Summary
Her præsenterer vi en protokol for at konstruere en pres-kontrollerede sprøjten pumpe skal bruges i mikrofluid applikationer. Denne sprøjten pumpe er fremstillet af en additively fremstillet krop, off-the-shelf hardware og open source elektronik. Den resulterende system er billige, enkel at bygge, og leverer velreguleret flydende flow for at aktivere hurtig mikrofluid forskning.
Abstract
Mikrofluidik er blevet et kritisk værktøj i forskning på tværs af biologiske, kemiske og fysiske videnskaber. En vigtig del af mikrofluid eksperimenter er en stabil væske håndtering system præcist levere et indløb strømningshastighed eller indgangstryk. Her har vi udviklet en sprøjten pumpesystem i stand til at kontrollere og regulere væske indgangstryk leveret til en mikrofluid enhed. Dette system blev udviklet ved hjælp af lave omkostninger materialer og tilsætningsstof fremstillingsindustrien principper, løftestangsvirkningen tredimensionale (3D) udskrivning af termoplastiske materialer og off-the-shelf komponenter når det er muligt. Dette system består af tre hovedkomponenter: en sprøjten pumpe, en tryktransduceren og en programmerbar microcontroller. I dette papir detalje vi et sæt protokoller for bearbejdning, montage og programmering denne sprøjten pumpesystem. Desuden har vi medtaget repræsentative resultater, der viser high-fidelity, feedback kontrol af indgangstryk ved hjælp af dette system. Vi forventer, at denne protokol giver forskere til at fabrikere lavpris-sprøjten pumpesystemer, sænker adgangsbarriere for brug af mikrofluidik i biomedicinsk, kemiske og materialeforskning.
Introduction
Mikrofluid værktøjer er blevet nyttig for videnskabsmænd i biologisk og kemisk forskning. På grund af lav lydstyrke udnyttelse, hurtig måling kapaciteter og veldefinerede flow profiler, mikrofluidik har fået trækkraft i genomisk og proteom forskning, high throughput screening, medicinsk diagnostik, nanoteknologi og encellede analyse1,2,3,4. Derudover muliggør fleksibilitet af mikrofluid enhed design let grundlæggende videnskabsforskning, som undersøger spatiotemporelle dynamikken i kulturperler bakteriel kolonier5.
Mange typer af væske indsprøjtning systemer er udviklet til at præcist levere strøm til mikrofluid enheder. Eksempler på sådanne benzinindsprøjtningssystemer peristaltiske og recirkulation pumper6, pres-controller systemer7og sprøjte pumper8. Disse indsprøjtning systemer, herunder sprøjte pumper, er ofte sammensat af dyre præcision manipuleret komponenter. Forstærke disse systemer med lukket kredsløb feedback kontrol af trykket i output flow øger prisen på disse systemer. Svar udviklet vi tidligere har et robust og billigt sprøjten pumpesystem, der bruger lukket kredsløb feedback kontrol for at regulere outputted flow pres. Ved hjælp af lukkede kredsløb trykregulering, er behovet for dyre præcision-manipuleret komponenter ophævet9.
Kombination af overkommelig 3D-udskrivning hardware og en betydelig vækst i tilknyttede open source software har gjort design og fabrikation af mikrofluid enheder i stigende grad tilgængelige for forskere fra en lang række discipliner10. De systemer, der anvendes til kørsel væske gennem disse enheder er dog stadig dyrt. For at imødegå dette behov for en billig flydende kontrolsystem, udviklet vi et design, der kan være fremstillet af forskere i laboratoriet, der kræver kun et lille antal forsamlingen trinene. Trods sin lave omkostninger og ligetil forsamling, dette system kan give præcise flow-styringen og udgør et alternativ til kommercielt tilgængelige, lukket kredsløb sprøjten pumpesystemer, som kan være uoverkommeligt dyre.
