Summary
הפרוטוקול מדגים שיטה נוחה להפקת זרימה מתנדתית הרמונית מ-10-1000 הרץ במיקרו-ערוצים. זה נעשה על ידי התממשקות דיאפרגמה רמקול מבוקרת מחשב למיקרו-ערוץ באופן מודולרי.
Abstract
הטכנולוגיה המיקרופלואידית הפכה לכלי סטנדרטי במעבדות כימיות וביולוגיות הן לניתוח והן לסינתזה. הזרקה של דגימות נוזליות, כגון ריאגנטים כימיים ותרביות תאים, מתבצעת בעיקר באמצעות זרימות קבועות המונעות בדרך כלל על ידי משאבות מזרקים, כוח הכבידה או כוחות נימיים. השימוש בזרימות מתנודתיות משלימות נחשב רק לעתים רחוקות ביישומים למרות יתרונותיו הרבים כפי שהוכחו לאחרונה בספרות. החסם הטכני המשמעותי ליישום זרימות מתנודתיות במיקרו-ערוצים אחראי ככל הנראה להיעדר אימוץ נרחב שלה. משאבות מזרקים מסחריות מתקדמות שיכולות לייצר זרימה מתנדתית, הן לעתים קרובות יקרות יותר ופועלות רק עבור תדרים של פחות מ-1 הרץ. כאן, ההרכבה והתפעול של מנגנון מבוסס רמקולים מסוג plug-and-play בעלות נמוכה, המייצר זרימה מתנודדת במיקרו-ערוצים, מודגמת. ניתן להשיג זרימות מתנדות הרמוניות בנאמנות גבוהה עם תדרים הנעים בין 10-1000 הרץ יחד עם בקרת משרעת עצמאית. ניתן להשיג אמפליטודות הנעות בין 10-600 מיקרומטר לאורך כל טווח הפעולה, כולל אמפליטודות > 1 מ"מ בתדר התהודה, במיקרו-ערוץ טיפוסי. למרות שתדירות התנודה נקבעת על ידי הרמקול, אנו ממחישים כי משרעת התנודה רגישה לתכונות הזורם ולגיאומטריית התעלה. באופן ספציפי, משרעת התנודה פוחתת עם הגדלת אורך מעגל הערוץ וצמיגות הנוזל, ובעבר, המשרעת גדלה עם הגדלת עובי ואורך שפופרת הרמקול. בנוסף, המנגנון אינו דורש תכונות קודמות כדי להיות מתוכנן על המיקרו-ערוץ והוא ניתן להסרה בקלות. זה יכול לשמש בו זמנית עם זרימה קבועה שנוצרה על ידי משאבת מזרק כדי ליצור זרימות pulsatile.
Introduction
השליטה המדויקת בקצב זרימת הנוזלים במיקרו-ערוצים היא חיונית ליישומי מעבדה-על-שבב כגון ייצור טיפות ואנקפסולציה1, ערבוב 2,3, ומיון ומניפולציה של חלקיקים מרחפים 4,5,6,7. השיטה הנפוצה ביותר לבקרת זרימה היא משאבת מזרק המייצרת זרימות יציבות מבוקרות מאוד המעניקות נפח קבוע של נוזל או קצב זרימה נפחי קבוע, המוגבל לעתים קרובות לזרימה חד כיוונית לחלוטין. אסטרטגיות חלופיות ליצירת זרימה חד כיוונית כוללות שימוש בראש כבידה8, כוחות נימיים9 או זרימה אלקטרו-אוסמוטית10. משאבות מזרקים ניתנות לתכנות מאפשרות שליטה דו-כיוונית תלוית זמן בקצבי הזרימה ובנפחים המחולקים, אך הן מוגבלות לזמני תגובה העולים על 1 שניות בשל האינרציה המכנית של משאבת המזרק.
בקרת זרימה בקני מידה קצרים יותר של זמן פותחת שפע של 6,11,12,13,13,14,15 אפשרויות שאינן נגישות בדרך אחרת עקב שינויים איכותיים בפיזיקת הזרימה. האמצעי המעשי ביותר לרתום את פיזיקת הזרימה המגוונת הזו הוא באמצעות גלים אקוסטיים או זרימות מתנדות עם פרקי זמן הנעים בין 10-1- 10-9 שניות או 101 -109 הרץ. הקצה הגבוה יותר של תחום תדרים זה נגיש באמצעות גל אקוסטי בתפזורת (BAW; 100 kHz-10 MHz) והתקני גל אקוסטי על פני השטח (SAW; 10 MHz-1 GHz). בהתקן BAW טיפוסי, המצע כולו ועמודת הנוזלים רוטטים על ידי הפעלת אות מתח על פני פיאזואלקטרי מלוכד. זה מאפשר תפוקות גבוהות יחסית אך גם גורם לחימום באמפליטודות גבוהות יותר. בהתקני SAW, לעומת זאת, הממשק המוצק-נוזלי מתנודד על ידי הפעלת מתח על זוג אלקטרודות משולבות בתבנית על מצע פיאזואלקטרי. בשל אורכי הגל הקצרים מאוד (1 μm-100 μm) חלקיקים קטנים כמו 300 ננומטר ניתן לתמרן במדויק על ידי גל הלחץ שנוצר בהתקני SAW. למרות היכולת לתפעל חלקיקים קטנים, שיטות SAW מוגבלות למניפולציה מקומית של חלקיקים מכיוון שהגל מתמעט במהירות עם המרחק מהמקור.
