Summary
Hier präsentieren wir ein Protokoll, um eine druckgeregelte Spritzenpumpe in mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden zu konstruieren. Diese Spritzenpumpe besteht aus ein Additiv hergestellte Körper Standardhardware und OpenSource-Elektronik. Das resultierende System ist preiswert, einfach zu bauen, und liefert gut regulierte Flüssigkeitsströmung um schnelle mikrofluidischen Forschung zu ermöglichen.
Abstract
Mikrofluidik ist ein wichtiges Werkzeug in der Forschung über die biologischen, chemischen und physikalischen Wissenschaften geworden. Ein wichtiger Bestandteil von mikrofluidischen experimentieren ist ein stabiler Fluid handling-System in der Lage genau ein Einlass Durchfluss oder Eingangsdruck. Hier haben wir eine Spritze Pumpensystem in der Lage, Steuerung und Regelung der Eingangsdruck Flüssigkeit zu einem mikrofluidischen Gerät geliefert. Dieses System wurde mit preiswerten Materialien und additive Fertigungsprinzipien, dreidimensionale (3D) Druck von thermoplastischen Materialien und Komponenten möglichst Nutzung konstruiert. Dieses System besteht aus drei Hauptkomponenten: eine Spritzenpumpe, einen Drucksensor und einen programmierbaren Mikrocontroller. In diesem Papier zeigen wir eine Reihe von Protokollen für die Herstellung, Montage und Programmierung dieser Spritze Pumpensystem. Darüber hinaus haben wir repräsentative Ergebnisse enthalten, die High-Fidelity-Feedback-Kontrolle der Eingangsdruck mit diesem System zeigen. Wir erwarten dieses Protokoll ermöglicht es Forschern, kostengünstige Spritzensysteme Pumpe, fabrizieren, senken die Zugangsschranken für die Nutzung der Mikrofluidik in Biomedizin, Chemie und Materialforschung.
Introduction
Mikrofluidische Werkzeuge nützlich für Wissenschaftler in der biologischen und chemischen Forschung geworden. Aufgrund der geringen Auslastung, schnelle Messmöglichkeiten und klar definierte Strömung Profile, Mikrofluidik hat gewonnen Traktion in genomic und Proteomic Forschung, High Throughput Screening, medizinische Diagnostik, Nanotechnologie und einzellige Analyse1,2,3,4. Darüber hinaus ermöglicht die Flexibilität von mikrofluidischen Gerätedesign leicht grundlegende Wissenschaftsforschung, z. B. untersucht die räumlich-zeitliche Dynamik der kultivierten Bakterienkolonien5.
Viele Arten von Fluid-Einspritzsysteme wurden entwickelt, um genau Fluss mikrofluidischen Geräten bereitzustellen. Beispiele für solche Einspritzsysteme peristaltischen und Rezirkulation Pumpen6, Druck-Controller Systeme7und Spritze Pumpen8. Diese Einspritzsysteme, einschließlich Spritzenpumpen, bestehen oft aus teuren feinmechanischer Komponenten. Vermehrung dieser Systeme mit geschlossenen Feedback-Kontrolle des Drucks in den ausgangsfluß erhöht die Kosten dieser Systeme. Als Reaktion darauf entwickelten wir zuvor eine robuste, kostengünstige Pumpe Spritzensystem, die geschlossenen Regelkreises verwendet, um ausgegebenen Fließdruck zu regulieren. Mithilfe von geschlossenen Druckregelung ist die Notwendigkeit für teure feinmechanische Komponenten aufgehobenen9.
Die Kombination von bezahlbaren 3D-Druck Hardware und einem signifikanten Wachstum in verbunden Open-Source-Software hat die Konstruktion und Herstellung von mikrofluidischen Geräten zunehmend für Forscher aus den unterschiedlichsten Disziplinen10zugänglich. Die Systeme zur Laufwerk Flüssigkeit durch diese Geräte bleiben jedoch teuer. Zu diesem Zweck für eine kostengünstige Fluid Control System entwickelten wir eine Design, die von Forschern im Labor erfordern nur eine kleine Anzahl der Montageschritte gefertigt werden kann. Trotz seiner Low-Cost und einfache Montage kann dieses System präzise Durchflussregelung und stellt eine Alternative zu handelsüblichen, geschlossene Pumpe Spritzensysteme, die teuer werden können.
Hier bieten wir Protokolle für den Bau und die Nutzung des geschlossenen Regelkreises gesteuert Spritze Pumpensystem wir entwickelt (Abbildung 1). Das Fluid handling-System besteht aus einem physischen Spritzenpumpe inspiriert von einer früheren Studie11, einem Mikrocontroller und einem piezoresistiven Drucksensor. Wenn montiert und mit einem Proportional-Integral-Derivat (PID) Controller programmiert, wird das System eine gut regulierte, Druck-driven Strömung mikrofluidischen Geräte liefern. Dies bietet eine kostengünstige und flexible Alternative zu teuren kommerziellen Produkten, ermöglicht eine breitere Gruppe von Forschern, Mikrofluidik in ihrer Arbeit zu verwenden.