Her, vi leverer protokoller for konstruktionen og brugen af det lukkede kredsløb kontrolleres sprøjten pumpesystem vi udviklet (figur 1). Væsken håndtering system består af en fysisk sprøjten pumpe inspireret af et tidligere studie11, en microcontroller og et piezoresistiv pres sensor. Når samlet og programmeret med en proportional-integral-derivat (PID) controller, er systemet i stand til at levere en velreguleret, pres-drevet strøm til mikrofluid enheder. Dette giver en billig og fleksibel alternativ til høje omkostninger kommercielle produkter, gør det muligt for en bredere gruppe af forskere at bruge mikrofluidik i deres arbejde.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 3D-print og montering af sprøjten pumpe
-
Forberede og 3D-print sprøjten pumpe komponenter
- Download den. STL design filer fra Supplerende filer af dette papir.
Bemærk: Der er seks. STL-filer, med titlen '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', og ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.STL', i de supplerende filer. Disse filer svarer til de 3D-trykt dele af sprøjten pumpe. - Forberede filerne til udskrivning ved at åbne dem i en softwarepakke, der er dedikeret til konvertering af. STL modelfiler til eksekverbare instruktions sæt til 3D-printeren bliver brugt. Sikre at den korrekte software bliver brugt som nogle printere vil kræve leverandørejet software, mens andre kan være i stand til at udskrive direkte fra den. STL fil.
- Udskrive de plastik komponenter ved hjælp af acrylonitril butadien styren (ABS) med en høj kvalitet 3D-printer indstilling. Hvis der bruges andre fælles 3D-udskrivning materialer såsom polylactic syre (PLA) eller andre Termoplastiske elastomerer, Sørg for, at de færdige mekaniske egenskaber (f.eks., elasticitet, flydespænding) kan sammenlignes med ABS.
- Fjern de udskrevne dele fra den udskrivning platform af 3D-printer. Fjern de udskrevne stativet fra de færdige dele.
Bemærk: Stativet er designet af den printer-specifikke software bruges til at konvertere den. STL modelfiler til den eksekverbare instruktion sæt til 3D-printer. Mængden og struktur af den understøttende materiale kan variere baseret på den anvendte software. - Glat de trykte komponenter ved slibning enhver uslebne kanter ved hjælp af sandpapir. For de bedste resultater, skal du bruge sandpapir med en grus størrelse ca 220. Kontroller, at alle komponenter er glat før montering.
- Sikre, at alle syv dele er blevet udskrevet.
Bemærk: Disse dele er blevet opkaldt følgende: (I) Motor stik, (II) rejsende skubbe, (III) udgangen Stop, (IV) sprøjte Platform, (V) sprøjte Clamp, (VI) sprøjte stemplet mandlige stik og (VII) sprøjte stemplet kvindelige stik. Romertal for hver komponent er omhandlet i figur 2A. En detaljeret liste over de mekaniske dele til samling er fundet i Tabellen af materialer.
- Download den. STL design filer fra Supplerende filer af dette papir.
-
Samle sprøjten pumpe (figur 2)
- Fastgør stepper motor til en gevindstang ved hjælp af en motorakslen z-aksen fleksible kobling med sæt skruer. Før du fortsætter, sikre, at roterende stepper motorakslen drev gevindstangen uden forsinkelse.
- Tilslut sprøjte platform til motor-stikket ved fast at trykke på sprøjten platform forbindelse pløkker i parring hullerne på toppen af motor-stik.
- Vedhæfte den forsamlede del taktfast 1.2.1 med del i trin 1.2.2 ved fastgørelse fire 16 mm skruer gennem motor-stik.
- Indsæt to lineære kuglelejer og en 0,8 mm hex møtrik ind i åbningerne ligger på bunden af tryk og rejsende.
- Juster gevindstangen på motor stikket gennem 0,8 mm hex møtrik i tryk og rejsende.
- Indsæt de to lineære skafter gennem rejsende push og motor-stik.