בתחום התדרים של 1-100 קילוהרץ, זרימות מתנדות נוצרות בדרך כלל באמצעות רכיבי פיאזו המחוברים למיקרו-ערוץ פולידימתילסילוקסן (PDMS) מעל חלל מתוכנן16,17. קרום ה-PDMS שמעל החלל המעוצב מתנהג כמו קרום רוטט או תוף שלוחץ על הנוזל בתוך התעלה. בתחום תדרים זה, אורך הגל גדול מגודל הערוץ, אך משרעת מהירות התנודה קטנה. התופעה השימושית ביותר במשטר תדרים זה היא יצירת זרימות זרימה אקוסטיות/צמיגות, שהן זרימות יציבות מתוקנות הנגרמות עקב אי-ליניאריות הטבועה בזרימת נוזלים עם אינרציה18. זרמי הזרימה היציבים מתבטאים בדרך כלל במערבולות נגדיות המסתובבות במהירות גבוהה בקרבת מכשולים, פינות חדות או מיקרו-בועות. מערבולות אלה שימושיות לערבובשל 19,20 ולהפרדת חלקיקים בגודל 10 מיקרומטר מזרם הזרימה21.
עבור תדרים בטווח של 10-1000 הרץ, הן המהירות של הרכיב המתנד והן הזרימה הצמיגית היציבה הקשורה אליו ניכרות בגודלן ושימושיות. זרימות מתנדות חזקות בתחום תדרים זה יכולות לשמש למיקוד אינרציאלי22, להקל על יצירת טיפות23, ויכולות ליצור תנאי זרימה (מספרי Womersley) המחקים את זרימת הדם עבור מחקרי מבחנה . מצד שני, זרימות זורמות שימושיות לערבוב, לכידת חלקיקים ומניפולציה. זרימה מתנדתית בטווח תדרים זה יכולה להתבצע גם באמצעות רכיב piezo המחובר למכשיר כמתואר לעיל23. מכשול משמעותי ביישום זרימות מתנדות דרך אלמנט פיאזו מלוכד הוא שהוא דורש לתכנן תכונות מראש. יתר על כן, רכיבי הרמקולים המחוברים אינם ניתנים לניתוק, ויש לחבר אלמנט חדש לכל מכשיר24. עם זאת, מכשירים כאלה מציגים את היתרון של להיות קומפקטי. שיטה חלופית היא שימוש בשסתום ממסר אלקטרומכני20. שסתומים אלה דורשים מקורות לחץ פנאומטיים ותוכנת בקרה מותאמת אישית לתפעול ולכן מגבירים את המחסום הטכני לבדיקה וליישום. עם זאת, התקנים כאלה מאפשרים את היישום של משרעת לחץ להגדיר ותדירות.
במאמר זה מתוארת הבנייה, ההפעלה והאפיון של שיטה ידידותית למשתמש ליצירת זרימות מתנדות בתחום התדרים של 10-1000 הרץ במיקרו-ערוצים. השיטה מציעה יתרונות רבים כגון הרכבה חסכונית, קלות תפעול ומוכנה להתממשק עם ערוצים ואביזרים מיקרופלואידיים סטנדרטיים כגון משאבות מזרקים וצינורות. בנוסף, בהשוואה לגישות דומות קודמות25, השיטה מציעה למשתמש שליטה סלקטיבית ועצמאית על תדרי תנודה ואמפליטודות, כולל אפנון בין צורות גל סינוסואידליות ולא סינוסואידליות. תכונות אלה מאפשרות למשתמשים לפרוס בקלות זרימות מתנדות, ולכן, מאפשרות אימוץ נרחב למגוון רחב של טכנולוגיות ויישומים מיקרופלואידיים הקיימים כיום בתחומי הביולוגיה והכימיה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. תכנון וייצור תבניות אב טיפוס מהיר
- פתח את AutoCAD במחשב. בחר קובץ בשורת המשימות ולאחר מכן בחר פתח וגלוש אל ולחץ על קובץ מודל תלת-ממדי (3D) של תבנית הערוץ בעל סיומת .dxf או .dwg.