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Protocol
1. 3D-Druck und Montage der Spritzenpumpe
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Vorbereiten und 3D-Print die Spritze Pumpenteile
- Download der. STL-Design-Dateien aus den Ergänzenden Dateien dieses Papiers.
Hinweis: Es gibt sechs. STL-Dateien, mit dem Titel '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', und ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.STL ", in der zusätzliche Dateien. Diese Dateien entsprechen den 3D-gedruckten Komponenten der Spritzenpumpe. - Bereiten Sie diese Dateien für den Druck, indem Sie sie in ein Software-Paket zur Umwandlung des gewidmet zu öffnen. STL-Modell-Dateien ausführbare Anweisung setzt für den 3D-Drucker verwendet wird. Stellen Sie sicher, dass die richtige Software verwendet wird ist, da einige Drucker proprietären Software erfordert, während andere möglicherweise in der Lage, direkt aus zu drucken die. STL-Datei.
- Drucken Sie die Kunststoffteile mit Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) mit einer hohen Qualitätseinstellung 3D-Drucker. Anderen gängigen 3D-Druck-Materialien verwendet werden, wie Polymilchsäure (PLA) oder andere thermoplastische Elastomere, achten Sie darauf, dass die fertigen mechanische Eigenschaften(z. B.Elastizität, Streckgrenze) ABS vergleichbar sind.
- Lösen Sie die gedruckten Teile aus der Druck-Plattform des 3D-Druckers. Entfernen Sie die gedruckten Tragkonstruktion aus der Fertigteile.
Hinweis: Die tragende Struktur soll durch die Drucker-spezifische Software zur Umwandlung der. STL-Modell-Dateien für die ausführbare Anweisung festlegen für den 3D-Drucker. Die Höhe und die Struktur des unterstützenden Materials variieren basierend auf der verwendeten Software. - Glätten Sie die gedruckten Komponenten durch Ecken und Kanten mit Sandpapier Abschleifen. Verwenden Sie für beste Ergebnisse Schleifpapier mit einer Körnung von ca. 220. Stellen Sie sicher, dass alle Bauteile vor der Montage glatt sind.
- Stellen Sie sicher, dass alle sieben Teile gedruckt wurden.
Hinweis: Diese Teile genannt worden, die folgenden: (I) Motor-Verbinder, (II) Reisenden schieben, (III) Ende stoppen, (IV) Spritze Plattform, (V) Spritze Clamp, (VI) Spritze Kolben Stecker und (VII) Spritze Kolben Buchse. Die römische Zahl für jede Komponente wird in Abbildung 2Abezeichnet. Eine detaillierte Liste der mechanischen Teile für die Montage entnehmen Sie der Tabelle der Materialien.
- Download der. STL-Design-Dateien aus den Ergänzenden Dateien dieses Papiers.
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Montieren die Spritzenpumpe (Abbildung 2( )
- Befestigen Sie der Schrittmotor einer Gewindestange mit einer Motorwelle z-flexible Kupplung mit Madenschrauben. Stellen Sie bevor Sie fortfahren sicher, dass rotierende Stepper Motorwelle Laufwerke die Gewindestange ohne Schlupf.
- Verbinden Sie die Spritze-Plattform mit der motor-Verbinder fest drücken Sie die Spritze Plattform Verbindung Pflöcke in die Paarung Löcher auf der Oberseite der motor-Verbinder.
- Legen Sie die montierten Teile im Schritt 1.2.1 mit dem Teil im Schritt 1.2.2 durch vier 16 mm Befestigungsschrauben durch die motor-Verbinder.
- Legen Sie zwei lineare Kugellager und eine 0,8 mm Sechskantmutter in die Öffnungen im unteren Bereich der Push-Reisenden.
- Richten Sie die Gewindestange auf der motor-Verbinder durch die 0,8 mm Sechskantmutter in die Push-Reisenden.
- Legen Sie die beiden linearen Wellen durch die Push-Reisenden und der motor-Verbinder.
- Legen Sie zwei Sechskantmuttern in den sechseckigen Räumen des motor-Verbinder-Stückes, und verwenden Sie dann zwei 16-mm-Schrauben anziehen der Anschlüsse, Sicherung der linearen Wellen bewegen.
- Legen Sie die Kugellager in die mittlere Öffnung des Anschlages.
- Verbinden Sie den Endanschlag mit den montierten Komponenten Schritt 1.2.7.
