Summary
Протокол демонстрирует удобный способ получения гармонического колебательного потока от 10-1000 Гц в микроканалах. Это выполняется путем модульного сопряжения управляемой компьютером диафрагмы динамика с микроканалом.
Abstract
Микрофлюидная технология стала стандартным инструментом в химических и биологических лабораториях как для анализа, так и для синтеза. Инъекция жидких образцов, таких как химические реагенты и клеточные культуры, преимущественно осуществляется через устойчивые потоки, которые обычно приводятся в движение шприцевыми насосами, гравитацией или капиллярными силами. Использование комплементарных колебательных потоков редко рассматривается в приложениях, несмотря на его многочисленные преимущества, недавно продемонстрированные в литературе. Значительный технический барьер для реализации колебательных потоков в микроканалах, вероятно, ответственен за отсутствие его широкого распространения. Усовершенствованные коммерческие шприцевые насосы, которые могут производить колебательный поток, часто стоят дороже и работают только на частотах менее 1 Гц. Здесь демонстрируется сборка и эксплуатация недорогого акустического аппарата типа plug-and-play, который генерирует колебательный поток в микроканалах. Высокая точность гармонических колебательных потоков с частотами в диапазоне от 10 до 1000 Гц может быть достигнута наряду с независимым управлением амплитудой. Амплитуды в пределах 10-600 мкм могут быть достигнуты во всем диапазоне операций, включая амплитуды > 1 мм на резонансной частоте, в типичном микроканале. Хотя частота колебаний определяется динамиком, мы показываем, что амплитуда колебаний чувствительна к свойствам жидкости и геометрии канала. В частности, амплитуда колебаний уменьшается с увеличением длины цепи канала и вязкости жидкости, и, напротив, амплитуда увеличивается с увеличением толщины и длины трубки динамика. Кроме того, устройство не требует предварительных функций для проектирования на микроканале и легко отсоединяется. Его можно использовать одновременно с устойчивым потоком, создаваемым шприцевым насосом, для создания пульсирующих потоков.
Introduction
Точное управление расходом жидкости в микроканалах имеет решающее значение для лабораторных применений на кристалле, таких как производство капель и инкапсуляция1, смешивание 2,3, а также сортировка и обработка взвешенных частиц 4,5,6,7. Преимущественно используемым методом управления потоком является шприцевой насос, который производит высоко контролируемые устойчивые потоки, дозирующие либо фиксированный объем жидкости, либо фиксированный объемный расход, часто ограниченный полностью однонаправленным потоком. Альтернативные стратегии получения однонаправленного потока включают использование гравитационной головки8, капиллярных сил9 или электроосмотического потока10. Программируемые шприцевые насосы позволяют осуществлять двунаправленное регулирование расхода и дозированных объемов в зависимости от времени, но ограничены временем отклика более 1 с из-за механической инерции шприцевого насоса.
Управление потоком в более коротких временных масштабах открывает множество 6,11,12,13,14,15 недоступных возможностей из-за качественных изменений в физике потока. Наиболее практичным средством использования этой разнообразной физики потока являются акустические волны или колебательные потоки с временными периодами в диапазоне от 10-1 до 10-9 с или 101 -109 Гц. Доступ к верхнему пределу этого частотного диапазона осуществляется с помощью объемных акустических волн (BAW; 100 кГц-10 МГц) и поверхностных акустических волн (SAW; 10 МГц-1 ГГц). В типичном устройстве BAW вся подложка и столб жидкости вибрируются путем подачи сигнала напряжения через связанный пьезоэлектрик. Это обеспечивает относительно высокую пропускную способность, но также приводит к нагреву на более высоких амплитудах. Однако в устройствах SAW интерфейс твердо-жидкий колеблется путем подачи напряжения на пару интердигитированных электродов, узорчатых на пьезоэлектрической подложке. Из-за очень коротких длин волн (1 мкм-100 мкм) частицы размером до 300 нм могут точно манипулировать волной давления, генерируемой в устройствах SAW. Несмотря на способность манипулировать мелкими частицами, методы SAW ограничены локальными манипуляциями с частицами, поскольку волна быстро ослабевает с удалением от источника.