- בחר את הדגם כולו על-ידי לחיצה וגרירה של תיבה סביבו. ייצא את העיצוב כקובץ .stl על-ידי בחירה בקובץ | ייצא ולאחר מכן תבניות אחרות ובחירת .stl מהתיבה הנפתחת.
- העלה את הקובץ למדפסת שרף סטריאוליתוגרפית (SLA) ברמת דיוק גבוהה, כגון Formlabs FORM3. יוצקים את השרף לתוך תא השרף ומתחילים להדפיס ולייצר את התבנית עם שלבי ציר z הקטנים ביותר (25 מיקרון עבור שרף Clear של Formlabs).
- המתן עד שהדפסת החלק האוטומטית תושלם.
הערה: תבניות עם תכונות קטנות עד 0.1 מ"מ ניתן לייצר בדרך זו. - לאחר הסרת החלק מהשרף, התסיסו אותו באיזופרופנול למשך 5 דקות כדי להסיר את כל השרף שנותר.
- מייבשים את העובש בגז אוויר או חנקן למשך 2 דקות.
הערה: ניתן להשתמש גם בייצור תבניות מיקרופלואידיות קונבנציונליות עם פרוסות סיליקון ופוטוליתוגרפיה עם כל פוטורסיסטים SU8 או KMPR כדי לייצר תבנית עם תכונות קטנות יותר. - לרפא את העובש המיובש ב-60 מעלות צלזיוס באור UV למשך שעה לכל היותר.
2. ייצור מיקרו-ערוצים PDMS
- מניחים את התבנית על יריעה של רדיד אלומיניום. כדי להקל על ההפחתה של PDMS, יש לרסס את התבנית בשחרור עובש סיליקון ב-1 או 2 מעברים.
- יוצקים שרף PDMS ומקשר צולב לכוס חד פעמית ביחס של 10:1 לפי משקל ומערבבים עם כף חד פעמית.
- יוצקים את התערובת המתקבלת על התבנית כדי לייצר סרט בעובי הנדרש. כדי למנוע דפורמציה של דופן תעלה גדולה, שמור על עובי PDMS של יותר מ-5 מ"מ או פי 3-4 מעובי התכונה המרבי.
- מניחים את התבנית עם PDMS שנשפך לתוך תא ה-degas וסוגרים את המכסה. ודא שטבעת ה- O אוטמת הרמטית את החדר.
- סגור את שסתום הפליטה והפעל את משאבת הוואקום המחוספסת כדי להתחיל בגז גז.
- דגה את התערובת שנשפכה במשאבת ואקום במשך למעלה מ-4-6 מחזורים כאשר כל מחזור נמשך כ-5 דקות. הסר באופן ידני את כל הבועות שנותרו (בפינות ובתעלות) באמצעות חוט דק.
- קבעו את טמפרטורת התנור ל-80 מעלות צלזיוס ואפשרו לו להתחמם מראש. מניחים את התערובת בתנור בטמפרטורה של 80 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות כדי לרפא.
- מוציאים את התבנית הנרפאת מהתנור ומשאירים אותה בטמפרטורת החדר למשך 10 דקות כדי להתקרר.
- באמצעות אזמל, לחתוך בזהירות את הקצוות של התבנית. עבור delamination אופטימלי, השתמש במזרק כדי להזריק איזופרופנול בין התבנית לבין PDMS נרפא.
- מקלפים את ה-PDMS שנרפא מהתבנית וחותכים אותה למכשירים בודדים עם סכין גילוח. גודלו של כל מכשיר חייב לנוע בין 10 מ"מ x 10 מ"מ ל-30 מ"מ x 70 מ"מ כדי להיקשר עם שקופית הזכוכית.
- צור חור בקוטר 1.0-3.0 מ"מ בכניסה ובשקע באמצעות ניקוב ביופסיה.
- הפעל את מחולל הפלזמה בתדר רדיו ידני (RF). כדי להפעיל את מגלשת הזכוכית, מעבירים בהתמדה את אלקטרודת החוט מעל מגלשת זכוכית יבשה ונקייה מספר פעמים במשך 2 דקות. יש לשמור על מרווח חוט לזכוכית של כ-5 מ"מ. הניחו את צד המכשיר של ה-PDMS שנרפא במגע עם מגלשת הזכוכית המופעלת ולאחר מכן הניחו בתנור של 80 מעלות צלזיוס למשך שעתיים.
- חותכים את פתח הפוליאתילן ואת צינורות היציאה לאורך הנדרש ומחדירים אותם לתוך חורי הכניסה והיציאה.
