulunur.
- İndir. STL tasarım dosyaları Ek dosyalar bu kağıt.
-
Şırınga pompa monte (Şekil 2)
- Step motor motor mili z ekseni esnek bağlantı set vida ile kullanarak bir dişli çubuk için bağlayın. Devam etmeden önce Step motor mili sürücüler dişli çubuk kayma olmadan döner emin olun.
- Şırınga platform üstünde tepe-in belgili tanımlık motor bağlamak çiftleşme deliklere sıkıca şırınga platformunun bağlantı mandal basarak motor konektörüne bağlayın.
- Adım 1.2.2 bölümünde monte bölümüyle adım 1.2.1'motor bağlayıcı üzerinden dört 16 mm vidayı sabitleme tarafından iliştirin.
- İki doğrusal Bilya yatakları ve 0.8 mm altıgen somun gezgin itme dibinde bulunan açıklıklar takın.
- Motor bağlantı ucu yoluyla 0.8 mm altıgen somun gezgin Push üzerinde dişli çubuk hizalayın.
- İki doğrusal milleri gezgin itme ve motor Bağlayıcısı aracılığıyla ekleyin.
- İki onaltılık fındık motor konektörü parça altıgen boşluklara yerleştirin ve sonra hareket eden doğrusal milleri güvenliğini sağlama bağlantıları, sıkmak için iki 16 mm vidayı kullanın.
- Rulman son durağı orta ataşını.
- 1.2.7. adımdaki montajı bileşenleri ile son durağı bağlayın.
- Sonunda altıgen alanlarda yer iki onaltılık hayalarına parça durdurun ve iki 16 mm vida bağlantıları derlemesine yapılan son durağı eklemesi sıkılaştırmak için kullanın.
- Şırınga dalgıç kadın konektörü parça iki çelik kilit fındık ve iki 16 mm vidayı kullanarak gezgin itme parçasına takın.
- 10 mL şırınga pompa üstüne yerleştirin. Pistonu Başkanı şırınga dalgıç kadın konektörü parça çentik hizalanır ve şırınga varil üst motor konektör yuvasına sabit olun.
- Şırınga dalgıç erkek konnektör parça şırınga dalgıç kadın konektöre takın. Sıkı bir uygun yerde pistonu güvenliğini sağlama ve erkek bileşenleri arasında olduğundan emin olun.
- Şırınga kelepçe şırınga platform kullanma iki onaltılık fındık ve şırınga varil şırınga kelepçesi yuvasına sabit sağlanması iki 35 mm vidayı takın.
2. mikrosıvısal aygıt hazırlama
-
Fotolitografi kullanarak ana kalıpları imal
Not: tasarım ve imalat mikrosıvısal cihaz imalat için Ana kalıp ayrıntılı bir yordam önceki edebiyat12içinde bulunabilir.- Tercih edilen bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımıyla, bir photomask için gerekli çizimler oluşturmak ve bir cam veya kuvars levhası yazdırın.
Not: Diğer malzemeler kullanılan maskesi aligner ihtiyaçlarına göre kabul edilebilir olabilir. Bu photomasks baskı genellikle bir üçüncü taraf satıcı tarafından tamamlanır. - Fotolitografi yöntemleri photomask bir ana kalıp oluşturmak için kullanın. Bu yordamı bir temiz oda ortamında gerçekleştirmek.
- Fabrikasyon Ana kalıp vakum desiccator içinde bir fluorosilane Buhar için maruz.
Not: Bu işlem, polydimethylsiloxane (PDMS) sürümü mikrosıvısal cihazları imalatı zaman ana kalıp kolaylaştırır. Ana kalıp tedavi için bir ölçek için fluorosilane üç damla ekleyin ve bir vakum odasında kabı yerleştirin. - 1 dk. yakın bir vakum vakum odası geçerli ancak ana kalıp fluorosilane ifade için izin vermek 30 dk için odasında devam et. Bir güvenlik önlemi olarak, bir duman hood tehlikeli fluorosilane buharı için maruz kalma sınırı için bu yordamı gerçekleştirin.