В диапазоне частот 1-100 кГц колебательные потоки обычно генерируются с использованием пьезоэлементов, которые связаны с микроканалом полидиметилсилоксана (PDMS) над расчетной полостью16,17. Мембрана PDMS над узорчатой полостью ведет себя как вибрационная мембрана или барабан, который создает давление на жидкость в канале. В этом диапазоне частот длина волны больше, чем размер канала, но амплитуды скорости колебаний малы. Наиболее полезным явлением в этом частотном режиме является генерация акустических/вязких потоковых потоков, которые являются выпрямленными устойчивыми потоками, вызванными нелинейностью, присущей потоку жидкостей с инерцией18. Устойчивые потоки обычно проявляются в виде высокоскоростных встречно-вращающихся вихрей в непосредственной близости от препятствий, острых углов или микропузырьков. Эти вихри полезны для смешивания19,20 и отделения частиц размером 10 мкм от потокапотока 21.
Для частот в диапазоне 10-1000 Гц как скорость колебательной составляющей, так и связанное с ней устойчивое вязкое течение значительны по величине и полезны. Сильные колебательные потоки в этом диапазоне частот могут быть использованы для инерционной фокусировки22, облегчают генерацию капель23 и могут генерировать условия потока (числа Вомерсли), которые имитируют кровоток для исследований in vitro . С другой стороны, потоковые потоки полезны для смешивания, улавливания частиц и манипулирования. Колебательный поток в этом диапазоне частот также может быть осуществлен с использованием пьезоэлемента, связанного с устройством, как описано выше23. Существенным препятствием для реализации колебательных потоков через связанный пьезоэлемент является то, что он требует предварительного проектирования функций. Кроме того, связанные элементы динамика не являются съемными, и новый элемент должен быть прикреплен к каждому устройству24. Тем не менее, такие устройства представляют собой преимущество компактности. Альтернативным методом является использование электромеханического релейногоклапана 20. Эти клапаны требуют пневматических источников давления и специального программного обеспечения управления для работы и, следовательно, увеличивают технический барьер для тестирования и внедрения. Тем не менее, такие устройства позволяют применять заданную амплитуду и частоту давления.
В данной статье описано построение, эксплуатация и характеристика удобного для пользователя метода генерации колебательных потоков в диапазоне частот 10-1000 Гц в микроканалах. Метод предлагает множество преимуществ, таких как экономичная сборка, простота в эксплуатации и готовность к сопряжению со стандартными микрофлюидными каналами и аксессуарами, такими как шприцевые насосы и трубки. Кроме того, по сравнению с предыдущими аналогичными подходами25, способ предлагает пользователю селективное и независимое управление частотами и амплитудами колебаний, включая модуляцию между синусоидальными и несинусоидальными формами волн. Эти функции позволяют пользователям легко развертывать колебательные потоки и, следовательно, способствуют широкому внедрению в широкий спектр существующих в настоящее время микрофлюидных технологий и приложений в области биологии и химии.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Быстрое проектирование и изготовление прототипа пресс-формы
- Откройте AutoCAD на ПК. Выберите Файл на панели задач, затем выберите Открыть и найдите и нажмите на файл трехмерной (3D) модели формы канала, имеющий расширение .dxf или .dwg.
- Выделите всю модель, щелкнув и перетащив вокруг нее поле. Экспортируйте проект в виде STL-файла, выбрав Файл | Экспорт, затем Другие форматы и выбор .stl из раскрывающегося списка.
- Загрузите файл на высокоточный стереолитографический (SLA) принтер, такой как Formlabs FORM3. Залейте смолу в смоляную камеру, начните печать и изготовьте форму с наименьшими шагами оси Z (25 микрон для смолы Formlabs CLEAR).
- Дождитесь завершения автоматической печати деталей.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пресс-формы с размером до 0,1 мм могут быть изготовлены таким образом. - После удаления части из смолы перемешайте ее в изопропаноле в течение 5 мин, чтобы удалить оставшуюся смолу.
- Высушите форму воздухом или газообразным азотом в течение 2 мин.
ПРИМЕЧАНИЕ: Обычные микрофлюидные формы с кремниевыми пластинами и фотолитография с любыми фоторезистами SU8 или KMPR также могут быть использованы для производства пресс-формы с меньшими характеристиками. - Отвержьте высушенную плесень при 60 °C в ультрафиолетовом свете в течение максимум 1 ч.
