Summary
Protokollen demonstrerer en praktisk metode for å produsere harmonisk oscillatorisk strømning fra 10-1000 Hz i mikrokanal. Dette utføres ved å interfacing en datastyrt høyttalermembran til mikrokanal på en modulær måte.
Abstract
Mikrofluidisk teknologi har blitt et standardverktøy i kjemiske og biologiske laboratorier for både analyse og syntese. Injeksjonen av væskeprøver, som kjemiske reagenser og cellekulturer, oppnås hovedsakelig gjennom stabile strømmer som vanligvis drives av sprøytepumper, tyngdekraften eller kapillære krefter. Bruken av komplementære oscillatoriske strømmer vurderes sjelden i applikasjoner til tross for sine mange fordeler som nylig demonstrert i litteraturen. Den betydelige tekniske barrieren for implementering av oscillatoriske strømmer i mikrokanaler er sannsynligvis ansvarlig for mangelen på utbredt adopsjon. Avanserte kommersielle sprøytepumper som kan produsere oscillatorisk strømning, er ofte dyrere og fungerer bare for frekvenser mindre enn 1 Hz. Her demonstreres montering og drift av et rimelig, plug-and-play-type høyttalerbasert apparat som genererer oscillatorisk strømning i mikrokanal. Høy-troskap harmoniske oscillatoriske strømmer med frekvenser fra 10-1000 Hz kan oppnås sammen med uavhengig amplitudekontroll. Amplituder fra 10-600 μm kan oppnås gjennom hele operasjonsområdet, inkludert amplituder > 1 mm ved resonansfrekvensen, i en typisk mikrokanal. Selv om oscillasjonsfrekvensen bestemmes av høyttaleren, illustrerer vi at oscillasjonsamplituden er følsom for væskeegenskaper og kanalgeometri. Spesielt reduseres oscillasjonsamplituden med økende kanalkretslengde og flytende viskositet, og i kontrast øker amplituden med økende høyttalerrørtykkelse og lengde. I tillegg krever apparatet ingen tidligere funksjoner som skal utformes på mikrokanal og er lett avtakbar. Den kan brukes samtidig med en jevn strømning opprettet av en sprøytepumpe for å generere pulsatile strømmer.
Introduction
Den nøyaktige kontrollen av væskestrømningshastigheten i mikrokanal er avgjørende for lab-on-a-chip applikasjoner som dråpeproduksjon og innkapsling1, blanding 2,3, og sortering og manipulering av suspenderte partikler 4,5,6,7. Den overveiende brukte metoden for strømningskontroll er en sprøytepumpe som produserer svært kontrollerte stabile strømmer som dispenserer enten et fast volum væske eller en fast volumetrisk strømningshastighet, ofte begrenset til helt enveis strømning. Alternative strategier for å produsere enveis strømning inkluderer bruk av gravitasjonshode8, kapillære krefter9 eller elektro-osmotisk strømning10. Programmerbare sprøytepumper gir mulighet for en tidsavhengig toveis kontroll av strømningshastigheter og dispenserte volumer, men er begrenset til responstider større enn 1 s på grunn av sprøytepumpens mekaniske treghet.
Strømningskontroll på kortere tidsskalaer låser opp en mengdepå 6,11,12,13,14,15 av ellers utilgjengelige muligheter på grunn av kvalitative endringer i flytfysikk. Den mest praktiske måten å utnytte denne varierte strømningsfysikken er gjennom akustiske bølger eller oscillatoriske strømmer med tidsperioder fra 10-1- 10-9 s eller 101 -109 Hz. Den høyere enden av dette frekvensområdet er tilgjengelig ved hjelp av BAW-enheter (Bulk Acoustic Wave), 100 kHz-10 MHz) og overflateakustikkbølgeenheter (SAW; 10 MHz-1 GHz). I en typisk BAW-enhet vibreres hele substratet og væskekolonnen ved å påføre et spenningssignal over en limt piezoelektrisk. Dette muliggjør relativt høye gjennomstrømninger, men resulterer også i oppvarming ved høyere amplituder. I SAW-enheter oscilleres imidlertid fast væskegrensesnittet ved å påføre spenning på et par interdigiterte elektroder mønstret på et piezoelektrisk substrat. På grunn av de svært korte bølgelengdene (1 μm-100 μm) kan partikler så små som 300 nm nøyaktig manipuleres av trykkbølgen som genereres i SAW-enheter. Til tross for evnen til å manipulere små partikler, er SAW-metoder begrenset til lokal partikkelmanipulering siden bølgen raskt demper med avstand fra kilden.