- Tercih edilen bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımıyla, bir photomask için gerekli çizimler oluşturmak ve bir cam veya kuvars levhası yazdırın.
-
PDMS cihazları imal
- Tartmak tekneyle PDMS ön polimer tartın. Her ne kadar istediğiniz kalınlıkta son PDMS cihazın değişiklik gösterebilir, ön Polimer 30 g için de bir ana kalıp 100 mm çapında çalışır.
- Ölçmek ve bir 1:10 bir kür Aracısı Ekleme oranı ön polimer için. 100 mm çapında Ana kalıp için kür bir ajan 3 g ekleyin.
- Ön polimer ve kür Ajan kuvvetle tek kullanımlık bir spatula kullanarak el ile karıştırın. Sonra 30 s, küçük, orada onay düzenli olarak çözüm içinde hava kabarcıkları ayrılmış, ön polimer gösteren ve aracıları kür iyi karma.
- Ana kalıp bir kültür tabağına yerleştirin ve dikkatli bir şekilde Ana kalıp üstüne PDMS karışımı dökün.
Not: İstediğiniz kalınlıkta PDMS cihazın onun uygulamaya bağlı olarak değişebilir. - 1 saatlik hava kabarcığı yok observable karışımı içinde olduğunu sağlamak için bir vakum desiccator karışımı degas. Eğer varsa kabarcıkları var, hızlı bir şekilde vakum basıncı serbest bırakmak ve bir vakum yeniden uygulayın. Bu işlemden sonra en az 10 dakikadır oturacak karışım izin verin.
- 90 ° C'de ayarla fırın PDMS karışımı taşımak 30 dk için tedavi karışım izin verin.
- PDMS ana kalıptan çıkarın. PDMS jilet kullanarak istediğiniz boyutları kesti. Kirletici için PDMS maruz kalma sınırı eldiven.
- Giriş ve çıkış bağlantı noktaları için bir 23 G losyonlu iğneyle delikler. Bu işlemi kolaylaştırmak için bir metal dosya veya künt biter netleştirmek için zımpara ile iğne dosya. PDMS vurgulanmaya silindir iğneden sonra her ponksiyon kaldırıldığından emin olmak.
Not: Farklı boyutlarda iğne delik delme için kullanılabilir. Boyutu biraz bu Protokolü 3 adımda kullanılan iğneler daha büyük olduğundan emin olun. - PDMS süzülmüş deiyonize su ile yıkama ve 0.2 µm filtre ile donatılmış bir hava veya azot kaynağı kullanılarak PDMS kuruması.
Not: Tam basıncı kritik değildir ve basınçlı gaz kaynağı bir binanın merkezi sistem üzerinden de bu adım için çalışır. - No 1 borosilikat cam yüzey toz deterjan gibi bir yüzey aktif ile temiz ve 0.2 µm filtre ile donatılmış bir basınçlı hava kaynağı kullanarak kuruması. Cam kez hidrofobik bir yağ ile kaplı ve düzgün temizlenir sürece için PDMS bağlamak gibi iyice temizleyin.
- Basınca duyarlı bant kullanarak, arta kalan herhangi bir toz kaldırmak için PDMS hafifçe dokun. Kalıp özellikleri değil virüs olduğundan emin olmak için kuvvet büyük miktarda kaydı ile bastırmayın.
- PDMS aygıt yerleştirin ve temizlenmiş bir kapak cam içine bir oksijen plazma temizleyici 1 dk. emin olun plazma temizleyici odası renginden parlak pembe sırasında işlemidir. PDMS aygıt kalıp özellikleri maruz kalan, yüz-up, plazma temizleyici sahip olduğundan emin olun.
- Ve cam, aşağı PDMS cihazın, yer PDMS ve plazma temizleyici kapak camı alın.
