Summary
يوضح البروتوكول طريقة ملائمة لإنتاج تدفق تذبذبي توافقي من 10-1000 هرتز في القنوات الدقيقة. يتم تنفيذ ذلك عن طريق ربط غشاء مكبر الصوت الذي يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر بالقناة الدقيقة بطريقة معيارية.
Abstract
أصبحت تكنولوجيا الموائع الدقيقة أداة قياسية في المختبرات الكيميائية والبيولوجية لكل من التحليل والتوليف. يتم حقن العينات السائلة ، مثل الكواشف الكيميائية ومزارع الخلايا ، في الغالب من خلال تدفقات ثابتة يتم تشغيلها عادة بواسطة مضخات المحاقن أو الجاذبية أو القوى الشعرية. نادرا ما يتم النظر في استخدام التدفقات المتذبذبة التكميلية في التطبيقات على الرغم من مزاياها العديدة كما هو موضح مؤخرا في الأدبيات. ومن المرجح أن يكون العائق التقني الكبير أمام تنفيذ التدفقات المتذبذبة في القنوات الدقيقة مسؤولا عن عدم اعتماده على نطاق واسع. غالبا ما تكون مضخات المحاقن التجارية المتقدمة التي يمكنها إنتاج تدفق تذبذبي أكثر تكلفة ولا تعمل إلا على ترددات أقل من 1 هرتز. هنا ، يتم عرض تجميع وتشغيل جهاز منخفض التكلفة قائم على مكبر الصوت من نوع التوصيل والتشغيل يولد تدفقا تذبذبيا في القنوات الدقيقة. يمكن تحقيق تدفقات تذبذب توافقية عالية الدقة بترددات تتراوح بين 10-1000 هرتز إلى جانب التحكم المستقل في السعة. يمكن تحقيق سعات تتراوح بين 10-600 ميكرومتر في جميع أنحاء نطاق التشغيل بأكمله ، بما في ذلك السعات > 1 مم عند تردد الرنين ، في قناة صغيرة نموذجية. على الرغم من أن تردد التذبذب يتم تحديده بواسطة مكبر الصوت ، إلا أننا نوضح أن سعة التذبذب حساسة لخصائص السوائل وهندسة القناة. على وجه التحديد ، تنخفض سعة التذبذب مع زيادة طول دائرة القناة واللزوجة السائلة ، وفي المقابل ، تزداد السعة مع زيادة سمك أنبوب مكبر الصوت وطوله. بالإضافة إلى ذلك ، لا يتطلب الجهاز أي ميزات سابقة ليتم تصميمه على القناة الدقيقة ويمكن فصله بسهولة. يمكن استخدامه في وقت واحد مع تدفق ثابت تم إنشاؤه بواسطة مضخة حقنة لتوليد تدفقات نابضة.
Introduction
يعد التحكم الدقيق في معدل تدفق السائل في القنوات الدقيقة أمرا بالغ الأهمية لتطبيقات المختبر على رقاقة مثل إنتاج القطيرات والتغليف1 ، وخلط2،3 ، وفرز الجسيمات العالقة ومعالجتها4،5،6،7. الطريقة المستخدمة في الغالب للتحكم في التدفق هي مضخة حقنة تنتج تدفقات ثابتة عالية التحكم تستغني إما عن حجم ثابت من السائل أو معدل تدفق حجمي ثابت ، وغالبا ما يقتصر على التدفق أحادي الاتجاه بالكامل. تشمل الاستراتيجيات البديلة لإنتاج تدفق أحادي الاتجاه استخدام رأس الجاذبية8 أو القوى الشعرية9 أو التدفق الكهرواسمي10. تسمح مضخات المحاقن القابلة للبرمجة بالتحكم ثنائي الاتجاه المعتمد على الوقت في معدلات التدفق والأحجام المستغنة، ولكنها تقتصر على أوقات الاستجابة التي تزيد عن 1 ثانية بسبب القصور الذاتي الميكانيكي لمضخة المحقنة.
يفتح التحكم في التدفق على نطاقات زمنية أقصر عددا كبيرا من الاحتمالات التي يتعذر الوصول إليها بسبب التغيرات النوعية في فيزياء التدفق. أكثر الوسائل العملية لتسخير فيزياء التدفق المتنوع هذه هي من خلال الموجات الصوتية أو التدفقات المتذبذبة مع فترات زمنية تتراوح بين 10-1-10-9 ثانية أو 10 1-10 9 هرتز. يتم الوصول إلى الطرف الأعلى من نطاق التردد هذا باستخدام الموجات الصوتية السائبة (BAW؛ 100 kHz-10 MHz) والموجة الصوتية السطحية (SAW؛ 10 MHz-1 GHz). في جهاز BAW نموذجي ، يتم اهتزاز الركيزة بأكملها وعمود السائل عن طريق تطبيق إشارة الجهد عبر الكهرباء الضغطية المستعبدة. وهذا يتيح إنتاجية عالية نسبيا ولكنه يؤدي أيضا إلى التسخين بسعات أعلى. ومع ذلك ، في أجهزة SAW ، تتأرجح الواجهة الصلبة السائلة عن طريق تطبيق الجهد على زوج من الأقطاب الكهربائية المتداخلة الأرقام المنقوشة على ركيزة كهرضغطية. نظرا للأطوال الموجية القصيرة جدا (1 ميكرومتر - 100 ميكرومتر) ، يمكن معالجة الجسيمات الصغيرة التي تصل إلى 300 نانومتر بدقة بواسطة موجة الضغط المتولدة في أجهزة SAW. على الرغم من القدرة على التعامل مع الجسيمات الصغيرة ، تقتصر طرق SAW على معالجة الجسيمات المحلية لأن الموجة تضعف بسرعة مع المسافة من المصدر.