- Placere to hex nødder i det sekskantede rum af motor stik stykke, og derefter bruge to 16 mm skruer til at stramme forbindelser, sikring af de lineære aksler fra flytning.
- Indsæt kugleleje i den midterste åbningen af udgangen stop.
- Tilslut udgangen stop med de forsamlede komponenter fra trin 1.2.7.
- Sted to hex nødder i de sekskantede rum i slutningen stoppe stykke, og derefter bruge to 16 mm skruer til at stramme forbindelser for at anbringe udgangen stop til forsamlingen.
- Fastgør sprøjte stemplet hunstik stykke til rejsende push stykke to stål lås nødder, og to 16 mm skruer.
- Placere en 10 mL sprøjte på toppen af pumpen. Sikre hovedet af stemplet er justeret i hak af sprøjten stemplet hunstik stykke og toppen af sprøjten tønde er fast plads i motor-stik.
- Sæt sprøjten stemplet hanstik stykke i sprøjten stemplet kvindelige stikket. Sikre, at der er en stram fit mellem mandlige og kvindelige komponenter, sikring af stemplet i stedet.
- Slut sprøjten klemme til sprøjte platform to hex nødder, og to 35 mm skruer, sikring af sprøjten tønde er fast plads i sprøjten klemme.
2. mikrofluid enhed forberedelse
-
Fremstil master forme bruge fotolitografi
Bemærk: En procedure, detaljering design og fabrikation af master forme for mikrofluid indretning fabrikation kan findes i tidligere litteratur12.- Bruger den foretrukne computerstøttet design (CAD) programmel, skabe de nødvendige tegninger til et photomask og udskrive det på en glas eller quartz tallerken.
Bemærk: Andre materialer kan være acceptabel baseret på kravene i den maske aligner anvendes. Udskrivning af disse komponeneter udføres typisk af en tredjepartsleverandør. - Bruge fotolitografi metoder til at oprette en master mold fra photomask. Udfør denne procedure i en renrum miljø.
- Udsætte den opdigtede master mold til en fluorosilane damp i et vakuum ekssikkator.
Bemærk: Denne proces letter frigivelsen af Polydimethylsiloxan (PDMS) fra den master mold når opdigte mikrofluid enheder. At behandle den master mold, Tilføj tre dråber af fluorosilane til et bægerglas og Bægerglasset anbringes i en vakuumkammer. - Anvende et tomrum i 1 min. Luk den vakuumkammer men holde den master mold i salen for 30 min til at gøre det muligt for deposition af fluorosilane. Som en sikkerhedsforanstaltning, udføre denne procedure i et stinkskab at begrænse eksponeringen for farlige fluorosilane dampe.
- Bruger den foretrukne computerstøttet design (CAD) programmel, skabe de nødvendige tegninger til et photomask og udskrive det på en glas eller quartz tallerken.
-
Fremstil PDMS enheder
- Veje PDMS pre polymer i en vejer båden. Selv om den ønskede tykkelse af den endelige PDMS enhed kan variere, fungerer 30 g før polymer godt for en master skimmel på 100 mm i diameter.
- Måle og tilføje en hærdning agent i en 1:10 forholdet til pre-polymeren. En master mold på 100 mm i diameter, tilsættes 3 g af en hærdning agent.
- Bland den pre-polymer og hærdning agent kraftigt ved hånden ved hjælp af en engangs spatel. Efter 30 s, kontrollere, at der er små, regelmæssigt adskilt luftbobler i opløsningen, med angivelse forud polymeren og hærdning befuldmægtigede er godt blandet.
- Placer den master skimmel i en kultur plade og omhyggeligt hæld PDMS blandingen på toppen af den master mold.