- כדי למנוע ניתוק צינור במהלך הפעולה, יש למרוח חומר איטום מסיליקון על משטח המגע ולתת לריפוי במשך 2 שעות כדי לאבטח את הצינורות.
3. הרכבה של נהגים מתנדנדים
- מהדק את קצוות קליפס התנין של זוג חוטי תנין-אל-פין אל-הדקים של רמקול. כאן נעשה שימוש ברמקול של 15 ואט עם חרוט של 8 ס"מ אם כי ניתן להשתמש גם ברמקולים אחרים.
- הניחו את שבב בקר ה-aux על מיכל בידוד. הכנס את קצוות הפין לשקעי הברגים של שבב בקר ה- aux והידק בחוזקה עם מברג כדי להבטיח קישוריות.
- חבר קצה אחד של כבל aux לשבב הבקר והקצה השני ליציאת aux במחשב או בסמארטפון.
- חבר מתאם זרם ישיר (DC) של 12 וולט לספק הכוח. הפעל את שבב הבקר על-ידי חיבור הקצה הקואקסיאלי של מתאם DC לשקע החשמל.
- באמצעות דפדפן אינטרנט, נווט אל אתר אינטרנט מקוון של מחולל צלילים (למשל, https://www.szynalski.com/tone-generator/ ).
- הקלד את התדר הרצוי (5-1200 הרץ) ביישום המקוון. גלול את סרגל עוצמת הקול לסכום הנדרש (לדוגמה, 100%).
- לחץ על סמל מחולל מסוג גל ובחר את צורת הגל הרצויה (סינוס, ריבוע, משולש, נסורת). שים לב שברירת המחדל היא צורת גל סינוס. הקש הפעל כדי להפעיל את הרמקול.
4. מכלול המתאם
הערה: מכלול המתאם המלא בין רמקול לצינור מודגם על-ידי הסכימה באיור 1.
- תקן את הרמקול (איור 1(I)) על תושבת הרמקול המודפסת בתלת-ממד (איור 1(II)) (ראה speakermount.stl בקובץ משלים 1) על-ידי הדבקת סרט הדבקה מעל המשטח המעוקל ומשני צדי התושבת.
- כוון את הרמקול אנכית כאשר משטח חרוט הרמקול פונה כלפי מעלה. מקם את המתאם המודפס בתלת-ממד (איור 1(III)) (ראה speakertubeadapter.stl בקובץ משלים 2) באופן קונצנטרי על חרוט הרמקול.
- יש למרוח חומר איטום מסיליקון בנדיבות לאורך קצוות המתאם ולתת לריפוי במשך 2 שעות.
- מקם את תושבת הרמקול והרמקול על במת המיקרוסקופ והדביק את הטייפ כלפי מטה כדי למנוע תנועה במהלך הפעולה.
- חותכים קצה מיקרו-פיפטה של 200 μL כ-2 ס"מ מהקצה הצר שלו ומשליכים את החצי הרחב יותר של הקצה. הקצה החרוטי הצר ישמש כחותם טריז לחיבור הפיך.
- חברו את צינורות הפוליאתילן (איור 1(V)) לשקע המיקרו-ערוץ (איור 1(VI)) על-ידי השחלה תחילה דרך קצה המיקרו-פיפטה (איור 1(IV)), ולאחר מכן דרך הקצה הקואקסיאלי של המתאם ולבסוף דרך הצד.
- תקעו בחוזקה את הקצה הצר של קצה הפיפטה לתוך הקצה הקואקסיאלי של המתאם כדי ליצור אטם הדוק הניתן להסרה.
5. הפעלת מערך הניסוי לזרימות מתנדות במיקרו-ערוצים
- הוסיפו חלקיקי עוקבים לתוך בקבוקון של 22% משקל/משקל (w/w) תמיסת גליצרול כדי לייצר תרחיף צף נייטרלי עם שבר נפח של 0.01%-0.1% פוליסטירן בנוזל בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס. מערבבים במרץ על ידי טלטול כדי לייצר תרחיף הומוגני.
- טען מזרק כניסה של 1 מ"ל עם 1 מ"ל של דגימה. הרכיבו והדקו את המזרק הטעון על משאבת מזרק אוטומטית. הכנס את מחט המזרק לתוך צינורות הכניסה של המכשיר כדי ליצור אטימה למים.
- ודא שצינור היציאה מנותב דרך מכלול המתאם ולתוך מאגר (ראה סעיף קודם על מכלול המתאם).
- הפעילו את משאבת המזרק. באמצעות מסך המגע, בחר את סוג המזרק כ - Becton-Dickinson 1 mL. לאחר מכן, בחר Infuse. לאחר מכן בחר את קצב הזרימה הנדרש (0-1 מ"ל לדקה) או את נפח הזרימה (< 1 מ"ל).