Not: Bu kapak cam ve bağ için hemen hemen hemen PDMS neden olur. Bağlama görünür değilse, kapak cam kalıp özellikler yoksun PDMS bir bölümünde PDMS için hafifçe bastırın. Bu bağ PDMS ile cam arasında oluşan neden olmamalıdır. - PDMS ve kapak cam iyi bağlanmış olduğundan emin olmak için en az 12 h için 90 ° c fırında PDMS cihazı yerleştirdim.
3. geri bildirim kontrollü şırınga pompa sistemi montaj
- Tel izolasyon ve koruyucu bir jilet kullanarak bir basınç sensörü'nın elektrik kablosunu süresinin uygun bir miktar kaldırın. Telleri istenilen uzunlukta tehlikeye değil emin olmak için kesme zaman nazik ol. İzolasyon ve koruyucu bir kez kaldırıldı, teller erkek dikdörtgen konektörlerine bağlayın.
- Önceki adıma benzer bir yaklaşım kullanarak, 1-2 cm tel yalıtım bir step motor's ipucu kaldırın ve teller erkek dikdörtgen konektörlerine bağlayın.
- Şırınga üzerine basınç sensörü giriş tarafında yapıştırmayın. 22 G losyonlu iğne üzerine basınç sensörü çıkış tarafına bağlayın.
- 0,51 cm çapında boru bir ucunu basınç sensörü bağlı 22 G losyonlu iğne yana kay.
- 0,51 cm çapında boru diğer ucunu mikrosıvısal aygıta bağlı 22 G losyonlu iğne yana kay. İğne mikrosıvısal aygıt giriş bağlantı noktasına bağlayın.
- 22 G iğne ve 0,51 cm çapında boru, giriş bağlantı noktasının bağlantı için benzer kullanarak atık su deposu bir mikrosıvısal cihazın çıkış bağlantı noktasına bağlayın.
- Elektronik Devre Prototipleme breadboard göre Şekil 3diyagramı üzerinde topla.
Not: Bu breadboard bir mikroişlemci tarafından izlenecek için basınç sensörü sinyal durumu için hizmet vermektedir. Diğer uyumlu mikrodenetleyiciler basınç sensörü sinyal izlemek için kullanılabilir. - Step motor Step motor sürücü ile gelen kabloları bağlayın. Basınç sensörü ve breadboard şematik olarak Şekil 3göre ile Step motor sürücü kabloları bağlayın. Basınç sensörü üzerinden maruz tel renk kodlu ve aşağıdaki gibi bağlanmalıdır: kırmızı bağlanmak V + siyah bağlanmak V - yeşil bağlanmak sinyal + ve beyaz bağlanmak sinyal-.
- Çıkış sinyali breadboard Mikrodenetleyici üzerinde analog giriş pini ile bağlanmak.
- Mantık giriş pimleri Step motor sürücü mikrodenetleyici dijital pimlerinden ile bağlanmak. Step motor sürücü üzerinde adım giriş mikroişlemci tarafından gösterilir, dijital iğneleri bir darbe genişliği modülasyonlu (PWM) bağlantı noktası ile bağlı bir ' ~' işareti.
- Şekil 3diyagramında göre breadboard ile güç kaynağını bağlayın. Güç kaynağı 10 V breadboard ve step motor sürücü için ayarlayın.
4. basınç sensör kalibrasyonu
Not: Bu yazıda seçilen amplifikatör göre kazancı hesaplamak için formül bulunur G = 5 + (200k/RG) R1 ve G = RG ile amplifikatör kazancı =. Burada amplifikatör kazancı yaklaşık 606 var. Bu değer R1 için kullanılan direnç değiştirerek değiştirilebilir. Buna ek olarak, mikrodenetleyici kurulu mantığı düzeyi 5 V ve araçları 10 V ile desteklenmektedir gibi bir basit gerilim bölücü devre, R2 ve R3, fazla 5 V olmak çıkış sinyali korumak için kullanılır.
- Karşıdan yükleyip mikrodenetleyici için uygun entegre geliştirme ortamı (IDE).