- Platz zwei Sechskantmuttern in den sechseckigen Räumen des Endes Stück zu stoppen und dann zwei 16-mm-Schrauben verwenden, um die Anschlüsse, um den Anschlag auf die Assembly zu befestigen festziehen.
- Der Reisende Push-Stück mit zwei Kontermuttern Stahl und zwei 16 mm Schrauben zuordnen Sie der Spritze Kolben Buchse Stück.
- Platzieren Sie eine 10 mL Spritze auf der Oberseite der Pumpe. Stellen Sie sicher, den Kopf des Kolbens in die Kerbe der Kolben der Spritze weibliche Anschlussstück ausgerichtet ist und oben auf den Spritzenkörper ist fest in den Steckplatz der motor-Verbinder.
- Legen Sie die Spritze Kolben Stecker Blatt in die Spritze Kolben Buchse. Sicherstellen Sie, dass es ein festen Sitz zwischen den männlichen und weiblichen Komponenten, den Kolben in den Platz zu sichern.
- Schließen Sie die Spritze-Klemme auf die Spritze-Plattform mit zwei Sechskantmuttern und zwei 35 mm Schrauben, sicherzustellen, dass der Spritzenkörper in den Schlitz der Spritze Klemme befestigt ist an.
(2) mikrofluidischen Gerät Vorbereitung
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Meister-Schimmel mit Photolithographie zu fabrizieren
Hinweis: Eine Prozedur, die Details der Konstruktion und Herstellung der Meister-Schimmel für mikrofluidischen Gerät Herstellung finden Sie in vorherigen Literatur12.- Mit der bevorzugten Computer aided Design (CAD) Software, erstellen Sie die erforderlichen Zeichnungen für einer Fotomaske und Drucken Sie es auf einen Teller Glas oder Quarz.
Hinweis: Andere Materialien können akzeptabel sein basierend auf den Anforderungen der Mask Aligner verwendet. Das Drucken von diesen Fotomasken erfolgt in der Regel von einem Drittanbieter. - Verwenden Sie Photolithographie Methoden, um ein master-Form aus der Fotomaske zu erstellen. Führen Sie dieses Verfahren in einem Reinraum.
- Aussetzen des vorgefertigten master-Form zu einem Fluorosilane Dunst in einem Vakuum Exsikkator.
Hinweis: Dieser Prozess erleichtert die Freisetzung von Polydimethylsiloxan (PDMS) aus der master-Form bei der Herstellung von mikrofluidischen Geräten. Den master-Form zu behandeln, einen Becher drei Tropfen Fluorosilane hinzu und stellen Sie den Becher in einer Vakuumkammer. - Anwenden eines Vakuums für 1 min. in der Nähe der Vakuumkammer aber halten des master-Form in der Kammer für 30 min, um die Ablagerung von Fluorosilane zu ermöglichen. Als Vorsichtsmaßnahme führen Sie diesen Vorgang in einer Dampfhaube zur Begrenzung der Exposition zu den gefährlichen Fluorosilane Dunst.
- Mit der bevorzugten Computer aided Design (CAD) Software, erstellen Sie die erforderlichen Zeichnungen für einer Fotomaske und Drucken Sie es auf einen Teller Glas oder Quarz.
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PDMS Vorrichtungen zu fabrizieren
- Wiegen Sie das PDMS Pre-Polymer in einem Boot wiegen. Obwohl die gewünschte Dicke des endgültigen Geräts PDMS variieren, funktioniert 30 g Pre-Polymer gut für einen Master in Form von 100 mm Durchmesser.
- Messen und fügen ein Härtemittel in einem 01:10 Verhältnis zu den Pre-Polymer. Fügen Sie für ein master-Form von 100 mm Durchmesser 3 g ein Härtemittel.
- Mischen Sie die Pre-Polymeren und Aushärtung Agent kräftig von Hand mit einem Einweg-Spatel. Nach 30 s, kontrollieren, ob es kleine, regelmäßig getrennt Luftblasen in der Lösung, unter Angabe der Pre-Polymer und Aushärtung Agenten sind gut gemischt.
- Den master-Form in einer Kultur-Platte legen und vorsichtig den Teig PDMS auf der master-Form.
Hinweis: Die gewünschte Dicke des PDMS Gerätes variieren je nach Anwendung. - Entgasen Sie die Mischung in ein Vakuum Exsikkator für 1 Std. Stellen Sie sicher, dass keine Luftblasen in der Mischung zu beobachten sind. Gibt es Luftblasen vorhanden, lassen Sie den Vakuum Druck schnell, und dann erneut ein Vakuum. Lassen Sie die Mischung für mindestens 10 min nach Abschluss dieses Verfahrens zu sitzen.
- Verschieben Sie die PDMS-Mischung zu einem Ofen eingestellt auf 90 ° C. Lassen Sie die Mischung für 30 min zu heilen.