Ved frekvensområdet 1-100 kHz genereres oscillatoriske strømmer vanligvis ved hjelp av piezo-elementer som er bundet til en polydimetylsiloksan (PDMS) mikrokanal over et designet hulrom16,17. PDMS-membranen over det mønstrede hulrommet oppfører seg som en vibrerende membran eller trommel som presser væsken i kanalen. Ved dette frekvensområdet er bølgelengden større enn kanalstørrelsen, men oscillasjonshastighetsamplitudene er små. Det mest nyttige fenomenet i dette frekvensregimet er genereringen av akustiske / viskøse streamingstrømmer, som er utbedrede stabile strømmer forårsaket på grunn av ikke-linearitet som ligger i strømmen av væsker med treghet18. De jevne strømmestrømmene manifesterer seg vanligvis som høyhastighets motroterende vortices i nærheten av hindringer, skarpe hjørner eller mikrobobler. Disse vortices er nyttige for å blande 19,20 og skille 10 μm store partikler fra strømningsstrømmen21.
For frekvenser i området 10-1000 Hz er både hastigheten til oscillatoriske komponenten og den tilhørende stabile viskøse streamingen betydelig i størrelsesorden og nyttig. Sterke oscillatoriske strømmer i dette frekvensområdet kan brukes til inertial fokusering22, lette dråpegenerering23, og kan generere strømningsforhold (Womersley-tall) som etterligner blodstrømmen for in vitro-studier . På den annen side er streamingstrømmer nyttige for blanding, partikkelfangst og manipulering. Oscillatorisk strømning i dette frekvensområdet kan også oppnås ved hjelp av et piezo-element bundet til enheten som beskrevet ovenfor23. Et betydelig hinder for å implementere oscillatoriske strømmer gjennom et limt piezo-element er at det krever at funksjoner utformes på forhånd. De limte høyttalerelementene kan heller ikke tas av, og et nytt element må bindes til hver enhet24. Imidlertid presenterer slike enheter fordelen med å være kompakt. En alternativ metode er å bruke en elektromekanisk reléventil20. Disse ventilene krever pneumatiske trykkkilder og tilpasset kontrollprogramvare for drift og øker derfor den tekniske barrieren for testing og implementering. Likevel muliggjør slike enheter anvendelse av innstilt trykkamplitude og frekvens.
I denne artikkelen er konstruksjon, drift og karakterisering av en brukervennlig metode for å generere oscillatoriske strømmer i frekvensområdet 10-1000 Hz i mikrokanaler beskrevet. Metoden gir mange fordeler som kostnadseffektiv montering, brukervennlighet og klar til grensesnitt med standard mikrofluidiske kanaler og tilbehør som sprøytepumper og rør. I tillegg, sammenlignet med tidligere lignende tilnærminger25, tilbyr metoden brukeren selektiv og uavhengig kontroll av oscillasjonsfrekvenser og amplituder, inkludert moduleringen mellom sinusformede og ikke-sinusformede bølgeformer. Disse funksjonene gjør det enkelt for brukere å distribuere oscillatoriske strømmer og derfor legge til rette for utbredt adopsjon i et bredt spekter av eksisterende mikrofluidiske teknologier og applikasjoner innen biologi og kjemi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Rask prototypeformdesign og fabrikasjon
- Åpne AutoCAD på en PC. Velg Fil på oppgavelinjen, velg deretter Åpne og bla til og klikk på en tredimensjonal (3D) modellfil av kanalformen som har .dxf eller .dwg utvidelse.