Bemærk: Den ønskede tykkelse af PDMS enhed afhænger af dens anvendelse. - Degas blandingen i et vakuum ekssikkator til 1 time at sikre at ingen bobler er observerbare i blandingen. Hvis der er nogen bobler præsentere, frigive det vakuum pres hurtigt, og derefter genanvende et vakuum. Lad blandingen sidde i mindst 10 min efter denne procedure.
- Flytte PDMS blandingen til en ovn indstillet til 90 ° C. Lad blandingen hærde i 30 min.
- Fjerne PDMS fra den master mold. Skær PDMS i de ønskede dimensioner ved hjælp af et barberblad. Bære handsker for at begrænse PDMS eksponering for forurenende stoffer.
- Punch huller til tilgangs- og afgangsåbninger med en 23 G udlevering nål. For at lette denne proces, fil nål med en metal fil eller sandpapir til at slibe de stumpe ender. Sikre at PDMS præget cylinderen er fjernet fra needle efter hver punktering.
Bemærk: Nåle med forskellige størrelser kan bruges til stansning huller. Sikre, at størrelsen er lidt større end nåle bruges i trin 3 i denne protokol. - Vaske PDMS med filtreret deioniseret vand og lufttørre PDMS ved hjælp af en luft eller kvælstof kilde med et 0,2 µm filter.
Bemærk: Det eksakte tryk er ikke kritisk, og en trykisoleret gas kilde fra bygningens centrale system fungerer godt for dette trin. - Ren No. 1 borosilicate cover glas substrat med et overfladeaktivt stof, såsom en pulveriseret vaskemiddel, og lufttørre det ved hjælp af trykluft kilde med et 0,2 µm filter. Ren det grundigt som cover glas er ofte belagt med en hydrofobe smøremiddel og er i stand til at binde til PDMS, medmindre det er ordentligt rengjort.
- Ved hjælp af trykfølsomme tape, røre let PDMS for at fjerne enhver resterende støv. For at sikre de støbte funktioner er ikke kompromitteret, Undlad at trykke med store mængder af kraft på båndet.
- Placer PDMS enhed og en renset cover glas i en ilt plasma renere i 1 min. sikre farven fra plasma renere kammer er lys magenta under processen. Sørg for at PDMS enheden har sin støbte funktioner udsat, opad i plasma renere.
- Tage PDMS og dække glas fra plasma renere og anbring dækslet glas, ansigt-ned, ind på PDMS enhed.
Bemærk: Dette vil forårsage cover glas og PDMS at obligation næsten øjeblikkeligt. Hvis bindingen ikke er synlige, tryk forsigtigt dækslet glas til PDMS i et afsnit af PDMS støbte funktioner. Dette bør medføre binding mellem PDMS og dækslet glas. - Sætte PDMS-enheden i en ovn ved 90 ° C i mindst 12 timer for at sikre PDMS og dække glas er godt agglomererede.
3. feedback-kontrollerede sprøjten pumpe System forsamling
- Fjerne en passende mængde af længden af tråd isolering og afskærmning fra en tryksensor elektrisk kabel bruger en barberkniv. Være blid, når skære for at sikre, at ledningerne ikke er kompromitteret ovenfor den ønskede længde. Når isolering og afskærmning er fjernet, forbinde ledningerne til rektangulære hanstik.
- Ved hjælp af en lignende tilgang til det forrige trin, fjerne 1-2 cm af tråd isolering fra en stepper motor kundeemner og forbinde ledningerne til rektangulære hanstik.
- Anbringe sprøjte på indsugningssiden af pres sensor. Tilslut en 22 G udlevering nål på afgangssiden af pres sensor.
- Skub ene ende af 0,51 cm diameter slanger over 22 G udlevering nålen knyttet til pres sensor.
- Skub anden enden af 0,51 cm diameter slanger over en 22 G udlevering nål, der kan tilsluttes enhedens mikrofluid. Tilslut nålen til indløbsstuds af mikrofluid enhed.