2. Изготовление микроканалов PDMS
- Поместите форму на лист алюминиевой фольги. Чтобы облегчить расслоение PDMS, распылительное покрытие формы силиконовым высвобождением формы в 1 или 2 прохода.
- Налейте смолу PDMS и поперечный компоновщик в одноразовый стаканчик в соотношении 10:1 по весу и смешайте одноразовой ложкой.
- Вылейте полученную смесь на форму для получения пленки необходимой толщины. Для предотвращения деформации стенок крупных каналов поддерживайте толщину PDMS более 5 мм или в 3-4 раза больше максимальной толщины объекта.
- Поместите форму с налитой PDMS в дегазовую камеру и закройте крышку. Убедитесь, что уплотнительное кольцо герметично закрывает камеру.
- Закройте выпускной клапан и включите вакуумный насос, чтобы начать дегазацию.
- Дегазируйте налитую смесь в вакуумном насосе в течение 4-6 циклов, каждый цикл которых длится около 5 минут. Вручную удалите оставшиеся пузырьки (в углах и траншеях) с помощью тонкой проволоки.
- Установите температуру духовки на 80 °C и дайте ей предварительно нагреться. Поместите смесь в духовку при температуре 80 °C на 2 ч для затвердевания.
- Выньте отвержденную плесень из духовки и оставьте при комнатной температуре на 10 мин для охлаждения.
- С помощью скальпеля аккуратно вырежьте края формы. Для оптимального расслоения используйте шприц для введения изопропанола между формой и отвержденной PDMS.
- Снимите отвержденный PDMS с формы и разрежьте его на отдельные устройства лезвием бритвы. Размер каждого устройства должен варьироваться от 10 мм х 10 мм до 30 мм х 70 мм, чтобы быть склеенным со стеклянным затвором.
- Сделайте отверстие диаметром 1,0-3,0 мм на входе и выходе с помощью биопсийного перфоратора.
- Включите портативный радиочастотный (РЧ) плазменный генератор. Чтобы активировать стеклянную горку, последовательно пропустите проволочный электрод по чистому сухому стеклянному слайду несколько раз в течение 2 минут. Поддерживайте зазор между проволокой и стеклом примерно 5 мм. Поместите часть устройства отвержденной PDMS в контакт с активированным стеклом, а затем поместите в духовку с температурой 80 °C на 2 ч.
- Нарежьте полиэтиленовые входные и выпускные трубки на необходимую длину и вставьте их во входное и выходное отверстия.
- Чтобы предотвратить отслоение трубки во время работы, нанесите силиконовый герметик на контактную поверхность и дайте отверждаться в течение 2 ч, чтобы закрепить трубку.
3. Колебательный драйвер в сборе
- Зажмите концы зажимов аллигатора пары проводов от аллигатора к клеммам динамика. Здесь использовался динамик мощностью 15 Вт с конусом 8 см, хотя можно использовать и другие динамики.
- Поместите микросхему контроллера aux на изоляционный контейнер. Вставьте концы штифтов в винтовые гнезда микросхемы контроллера aux и плотно затяните отверткой, чтобы обеспечить подключение.
- Подключите один конец кабеля AUX к чипу контроллера, а другой конец к порту AUX на компьютере или смартфоне.
- Подключите адаптер постоянного тока (DC) 12 В к источнику питания. Включите микросхему контроллера, подключив коаксиальный конец адаптера постоянного тока к разъему питания.
- Используя интернет-браузер, перейдите на веб-сайт онлайн-генератора тонов (например, https://www.szynalski.com/tone-generator/).
- Введите нужную частоту (5-1200 Гц) в онлайн-приложении. Прокрутите полосу громкости до необходимого количества (например, 100%).
- Нажмите на символ Генератор волн и выберите нужную форму сигнала (синус, квадрат, треугольник, пилообразный). Обратите внимание, что по умолчанию используется синусоидальная форма. Нажмите кнопку Воспроизведения , чтобы привести в действие динамик.
4. Адаптер в сборе
ПРИМЕЧАНИЕ: Полный комплект адаптера от динамика до трубки проиллюстрирован схемой на рисунке 1.