- Entfernen Sie die PDMS aus der master-Form. Geschnitten Sie die PDMS in den gewünschten Abmessungen mit einer Rasierklinge. Tragen Sie Handschuhe, um die PDMS-Exposition gegenüber Verunreinigungen zu begrenzen.
- Lochen Sie für Einlass und Auslass-Ports mit einer Dosiernadel 23 G. Um diesen Prozess zu erleichtern, Feilen Sie die Nadel mit einer Metallfeile oder Sandpapier, die stumpfen enden zu schärfen. Sicherstellen Sie, dass die Nadel nach jeder Punktion der punktierten Zylinder des PDMS entzogen wird.
Hinweis: Nadeln mit verschiedenen Größen können zum Stanzen von Löchern verwendet werden. Stellen Sie sicher, dass die Größe etwas größer als die Nadeln, die in Schritt 3 dieses Protokolls verwendet. - Waschen Sie die PDMS mit gefilterten deionisiertes Wasser und trocknen Sie der PDMS mit einer Luft oder Stickstoff-Quelle mit einem 0,2 µm-Filter ausgestattet.
Hinweis: Die genauen Druck ist nicht kritisch, und eine unter Druck stehenden Gasquelle aus einer zentralen Bausystem eignet sich gut für diesen Schritt. - Reinigen Sie Nr. 1 Borosilikat Deckglas Substrat mit einem Tensid, z. B. einem pulverförmigen Waschmittel und trocknen Sie es mit einer Druckluft-Quelle mit einem 0,2 µm-Filter ausgestattet. Reinigen Sie gründlich, wie Deckglas oft mit einem hydrophoben Gleitmittel beschichtet ist und ist nicht in der Lage, an PDMS zu binden, es sei denn, es richtig gereinigt wird.
- Mit druckempfindlichen Klebeband, leicht berühren Sie die PDMS um verbleibende Staub zu entfernen. Drücken Sie um sicherzustellen, dass die geformten Funktionen nicht beeinträchtigt werden, nicht mit großen Mengen an Kraft auf dem Band.
- Das PDMS Gerät und eine gereinigte Deckglas in einem Sauerstoffplasma Reiniger für 1 min. Stellen Sie sicher die Farbe aus der Plasmakammer sauberer ist hell Magenta während des Prozesses. Stellen Sie sicher, dass das PDMS-Gerät seine geformten ausgesetzt, aufgedeckt, im Plasma Reiniger verfügt.
- Nehmen Sie die PDMS und dem Deckglas aus dem Plasma Reiniger und das Deckglas, Gesicht nach unten, auf dem PDMS-Gerät.
Hinweis: Dies bewirkt das Deckglas und PDMS, fast sofort zu verbinden. Wenn die Bindung nicht sichtbar ist, drücken Sie vorsichtig das Deckglas zu PDMS in einem Abschnitt des PDMS frei von geformten Funktionen. Dadurch sollte die Bindung zwischen dem PDMS und dem Deckglas auftreten. - Platzieren Sie das Gerät PDMS in einem Ofen bei 90 ° C für mindestens 12 Stunden, um sicherzustellen, dass die PDMS und dem Deckglas gut haftende sind.
(3) Feedback-gesteuerten Spritze Pumpe Systemmontage
- Einen angemessenen Betrag von der Länge der Kabelisolierung und Abschirmung von einem Drucksensor Stromkabel mit einer Rasierklinge zu entfernen. Seien Sie sanft, beim Schneiden um sicherzustellen, dass die Kabel nicht über die gewünschte Länge beeinträchtigt werden. Einmal die Isolierung und Abschirmung werden entfernt, die Drähte an rechteckigen Stecker anschließen.
- Mit einem ähnlichen Ansatz zum vorherigen Schritt, 1-2 cm von der Aderisolierung aus einem Schrittmotor führt zu entfernen und die Drähte an rechteckigen Stecker anschließen.
- Befestigen Sie die Spritze auf der Einlassseite des Drucksensors. Schließen Sie eine 22 G Dosiernadel auf der Auslassseite des Drucksensors.
- Schieben Sie ein Ende des 0,51 cm Durchmesser Schlauch über 22 G Dosiernadel mit Drucksensor verbunden.
- Schieben Sie das andere Ende des 0,51 cm Durchmesser Schlauch über eine 22 G Dosiernadel, die der Mikrofluidik-Gerät angeschlossen werden können. Die Nadel an der Ansaugöffnung des mikrofluidischen Geräts anschließen.
- Verbinden Sie die Auslassöffnung eines Geräts mikrofluidischen Abfallentsorgung Stausee mit 22 G Nadel und 0,51 cm Durchmesser Schlauch, ähnlich wie die Einlassöffnung Verbindung.