في نطاق التردد kHz 1-100 ، عادة ما يتم توليد تدفقات تذبذبية باستخدام عناصر بيزو مرتبطة بقناة دقيقة متعددة الميثيل سيلوكسان (PDMS) فوق تجويف مصمم16,17. يتصرف غشاء PDMS فوق التجويف المزخرف مثل غشاء يهتز أو أسطوانة تضغط على السائل داخل القناة. في نطاق التردد هذا ، يكون الطول الموجي أكبر من حجم القناة ، لكن سعات سرعة التذبذب صغيرة. الظاهرة الأكثر فائدة في نظام التردد هذا هي توليد تدفقات التدفق الصوتية / اللزجة ، والتي يتم تصحيحها تدفقات ثابتة ناتجة عن عدم الخطية المتأصلة في تدفق السوائل مع القصور الذاتي18. عادة ما تظهر تدفقات التدفق الثابت على شكل دوامات مضادة للدوران عالية السرعة بالقرب من العقبات أو الزوايا الحادة أو الفقاعات الصغيرة. هذه الدوامات مفيدة لخلط 19,20 وفصل جسيمات بحجم10 ميكرومتر عن تيار التدفق 21.
بالنسبة للترددات في نطاق 10-1000 هرتز ، فإن سرعة المكون المتذبذب والتدفق اللزج الثابت المرتبط به كبيران ومفيدان. يمكن استخدام التدفقات المتذبذبة القوية في نطاق التردد هذا للتركيز بالقصور الذاتي22 ، وتسهيل توليد القطيرات23 ، ويمكن أن تولد ظروف تدفق (أرقام Womersley) التي تحاكي تدفق الدم للدراسات في المختبر . من ناحية أخرى ، تعد تدفقات التدفق مفيدة للخلط ومحاصرة الجسيمات والتلاعب. يمكن أيضا تحقيق التدفق المتذبذب في هذا النطاق من الترددات باستخدام عنصر بيزو مرتبط بالجهاز كما هو موضح أعلاه23. هناك عقبة كبيرة أمام تنفيذ التدفقات المتذبذبة من خلال عنصر بيزو المستعبدين وهي أنها تتطلب تصميم الميزات مسبقا. علاوة على ذلك ، فإن عناصر السماعة المستعبدة غير قابلة للفصل ، ويجب ربط عنصر جديد بكل جهاز24. ومع ذلك ، فإن هذه الأجهزة تقدم ميزة كونها مضغوطة. طريقة بديلة هي استخدام صمام الترحيل الكهروميكانيكي20. تتطلب هذه الصمامات مصادر ضغط هوائية وبرامج تحكم مخصصة للتشغيل وبالتالي تزيد من الحاجز التقني أمام الاختبار والتنفيذ. ومع ذلك ، فإن هذه الأجهزة تمكن من تطبيق سعة الضغط والتردد المحددين.
في هذه المقالة ، يتم وصف بناء وتشغيل وتوصيف طريقة سهلة الاستخدام لتوليد تدفقات تذبذبية في نطاق تردد 10-1000 هرتز في القنوات الدقيقة. توفر هذه الطريقة العديد من المزايا مثل التجميع الفعال من حيث التكلفة ، وسهولة التشغيل ، والاستعداد للتفاعل مع قنوات الموائع الدقيقة القياسية وملحقاتها مثل مضخات المحاقن والأنابيب. بالإضافة إلى ذلك ، مقارنة بالنهج المماثلة السابقة25 ، توفر الطريقة للمستخدم تحكما انتقائيا ومستقلا في ترددات التذبذب وسعاته ، بما في ذلك التعديل بين الأشكال الموجية الجيبية وغير الجيبية. وتتيح هذه الميزات للمستخدمين نشر التدفقات المتذبذبة بسهولة، وبالتالي تيسير الاعتماد على نطاق واسع في مجموعة واسعة من تكنولوجيات وتطبيقات الموائع الدقيقة الموجودة حاليا في مجالي البيولوجيا والكيمياء.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. تصميم قالب النموذج الأولي السريع والتصنيع
- افتح AutoCAD على جهاز كمبيوتر. حدد ملف على شريط المهام، ثم حدد فتح واستعرض للوصول إلى ملف نموذج ثلاثي الأبعاد (3D) لقالب القناة له امتداد .dxf أو .dwg.
- حدد النموذج بأكمله بالنقر فوق مربع حوله وسحبه. تصدير التصميم كملف .stl عن طريق تحديد ملف | تصدير، ثم تنسيقات أخرى واختيار .stl من المربع المنسدل.
- قم بتحميل الملف إلى طابعة طباعة حجرية مجسمة راتنجية عالية الدقة (SLA) مثل Formlabs FORM3. صب الراتنج في غرفة الراتنج وابدأ الطباعة وإنتاج القالب بأصغر خطوات المحور z (25 ميكرون لراتنج Formlabs CLEAR).
- انتظر حتى تكتمل طباعة الأجزاء التلقائية.
ملاحظة: يمكن تصنيع القوالب ذات الميزات الصغيرة التي لا تتجاوز 0.1 مم بهذه الطريقة. - بعد إزالة الجزء من الراتنج ، حركه في الأيزوبروبانول لمدة 5 دقائق لإزالة أي راتنج متبقي.
- جفف القالب بالهواء أو غاز النيتروجين لمدة 2 دقيقة.
ملاحظة: يمكن أيضا استخدام تصنيع قوالب الموائع الدقيقة التقليدية مع رقائق السيليكون والطباعة الحجرية الضوئية مع أي مقاومة ضوئية SU8 أو KMPR لإنتاج قالب بميزات أصغر. - علاج العفن المجفف عند 60 درجة مئوية في ضوء الأشعة فوق البنفسجية لمدة أقصاها 1 ساعة.