- Tilsluttes en bortskaffelse af affald reservoir med en 22 G kanyle og 0,51 cm diameter rør, svarende til indløb porttilslutning udgangsporten af en mikrofluid enhed.
- Samle den elektroniske kredsløb på en prototyping breadboard efter diagrammet i figur 3.
Bemærk: Denne breadboard serverer du betingelse signal fra tryksensor overvåges af en microcontroller. Andre kompatible mikrocontrollere kan bruges til at overvåge pres sensorsignal. - Tilslut ledningerne fra stepper motor med stepper motor driver. Tilslut ledningerne fra pressure sensor og stepper motor driver med breadboard ifølge skematisk i figur 3. Udsatte ledningerne fra tryksensor er farvekodede og skal tilsluttes som følger: rød skal tilsluttes V +, sort skal tilsluttes V-, grøn skal tilsluttes Signal + og hvid skal tilsluttes Signal-.
- Tilslut udgangssignalet fra breadboard med den analoge input pin på mikrokontroller.
- Tilslut logik input benene fra stepper motor driver med de digitale tapperne på mikrokontroller. TRIN input på stepper motor driver er forbundet med en pulse bredde moduleret (PWM) havn i digital tapperne på mikrokontroller, angives med et ' ~' tegn.
- Tilslut strømforsyningen med breadboard efter diagrammet i figur 3. Sæt strømforsyningen til 10 V til breadboard og stepper motor driver.
4. pres Sensor-kalibrering
Bemærk: Baseret på forstærkeren valgt i dette papir, formel til at beregne gevinst er G = 5 + (200k/RG) med RG = R1 og G = forstærker gevinst. Forstærker gevinsten her er cirka 606. Denne værdi kan ændres ved at ændre den modstand, der anvendes til R1. Derudover som logik microcontroller bestyrelsen er 5 V og instrumentering er drevet med 10 V, der en simpel spænding divider kredsløb, R2 og R3, bruges til at beskytte udgangssignalet skal ikke mere end 5 V.
- Hent og Installer den relevante, integreret udviklingsmiljø (IDE) til mikrokontroller.
- Dataoverføre den controller kode med titlen 'Pressure_Sensing.ino' fra den supplerende filer. Brug denne kode er at erhverve pres signalet fra dual tryksensorer.
Bemærk: Mikrokontroller og controller koden anvendes i denne hvidbog omfatter analog input pins med 10-bit opløsning som læse de analoge signaler fra tryksensor hver 200 ms for at betjene steppermotorer. Antallet i beslag analogRead() svarer til den analoge input pin tilsluttet udgangssignalet fra spænding divider kredsløb i pres sensor kredsløb i figur 3. Variablen forsinkelse repræsenterer interval på som signalet er revalueret og output i overensstemmelse hermed, i ms. - Anvende kendte pres på indløb af sensoren med outlet udjævnede og måle den resulterende outputsignal.
Bemærk: En simpel metode til at kalibrere tryksensor bruger et reservoir med vand afholdt i varierende højder. Den resulterende gravitationel pres opdaget vil tillader en at kalibrere tryksensor. - Plot diagrammet med kalibrering pres anvendt (Pa) på x-aksen og trykket signal (V) på y-aksen til at få en numerisk værdi af y-skæringspunktet.
- Anvende denne talværdi i controller-kode som sensor1Offset og sensor2Offset variablerne i koden 'Dual_Pump_PID_Control.ino' af de Supplerende filer, at kalibrere trykværdi i feedback kontrolsystem.
5. indfange billeder fra den mikrofluid enhed
- Forbinde en microcontroller til en open source single-board computer via et serielt interface, så billedet taget af mikrocomputer udløser pres målinger skal tages af mikrokontroller.
- Slut et kameramodul lavet for single-board computer til en af eye-stykker af et stereomikroskop. Her, bruges en 20 X forstørrelse til billede mikrofluid enheder.