- Montieren Sie die elektronische Schaltung auf einem Steckbrett Prototyping entsprechend dem Diagramm in Abbildung 3.
Hinweis: Diese Steckbrett dient dazu, das Signal vom Drucksensor von einem Mikrocontroller überwacht werden Zustand. Andere kompatible Mikrocontroller kann verwendet werden, um die Druck-Sensor-Signal zu überwachen. - Verbinden Sie die Kabel aus den Schrittmotor mit der Schrittmotor-Treiber. Verbinden Sie die Kabel aus der Drucksensor und der Schrittmotor-Treiber mit dem Steckbrett entsprechend dem Schaltplan in Abbildung 3. Die freiliegenden Drähte vom Drucksensor sind farblich gekennzeichnet und sollten wie folgt angeschlossen werden: rot sollte verbinden mit V +, schwarz sollte verbinden mit V - grün, Signal + verbinden sollte und weiß sollten an Signal - anschließen.
- Verbinden Sie das Ausgangssignal von dem Steckbrett mit der analogen Pin auf den Mikrocontroller.
- Verbinden Sie die Logik-input-Pins von der Schrittmotor-Treiber mit den digitalen Stiften auf den Mikrocontroller. Die STEP-Input auf der Schrittmotor-Treiber ist verbunden mit einem Puls Breite modulierte (PWM) Anschluss von digitalen Stiften auf den Mikrocontroller, gekennzeichnet durch ein "~" Zeichen.
- Schließen Sie das Netzteil mit dem Steckbrett entsprechend dem Diagramm in Abbildung 3. Setzen Sie das Netzteil auf 10 V für die Surfboard und der Schrittmotor-Treiber.
4. Druck-Sensor-Kalibrierung
Hinweis: Basierend auf den Verstärker in diesem Papier gewählt, ist die Formel zur Berechnung des Gewinns G = 5 + (200k/RG) mit RG = R1 und G = Verstärkungsfaktor. Der Verstärkungsfaktor hier ist ca. 606. Dieser Wert kann geändert werden, durch eine Änderung des Widerstandes R1 verwendet. Darüber hinaus wird wie die Logik der Mikrocontroller Board 5 V ist und die Instrumentierung ist mit 10 V angetrieben, eine einfachen Spannungsteiler-Schaltung, R2 und R3, verwendet, um das Ausgangssignal nicht mehr als 5 V zu sichern.
- Downloaden Sie und installieren Sie die entsprechende integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) für den Mikrocontroller.
- Herunterladen Sie den Controller-Code, mit dem Titel "Pressure_Sensing.ino" aus den zusätzlichen Dateien. Verwenden Sie diese Option Code ist das Drucksignal von dual Drucksensoren zu erwerben.
Hinweis: In diesem Dokument verwendete Mikrocontroller und Controller Code enthalten analoge input-Pins mit einer 10-Bit-Auflösung, die die analogen Signale vom Drucksensor alle 200 ms lesen, um die Schrittmotoren zu betätigen. Die Zahl in der Klammer des analogRead() entspricht der analogen Pin angeschlossen an das Ausgangssignal von der Spannungsteiler-Schaltung in der Druck-Sensor-Schaltung in Abbildung 3. Die Verzögerung Variable repräsentiert das Intervall an, die das Signal erneut ausgewertet wird und die Ausgabe entsprechend, in ms. - Wenden Sie bekannter Druck zur Zuleitung des Sensors mit dem Auslass verschlossen an und Messen Sie das resultierende Ausgangssignal zu.
Hinweis: Eine einfache Methode, um den Drucksensor kalibrieren verwendet ein Reservoir mit Wasser statt in unterschiedlichen Höhen. Die daraus resultierende Gravitationsdruck erkannt wird ein Drucksensor kalibrieren lassen. - Plotten Sie das Diagramm mit der Kalibrierung Druck (Pa) auf der x-Achse und das Drucksignal (V) auf der y-Achse um einen numerischen Wert von y-Achsenabschnitt zu erhalten.
- Anwenden dieser Zahlenwert in der Controller-Code, wie die Variablen sensor1Offset und sensor2Offset im "Dual_Pump_PID_Control.ino" Code der Zusätzlichen Dateien, um den Druckwert in das Regelsystem zu kalibrieren.
(5) Aufnahmen von mikrofluidischen Gerät
- Verbinden Sie einen Mikrocontroller zu einem OpenSource-Einplatinen-Computer über eine serielle Schnittstelle, so dass der Aufnahme von Mikrocomputer-Trigger-Druckmessungen vom Mikrocontroller getroffen werden.
- Schließen Sie ein Kameramodul für den Einplatinen-Computer zu einer die Okulare ein Stereomikroskop gemacht. Hier ist ein 20 X Vergrößerung verwendet, um die mikrofluidischen Geräte Bild.