2. PDMS تصنيع القنوات الدقيقة
- ضع القالب على ورقة من رقائق الألومنيوم. لتسهيل إزالة PDMS ، قم برش القالب بإطلاق قالب السيليكون في 1 أو 2 تمريرة.
- صب راتنج PDMS والرابط المتقاطع في كوب يمكن التخلص منه بنسبة 10: 1 بالوزن واخلطه بملعقة يمكن التخلص منها.
- صب الخليط الناتج على القالب لإنتاج فيلم بالسماكة المطلوبة. لمنع تشوه جدار القناة الكبيرة ، حافظ على سمك PDMS أكثر من 5 مم أو 3-4 أضعاف الحد الأقصى لسمك الميزة.
- ضع القالب مع PDMS المصبوب في غرفة degas وأغلق الغطاء. تأكد من أن الحلقة O تغلق الغرفة بإحكام.
- أغلق صمام العادم وقم بتشغيل مضخة التفريغ الخشنة لبدء إزالة الغازات.
- قم بتفريغ الخليط المصبوب في مضخة تفريغ لأكثر من 4-6 دورات مع كل دورة تستمر حوالي 5 دقائق. قم بإزالة أي فقاعات متبقية يدويا (في الزوايا والخنادق) باستخدام سلك رفيع.
- اضبط درجة حرارة الفرن على 80 درجة مئوية واتركه يسخن مسبقا. ضع الخليط في الفرن على درجة حرارة 80 درجة مئوية لمدة 2 ساعة للعلاج.
- أخرجي القالب المعالج من الفرن واتركيه في درجة حرارة الغرفة لمدة 10 دقائق حتى يبرد.
- باستخدام مشرط ، قطع بعناية حواف القالب. للحصول على التفكيك الأمثل ، استخدم حقنة لحقن الأيزوبروبانول بين القالب و PDMS المعالج.
- قشر PDMS المعالج من القالب وقطعه إلى أجهزة فردية باستخدام شفرة حلاقة. يجب أن يتراوح حجم كل جهاز بين 10 مم × 10 مم إلى 30 مم × 70 مم ليتم ربطه بالشريحة الزجاجية.
- اصنع ثقبا قطره 1.0-3.0 مم عند المدخل والمخرج باستخدام لكمة خزعة.
- قم بتشغيل مولد البلازما المحمول بتردد الراديو (RF). لتنشيط الشريحة الزجاجية ، قم بتمرير قطب السلك بثبات فوق شريحة زجاجية جافة نظيفة عدة مرات لمدة 2 دقيقة. الحفاظ على فجوة سلكية إلى زجاجية تبلغ حوالي 5 مم. ضع جانب الجهاز من PDMS المعالج على اتصال مع الشريحة الزجاجية المنشطة ثم ضعه في فرن 80 درجة مئوية لمدة 2 ساعة.
- قطع أنابيب مدخل ومخرج البولي إيثيلين إلى الطول المطلوب وإدخالها في فتحات المدخل والمخرج.
- لمنع انفصال الأنبوب أثناء التشغيل ، ضع مانع التسرب السيليكوني على سطح التلامس واترك العلاج لمدة 2 ساعة لتأمين الأنابيب.
3. تجميع سائق التذبذب
- قم بتثبيت أطراف مشبك التمساح لزوج من أسلاك التمساح إلى الدبوس على أطراف السماعة. هنا تم استخدام مكبر صوت 15 واط مع مخروط 8 سم على الرغم من أنه يمكن أيضا استخدام مكبرات صوت أخرى.
- ضع شريحة وحدة التحكم aux على حاوية عازلة. أدخل نهايات الدبوس في المقابس اللولبية لشريحة وحدة التحكم aux وشدها بإحكام باستخدام مفك البراغي لضمان الاتصال.
- قم بتوصيل أحد طرفي كابل aux بشريحة وحدة التحكم والطرف الآخر بمنفذ aux على جهاز كمبيوتر أو هاتف ذكي.
- قم بتوصيل محول تيار مباشر (DC) بجهد 12 فولت بموفر الطاقة. قم بتشغيل شريحة وحدة التحكم عن طريق توصيل الطرف المحوري لمحول التيار المستمر بمقبس الطاقة.
- باستخدام متصفح الإنترنت ، انتقل إلى موقع ويب لمولد النغمات عبر الإنترنت (على سبيل المثال ، https://www.szynalski.com/tone-generator/ ).
- اكتب التردد المطلوب (5-1200 هرتز) في التطبيق عبر الإنترنت. مرر شريط مستوى الصوت إلى الكمية المطلوبة (على سبيل المثال، 100٪).
- انقر على رمز مولد نوع الموجة وحدد الشكل الموجي المطلوب (جيب الزاوية ، المربع ، المثلث ، المنشار). لاحظ أن الافتراضي هو شكل موجة جيبية. اضغط على تشغيل لتشغيل السماعة.
4. تجميع محول
ملاحظة: يتم توضيح مجموعة محول مكبر الصوت إلى الأنبوب الكاملة من خلال المخطط في الشكل 1.
- قم بإصلاح مكبر الصوت (الشكل 1 (I)) على حامل مكبر الصوت المطبوع ثلاثي الأبعاد (الشكل 1 (II)) (انظر speakermount.stl في الملف التكميلي 1) عن طريق لصق شريط فوق السطح المنحني وجانبي الحامل.
- قم بتوجيه السماعة عموديا بحيث يكون سطح مخروط السماعة متجها لأعلى. ضع المحول المطبوع ثلاثي الأبعاد (الشكل 1 (III)) (انظر speakertubeadapter.stl في الملف التكميلي 2) بشكل مركز على مخروط السماعة.