6. kontrollerende sprøjte tryk pumper
- Åbn IDE for open source microcontroller. Download Timer.h13 og AccelStepper.h14 biblioteker til mikrokontrollers IDE bibliotek bibliotek.
- Dataoverføre den controller kode med titlen 'Dual_Pump_PID_Control.ino' fra Supplerende filer. Denne kode bruges til at styre feedback-kontrollerede sprøjten pumpesystem med to pumper.
- Program controller koden, således at det passer eksperimentet bliver udført. Ændre kontrolparametre eller timing parametre til at passe de ønskede svar og varigheden af forsøget. Kompilere og uploade koden til mikrokontroller før du kører forsøget.
Bemærk: I koden controller setPoint1/2 værdier bruges til at ændre niveauet pres og stepper1/2Out værdier bruges til at justere pumpens omdrejningstal. De sidste to værdier i kolonnen AccelStepper stepper1/2 svarer til portnummeret på mikrokontroller. Variablen milliTiming bestemmer hyppigheden af læsning det analoge signal fra tryksensorer og variablen printTiming dikterer hyppigheden af udlæsning hastighed og pres værdier til en seriel skærm for inspektion. Alle enheder er i ms. variablen maxError bestemmes ud fra logisk niveau bestyrelsens microcontroller. En værdi af 5 bruges her som microcontroller i denne protokol er 5 V. - Tænd strømforsyningen til sprøjte pumper system. Indstille spændingen til 10 V til stepper motor strømforsyning.
7. tuning PID Controller parametre
Bemærk: Ideel controller parameterværdier kan variere afhængigt af anvendelse og mikrofluid enhed geometri. For eksempel, for langsigtede undersøgelser (timer), kan en lavere proportional konstant (Kp) være at foretrække at minimere overskridelse på bekostning af responstid. Disse kompromiser afhænger af eksperimentelle betingelser og mål.
- Tune controller, ved hjælp af en manuel tilgang, ved første justering den proportionale konstante (Kp) at forbedre responstiden for en step-funktion.
Bemærk: Selvom algoritmiske tilgange kan anvendes, manual tuning værker for mikrofluid programmer vist i dette papir. - Næste, ændre integral (Ki) og differential (Kd) parametre til at minimere overskridelsen og sikre et sætpunkt stabilitet.
- Indstille PID værdierne for Kp, Ki og Kd variablerne i koden controller af Supplerende filer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Her præsenterer vi en protokol for opførelsen af en feedback-kontrollerede sprøjten pumpe system og demonstrere dets potentielle anvendelsesmuligheder for mikrofluid programmer. Figur 1 viser den tilsluttet system af sprøjten pumpe, tryksensor, mikrofluid enhed, microcontroller, pres sensor kredsløb og stepper motor driver. Detaljerede billedforklaringer til sprøjte brændstofpumpen samling er vist i figur 2 og den elektroniske strømkreds skematisk for pres sensing er præsenteret i figur 3. Processen med tuning de kontrollerende parametre er vist i figur 4. Endelig, et repræsentativt resultat af kontrollerende indgangstryk i en to-indløb Y-formet mikrofluid enhed er vist i figur 5.