- הפעל את הזרימה היציבה באמצעות משאבת המזרק. המתן עד שנפח הנוזלים מספיק יזרום וצינור היציאה יתמלא בנוזל עד לרמקול.
הערה: המשרעת המתנודדת עבור הגדרה נתונה לא תשתנה עם זרימת הובלה קבועה אם צינור היציאה מוכן. - בחר תדר, משרעת וצורת גל נדרשים ביישום מחולל הגוונים כמתואר בשלב 3.5 והקש Play כדי ליצור זרימה מתנודדת בתוך המיקרו-ערוץ.
6. מדידת תצפית ומדידת משרעת
- הרכיבו את המכשיר על המיקרוסקופ. הגדר את התצורה האופטית על ידי בחירת עדשה אובייקטיבית עם הגדלה בין 10x ל- 40x התאמת מישור המוקד ומיקום הבמה.
- כדי לקבל מדידות במישור מוקד מוגדר היטב, ודא שעומק השדה של העדשה האובייקטיבית קטן מעומק התעלה בפקטור של 5 או יותר.
- כדי לצפות בזרימה המתנודדת, השתמש במצלמה במהירות גבוהה עם קצב פריימים של לפחות כפול מתדירות התנודה כפי שחושב באמצעות משפט הדגימה של ניקוויסט. עבור רזולוציה שימושית כמעט של צורת הגל, למדוד לפחות 10 נקודות לכל פרק זמן באמצעות קצב פריימים > פי 10 מתדירות התנודה.
- לחלופין, כדי לבחון רק את ההשפעות המתוקנות או ארוכות הטווח של זרימות פעימה, לבצע הדמיה סטרובוסקופית על ידי הגדרת תדירות התצפית לכל מחלק מושלם של תדר התנודה.
- להדמיה ישירה וסטרובוסקופית, השתמשו במצלמה המצוידת בתריס גלובלי כדי להימנע מאפקט הג'לו. בכל מקרה, יש לשמור על זמן חשיפה קטן משמעותית מתקופת זמן התנודה (בפקטור של 10 או יותר) כדי למנוע פסים.
- כדי למדוד את משרעת התנודה ללא מצלמה במהירות גבוהה, הקלט בקצב פריימים שנשמר קרוב לקצב הפריימים הסטרובוסקופי אך אינו שווה לו (לדוגמה, 49 פריימים לשנייה עבור אות של 50 הרץ). התוצאה היא תנודה מואטת מאוד שממנה ניתן למדוד במדויק את המשרעת.
- שימו לב ותעדו את מדידות המשרעת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
כדי להמחיש את היכולת והביצועים של ההתקנה לעיל, מוצגות תוצאות מייצגות של זרימה מתנודדת במיקרו-ערוץ ליניארי פשוט עם חתך מרובע. רוחבה וגובהה של התעלה הם 110 מיקרומטר ואורכו 5 ס"מ. ראשית, אנו מתארים את התנועה של חלקיקי עקבות פוליסטירן כדוריים וכיצד ניתן להשתמש בהם כדי לבדוק את התזזיתיות של האות המתנד, כמו גם את טווח משרעת התנודות הניתנות להשגה. לאחר מכן נדון בהשפעה של תכונות נוזל ספציפיות או חומרים מיקרופלואידיים על משרעת התנודה. לבסוף, אנו ממחישים את היכולת עבור צורות גל שאינן סינוסואידליות.
לשם השוואה, אנו מגדירים את מקרה הייחוס על ידי תכונות הנוזל הבאות, גיאומטריית התעלות והחומרים המיקרופלואידיים הבאים. נוזל העבודה הוא מים שעברו דה-יוניזציה (μ = 1.00 mPa.s) עם 0.01% נפח חלקלקים עוקבים בעלי קוטר, d = 1 מיקרומטר וצפיפות, ρ = 1.20 ק"ג / מ"ק3. זמן תגובת החלקיקים המתאים, הנתון על ידי ρd2/18μ, הוא 70 ns שהוא הרבה פחות מסולמות הזמן המתנדנדים המתאימים (1-100 אלפיות השנייה). החלקיקים נצפים בגובה האמצעי של הערוץ עם מטרה של פי 10 ועומק מיקוד של 10 מיקרומטר. הצינור המיקרופלואידי הוא בעל קטרים של 1.27 מ"מ x 0.76 מ"מ (חיצוני x פנימי) ואורך צינור יציאה של 12 ס"מ המוחזק 5 ס"מ מעל מפלס התעלה.