- ضع مانع التسرب السيليكوني بسخاء على طول حواف المحول واترك العلاج لمدة 2 ساعة.
- ضع مكبر الصوت وحامل مكبر الصوت على مسرح المجهر وقم بالشريط لأسفل لمنع الحركة أثناء التشغيل.
- اقطع طرف ماصة صغيرة سعة 200 ميكرولتر على بعد حوالي 2 سم من نهايته الضيقة وتخلص من النصف الأوسع من الطرف. ستكون النهاية المخروطية الضيقة بمثابة ختم إسفين للتعلق القابل للعكس.
- قم بتوصيل أنابيب البولي إيثيلين (الشكل 1 (V)) بمنفذ microchannel (الشكل 1 (VI)) عن طريق الخيط أولا عبر طرف الماصة الدقيقة (الشكل 1 (IV)) ، ثم من خلال النهاية المحورية للمحول وأخيرا من خلال الجانب.
- قم بربط الطرف الضيق لطرف الماصة بإحكام في الطرف المحوري للمحول لإنشاء ختم محكم قابل للفصل.
5. تشغيل الإعداد التجريبي للتدفقات المتذبذبة في القنوات الدقيقة
- أضف جزيئات التتبع إلى قارورة من محلول الجلسرين بوزن / وزن 22٪ (w / w) لإنتاج تعليق عائم محايد مع جزء حجمي من 0.01٪ -0.1٪ بوليسترين في السائل عند 20 درجة مئوية. اخلطي بقوة عن طريق الاهتزاز لإنتاج تعليق متجانس.
- قم بتحميل حقنة مدخل 1 مل مع 1 مل من العينة. قم بتركيب المحقنة المحملة وربطها على مضخة حقنة أوتوماتيكية. أدخل إبرة المحقنة في أنبوب مدخل الجهاز لإنشاء ختم مانع للماء.
- تأكد من توجيه أنبوب المخرج عبر مجموعة المحول وإلى خزان (انظر القسم السابق حول تجميع المحول).
- قم بتشغيل مضخة المحقنة. باستخدام الشاشة التي تعمل باللمس، حدد نوع المحقنة ك Becton-Dickinson 1 mL. ثم حدد بث. ثم حدد معدل التدفق المطلوب (0-1 مل / دقيقة) أو حجم التدفق (< 1 مل).
- ابدأ التدفق الثابت باستخدام مضخة الحقنة. انتظر حتى يتدفق حجم كاف من السائل ويتم ملء أنبوب المخرج بالسائل حتى السماعة.
ملاحظة: لن تختلف السعة المتذبذبة لإعداد معين باختلاف تدفق النقل الثابت إذا كان أنبوب المخرج جاهزا. - حدد التردد والسعة والشكل الموجي المطلوب في تطبيق مولد النغمة كما هو موضح في الخطوة 3.5 واضغط على تشغيل لإنشاء تدفق تذبذبي داخل القناة المصغرة.
6. الملاحظة وقياس السعة
- قم بتركيب الجهاز على المجهر. قم بإعداد التكوين البصري عن طريق تحديد عدسة موضوعية مع تكبير يتراوح بين 10x و 40x لضبط المستوى البؤري وتحديد موضع المرحلة.
- للحصول على قياسات في مستوى بؤري محدد جيدا، تأكد من أن عمق مجال العدسة الموضوعية أصغر من عمق القناة بعامل 5 أو أكثر.
- لمراقبة التدفق المتذبذب ، استخدم كاميرا عالية السرعة بمعدل إطارات لا يقل عن ضعف تردد التذبذب كما تم حسابه باستخدام نظرية أخذ العينات Nyquist. للحصول على دقة مفيدة عمليا للشكل الموجي ، قم بقياس 10 نقاط على الأقل لكل فترة زمنية باستخدام معدل إطارات > 10 أضعاف تردد التذبذب.
- بدلا من ذلك ، لمراقبة التأثيرات المصححة أو طويلة الأجل فقط للتدفقات النابضة ، قم بإجراء تصوير ستروبسكوبي عن طريق تعيين تردد الملاحظة على أي مقسوم مثالي لتردد التذبذب.
- لكل من التصوير المباشر والتصوير بالمنظار، استخدم كاميرا مزودة بغالق عالمي لتجنب تأثير الهلام. في كلتا الحالتين ، حافظ على وقت التعرض أصغر بكثير من الفترة الزمنية للتذبذب (بعامل 10 أو أكثر) لمنع الخطوط.
- لقياس سعة التذبذب بدون كاميرا عالية السرعة، سجل بمعدل إطارات تم الاحتفاظ به بالقرب من معدل الإطارات الستروبسكوبية ولكن ليس مساويا له (على سبيل المثال، 49 إطارا/ثانية لإشارة 50 هرتز). وهذا يؤدي إلى تذبذب بطيء للغاية يمكن من خلاله قياس السعة بدقة.
- مراقبة وتسجيل قياسات السعة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
لتوضيح قدرة وأداء الإعداد أعلاه ، يتم تقديم نتائج تمثيلية للتدفق المتذبذب في قناة صغيرة خطية بسيطة مع مقطع عرضي مربع. عرض وارتفاع القناة 110 ميكرومتر وطولها 5 سم. أولا ، نصف حركة جسيمات تتبع البوليسترين الكروية وكيف يمكن استخدامها للتحقق من دقة الإشارة المتذبذبة وكذلك نطاق سعات التذبذب التي يمكن تحقيقها. ثم نناقش تأثير خصائص سائلة محددة أو مواد الموائع الدقيقة على سعة التذبذب. وأخيرا، نوضح القدرة على الأشكال الموجية غير الجيبية.