- Merk hele modellen ved å klikke og dra en boks rundt den. Eksporter utformingen som en STL-fil ved å velge Fil | Eksporter, deretter Andre formater og velg .stl fra rullegardinlisten.
- Last opp filen til en stereolitografisk (SLA) skriver med høy presisjon, for eksempel Formlabs FORM3. Hell harpiksen i harpikskammeret og start utskriften og produser formen med de minste z-aksetrinnene (25 mikron for Formlabs CLEAR harpiks).
- Vent til den automatiske delutskriften er fullført.
MERK: Former med funksjoner så små som 0,1 mm kan fremstilles på denne måten. - Etter å ha fjernet delen fra harpiksen, rør den i isopropanol i 5 min for å fjerne gjenværende harpiks.
- Tørk formen med luft eller nitrogengass i 2 min.
MERK: Konvensjonelle mikrofluidiske muggproduksjoner med silisiumskiver og fotolitografi med alle SU8- eller KMPR-fotoresister kan også brukes til å produsere en form med mindre funksjoner. - Herd den tørkede formen ved 60 °C i UV-lys i maksimalt 1 time.
2. PDMS mikrokanal fabrikasjon
- Legg formen på et ark med aluminiumsfolie. For å lette delaminering av PDMS, spray belegge formen med silikonformutløsning i 1 eller 2 passerer.
- Hell PDMS harpiks og krysskobling i en engangskopp i forholdet 10:1 etter vekt og bland med en engangsskje.
- Hell den resulterende blandingen på formen for å produsere en film med nødvendig tykkelse. For å forhindre deformasjon av store kanaler opprettholder du PDMS-tykkelsen på mer enn 5 mm eller 3-4 ganger maksimal funksjonstykkelse.
- Plasser formen med hellet PDMS i degaskammeret og lukk lokket. Påse at O-ringen hermetisk forsegler kammeret.
- Lukk eksosventilen og slå på vakuumpumpen for å starte avgassing.
- Degas den hellede blandingen i en vakuumpumpe i over 4-6 sykluser med hver syklus som varer ca. 5 min. Fjern eventuelle gjenværende bobler manuelt (i hjørner og grøfter) ved hjelp av en fin ledning.
- Sett ovnstemperaturen til 80 °C og la den forvarme. Plasser blandingen i ovnen ved 80 °C i 2 timer for å kurere.
- Fjern den herdede formen fra ovnen og la den stå ved romtemperatur i 10 minutter for å avkjøle.
- Bruk en skalpell, klipp forsiktig ut kantene på formen. For optimal delaminering, bruk en sprøyte for å injisere isopropanol mellom formen og herdet PDMS.
- Skrell den herdede PDMS av fra formen og kutt den i individuelle enheter med et barberblad. Størrelsen på hver enhet må variere mellom 10 mm x 10 mm til 30 mm x 70 mm for å festes med glasssklie.
- Lag et hull på 1,0-3,0 mm diameter ved innløpet og utløpet ved hjelp av en biopsistans.
- Slå på plasmageneratoren for håndholdt radiofrekvens (RF). For å aktivere glassskuffen, send trådelektroden jevnt over en ren, tørr glasssklie flere ganger i 2 minutter. Oppretthold en ledning til glassgap på ca. 5 mm. Plasser enhetssiden av den herdede PDMS i kontakt med den aktiverte glasssklie og plasser den i en 80 °C ovn i 2 timer.
- Klipp polyetyleninntak og utløpsrør til ønsket lengde og sett dem inn i innløps- og utløpshullene.
- For å forhindre at røret løsner under drift, påfør silikonforseglingsmiddel på kontaktflaten og la det herdes i 2 timer for å sikre slangen.
3. Oscillatorisk drivermontering
- Klem alligatorklemmens ender av et par alligator-til-pinne-ledninger til terminalene på en høyttaler. Her ble en 15 W høyttaler med en 8 cm kjegle brukt, selv om andre høyttalere også kan brukes.