- Download ek dosyaları üzerinden ' Pressure_Sensing.ino' başlıklı denetleyicisi kodu. Kullanma bu çift basınç sensörleri Basınç sinyalini almak için kodudur.
Not: Bu yazıda kullanılan mikroişlemci ve denetleyicisi kodu dahil analog sinyalleri basınç sensöründen her 200 ms Step motorlar harekete için okunan 10 bit çözünürlükte analog giriş pimleri. AnalogRead() dirsek sayısına bağlı çıkış sinyali için basınç sensörü devresi Şekil 3' te gerilim bölücü devrede--dan analog girdi sabitlemesi için karşılık gelir. Aralıklarla gecikme değişkeni temsil hangi sinyali reevaluated ve çıkış buna göre ms içinde. - Bilinen basınç sensörü koya şapkalı çıkış ile uygulamak ve elde edilen çıkış sinyali ölçün.
Not: değişen heights adlı düzenlenen su ile bir rezervuar basınç sensörü ayarlamak için basit bir yöntem kullanır. Tespit elde edilen çekimsel basınç bir basınç sensörü ayarlamak izin verir. - Diyagram kalibrasyon basınç (Pa) uygulanan x ekseni ve y kesişim noktası sayısal değerini almak için basınç sinyali (V) y ekseni üzerinde çiz.
- Bu sayısal değeri denetleyicisi kodda, geribildirim kontrol sistemindeki basınç değeri ayarlamak için Ek dosyaları, 'Dual_Pump_PID_Control.ino' kodda sensor1Offset ve sensor2Offset değişkenleri gibi uygulanır.
5. mikrosıvısal aygıttan görüntü yakalama
- Böylece görüntü mikroişlemci tarafından alınması gereken mikrobilgisayar Tetikleyicileri basınç ölçümleri tarafından yakalanan bir mikroişlemci bir seri arayüzü üzerinden bir açık kaynak Tek platalı bilgisayarınıza bağlayın.
- Tek tahta bilgisayar için bir bir stereomicroscope göz parçaları için yapılmış bir fotoğraf makinesi ölçü birimi bağlayın. Burada, bir 20 X büyütme mikrosıvısal aygıtları görüntü için kullanılır.
6. şırınga basınç pompaları kontrol etme
- Açık kaynak mikroişlemci için IDE açın. Timer.h13 ve AccelStepper.h14 kitaplıkları mikrodenetleyici'nın IDE Kütüphane dizinine indirin.
- Download Ek dosyaları' Dual_Pump_PID_Control.ino' başlıklı denetleyicisi kodu. Bu kod geribildirim kontrollü şırınga pompa sistemi ile iki pompa kontrol etmek için kullanılır.
- Böylece varlık davranış deneyi uygun denetleyicisi kod programı. Denetim parametrelerini veya istediğiniz yanıtı ve deneme süresi uygun zamanlama parametreleri değiştirin. Derlemek ve kod için mikroişlemci deney çalıştırmadan önce yükleyin.
Not: denetleyicisi kodda, setPoint1/2 değerleri basınç düzeyini değiştirmek için kullanılır ve stepper1/2Out değerler pompa hızını ayarlamak için kullanılır. AccelStepper stepper1/2 sütundaki son iki mikrodenetleyici üzerindeki bağlantı noktası numarasına karşılık gelir. MilliTiming değişken basınç sensörleri analog sinyal okuma sıklığını belirler ve printTiming değişken hız ve basınç değerlerini kontrol için seri bir monitör için çıkış frekans belirler. Bayan maxError değişken mikrodenetleyici kurulu mantık düzeyinden belirlenir tüm ünite verildi. 5 değeri kullanılır bu protokolündeki mikrodenetleyici 5 V olduğu gibi burada. - Enjektör pompa sistemi için güç kaynağı açın. Gerilim 10 V Step motor gücü sağlaması için ayarlayın.