התזוזות במעקב של חלקיקי עוקבים במטוס האמצעי של הערוץ עבור תדרי תנודה שונים מוצגות באיור 2. אות הרמוני נצפה עבור כל תדרי התנודה המוצגים, שהם 100 הרץ, 200 הרץ, 400 הרץ ו-800 הרץ. קצב הפריימים של ההדמיה היה גדול או שווה ל-20 פעמים מתדירות התנודה. הגדרת המשרעת (עוצמת הרמקול) נשמרה קבועה בתדרי התנודה השונים. עבור התדרים 100 הרץ, 200 הרץ, 400 הרץ ו-800 הרץ, המשרעת המתאימה היא כ-125 מיקרומטר, 100 מיקרומטר, 25 מיקרומטר ו-10 מיקרומטר, בהתאמה.
התזוזה העוקבת של חלקיקים משמשת גם לקביעת נאמנות התנועה ההרמונית וטווח משרעות התנודות, שלב קריטי בתהליך הכיול. הנאמנות של התזוזה ההרמונית של חלקיקים בתדרים שונים של תנודות ואמפליטודות מודגמת באמצעות ספקטרום פורייה ומוצגת באיור 3A. עבור תדרים של 50 הרץ, 200 הרץ ו-400 הרץ בהתאמה, נלקחות בחשבון שלוש אמפליטודות שונות המאופיינות בהבדל הפוטנציאלי בכבל ה-aux (או במתח הכניסה של המגבר). ההגדרות נקראות נמוכות (30%, 1.5 V, צהוב), ביניים (60%, 3 V, כתום) וגבוהות (90%, 4.5 V, אדום). כאן, האחוז מייצג את גודל הגדרת עוצמת הקול ביחס לנפח הרמקולים המרבי, או המתח המתאים של 5 V. ספקטרום פורייה של תזוזת חלקיקים בתדרי תנודה של 50 הרץ, 200 הרץ ו-800 הרץ מוצג באיור 3A עבור שלושה מתחי כניסה שונים של מגבר (1.5 V, 3 V, 4.5 V) המתאימים לצבעים צהובים, כתומים ואדומים בהתאמה. השיא העיקרי של הספקטרום מתאים בדיוק לתדר המוחל עבור כל הגדרות עוצמת הקול. הפסגה הראשית היא > פי 10 מהפסגות המשניות, אפילו באמפליטודה הגבוהה ביותר.
עבור מתח כניסה של מגבר של 5 וולט, המשרעת של תזוזת חרוט הרמקול היא בעלת ערך מרבי של 5 מ"מ ונשארת קבועה לתדרים של עד 50 הרץ ולאחר מכן יורדת בערך באופן ריבועי עבור תדרים מעל 50 הרץ (למשל, 1.5 מ"מ ב-100 הרץ). משרעת תנודת החלקיקים בנוזל פרופורציונלית לעוצמה הניתנת על ידי המכפלה של משרעת חרוט הרמקול ותדירות התנודה. לפיכך אנו מצפים כי המשרעת המתנודדת תהיה מקסימלית בסמוך לתדר התהודה של הרמקול ויורדת עבור תדרים משני צדיה עבור מתח כניסה קבוע של מגבר. יתר על כן, אנו עשויים גם לצפות כי המשרעת המתנודדת של הנוזל משתנה באופן ליניארי עם מתח הכניסה של המגבר וערכו אינו יכול לעלות על זה של משרעת חרוט הרמקול.
ציפיות אלה מאושרות בתרשים של משרעת תנודות לעומת התדירות המוצגת באיור 3B. עבור כל הגדרות עוצמת הקול של הרמקולים, העקומה האופיינית היא בעלת שיא תהודה, המתרחש בכ-180 הרץ, שמעבר לו המשרעת פוחתת עם הגדלת התדר. העקומות במתחים שונים נראות זהות למעט תרגומים אנכיים בקנה מידה של לוג המרמזים על כך שהמשרעת המתנודדת משתנה באופן ליניארי עם המתח. לבסוף, המשרעת המקסימלית היא פחות מ -1.5 מ"מ גם בתדר התהודה של 5 V. עם זאת, ניתן לבחור הגדרת עוצמת קול כך שניתן להשיג משרעת תנודות של > 100 מיקרומטר על פני כל טווח התדרים התפעוליים.