- Plasser aUX-kontrollerbrikken på en isolerende beholder. Sett pinneendene inn i skruekontaktene på AUX-kontrollerbrikken og stram godt med en skrutrekker for å sikre tilkobling.
- Koble den ene enden av en AUX-kabel til kontrollerbrikken og den andre enden til en AUX-port på en datamaskin eller smarttelefon.
- Koble en 12 V likestrømsadapter (DC) til strømforsyningen. Slå på kontrollerbrikken ved å koble den koaksiale enden av DC-adapteren til stikkontakten.
- Bruk en nettleser til å navigere til et nettsted for tonegenerator på nettet (f.eks. https://www.szynalski.com/tone-generator/ ).
- Skriv inn ønsket frekvens (5-1200 Hz) i den elektroniske applikasjonen. Bla volumlinjen til ønsket mengde (f.eks. 100 %).
- Klikk på Wave-Type Generator-symbolet og velg ønsket bølgeform (sinus, firkant, trekant, sagtooth). Legg merke til at standarden er en sinusbølgeform. Trykk spill av for å aktivere høyttaleren.
4. Montering av adapter
MERK: Den komplette adapterenheten fra høyttaler til rør er illustrert av skjematisk i figur 1.
- Fest høyttaleren (figur 1(I)) på den 3D-trykte høyttalerbraketten (figur 1(II)) (se speakermount.stl i tilleggsfil 1) ved å stikke en tape over den buede overflaten og på hver side av braketten.
- Plasser høyttaleren vertikalt med høyttalerkjegleoverflaten vendt opp. Plasser den 3D-trykte adapteren (figur 1(III)) (se speakertubeadapter.stl i tilleggsfil 2) konsentrisk på høyttalerkjeglen.
- Påfør silikonforseglingsmiddel sjenerøst langs kantene på adapteren og la herdes i 2 timer.
- Plasser høyttaleren og høyttalerbraketten på mikroskoptrinnet og tape ned for å forhindre bevegelse under drift.
- Klipp en 200 μL mikropipettespiss ca. 2 cm fra den smale enden og kast den bredere halvdelen av spissen. Den smale koniske enden vil fungere som en kileforsegling for reversibel vedlegg.
- Koble polyetylenslangen (figur 1(V)) til mikrokanaluttaket (figur 1(VI)) ved først å tre gjennom mikropipettespissen (figur 1 (IV)), og deretter gjennom adapterens koaksiale ende og til slutt ut gjennom siden.
- Kil den smale enden av pipettespissen godt inn i adapterens koaksialende for å skape en avtakbar tett forsegling.
5. Drift av det eksperimentelle oppsettet for oscillatoriske strømmer i mikrokanaler
- Tilsett sporstoffpartikler i et hetteglass med 22% vekt / vekt (m / w) glyseroloppløsning for å produsere en nøytralt oppdriftssuspensjon med en volumfraksjon på 0,01%-0,1% polystyren i væske ved 20 °C. Bland kraftig ved å riste for å produsere en homogen suspensjon.
- Legg en 1 ml innløpssprøyte med 1 ml prøve. Monter og fest den ladde sprøyten på en automatisk sprøytepumpe. Sett sprøytenålen inn i innløpsslangen på enheten for å lage en vanntett forsegling.
- Kontroller at utløpsrøret føres gjennom adapterenheten og inn i et reservoar (se forrige avsnitt om adaptermontering).
- Slå på sprøytepumpen. Bruk berøringsskjermen til å velge sprøytetype som Becton-Dickinson 1 ml. Velg deretter Infuse. Velg deretter ønsket strømningshastighet (0-1 ml/min) eller strømningsvolum (< 1 ml).
- Start den jevne strømmen ved hjelp av sprøytepumpen. Vent til tilstrekkelig volum væske har strømmet og utløpsrøret er fylt med væske opp til høyttaleren.