6. Steuerung Druck Spritzenpumpen
- Öffnen Sie die IDE für den Open-Source-Mikrocontroller. Die Timer.h13 und AccelStepper.h14 Bibliotheken auf den Mikrocontroller IDE Bibliotheksverzeichnis herunterladen.
- Herunterladen Sie den Controller-Code, mit dem Titel "Dual_Pump_PID_Control.ino" aus den Zusätzlichen Dateien. Dieser Code dient zur Steuerung des Feedback-gesteuerten Spritze-Pumpe-Systems mit zwei Pumpen.
- Den Controller-Code zu programmieren, so dass es passt das Experiment durchgeführt. Ändern Sie die Steuerungsparameter oder die Timing-Parameter, um die gewünschte Reaktion und die Dauer des Experiments zu passen. Kompilieren Sie und laden Sie den Code auf den Mikrocontroller vor Durchführung des Experiments.
Hinweis: In der Controller-Code setPoint1/2 Werte sind sowohl das Druckniveau und stepper1/2Out Werte werden verwendet, um die Pumpendrehzahl anpassen. Die letzten beiden Werte in der Spalte AccelStepper stepper1/2 entsprechen die Port-Nummer auf den Mikrocontroller. Die MilliTiming-Variable bestimmt die Frequenz des Lesens des analogen Signals von den Drucksensoren und die PrintTiming-Variable bestimmt die Häufigkeit der Ausgabe von Geschwindigkeit und Druck Werte an einen seriellen Monitor zur Inspektion. Alle Einheiten sind in Ms., die die MaxError-Variable aus der Logikpegel des Mikrocontroller Board ermittelt wird. Ein Wert von 5 dient hier als der Mikrocontroller in diesem Protokoll 5 V ist. - Schalten Sie die Stromversorgung für die Spritze-Pumpen-System. Stellen Sie die Spannung auf 10 V für die Stepper motor Stromversorgung.
7. Optimierung der PID-Regler-Parameter
Hinweis: Der ideale Controller-Parameter-Werte variieren je nach Anwendung und mikrofluidischen Gerät Geometrie. Zum Beispiel für langfristige Studien (in Stunden), kann eine niedrigere proportionale Konstante (Kp) Überschwingen auf Kosten der Reaktionszeit zu minimieren vorzuziehen. Diese Kompromisse hängen experimentellen Bedingungen und Ziele.
- Stimmen Sie den Controller mit einem manuellen Ansatz durch eine erste Anpassung die proportionale Konstante (Kp), die Reaktionszeit des eine Treppenfunktion zu verbessern.
Hinweis: Obwohl algorithmische Ansätze können werden verwendet, Handbuch tuning arbeitet für die mikrofluidische Anwendungen in diesem Papier angezeigt. - Als nächstes ändern Sie die Integral (Ki) und differentielle (Kd) Parameter zu minimieren das Überschwingen und eine Sollwert Stabilität zu gewährleisten.
- Legen Sie die PID-Werte für die Variablen Kp, Ki und Kd in der Controller-Code Zusätzliche Dateien.
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Representative Results
Hier präsentieren wir ein Protokoll für den Bau einer Feedback-gesteuerten Spritze pump System und seine Einsatzmöglichkeiten für mikrofluidische Anwendungen zu demonstrieren. Abbildung 1 zeigt das angeschlossene System Spritzenpumpe, Drucksensor, mikrofluidischen Gerät, Mikrocontroller, Druck-Sensor-Schaltung und Schrittmotor-Treiber. Detaillierte Beschreibungen für die Spritze Pumpe Montage sind in Abbildung 2 dargestellt und die elektronische Schaltung Schaltplan für die Abtastung von Druck ist in Abbildung 3dargestellt. Der Prozess der kontrollierenden Parameter-Tuning ist in Abbildung 4dargestellt. Zu guter Letzt ist ein repräsentatives Ergebnis des Controllings Eingangsdruck in einem zwei-Einlass y-förmigen mikrofluidischen Gerät in Abbildung 5dargestellt.