للمقارنة، نحدد الحالة المرجعية من خلال خصائص الموائع التالية، وهندسة القنوات، والمواد الموائع الدقيقة. السائل العامل هو ماء منزوع الأيونات (μ = 1.00 mPa.s) مع جزء حجمي بنسبة 0.01٪ من جزيئات التتبع التي يبلغ قطرها ، d = 1 ميكرومتر والكثافة ، ρ = 1.20 كجم / م3. وقت استجابة الجسيمات المقابل ، الذي يعطيه ρd2/18μ ، هو 70 ns وهو أقل بكثير من المقاييس الزمنية المتذبذبة المقابلة (1-100 ms). يتم ملاحظة الجسيمات في القناة متوسطة الارتفاع بهدف 10x وعمق تركيز 10 ميكرومتر. يبلغ أقطار أنبوب الموائع الدقيقة 1.27 مم × 0.76 مم (الخارجي × الداخلي) وطول أنبوب مخرج يبلغ 12 سم يتم تثبيته على ارتفاع 5 سم فوق مستوى القناة.
ويبين الشكل 2 الإزاحات المتعقبة للجسيمات التتبعية في المستوى الأوسط للقناة لترددات التذبذب المختلفة. لوحظت إشارة توافقية لجميع ترددات التذبذب المعروضة، وهي 100 هرتز و200 هرتز و400 هرتز و800 هرتز. كان معدل إطارات التصوير أكبر من أو يساوي 20 ضعف تردد التذبذب. تم الحفاظ على إعداد السعة (مستوى صوت السماعة) ثابتا عبر ترددات التذبذب المختلفة. بالنسبة للترددات 100 هرتز و 200 هرتز و 400 هرتز و 800 هرتز ، تبلغ السعات المقابلة حوالي 125 ميكرومتر و 100 ميكرومتر و 25 ميكرومتر و 10 ميكرومتر على التوالي.
كما يستخدم الإزاحة المتعقبة للجسيمات لتحديد دقة الحركة التوافقية ونطاق سعات التذبذب، وهي خطوة حاسمة في عملية المعايرة. يتم توضيح دقة الإزاحة التوافقية للجسيمات عند ترددات وسعة تذبذب مختلفة باستخدام أطياف فورييه وتظهر في الشكل 3A. بالنسبة للترددات التي تبلغ 50 هرتز و 200 هرتز و 400 هرتز على التوالي ، يتم النظر في ثلاثة سعات مختلفة تتميز باختلاف الجهد في كابل aux (أو جهد إدخال مكبر الصوت). تسمى الإعدادات منخفضة (30٪ ، 1.5 فولت ، أصفر) ، متوسطة (60٪ ، 3 فولت ، برتقالية) ، وعالية (90٪ ، 4.5 فولت ، أحمر). هنا ، تمثل النسبة المئوية مقدار إعداد مستوى الصوت فيما يتعلق بالحد الأقصى لحجم مكبر الصوت ، أو الجهد المقابل البالغ 5 فولت. ويبين الشكل 3A أطياف فورييه لإزاحة الجسيمات عند ترددات تذبذب تبلغ 50 هرتز و200 هرتز و800 هرتز لثلاثة فولتية مختلفة لإدخال مضخم الصوت (1.5 فولت و3 فولت و4.5 فولت) تقابل الألوان الصفراء والبرتقالية والحمراء على التوالي. تتوافق الذروة الأولية للطيف تماما مع التردد المطبق لجميع إعدادات مستوى الصوت. تبلغ الذروة الأولية > 10 أضعاف القمم الثانوية ، حتى في أعلى سعة.
بالنسبة لجهد إدخال مكبر للصوت يبلغ 5 فولت ، يكون لسعة إزاحة مخروط مكبر الصوت قيمة قصوى تبلغ 5 مم وتظل ثابتة للترددات التي تصل إلى 50 هرتز ثم تنخفض بشكل تربيعي تقريبا للترددات التي تزيد عن 50 هرتز (على سبيل المثال ، 1.5 مم عند 100 هرتز). تتناسب سعة تذبذب الجسيمات في السائل مع الطاقة المحولة التي يعطيها ناتج سعة مخروط مكبر الصوت وتردد التذبذب. لذلك نتوقع أن تكون السعة المتذبذبة قصوى بالقرب من تردد رنين مكبر الصوت وتنخفض بالنسبة للترددات على جانبيه لجهد إدخال مكبر صوت ثابت. علاوة على ذلك ، قد نتوقع أيضا أن السعة المتذبذبة للسائل تختلف خطيا مع جهد إدخال مكبر الصوت ولا يمكن أن تتجاوز قيمتها سعة مخروط السماعة.
يتم تأكيد هذه التوقعات في مخطط سعة التذبذب مقابل التردد الموضح في الشكل 3B. بالنسبة لجميع إعدادات مستوى صوت السماعة ، يكون للمنحنى المميز ذروة رنين ، والتي تحدث عند حوالي 180 هرتز ، وبعد ذلك تنخفض السعة مع زيادة التردد. تبدو المنحنيات عند الفولتية المختلفة متطابقة باستثناء الترجمات الرأسية في مقياس السجل مما يعني أن السعة المتذبذبة تختلف خطيا مع الجهد. أخيرا ، يكون الحد الأقصى للسعة أقل من 1.5 مم حتى عند تردد الرنين البالغ 5 فولت. ومع ذلك ، يمكن اختيار إعداد مستوى الصوت بحيث يمكن تحقيق سعات تذبذب تبلغ > 100 ميكرومتر على مدى التردد التشغيلي بأكمله.