MERK: Oscillatorisk amplitude for en gitt innstilling vil ikke variere med jevn transportflyt hvis utløpsrøret er primet. - Velg en nødvendig frekvens, amplitude og bølgeform i tonegeneratorapplikasjonen som beskrevet i trinn 3.5, og trykk på Spill av for å generere oscillatorisk strømning inne i mikrokanal.
6. Måling av observasjon og amplitude
- Monter enheten på mikroskopet. Sett opp den optiske konfigurasjonen ved å velge et objektiv med en forstørrelse mellom 10x og 40x som justerer brennplanet og plasserer scenen.
- For å oppnå målinger i et veldefinert fokusplan, må du sørge for at dybdeskarpheten til objektivet er mindre enn kanaldybden med en faktor på 5 eller mer.
- For å observere oscillatorisk strømning, bruk et høyhastighetskamera med en bildefrekvens på minst dobbelt så høy oscillasjonsfrekvens som beregnet ved hjelp av Nyquist prøvetakingsteoremet. For en praktisk nyttig oppløsning av bølgeformen, mål minst 10 poeng per tidsperiode ved hjelp av en bildefrekvens > 10 ganger oscillasjonsfrekvensen.
- Alternativt, for å observere bare de utbedrede eller langvarige effektene av pulsatile strømmer, utfør stroboskopisk avbildning ved å sette observasjonsfrekvensen til en perfekt divisor av oscillasjonsfrekvensen.
- For både direkte og stroboskopisk bildebehandling, bruk et kamera utstyrt med en global lukker for å unngå jello-effekten. I begge tilfeller må eksponeringstiden holdes betydelig mindre enn svingningsperioden (med en faktor på 10 eller mer) for å forhindre striper.
- For å måle oscillasjonsamplituden uten et høyhastighetskamera, ta opp med en bildefrekvens som vedlikeholdes nær, men ikke lik den stroboskopiske bildefrekvensen (f.eks. 49 bilder/s for et 50 Hz-signal). Dette resulterer i en svært redusert oscillasjon som amplituden kan måles nøyaktig fra.
- Vær oppmerksom på og registrer amplitudemålingene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
For å illustrere evnen og ytelsen til oppsettet ovenfor, presenteres representative resultater av oscillatorisk strømning i en enkel lineær mikrokanal med et firkantet tverrsnitt. Bredden og høyden på kanalen er 110 μm og lengden er 5 cm. Først beskriver vi bevegelsen av sfæriske polystyren tracer partikler og hvordan disse kan brukes til å sjekke troskapen til oscillatorisk signal samt rekkevidden av oscillasjon amplituder oppnåelig. Vi diskuterer deretter effekten av spesifikke væskeegenskaper eller mikrofluidiske materialer på oscillasjonsamplitude. Til slutt illustrerer vi evnen til ikke-sinusformede bølgeformer.
Til sammenligning definerer vi referansetilfellet ved hjelp av følgende væskeegenskaper, kanalgeometri og mikrofluidiske materialer. Arbeidsvæsken er deionisert vann (μ = 1,00 mPa.s) med 0,01% volumfraksjon av sporstoffpartikler som har diameter, d = 1 μm og tetthet, ρ = 1,20 kg / m3. Den tilsvarende partikkelresponstiden, gitt ved ρd2/18μ, er 70 ns som er langt mindre enn de tilsvarende oscillatoriske tidsskalaene (1-100 ms). Partiklene observeres ved kanalen midt i høyden med et 10x mål og en dybde på fokus på 10 μm. Det mikrofluidiske røret har en diameter på 1,27 mm x 0,76 mm (ytre x indre) og en utløpsrørlengde på 12 cm som holdes 5 cm over kanalnivået.
De sporede forskyvningene av sporstofferpartikler ved kanalmidplanen for forskjellige oscillasjonsfrekvenser er vist i figur 2. Et harmonisk signal observeres for alle svingningsfrekvensene som vises, som er 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz og 800 Hz. Bildefrekvensen var større enn eller lik 20 ganger oscillasjonsfrekvensen. Innstillingen for amplitude (høyttalervolum) ble opprettholdt konstant på tvers av de forskjellige oscillasjonsfrekvensene. For frekvensene 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz og 800 Hz er de tilsvarende amplitudene henholdsvis ca. 125 μm, 100 μm, 25 μm og 10 μm.