7. PID denetleyicisi parametreleri ayarlama
Not: İdeal denetleyicisi parametre değerleri uygulama ve mikrosıvısal aygıt geometri bağlı olarak değişiklik gösterebilir. Örneğin, uzun vadeli çalışmalar (saat) için daha düşük bir orantılı sabit (Kp) tepki süresi pahasına kaçmak en aza indirmek için daha uygun olabilir. Bu bileşimleri deneysel koşullar ve hedefleri bağlıdır.
- Orantılı sabit bir basamak fonksiyonu yanıt süresini artırmak için (Kp) ayarlayarak el ile bir yaklaşım kullanarak denetleyicisi ayarlayın.
Not: algoritmik yaklaşımlar rağmen bu yazıda kullanılan, el işleri mikrosıvısal uygulamalar için ayarlama gösterilmesi. - Ardından, integral (Ki) ve kaçmak en aza indirmek ve ayar noktası istikrarı sağlamak için fark (Kd) parametreleri değiştirmek.
- Kp, Ki ve Kd değişkenler için PID değerleri Ek dosyalarıdenetleyicisi kodu ayarlayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Burada, bir geribildirim kontrollü şırınga yapı sistemi pompa ve mikrosıvısal uygulamalar için olası kullanımları göstermek için bir iletişim kuralı mevcut. Enjektör pompa, basınç sensörü, mikrosıvısal aygıt, mikroişlemci, basınç sensörü devresi ve step motor sürücü bağlı sistem Şekil 1 gösterir. Enjektör pompa montaj için detaylı belirtme çizgileri Şekil 2 ' de gösterilen ve elektronik devre basınç algılama için şematik Şekil 3' te sunulmuştur. Denetleme parametrelerini ayarlama işlemini Şekil 4' te gösterilmiştir. Son olarak, bir iki-giriş Y-şekilli mikrosıvısal cihazın giriş basıncı kontrol temsilcisi sonucu Şekil 5' te gösterilmiştir.
Şekil 1: geribildirim kontrollü şırınga pompa sistemi kurulumu. Bu görüntü şırınga pompa sistemi kurulumu gösterir. Şırınga enjeksiyon için çözüm içerir ve 3D baskılı enjektör pompası tarafından tahrik. A. piezoresistive basınç sensörü B. ile bağlı Enjektör pompa ve C. mikrosıvısal aygıt, aygıt baskısı algılandı ve ö için. elektrik sinyaline dönüştürülür basınç sensörü devresi araçları amplifikatör bir kez sıvı ile boru aracılığıyla teslim edilir. Basınç sensörü sinyalini E. okuyun açık kaynak mikrodenetleyici hangi kurulu sonra F. için gerekli sinyal iletir Enjektör pompa çalıştırma denetlemek için step motor sürücü. G. bir güç kaynağı ve H. bir dizüstü bilgisayar sistemi programınız ve işletmek için gereklidir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2: 3D baskılı şırınga pompa montaj fotoğraf. Bu şekilde 3D baskılı şırınga pompa montaj için adım adım yönergeler adım 1.2 Protokolü'nün yordamda karşılık gelen fotoğrafları ile gösterilir. A. bu materyaller enjektör pompa montaj için gösterilir. B. bu görüntü Step motor dişli çubuk (adım 1.2.1) nasıl bağlandığını gösterir. C. bu görüntü nasıl adım 1.2.1 Protokolü'nün bölümünden Protokolü (adım 1.2.3) 1.2.2 adımından bölümüne bağlı gösterir. Ö. Gezgin itme parça (adım 1.2.5) Meclisi bu görüntü gösterir. E. bu görüntü son durağı nasıl bağlandığını gösterir (adım 1.2.10). F. bu görüntü şırınga dalgıç kadın konektörü parça montajı bileşenleri (adım 1.2.11) nasıl bağlandığını gösterir. G. şırınga dalgıç erkek konnektör parça (adım 1.2.13) Meclisi bu görüntü gösterir. H. bu görüntü şırınga kelepçe nasıl bağlandığını gösterir (adım 1.2.14). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3: illüstrasyon mikroişlemci ve basınç sensörü devresi için. Devre mikrodenetleyici kurulu basınç sensörü güçlendirilmiş basınç sinyalleri ölçmek için sağlar. A. derleme fotoğrafı devre için bu. B. devre kartı düzenleri bu şekilde gösterilir. Basınç sensörü üzerinden maruz tel renk kodlu ve aşağıdaki gibi bağlanmalıdır: kırmızı bağlanmak V + siyah bağlanmak V - yeşil bağlanmak sinyal + ve beyaz bağlanmak sinyal-. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4: denetim parametrelerini ayarlama. Enjektör pompa sıvı basıncı düzenlenmesi için kullanılan PID denetleyicisini orantılı (Kp), integral (Ki) ve diferansiyel (Kd) parametreleri değiştirerek ayarlanmış. İşte, nasıl (Kp kullanarak) ayarlama yanıt süresini azaltmak için yardımcı olacaktır göstermektedir. Daha fazla (Ki ve Kd kullanarak) ayarlama setpoint istikrarı sağlamak ve kaçmak azaltmak için yardımcı olabilir. Bu protokol için denetleyicileri öncelikle el ile bir deneme-yanılma yaklaşım kullanarak şekilde ayarlanmış. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5: giriş basıncı laminar akış mikrosıvısal aygıtın kontrolünü. Y-şekilli mikrosıvısal aygıt bu protokolün 2 adımda verilen yordam aşağıdaki fabrikasyon olduğunu. Cihazın iki giriş bağlantı noktalarını ve bir çıkış bağlantı noktası bulunmaktadır. İki şırınga pompa sistemleri giriş basıncı kontrol etmek için monte edilir. Şırıngaları biri mavi boya ile yüklenir ve diğer su ile yüklenir. A. her iki pompa tarafından sağlanan aynı basınç kaynaklanan sıvı akış bu görüntülerin bu protokolü adım 6 ayrıntılı yaklaşımı kullanarak yakalanır. B. bu şekilde nasıl giriş basıncı izlenir ve Şekil 4' te ayarlı PID denetleyicisi kullanarak kontrol gösterilmektedir. Ayar noktası yakın bağlılık görülebilmektedir. Daha kısa (s) ve uzun (h) deneyleri benzer sonuçlar göstermiştir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Burada, kapalı çevrim basınç kontrolü ile bir şırınga pompa sistemi için yeni bir tasarım sundu. Bu bir 3D baskılı şırınga pompa piezoresistive basınç sensörü ve bir açık kaynak mikroişlemci ile entegre ederek başarılı oldu. PID denetleyicisi istihdam ederek, biz tam olarak giriş basıncı kontrol etmek ve aynı anda bir ayar noktası hakkında istikrar korurken hızlı yanıt süreleri sağlar başardık.
Mikrosıvısal aygıtlarını kullanarak birçok deney ve hassas bir akışkan kontrol gerektirir iyi karakterize laminar akış profil yararlanmak. Zamansal ve mekansal konsantrasyon degradeler15 keşfedin ve daha fazla analiz16. için kesin sıvı encapsulations oluşturun deneyleri kararlı akış profili önemli olduğu örnekler Yüksek performanslı yanıt korumak için bir PID denetleyicisini kullanarak, bu protokol için açıklanan sistem akış düzenleme ve uzun vadeli istikrar tür laminar akış deneyler eğitim gerekli üretir.
Ancak, mikrosıvısal aygıtlar ve bunları içeren deneyler ince varyasyonları ve farklılıklar var tanımak önemlidir. Örneğin, farklı mikrosıvısal geometrileri (kanal genişlik ve yükseklik) farklı akış profillerini gerekli. Sonuç olarak, PID denetleyicileri için parametreleri uygun şekilde ayarlanmış gerekir. Ayrıca, bazı deneyler sıkı bir basınç aralıkları düzenlenmesi gerekebilir. Bu gibi durumlarda, basınç kaçmak kabul edilebilir olabilir. Bu nedenle, böylece kaçmak, genellikle tepki süresi pahasına minimize PID denetim parametrelerini ayarlı gerekir.