بعد ذلك ، يتم تقديم أمثلة مختارة على تأثير اللزوجة السائلة ، وقطر الأنبوب ، وطول الأنبوب على السعة المتذبذبة على نطاق الترددات التشغيلية فيما يتعلق بالحالة المرجعية الموضحة أعلاه. بالنسبة لهذه التجارب، يتم الحفاظ على سعة برنامج التشغيل (حجم السماعة) ثابتة عند المستوى المتوسط ويتم تعديل معلمة إعداد واحدة فقط في كل مرة بينما تكون المعلمات المتبقية مطابقة لحالة التحكم المرجعي (الرموز الماسية). وتبين النتائج المقابلة لسعة التذبذب مقابل التردد في الشكل 4. عندما تزداد لزوجة السائل العامل عن طريق التغيير إلى محلول جليسرول 25٪ (μ = 1.81 mPa.s) ، تنخفض السعة بعامل 2 تقريبا على نطاق ترددات التشغيل (الرموز المربعة). وهذا يشير إلى أن زيادة لزوجة السائل بشكل عام مقارنة بالمياه منزوعة الأيونات من شأنه أن يؤدي إلى سعة مميزة مماثلة مقابل منحنى التردد مع انخفاض عامل ثابت في السعة. عندما يتم زيادة قطر الأنابيب الموائع الدقيقة لنفس المادة (البولي إيثيلين) إلى 2.41 مم × 1.67 مم ، تزداد السعة مقارنة بالحالة المرجعية بعامل يتراوح بين 1.5-3 اعتمادا على التردد (رموز الدائرة). الزيادة أكبر عند الترددات العالية وأصغر عند الترددات المنخفضة ، مما يشير إلى زيادة تردد الرنين. عندما يتم زيادة طول الأنبوب لنفس المادة (البولي إيثيلين) إلى 24 سم (بعامل 2) ، تزداد السعة بشكل كبير بالقرب من تردد الرنين ولكنها تظل دون تغيير من حالة التحكم المرجعي عند ترددات منخفضة جدا وعالية جدا (رموز المثلث).
بالإضافة إلى الأشكال الموجية الجيبية التي نوقشت أعلاه ، يتم أيضا عرض الأشكال الموجية غير الجيبية. تظهر مسارات إزاحة الجسيمات للأشكال الموجية المربعة والمثلثية وأسنان المنشار في الشكل 5A. هنا ، يكون إعداد السعة متوسطا (60٪ من الحد الأقصى) ، وتردد القيادة هو 100 هرتز ، ويتم ملاحظة الجسيمات عند 4000 إطار / ثانية. كما هو متوقع ، فإن التغييرات الحادة جدا في الموضع المرتبط بالأشكال الموجية المربعة والمنشار غير ممكنة في الأنظمة الحقيقية ذات وقت الاستجابة المحدود. بالنسبة لنظام السماعات هذا ، يمكن تقدير وقت الاستجابة ب 0.5 مللي ثانية. ومع ذلك، يلاحظ أن أطياف فورييه لهذه الأشكال الموجية تتفق بشكل جيد مع الأطياف المثالية، على الأقل حتى التوافقية الثالثة كما هو موضح في الشكل 5B.
الشكل 1. مخطط لتوضيح تصميم الجهاز وتجميعه. المكونات الهامة هي (I) مكبر الصوت ، (II) حامل مكبر الصوت ، (III) محول مكبر الصوت إلى الأنبوب ، (IV) ختم إسفين طرف الماصة ، (V) أنابيب البولي إيثيلين ، و (VI) PDMS microchannel. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2. أمثلة على إزاحة الجسيمات أثناء التدفق المتذبذب. تم الحصول على مسارات الجسيمات التمثيلية أثناء إدخال الشكل الموجي الجيبي بترددات مختلفة باستخدام التصوير عالي السرعة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3. تحليل إزاحة الجسيمات لدقة الإشارة ومدى السعة. (أ) تحليل طيف فورييه للتذبذبات الجيبية عند ترددات وسعات تذبذب مختلفة، أو أحجام مكبرات الصوت. (ب) المنحنى المميز لسعة التذبذب مقابل التردد عند ثلاثة إعدادات مختلفة لمستوى صوت السماعة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4. آثار طول الأنبوب وقطر الأنبوب واللزوجة السائلة على السعة المتذبذبة. وبالمقارنة مع الحالة المرجعية، فإن الزيادة في طول الأنبوب أو قطره ستؤدي إلى زيادة في سعة التذبذب على نطاق الترددات التشغيلية. ومع ذلك ، فإن الزيادة في اللزوجة تقلل من سعة التذبذب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5. أمثلة على الأشكال الموجية غير الجيبية. (أ) إزاحة الجسيمات للأشكال الموجية المربعة والمثلثية والمنشارية عند تردد تذبذب يبلغ 100 هرتز. (ب) أطياف فورييه المقابلة لإزاحة الجسيمات غير الجيبية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الملف التكميلي 1. ملف الطباعة الحجرية المجسمة لإنتاج حامل مكبر صوت مطبوع ثلاثي الأبعاد مشار إليه في الشكل 1 (II). يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 2. ملف الطباعة الحجرية المجسمة لإنتاج محول أنبوب مكبر صوت مطبوع ثلاثي الأبعاد مشار إليه في الشكل 1 (III). يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
لقد أظهرنا التجميع (انظر الخطوتين الحرجتين للبروتوكول 3 و 4) والتشغيل (انظر الخطوتين الحرجتين للبروتوكول 5 و 6) لجهاز خارجي قائم على مكبر الصوت لتوليد تدفق تذبذبي بترددات تتراوح بين 10 و 1000 هرتز في أجهزة الموائع الدقيقة. مطلوب تتبع الجسيمات لجسيمات التتبع المعلقة لتحديد دقة الحركة التوافقية وكذلك لمعايرة نطاق سعات التذبذب التي يمكن تحقيقها على مدى ترددات التشغيل. يعتمد منحنى السعة والتردد لإعداد صوت معين في المقام الأول على خصائص المتحدث ، والتي لا يمكن تغييرها (انظر مناقشة خصائص المتحدث في النتائج التمثيلية للشكلين 3A و B). ومع ذلك ، بالنسبة لتصميم قناة معينة ، يمكن تعديل السعة المتذبذبة وضبطها عن طريق تعديل خصائص الأنابيب أو اللزوجة السائلة أو مجموعاتها بشكل مناسب. على سبيل المثال، نوضح في الشكل 4 أن قطر الأنبوب الأكبر أو طول الأنبوب الأطول يمكن أن يزيد من حجم السعة المتذبذبة لنفس إعداد الحجم. ومع ذلك ، فإن زيادة اللزوجة تقلل من نطاق السعات المتذبذبة ، مما يوفر للمستخدمين مجموعة من السعات ، تمتد من 10 ميكرومتر إلى 1 مم.