Den sporede forskyvningen av partikler brukes også til å bestemme gjengivelsen av den harmoniske bevegelsen og rekkevidden av oscillasjonsamplituder, et kritisk skritt i kalibreringsprosessen. Gjengivelsen av den harmoniske forskyvningen av partikler ved forskjellige oscillasjonsfrekvenser og amplituder er illustrert ved hjelp av Fourier-spektraet og vist i figur 3A. For frekvenser på henholdsvis 50 Hz, 200 Hz og 400 Hz vurderes tre forskjellige amplituder preget av den potensielle forskjellen i aUX-kabelen (eller forsterkerinngangsspenningen). Innstillingene kalles lave (30 %, 1,5 V, gule), mellomliggende (60 %, 3 V, oransje) og høye (90 %, 4,5 V, rød). Her representerer prosentandelen størrelsen på voluminnstillingen med hensyn til maksimalt høyttalervolum, eller tilsvarende spenning på 5 V. Fourier-spektraet av partikkelforskyvning ved oscillasjonsfrekvenser på 50 Hz, 200 Hz og 800 Hz er vist i figur 3A for tre forskjellige forsterkerinngangsspenninger (henholdsvis 1,5 V, 3 V, 4,5 V) tilsvarende henholdsvis gule, oransje og røde farger. Hovedtoppen i spekteret tilsvarer nøyaktig den brukte frekvensen for alle voluminnstillinger. Den primære toppen er > 10 ganger de sekundære toppene, selv ved høyeste amplitude.
For en forsterkerinngangsspenning på 5 V har amplituden til høyttalerkjegleforskyvningen en maksimal verdi på 5 mm og forblir konstant for frekvenser på opptil 50 Hz og reduseres deretter omtrent kvadratisk for frekvenser over 50 Hz (f.eks. 1,5 mm ved 100 Hz). Partikkeloscillasjonsamplituden i væsken er proporsjonal med kraften som er transdusert gitt av produktet av høyttalerkjeglenamplituden og oscillasjonsfrekvensen. Vi forventer derfor at oscillatorisk amplitude er maksimal nær høyttalerens resonansfrekvens og reduseres for frekvenser på hver side av den for en fast forsterkerinngangsspenning. Videre kan vi også forvente at oscillatorisk amplitude av væsken varierer lineært med forsterkerens inngangsspenning, og verdien kan ikke overstige den for høyttalerkjeglenamplituden.
Disse forventningene bekreftes i en plott av oscillasjonsamplitude versus frekvens vist i figur 3B. For alle høyttalervoluminnstillinger har den karakteristiske kurven en resonanstopp, som oppstår på omtrent 180 Hz, utover hvilken amplituden reduseres med økende frekvens. Kurvene ved forskjellige spenninger virker identiske bortsett fra vertikale oversettelser i loggskala som antyder at oscillatorisk amplitude varierer lineært med spenning. Til slutt er maksimal amplitude mindre enn 1,5 mm selv ved resonansfrekvensen på 5 V. Likevel kan en voluminnstilling velges slik at oscillasjonsamplituder på > 100 μm kan oppnås over hele operasjonsfrekvensområdet.