Figur 1: Opsætning af feedback-kontrollerede sprøjten pumpesystem. Dette billede viser opsætning af sprøjten pumpesystem. Sprøjten indeholder injektionsvæske og betjenes af 3D-trykt sprøjten pumpe. Som A. piezoresistiv pres sensor er forbundet med B. sprøjten pumpe og C. mikrofluid enhed, pres fra enheden er registreret og omdannet til et elektrisk signal til D. pres sensor kredsløb med instrumentation forstærker når væsken er leveret gennem slangen. Signalet fra tryksensor er læst af E. open source microcontroller bord som så sender det nødvendige signal til F. stepper motor driver kontrol aktivering af sprøjten pumpe. G. en strømforsyning og H. en bærbar computer er nødvendig for at drive og programmere systemet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: forsamling foto for 3D-trykt sprøjten pumpe. Denne figur viser trinvise instruktioner i 3D-trykt sprøjten pumpe forsamling, med fotos, svarende til fremgangsmåden i trin 1.2 i protokollen. A. dette billede viser materialer til sprøjten pumpe forsamling. B. dette billede viser hvordan stepper motor er tilsluttet gevindstang (trin 1.2.1). C. dette billede viser hvordan del fra trin 1.2.1 i protokollen er tilsluttet del fra trin 1.2.2 af protokollen (trin 1.2.3). D. Dette billede viser Forsamlingen af rejsende push stykke (trin 1.2.5). E. dette billede viser hvordan udgangen stop er forbundet (trin 1.2.10). F. dette billede viser, hvordan sprøjte stemplet hunstik stykke er forbundet til de forsamlede komponenter (trin 1.2.11). G. dette billede viser Forsamlingen af sprøjten stemplet hanstik stykke (trin 1.2.13). H. dette billede viser hvordan den sprøjte klemme er forbundet (trin 1.2.14). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Illustration til mikrokontroller og pres sensor kredsløb. Kredsløbet tillader microcontroller bestyrelsen at måle forstærket pres signaler fra pres sensor. A. dette er montage foto for kredsløbet. B. denne figur viser printpladen layouts. Udsatte ledningerne fra tryksensor er farvekodede og skal tilsluttes som følger: rød skal tilsluttes V +, sort skal tilsluttes V-, grøn skal tilsluttes Signal + og hvid skal tilsluttes Signal-. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Tuning af kontrolparametre. PID controlleren bruges til at regulere sprøjten pumpe væske trykket kan indstilles ved at ændre proportional (Kp), integral (Ki) og differential (Kd) parametre. Vi viser her, hvordan tuning (ved hjælp af Kp) vil bidrage til at reducere responstiden. Yderligere tuning (ved hjælp af Ki og Kd) kan bidrage til at sikre en setpoint stabilitet og reducere overskridelse. I denne protokol tunet controllere er primært ved hjælp af en manuel trial-and-error metode. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: kontrol af indgangstryk for et laminar flow mikrofluid enheden. En Y-formet mikrofluid enhed er fremstillet efter den procedure, der er beskrevet i trin 2 i denne protokol. Enheden har to indgangsporte og én udgangsporten. To sprøjten pumpesystemer er samlet for at styre indgangstryk. En af sprøjter er fyldt med et blåt farvestof og den anden er fyldt med vand. A. disse billeder af de flydende flow som følge af den samme tryk, som begge pumper er fanget ved hjælp af metoden beskrevet i trin 6 i denne protokol. B. denne figur viser hvordan indgangstryk overvåges og styres ved hjælp af PID controlleren tunet i figur 4. Tæt tilslutning til ønskeværdien kan observeres. Kortere (s) og længere (h) eksperimenter har vist lignende resultater. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Her, præsenterede vi et nyt design for en sprøjten pumpesystem med lukket kredsløb trykregulering. Dette blev opnået ved at integrere en 3D-trykt sprøjten pumpe med et piezoresistiv pres sensor og en open source microcontroller. Ved at ansætte en PID-controller, var vi i stand til præcist styre indgangstrykket og give hurtige svartider samtidig samtidig opretholde stabilitet om et sæt punkt.
Mange eksperimenter ved hjælp af mikrofluid enheder kræver en præcis fluidic kontrol og udnytte en vel karakteriseret laminar flow profil. Eksempler hvor en stabil flow profil er vigtigt er eksperimenter, udforske tidsmæssige og rumlige koncentration forløb15 og generere præcis fluidic indkapsling til yderligere analyse16. Ved hjælp af en PID-controller til at opretholde den højtydende reaktion, udsender systemet beskrevet i denne protokol luftmængderegulering og stabilitet på lang sigt nødvendigt at studere sådanne laminar flow eksperimenter.