الميزة الكبيرة لهذه الطريقة هي سهولة التجميع والتنفيذ والتشغيل. تبلغ التكلفة الكاملة للمشغل المتذبذب أقل من 60 دولارا ، ولن يستغرق تجميعه سوى حوالي 2 ساعة بمجرد شراء الأجزاء (انظر جدول المواد). على عكس الطرق البديلة لتوليد تدفق تذبذبي في أجهزة الموائع الدقيقة25 ، لا تفرض هذه الطريقة أي قيود على التصميم تقريبا وتضمن الحد الأدنى من الوقت اللازم للتنفيذ. على الرغم من بساطتها ، فإن طريقتنا تسمح للمستخدم بالتحكم الدقيق بشكل مدهش في سعات التذبذب مع الحفاظ على دقة كل من الأشكال الموجية المتذبذبة الجيبية وغير الجيبية. تولد هذه التقنية أيضا حركة توافقية على مدى تردد من مرتبتين في الحجم. وأخيرا، يمكن استخدام هذه التقنية مع مكون التدفق الثابت الذي تولده وحدات التحكم القياسية في تدفق الموائع الدقيقة، مثل مضخات المحاقن أو مولدات الضغط، لتوليد تدفق نابض عالي التردد. كما هو موضح سابقا22,28 ، لا تتأثر السعة والتردد المتذبذبان بوجود تدفق نقل ثابت عندما تكون سرعة التدفق الثابت صغيرة مقارنة بسرعة التدفق المتذبذب. وبالتالي فإن هذه الطريقة مثالية لإعداد مختبر البحوث.
أحد القيود المقابلة للطريقة هو أنه لا يمكن تعيين السعة عند القيمة المطلوبة. يجب قياسه ومعايرته وفقا لسعة قناة ميكروفلويدية معينة. وهي حاليا غير قابلة للتطوير وبالتالي فهي ليست مناسبة على الفور للتطبيقات الصناعية. وسينطوي المزيد من تطوير هذا الجهاز على تصميم غشاء بسيط يمكن ربطه بمكبر الصوت وتشغيله للسماح بسعات أكبر وتقليل الاعتماد على قناة الأنابيب والموائع الدقيقة.
بشكل عام ، يوفر هذا العمل نهجا منخفض التكلفة وقويا وقابلا للتخصيص لتوليد تدفقات متذبذبة في قنوات الموائع الدقيقة في نطاق تردد غير مستكشف نسبيا. وقد ثبت أن هذه التقنية مفيدة لعلم الريولوجيا الدقيقة لسوائل نيوتن 26 وغير نيوتن 27 ، وتعزيز الخلط على مقياس المجهر28 ، والتركيز بالقصور الذاتي في قنوات ذات طول منخفض22. يوفر النهج المبين في هذا العمل منهجية يمكن الوصول إليها وقابلة للتكيف لتوليد تدفقات تذبذبية بحتة ، أو تدفقات نابضة عندما تقترن بتدفق ثابت من مضخة حقنة. ونتيجة لذلك ، يمكن لهذه التقنية المريحة أن تمكن من تنفيذ تدفقات تذبذبية في البحوث والصناعية الحالية على المستوى الدقيق.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
نود أن نعرب عن تقديرنا للدعم المقدم والتسهيلات التي يقدمها مختبر النماذج الأولية السريعة التابع لقسم العلوم والهندسة الميكانيكية في جامعة إلينوي لتمكين هذا العمل.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Oscillatory Driver Assembly | |||
| Alligator-to-pin wire | Adafruit | 3255 | Small alligator clip to male jumper wire (12) |
| Aux cable | Adafruit | 2698 | 3.5 mm Male/Male stereo cable 1 m |
| Controller chip | Damgoo | TPA3116 | 50w+50w 2 channel audio amplifier (bluetooth and AUX) |
| DC adapter | Adafruit | 798 | 12 V DC 1A regulated switching power adapter |
| Micro-pipette tip | VWR Signature | 37001-532 | 200 ul micropipette tip |
| Silicone sealant | Loctite | 908570 | Clear silicone waterproof sealant (80 ml) |
| Speaker | Drok | 6843996 | 4.5 inch 4 Ohm 40 W speaker |
| Speaker mount | 3D printed from 'speakermount.stl' in supplementary files | ||
| Speaker-to-tube adapter | 3D printed from 'speaketubeadapter.stl' in supplementary files | ||
| Microchannel Manufacture | |||
| Biopsy punch | Miltex | 15110 | Biopsy punch with plunger (1 - 4 mm) |
| Degasser | |||
| Disposable cup | |||
| Disposable spoon | |||
| Glass Slides | VWR Signature | 16004-430 | 3" x 1" pre clean 1 mm thick |
| Mold | Si - SU-8 or 3D printed | ||
| Oven | Fischer Scientific | Isotemp | |
| PDMS resin and cross-linker | Dow Chemical | 4019862 | Sylgard 184 PDMS resin and crosslinker (500 g) |
| Polyethylene tubing | Becton Dickinson Intramedic | 427440 | Polyethylene tubing (PE 60 - PE 200) |
| Razor blades | VWR | 55411-050 | Single edge industrial razor blades |
| RF plasma generator | Electro-Technic Products | BD - 20 | High frequency generator |
| Silicone Mold Release | CRC | 03301 | Food Grade Silicon Mold release (16 oz) |
| Observation and Characterization | |||
| Camera | Edgertronic | SC2+ | |
| Lens | Nikon | Plan Fluor 10x | |
| Microscope | Nikon | Ti Eclipse manual stage | |
| Needles | Becton Dickinson | 305175 | PrecisionGlide 20G |
| Syringe | Becton Dickinson | 1180100555 | Monoject 1 ml |
| Syringe pump | Harvard Apparatus | Dual syringe programmable syringe pump | |
| Tracer Particles | Spherotech | PP-10-10 | Polystyrene tracer particles 1 um |
References
- Collins, J., Lee, A. P. Control of serial microfluidic droplet size gradient by step-wise ramping of flow rates. Microfluidics and Nanofluidics. 3, 19-25 (2007).