Abbildung 1: Aufbau des Feedback-gesteuerten Spritze Pumpe Systems. Dieses Bild zeigt den Aufbau des Pumpsystems Spritze. Die Spritze enthält die Injektionslösung und wird durch die 3D-gedruckten Spritzenpumpe betätigt. Wie A. der Piezoresistive Drucksensor ist mit b verbunden. die Spritzenpumpe und C. mikrofluidische Gerät, den Druck vom Gerät erkannt und umgewandelt in ein elektrisches Signal d. Druck-Sensorschaltung mit Messverstärker einmal die Flüssigkeit wird durch den Schlauch geliefert. Das Signal vom Drucksensor wird von E. gelesen. der Open-Source-Mikrocontroller, die an Bord dann überträgt das notwendige Signal auf F. der Schrittmotor-Treiber, die Betätigung der Spritzenpumpe zu kontrollieren. G. eine Stromversorgung und H. ein Laptop ist programmiert und das System erforderlich. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: Montage Foto für den 3D-Druck Spritzenpumpe. Diese Abbildung zeigt die schrittweisen Anleitungen für die 3D-gedruckten Spritze Montage, mit Fotos, das Verfahren in Schritt 1.2 des Protokolls entspricht. A. dieses Bild zeigt die Materialien für die Spritze Pumpe Montage. B. dieses Bild zeigt wie der Schrittmotor mit der Gewindestange (Schritt 1.2.1) verbunden ist. C. dieses Bild zeigt wie der Teil von Schritt 1.2.1 des Protokolls zum Teil aus Schritt 1.2.2 des Protokolls (Schritt 1.2.3) angeschlossen ist. D. Dieses Bild zeigt die Montage des Reisenden Push Stück (Schritt 1.2.5). E. dieses Bild zeigt wie der Anschlag verbunden ist (Schritt 1.2.10). F. dieses Bild zeigt wie die Spritze Kolben Buchse Stück an der montierten Komponenten (Schritt 1.2.11) angeschlossen ist. G. dieses Bild zeigt die Montage der Spritze Kolben Stecker Stück (Schritt 1.2.13). H. dieses Bild zeigt wie die Spritze Klemme angeschlossen ist (Schritt 1.2.14). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: Illustration für Mikrocontroller und Druck sensorkreis. Die Schaltung erlaubt die Mikrocontroller Board verstärkten Drucksignale vom Drucksensor messen. A. Dies ist die Montage-Foto für die Schaltung. B. diese Abbildung zeigt die Leiterplatten-Layouts. Die freiliegenden Drähte vom Drucksensor sind farblich gekennzeichnet und sollten wie folgt angeschlossen werden: rot sollte verbinden mit V +, schwarz sollte verbinden mit V - grün, Signal + verbinden sollte und weiß sollten an Signal - anschließen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: Tuning der Steuerparameter. Der PID-Regler verwendet, um die Spritze Pumpe Flüssigkeitsdruck regulieren kann durch Ändern der Proportional (Kp), Integral (Ki) und differentielle (Kd) Parameter eingestellt werden. Hier zeigen wir, wie tuning (mit Kp) hilft, um die Antwortzeit zu reduzieren. Weitere Feinabstimmung (mit Ki und Kd) kann helfen, eine Sollwert Stabilität gewährleisten und Überschwingen reduzieren. In diesem Protokoll sind in erster Linie Controller abgestimmt mit einem manuellen Versuch-und-Irrtum-Ansatz. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5: Kontrolle der Eingangsdruck ein Laminar-Flow mikrofluidischen. Einem y-förmigen mikrofluidischen Gerät wird hergestellt nach dem Verfahren gemäß Schritt 2 dieses Protokolls. Das Gerät verfügt über zwei Einlass-Ports und eine Auslassöffnung. Zwei Spritzensysteme Pumpe werden zusammengebaut, um die Eingangsdrücke zu steuern. Einer der Spritzen mit einem blauen Farbstoff geladen und die andere ist voll mit Wasser. A. diese Bilder von der Strömung aus dem gleichen Druck seitens beider Pumpen werden mit den Ansatz, die in Schritt 6 dieses Protokolls detailliert erfasst. B. diese Zahl zeigt, wie die Eingangsdrücke werden überwacht und kontrolliert mit Hilfe der PID-Regler in Abbildung 4abgestimmt. Enge Einhaltung der Sollwert kann beobachtet werden. (S) kürzer und länger (h) Experimente zeigten ähnliche Ergebnisse. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Discussion
Hier haben wir ein neues Design für eine Spritze Pumpensystem mit geschlossenen Druckregelung vorgestellt. Dies wurde erreicht durch die Integration einer 3D-gedruckten Spritzenpumpe mit einem piezoresistiven Drucksensor und ein Open-Source-Mikrocontroller. Durch den Einsatz eines PID-Reglers, waren wir in der Lage, präzise Kontrolle der Eingangsdruck und bieten schnelle Reaktionszeiten bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Stabilität über einem festgelegten Punkt.
Viele Experimente mit mikrofluidischen Geräten erfordern eine präzise fluidische Steuerung und ein gut charakterisierten Laminar-Flow-Profil zu nutzen. Beispiele wo eine stabile Strömungsprofil wichtig ist sind Experimente, die zeitliche und räumliche Konzentration Steigungen15 erkunden und erzeugen präzise fluidische Kapselungen für weitere Analyse16. Mit einem PID-Regler um die Hochleistungs-Antwort zu erhalten, erzeugt das System beschrieben in diesem Protokoll die Durchflussregulierung und Langzeitstabilität notwendig solche Laminar-Flow-Experimente zu erforschen.
Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass mikrofluidischen Geräte und Experimente mit ihnen feine Variationen und Unterschiede haben. Beispielsweise erfordern unterschiedliche mikrofluidischen Geometrien (Kanalbreite und Höhe) unterschiedliche Profile. Infolgedessen müssen die Parameter für die PID-Regler entsprechend abgestimmt werden. Darüber hinaus erfordern einige Experimente eine strenge Regulierung der Druckbereiche. In diesen Fällen kann die Druck-Überschreitung nicht akzeptabel sein. Als solche müssen die Regelparameter PID abgestimmt werden, so dass das Überschwingen in der Regel auf Kosten der Reaktionszeit minimiert wird.
Durch die kostengünstige Produktion von dieser Pumpe Spritzensystem sollten Forscher schnell mikrofluidischen Experimente entwickeln zu können. Die geschätzte Kosten für ein 3D-gedruckten Spritzenpumpe, Mikrocontroller und Druck sensorkreis ist ungefähr US$ 130. Im Gegensatz zu kommerziell verfügbaren Alternativen wie z. B. peristaltischen und rezirkulationspumpen, diese Spritze Pumpensystem bietet eine flexible und unkomplizierte Plattform, die eine Vielzahl von Labor Anwendungen angepasst werden kann. Obwohl hier nicht behandelt, können einfachere Steuerungsstrategien, z. B. die Knall-Knall-Controller für Langzeitstudien mikrofluidischen verwendet werden. Darüber hinaus können die Spritze Pumpensysteme für ein Vakuum Druck auf eine Lautstärke verwendet werden.
Eine mögliche Einschränkung dieses Spritze-Pumpe-Systems mit einem PID-Regler ist der Rückgriff auf eine Konstante Stromversorgung. Da die PID Control-Methode der Konstanten Bestromung des Schrittmotors erforderlich ist, gibt es ein relativ großen Leistungsbedarf. Im Gegensatz dazu energetisiert der Knall-Knall-Controller nur den Schrittmotor im Bedarfsfall mit wesentlich weniger Strom. Dieser Strombedarf kann gemildert werden, durch die Entwicklung einer Hybrid-Kontrollstruktur, die implementiert einen PID-Regler um zunächst eine sollwertbereich erreichen und dann de-regt die Stepper motor Spulen, sobald der Druckwert innerhalb eines gegebenen Bereichs Sollwert ist. Alternativ kann ein einfache Knall-Knall-Controller sowie verwendet werden.
Darüber hinaus diese Spritze-Pumpe-System ermöglicht eine flexible Leistung und Kontrolle durch die Veränderung der Größe des Schrittmotors und die Spritze selbst. In bisherigen Experimenten haben wir Spritzen 1 mL, 5 mL, 10 mL und 30 mL verwendet. Natürlich jeder Spritzenpumpe erfordern etwas andere PID-Regler-Parameter und würden daher erfordern individuelle Parameter zu optimieren. Diese Flexibilität ermöglicht jedoch die Spritze Pumpensystem beschrieben in diesem Protokoll in einer Reihe von Anwendungen verwendet werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass ein gemeinsamer Raum der mikroapparat Scheitern die Unfähigkeit ist, effektiv die PDMS auf dem Deckglas verkleben. Für die Mikrofluidik Gerät Herstellung sollte die Macht des Plasmas sauberer optimiert werden, wenn die Bindung unwirksam ist. Auch sollte vor der Bindung an eine starke Bindung mit dem PDMS zu gewährleisten keine Schmierstoffe oder Verunreinigungen auf dem Deckglas Oberfläche entfernt werden. Gründlich waschen und Entfernen von Staub aus der PDMS-Komponente sollte dazu beitragen, eine gute Abdichtung zwischen dem PDMS und das Glas gebildet wird.
Die kostengünstige, Feedback-gesteuerten Pumpe Spritzensystem hier vorgestellten erlaubt Forschern, das Fluid Profil mit einem hohen Grad an Stabilität auf flexible Weise zu manipulieren. Durch die Integration von Druck-Sensor-Modul mit einfachen PID Control-Methoden, ist das System Hochleistungs-Druck-driven Flusssteuerung anbieten. Dieses Tool kann im großen und ganzen über viele Forschungsbereiche angewendet werden, wo Mikrofluidik-Werkzeuge im Einsatz sind.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Die Autoren erkennen Unterstützung durch das Office of Naval Research awards N00014-17-12306 und N00014-15-1-2502, sowie von der Air Force Office of Scientific Research award, FA9550-13-1-0108 und der National 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
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