Bu şırınga pompa sistemi düşük maliyetli üretim nedeniyle, araştırmacılar hızla mikrosıvısal deneyler geliştirmek gerekir. Tahmini bir 3D baskılı şırınga pompa, mikroişlemci ve basınç sensörü devresi için yaklaşık US$ 130 maliyetidir. Ticari olarak mevcut alternatifler, aksine gibi peristaltik ve devridaim pompalar, bu şırınga pompa sistemi çeşitli laboratuvar kullanımlar için adapte olabilir esnek ve basit bir platform sağlar. Her ne kadar burada tartışılan değil, bam-bam denetleyicisi gibi daha basit kontrol stratejileri uzun vadeli mikrosıvısal çalışmalar için kullanılabilir. Ayrıca, şırınga pompa sistemleri vakum basıncı kontrol birimine uygulamak için kullanılır.
Bir potansiyel bir PID denetleyicisi kullanarak bu şırınga pompa sistemi sürekli güç kaynağı güvenilmesi kısıtlamasıdır. PID kontrol yöntemi Step motor sürekli enerjileme gerektirdiğinden, nispeten büyük güç gereksinimi vardır. Buna ek olarak, bam-bam denetleyicisi yalnızca gerekli olduğunda, Step motor önemli ölçüde daha az güç kullanarak enerji verir. Bu güç gereksinimi, başlangıçta bir ayar noktası aralığı ulaşmak için bir PID denetleyicisi uygulayan ve basınç değeri belirli bir ayar noktası aralığında olduğunda sonra Step motor bobinleri de-enerji verir bir melez kontrol yapısı geliştirerek hafifletilmiş. Alternatif olarak, bir basit bam-bam denetleyicisi de kullanılabilir.
Ayrıca, bu şırınga pompa sistemi sağlar esnek performans ve denetim için step motor ve belgili tanımlık tenkıye boyutunu değiştirme tarafından. Önceki deneyler, 1 mL, 5 mL, 10 mL ve 30 mL şırınga kullandık. Doğal olarak, her bir şırınga pompa biraz farklı PID denetleyicisi parametreler gerekli ve bu nedenle, bireyselleştirilmiş parametre ayarlama gerektirecektir. Ancak, bu esneklik bir uygulama yelpazesi içinde kullanılmak üzere bu iletişim kuralındaki tanımlanan şırınga pompa sistemini sağlar.
Microdevice başarısızlık ortak alan etkili kapak cam için PDMS bağ için bir yetersizlik olduğunu belirtmek. Bağlama etkisiz ise plazma temizleyici gücünü mikrosıvısal cihaz imalat için optimize edilmelidir. Ayrıca, herhangi bir yağlama maddeleri veya kirleri kapak cam yüzeyi PDMS ile güçlü bir bağ emin olmak için bağ önce kaldırılmalıdır. İyice yıkama ve PDMS bileşenden herhangi bir toz kaldırma iyi bir mühür PDMS ile cam arasında oluşturulur emin olmak için yardımcı olacaktır.
Burada sunulan düşük maliyetli, geribildirim kontrollü şırınga pompa sistemi sıvı profili istikrar yüksek bir derece ile esnek bir şekilde işlemek araştırmacılar sağlar. Basınç algılama modülü basit PID kontrol yöntemleri ile entegre ederek, sistemin yüksek performanslı basınç tahrik akış denetimi sağlamak mümkün. Bu araç geniş nerede Havacilik araçlar kullanılmaktadır birçok araştırma alanlar boyunca uygulanır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Yazarlar deniz araştırma Office destek N00014-17-12306 ve N00014-15-1-2502 Ödülleri yanı sıra hava kuvvetleri Office bilimsel araştırma--dan FA9550-13-1-0108 ve Ulusal Bilim Vakfı Hibe No 1709238 Ödülü kabul etmiş oluyorsunuz.
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).