- Lee, C. Y., Chang, C. L., Wang, Y. N., Fu, L. M.
- Bayareh, M., Ashani, M. N., Usefian, A. Active and passive micromixers: A comprehensive review. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 147, 10771 (2020).
- Zhang, S., Wang, Y., Onck, P., den Toonder, J. A concise review of microfluidic particle manipulation methods. Microfluidics and Nanofluidics. 24, 24 (2020).
- Bayareh, M. An updated review on particle separation in passive microfluidic devices. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 153, 107984 (2020).
- Wu, M., et al. Acoustofluidic separation of cells and particles. Microsystems & Nanoengineering. 5, 32 (2019).
- Bhagat, A. A. S., et al.
- Mäki, A. J., et al. Modeling and Experimental Characterization of Pressure Drop in Gravity-Driven Microfluidic Systems. ASME Journal of Fluids Engineering. 137 (2), 021105 (2015).
- Safavieh, R., Juncker, D. Capillarics: pre-programmed, self-powered microfluidic circuits built from capillary elements. Lab on a Chip. 13, 4180-4189 (2013).
- Hossan, M. R., Dutta, D., Islam, N., Dutta, P. Review: Electric field driven pumping in microfluidic device. Electrophoresis. 39 (5-6), 702-731 (2018).
- Dincau, B., Dressaire, E., Sauret, A.
- Thurgood, P., et al. Tunable Harmonic Flow Patterns in Microfluidic Systems through Simple Tube Oscillation. Small. 16 (43), 2003612 (2020).
- Xia, H. M., Wu, J. W., Zheng, J. J., Zhang, J., Wang, Z. P. Nonlinear microfluidics: device physics, functions, and applications. Lab on a Chip. 21, 1241-1268 (2021).
- Glasgow, I., Aubry, N. Enhancement of microfluidic mixing using time pulsing. Lab on a Chip. 3 (2), 114-120 (2003).
- Zhang, P., Bachman, H., Ozcelik, A., Huang, T. J.
- Lieu, V. H., House, T. A., Schwartz, D. T. Hydrodynamic Tweezers: Impact of Design Geometry on Flow and Microparticle Trapping. Analytical Chemistry. 84 (4), 1963-1968 (2012).
- Jain, R., Darling, R. B., Lutz, B. Frequency characterization of flow magnitude and phase in resonant microfluidic circuits. Analytical Methods. 9, 5425-5432 (2017).
- Squires, T. M., Quake, S. R. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Reviews of Modern Physics. 77, 977 (2005).
- Zhang, C., Guo, X., Brunet, P., Costalonga, M., Royon, L. Acoustic streaming near a sharp structure and its mixing performance characterization. Microfluidics and Nanofluidics. 23 (9), 104 (2019).
- Abolhasani, M., Oskooei, A., Klinkova, A., Kumacheva, E., Günther, A. Shaken, and stirred: oscillatory segmented flow for controlled size-evolution of colloidal nanomaterials. Lab on a Chip. 14, 2309-2318 (2014).
- Thameem, R., Rallabandi, B., Hilgenfeldt, S. Fast inertial particle manipulation in oscillating flows. Physical Review Fluids. 2 (5), 052001 (2017).
- Vishwanathan, G., Juarez, G. Inertial focusing in planar pulsatile flows. Journal of Fluid Mechanics. 921, 1 (2021).
- Geschiere, S. D., et al. Slow growth of the Rayleigh-Plateau instability in aqueous two phase systems. Biomicrofluidics. 6, 022007 (2012).
- Vázquez-Vergara, P., Torres Rojas, A. M., Guevara-Pantoja, P. E., Poiré, E. C., Caballero-Robledo, G. A.
- Sauret, A., Shum, H. C. Forced generation of simple and double emulsions in all-aqueous systems. Applied Physics Letters. 100, 154106 (2012).
- Vishwanathan, G., Juarez, G. Steady streaming viscometry of Newtonian liquids in microfluidic devices. Physics of Fluids. 31, 041701 (2019).
- Vishwanathan, G., Juarez, G. Steady streaming flows in viscoelastic liquids. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 271, 104143 (2019).
- Vishwanathan, G., Juarez, G. Generation and application of sub-kilohertz oscillatory flows in microchannels. Microfluidics and Nanofluidics. 24, 69 (2020).