לאחר מכן, מוצגים מקרים לדוגמה נבחרים על השפעת צמיגות הנוזל, קוטר הצינור ואורך הצינור על משרעת המתנודדת על פני טווח התדרים התפעוליים ביחס למקרה הייחוס שתואר לעיל. עבור ניסויים אלה, משרעת הנהג (נפח הרמקול) נשמרת קבועה ברמת הביניים ורק פרמטר הגדרה אחד משתנה בכל פעם בעוד שהפרמטרים הנותרים זהים למקרה בקרת הייחוס (סמלי יהלום). התוצאות המתאימות עבור משרעת תנודות לעומת תדירות מוצגות באיור 4. כאשר הצמיגות של הנוזל העובד מוגברת על ידי שינוי לתמיסת גליצרול של 25% (μ = 1.81 mPa.s) המשרעת פוחתת בפקטור של כמעט 2 על פני טווח תדרי ההפעלה (סמלים מרובעים). זה מצביע על כך שבאופן כללי, הגדלת הצמיגות הנוזלית בהשוואה לזו של מים שעברו דה-יוניזציה תגרום לאמפליטודה אופיינית דומה לעומת עקומת התדרים עם ירידה מתמדת באמפליטודה. כאשר קוטר הצינורות המיקרופלואידיים של אותו חומר (פוליאתילן) גדל ל-2.41 מ"מ x 1.67 מ"מ, המשרעת גדלה בהשוואה למקרה הייחוס בפקטור בין 1.5-3 בהתאם לתדר (סמלי המעגל). העלייה גדולה יותר בתדרים גבוהים וקטנה יותר בתדרים נמוכים, מה שמעיד על כך שתדירות התהודה עלתה. כאשר אורך הצינור של אותו חומר (פוליאתילן) גדל ל -24 ס"מ (בפקטור של 2), המשרעת גדלה באופן משמעותי בסמוך לתדר התהודה אך נותרת ללא שינוי ממקרה בקרת הייחוס בתדרים נמוכים מאוד וגבוהים מאוד (סמלי משולש).
בנוסף לצורות הגל הסינוסואידליות שנדונו לעיל, מודגמות גם צורות גל שאינן סינוסואידליות. מסלולי תזוזת חלקיקים עבור צורות גל מרובעות, משולשות ומנסרות מוצגים באיור 5A. כאן, הגדרת המשרעת היא בינונית (60% מהמקסימום), תדירות הנהיגה היא 100 הרץ, וחלקיקים נצפים ב-4000 פריימים לשנייה. כצפוי, שינויים חדים מאוד במיקום הקשורים לצורות גל ריבועיות ומסוריות אינם אפשריים במערכות ממשיות עם זמן תגובה סופי. עבור מערכת רמקולים זו, ניתן להעריך את זמן התגובה ב-0.5 אלפיות השנייה. אף על פי כן, ספקטרום פורייה של צורות הגל האלה נצפה כמתאים היטב לספקטרום האידיאלי, לפחות עד ההרמוניה השלישית כפי שמוצג באיור 5B.
איור 1. סכמטי להמחשת תכנון המנגנון והרכבתו. הרכיבים הקריטיים הם (I) רמקול, (II) תושבת רמקול, (III) מתאם רמקול לצינור, (IV) חותם טריז קצה פיפטה, (V) צינורות פוליאתילן ו-(VI) מיקרו-ערוץ PDMS. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2. דוגמאות לתזוזת חלקיקים במהלך זרימת מתנודת. מסלולי חלקיקים מייצגים במהלך קלט בצורת גל סינוסואידלית בתדרים שונים התקבלו באמצעות הדמיה במהירות גבוהה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3. ניתוח תזוזת חלקיקים לצורך נאמנות אותות וטווח משרעת. (A) ניתוח ספקטרום פורייה של תנודות סינוסואידליות בתדרים שונים של תנודות ואמפליטודות שונות, או נפחי רמקולים. (B) העקומה האופיינית של משרעת התנודה לעומת התדר בשלוש הגדרות נפח רמקול שונות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
תרשים 4. השפעות של אורך הצינור, קוטר הצינור וצמיגות נוזלית על משרעת מתנדת. בהשוואה למקרה הייחוס, עלייה באורך הצינור או בקוטר הצינור תוביל לעלייה באמפליטודת התנודה על פני טווח התדרים התפעוליים. עלייה בצמיגות, לעומת זאת, מקטינה את משרעת התנודה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 5. דוגמאות לצורות גל שאינן סינוסואידליות. (A) תזוזות חלקיקים עבור צורות גל ריבועיות, משולשות ונסורתיות בתדר תנודה של 100 הרץ. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
קובץ משלים 1. קובץ סטריאוליתוגרפיה להפקת תושבת רמקול מודפסת בתלת-ממד המוזכרת באיור 1 (II). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 2. קובץ סטריאוליתוגרפיה להפקת מתאם צינור רמקולים מודפס בתלת-ממד המוזכר באיור 1 (III). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הדגמנו את ההרכבה (ראו פרוטוקול שלבים קריטיים 3 ו-4) ואת הפעולה (ראו פרוטוקול שלבים קריטיים 5 ו-6) של מנגנון חיצוני מבוסס רמקולים ליצירת זרימה מתנדתית עם תדרים בטווח של 10 עד 1000 הרץ בהתקנים מיקרופלואידיים. מעקב אחר חלקיקים של חלקיקי עוקבים מרחפים נדרש כדי לקבוע את הנאמנות של התנועה ההרמונית, כמו גם לכיול טווח משרעת התנודות הניתנות להשגה על פני טווח תדרי ההפעלה. עקומת המשרעת-תדר עבור הגדרת נפח נתונה תלויה בעיקר במאפייני הדובר, שאותם לא ניתן לשנות (ראו דיון במאפייני הדובר בתוצאות מייצגות עבור איור 3A,B). עם זאת, עבור תכנון ערוץ מסוים, ניתן לשנות ולכוון את משרעת המתנודדת על ידי שינוי הולם של תכונות הצינורות, צמיגות הנוזל או שילובים שלהם. לדוגמה, אנו מראים באיור 4 שקוטר צינור גדול יותר או אורך צינור ארוך יותר יכולים להגדיל את עוצמת המשרעת המתנודדת עבור אותה הגדרת נפח. צמיגות גוברת, לעומת זאת, מקטינה את טווח המשרעת המתנודדת, ומספקת למשתמשים טווח של אמפליטודות, המשתרעות מ-10 מיקרומטר ל-1 מ"מ.