Deretter presenteres utvalgte eksempeltilfeller på effekten av væskeviskositeten, rørdiameteren og rørlengden på oscillatorisk amplitude over rekkevidden av driftsfrekvenser med hensyn til referansehuset beskrevet ovenfor. For disse eksperimentene opprettholdes driveramplituden (høyttalervolumet) konstant på mellomnivå, og bare én installasjonsparameter endres om gangen mens de gjenværende parameterne er identiske med referansekontrollhuset (diamantsymboler). De tilsvarende resultatene for oscillasjonsamplitude versus frekvens er vist i figur 4. Når viskositeten til arbeidsflyten økes ved å bytte til en 25% glyseroloppløsning (μ = 1,81 mPa.s), reduseres amplituden med en faktor på nesten 2 over rekkevidden av driftsfrekvenser (firkantede symboler). Dette antyder at generelt vil økning av væskeviskositeten sammenlignet med deionisert vann resultere i en lignende karakteristisk amplitude versus frekvenskurve med en konstant faktorreduksjon i amplituden. Når den mikrofluidiske rørdiameteren for samme materiale (polyetylen) økes til 2,41 mm x 1,67 mm, øker amplituden sammenlignet med referansehuset med en faktor mellom 1,5-3 avhengig av frekvensen (sirkelsymboler). Økningen er større ved høye frekvenser og mindre ved lave frekvenser, noe som indikerer at resonansfrekvensen har økt. Når rørlengden for samme materiale (polyetylen) økes til 24 cm (med en faktor på 2), øker amplituden betydelig nær resonansfrekvensen, men forblir uendret fra referansekontrollhuset ved svært lave og svært høye frekvenser (trekantsymboler).
I tillegg til de sinusformede bølgeformene som er diskutert ovenfor, er det også demonstrert ikke-sinusformede bølgeformer. Partikkelforskyvningsspor for firkantede, trekant- og satoothbølgeformer er vist i figur 5A. Her er amplitudeinnstillingen mellomliggende (60% av maksimum), kjørefrekvensen er 100 Hz, og partikler observeres ved 4000 bilder / s. Som forventet er det ikke mulig med svært skarpe endringer i posisjon knyttet til firkantede og satooth bølgeformer i reelle systemer med begrenset responstid. For dette høyttalersystemet kan responstiden anslås til 0,5 ms. Likevel observeres Fourier-spektraet av disse bølgeformene å være i god enighet med det ideelle spektraet, i det minste opp til den tredje harmoniske som vist i figur 5B.
Figur 1. Skjematisk for å illustrere apparatets design og montering. De kritiske komponentene er (I) høyttaler, (II) høyttalerbrakett, (III) adapter for høyttaler-til-rør, (IV) pipettespiss kileforsegling, (V) polyetylenrør og (VI) PDMS mikrokanal. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2. Eksempler på partikkelforskyvning under oscillatorisk strømning. Representative partikkelspor under sinusformet bølgeforminngang ved forskjellige frekvenser ble oppnådd ved hjelp av høyhastighetsavbildning. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3. Analyse av partikkelforskyvning for signalgjengivelse og amplitudeområde. (A) Fourierspektrumanalyse av sinusformede svingninger ved ulike svingningsfrekvenser og amplituder, eller høyttalervolumer. (B) Den karakteristiske kurven til oscillasjonsamplituden kontra frekvensen ved tre forskjellige høyttalervoluminnstillinger. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4. Effekter av rørlengde, rørdiameter og flytende viskositet på oscillatorisk amplitude. Sammenlignet med referansehuset, vil en økning i rørlengde eller rørdiameter føre til en økning i oscillasjonsamplitude over rekkevidden av driftsfrekvenser. En økning i viskositet reduserer imidlertid oscillasjonsamplituden. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5. Eksempler på ikke-sinusformede bølgeformer. (A) Partikkelforskyvninger for firkantede, trekantede og satooth bølgeformer med en oscillasjonsfrekvens på 100 Hz. (B) Tilsvarende Fourier spektra for ikke-sinusformede partikkelforskyvninger. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Tilleggsfil 1. Stereolitografifil for å produsere en 3D-trykt høyttalerbrakett referert til i figur 1 (II). Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 2. Stereolitografifil for å produsere en 3D-trykt høyttalerrøradapter referert til i figur 1 (III). Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har demonstrert monteringen (se protokollkritiske trinn 3 og 4) og drift (se protokollkritiske trinn 5 og 6) for et eksternt høyttalerbasert apparat for generering av oscillatorisk strømning med frekvenser i området 10 til 1000 Hz i mikrofluidiske enheter. Partikkelsporing av suspenderte sporstoffpartikler er nødvendig for å bestemme gjengivelsen av den harmoniske bevegelsen, samt for å kalibrere spekteret av oscillasjonsamplituder som kan oppnås over rekkevidden av driftsfrekvenser. Amplitudefrekvenskurven for en gitt voluminnstilling avhenger hovedsakelig av høyttalerens egenskaper, som ikke kan endres (se drøfting av høyttaleregenskaper i representative resultater for figur 3A,B). For en bestemt kanaldesign kan imidlertid den oscillatoriske amplituden endres og justeres ved å endre røregenskapene, væskeviskositeten eller kombinasjonene derav på riktig måte. For eksempel viser vi i figur 4 at en større rørdiameter eller lengre rørlengde kan øke størrelsen på oscillatorisk amplitude for samme voluminnstilling. Økende viskositet reduserer imidlertid rekkevidden av oscillatoriske amplituder, og gir brukerne en rekke amplituder, som strekker seg fra 10 μm til 1 mm.