Det er imidlertid vigtigt at erkende, at mikrofluid enheder og eksperimenter, der involverer dem har subtile variationer og forskelle. For eksempel, kan forskellige mikrofluid geometrier (kanal bredde og højde) nødvendiggøre forskellige flow profiler. Som et resultat, skal parametre for PID-controllere være indstillet i overensstemmelse hermed. Derudover kan nogle eksperimenter kræve en stram regulering af pres intervaller. I disse tilfælde kan pres overskridelse ikke være acceptabelt. Som sådan, skal PID kontrolparametre indstilles således at overskridelsen er minimeret, normalt på bekostning af responstid.
Billig produktion af denne sprøjten pumpesystem, bør forskere kunne hurtigt udvikle mikrofluid eksperimenter. De beregnede omkostninger for en 3D-trykt sprøjten pumpe, microcontroller, og pres sensor kredsløb er ca US$ 130. I modsætning til kommercielt tilgængelige alternativer, såsom peristaltiske og recirkulation pumper, denne sprøjten pumpesystem giver en fleksibel og enkel platform, der kan tilpasses til en lang række laboratorieformål. Selv om ikke drøftet her, kan enklere kontrolstrategier, som bang-bang-controller, anvendes til langsigtede mikrofluid undersøgelser. Derudover kan sprøjten pumpesystemer bruges til at anvende et vakuum pres på en kontrol volumen.
En potentiel begrænsning af denne sprøjten pumpesystem ved hjælp af en PID-controller er afhængigheden af en konstant strømforsyning. Fordi PID kontrol metode kræver konstant udkobling af stepper motor, er der en relativt stor magt krav. Derimod energizes bang-bang-controller kun stepper motor når det er nødvendigt, bruger væsentligt mindre strøm. Denne magt krav kan mindskes ved at udvikle en hybrid kontrolstruktur, der implementerer en PID controlleren for at i første omgang nå et sætpunkt udvalg, og derefter de energizes stepper motor spolerne når værdien pres er inden for et givet setpunkt område. Alternativt, en simpel bang-bang controller kan bruges som godt.
Desuden, denne sprøjten pumpesystem giver mulighed for en fleksibel ydeevne og kontrol ved at ændre størrelse både stepper motor og sprøjten sig selv. I tidligere forsøg, har vi brugt sprøjter af 1 mL, 5 mL, 10 mL og 30 mL. Naturligvis, hver sprøjten pumpe kan nødvendiggøre lidt anderledes PID controller parametre og ville derfor kræve individualiseret parameter tuning. Men denne fleksibilitet tillader sprøjten pumpesystemet beskrevet i denne protokol skal bruges i en vifte af applikationer.
Det skal bemærkes, at et fælles område med microdevice fiasko er en manglende evne til effektivt obligation PDMS at dække glas. For mikrofluid indretning fabrikation, skal kraften i plasma renere optimeres, hvis bindingen er ineffektive. Også, enhver smøremidler eller urenheder på dækslet glas overflade bør fjernes inden limning at sikre et stærkt bånd med PDMS. Grundigt vaske og fjerne støv fra komponenten PDMS bør bidrage til at sikre en god tætning er dannet mellem PDMS og glas.
Low-cost, feedback-kontrollerede sprøjten pumpesystem præsenteres her giver forskerne at manipulere de flydende profil med en høj grad af stabilitet på en fleksibel måde. Ved at integrere pres sensing modul med enkle metoder til PID, er systemet købedygtig levere højtydende pres-drevet flow-styring. Dette værktøj kan anvendes bredt på tværs af mange forskningsområder hvor mikrofluidik værktøjer er i brug.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Forfatterne anerkender støtte fra Office of Naval Research awards N00014-17-12306 og N00014-15-1-2502, samt fra Air Force Office of videnskabelig Research award FA9550-13-1-0108 og National Science Foundation Grant No. 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).