היתרון המשמעותי של שיטה זו הוא קלות ההרכבה, היישום והתפעול שלה. כל העלות של הנהג המתנד היא פחות מ-60 דולר וההרכבה שלו תיקח רק כ-2 שעות לאחר רכישת החלקים (ראו טבלת חומרים). בניגוד לשיטות חלופיות ליצירת זרימה מתנדתית בהתקנים מיקרופלואידיים25, שיטה זו אינה מטילה כמעט שום אילוצי תכנון ומבטיחה זמן אספקה מינימלי ליישום. למרות פשטותה, השיטה שלנו מאפשרת למשתמש שליטה מדויקת באופן מפתיע על משרעת תנודות תוך שמירה על הנאמנות של צורות גל מתנדות סינוסואידליות ולא סינוסואידליות. הטכניקה גם מייצרת תנועה הרמונית על פני טווח תדרים של שני סדרים בעוצמה. לבסוף, ניתן להשתמש בטכניקה זו יחד עם רכיב זרימה קבועה שנוצר על ידי בקרי זרימה מיקרופלואידיים סטנדרטיים, כגון משאבות מזרקים או מחוללי לחץ, כדי ליצור זרימת פעימה בתדר גבוה. כפי שהוכח בעבר22,28, המשרעת והתדר המתנודדים אינם מושפעים מנוכחותה של זרימת תחבורה יציבה כאשר מהירות הזרימה היציבה קטנה בהשוואה למהירות הזרימה המתנודדת. שיטה זו היא אפוא אידיאלית עבור הגדרת מעבדת מחקר.
מגבלה מקבילה של השיטה היא שלא ניתן להגדיר את המשרעת בערך הרצוי. יש למדוד ולכייל אותו לאמפליטודה עבור תעלה מיקרופלואידית נתונה. זה כרגע לא ניתן להרחבה ולכן לא מתאים באופן מיידי ליישומים תעשייתיים. פיתוח נוסף של מנגנון זה יכלול תכנון של דיאפרגמה פשוטה שניתן לחבר ולהפעיל אותה על ידי הרמקול כדי לאפשר משרעת גדולה יותר ולמזער את התלות בצינורות ובתעלה המיקרופלואידית.
בסך הכל, עבודה זו מספקת גישה זולה, חזקה וניתנת להתאמה אישית ליצירת זרימות מתנדות בערוצים מיקרופלואידיים בטווח תדרים יחסית שלא נחקר. טכניקה זו הוכחה כיעילה למיקרו-ריאולוגיה של נוזלים ניוטוניים26 ולא ניוטוניים27 , ערבוב משופר בקנה מידה זעיר28, ומיקוד אינרציאלי בערוצים באורך מופחת22. הגישה המתוארת בעבודה זו מספקת מתודולוגיה נגישה וניתנת להתאמה ליצירת זרימות מתנודתיות גרידא, או זרימות פולסות בשילוב עם זרימה קבועה ממשאבת מזרק. כתוצאה מכך, טכניקה נוחה זו יכולה לאפשר יישום של זרימות מתנדות למחקר קיים ותעשייה בקנה מידה זעיר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
ברצוננו להכיר בתמיכה שניתנה ובמתקנים הניתנים על ידי המחלקה למדע מכני והנדסה מעבדה מהירה ליצירת אב-טיפוס באוניברסיטת אילינוי כדי לאפשר עבודה זו.
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).