Den betydelige fordelen med denne metoden er dens enkle montering, implementering og drift. Hele kostnaden for oscillatordriveren er mindre enn $ 60, og monteringen vil bare ta omtrent 2 timer når delene er kjøpt (se Materialtabell). I motsetning til alternative metoder for å generere oscillatorisk strømning i mikrofluidiske enheter25, pålegger denne metoden praktisk talt ingen designbegrensninger og sikrer minimal leveringstid til implementering. Til tross for sin enkelhet tillater vår metode brukeren overraskende presis kontroll av oscillasjonsamplituder samtidig som gjengivelsen av både sinusformede og ikke-sinusformede oscillatoriske bølgeformer opprettholdes. Teknikken genererer også harmonisk bevegelse over et frekvensområde på to ordrer i størrelsesorden. Til slutt kan denne teknikken brukes sammen med en jevn strømningskomponent generert av standard mikrofluidiske strømningskontrollere, for eksempel sprøytepumper eller trykkgeneratorer, for å generere en høyfrekvent pulsatilestrøm. Som tidligere vist 22,28, påvirkes ikke oscillatorisk amplitude og frekvens av tilstedeværelsen av en jevn transportstrøm når den jevne strømningshastigheten er liten sammenlignet med den oscillatoriske strømningshastigheten. Denne metoden er derfor ideell for et forskningslaboratorium.
En tilsvarende begrensning av metoden er at amplituden ikke kan stilles inn til ønsket verdi. Den må måles og kalibreres til amplituden for en gitt mikrofluidisk kanal. Det er for tiden ikke skalerbart og dermed ikke umiddelbart egnet for industrielle applikasjoner. Videreutvikling av dette apparatet vil innebære utformingen av en enkel membran som kan bindes til og aktiveres av høyttaleren for å tillate større amplituder og minimere avhengigheten av slangen og mikrofluidkanalen.
Totalt sett gir dette arbeidet en rimelig, robust og tilpassbar tilnærming for å generere oscillatoriske strømmer i mikrofluidiske kanaler i et relativt uutforsket frekvensområde. Denne teknikken har vist seg å være nyttig for mikrorheologien til newtonske26 og ikke-newtonske27 væsker, forbedret blanding ved mikroskala28, og inertial fokusering i kanaler med redusert lengde22. Tilnærmingen som er skissert i dette arbeidet gir en tilgjengelig og tilpasningsdyktig metodikk for å generere rent oscillatoriske strømmer, eller pulsatile strømmer når den kombineres med en jevn strøm fra en sprøytepumpe. Som et resultat kan denne praktiske teknikken muliggjøre implementering av oscillatoriske strømmer til eksisterende forskning og industrielle på mikroskalaen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Vi vil gjerne anerkjenne støtten gitt og fasiliteter levert av Institutt for maskinvitenskap og ingeniørfag Rapid Prototyping Lab ved University of Illinois for å muliggjøre dette arbeidet.
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).