- Закрепите динамик (рисунок 1(I)) на креплении для 3D-печати (рисунок 1(II)) (см. speakermount.stl в дополнительном файле 1), наклеив ленту на изогнутую поверхность и обе стороны крепления.
- Ориентируйте динамик вертикально с поверхностью конуса динамика вверх. Поместите адаптер для 3D-печати (рисунок 1(III)) (см. speakertubeadapter.stl в дополнительном файле 2) концентрически на конус динамика.
- Обильно нанесите силиконовый герметик по краям адаптера и дайте затвердеть в течение 2 ч.
- Расположите динамик и крепление динамика на сцене микроскопа и лентой вниз, чтобы предотвратить движение во время работы.
- Отрежьте наконечник микропипетки объемом 200 мкл примерно в 2 см от его узкого конца и утилизируйте более широкую половину наконечника. Узкий конический конец будет служить клиновым уплотнением для реверсивного крепления.
- Подключите полиэтиленовую трубку (фиг.1(V)) к выходному отверстию микроканала (фиг.1(VI)), сначала проведя резьбу через наконечник микропипетки (фиг.1(IV)), а затем через коаксиальный конец адаптера и, наконец, через боковую часть.
- Плотно вклиньте узкий конец наконечника пипетки в коаксиальный конец адаптера, чтобы создать съемное плотное уплотнение.
5. Эксплуатация экспериментальной установки для колебательных потоков в микроканалах
- Добавьте индикаторные частицы во флакон 22% масс/вес (мас./мас.) раствор глицерина для получения нейтрально плавучей суспензии с объемной долей 0,01%-0,1% полистирола в жидкости при 20 °C. Энергично перемешайте, встряхнув, чтобы получить однородную суспензию.
- Загрузите входной шприц объемом 1 мл с образцом объемом 1 мл. Установите и прикрепите нагруженный шприц к автоматическому шприцевому насосу. Вставьте иглу шприца во впускную трубку устройства, чтобы создать водонепроницаемое уплотнение.
- Убедитесь, что выпускная трубка проложена через узел адаптера и в резервуар (см. предыдущий раздел о сборке адаптера).
- Включите шприцевой насос. С помощью сенсорного экрана выберите тип шприца Becton-Dickinson 1 мл. Затем выберите Влить. Затем выберите требуемую скорость потока (0-1 мл/мин) или объем потока (< 1 мл).
- Инициируйте постоянный поток с помощью шприцевого насоса. Подождите, пока не потечет достаточный объем жидкости и выходная трубка не наполнится жидкостью до динамика.
ПРИМЕЧАНИЕ: Амплитуда колебаний для данной настройки не будет изменяться с постоянным транспортным потоком, если выходная трубка загрунтована. - Выберите требуемую частоту, амплитуду и форму сигнала в приложении тон-генератора, как описано в шаге 3.5, и нажмите кнопку Воспроизведения , чтобы создать колебательный поток внутри микроканала.
6. Наблюдение и измерение амплитуды
- Установите устройство на микроскоп. Настройте оптическую конфигурацию, выбрав объектив с увеличением от 10 до 40 раз, регулируя фокальную плоскость и позиционируя сцену.
- Для получения измерений в четко определенной фокальной плоскости убедитесь, что глубина резкости объектива меньше глубины канала в 5 и более раз.
- Чтобы наблюдать колебательный поток, используйте высокоскоростную камеру с частотой кадров, по крайней мере, в два раза превышающей частоту колебаний, рассчитанную с использованием теоремы Выборки Найквиста. Для практически полезного разрешения формы сигнала измерьте не менее 10 точек за период времени, используя частоту кадров, > в 10 раз превышающую частоту колебаний.
- В качестве альтернативы, чтобы наблюдать только выпрямленные или длительные эффекты пульсирующих потоков, выполните стробоскопическую визуализацию, установив частоту наблюдения на любой идеальный делитель частоты колебаний.
- Как для прямого, так и для стробоскопического изображения используйте камеру, оснащенную глобальным затвором, чтобы избежать эффекта желе. В любом случае, держите время воздействия значительно меньше, чем период времени колебаний (в 10 раз или более), чтобы предотвратить растяжение.
- Чтобы измерить амплитуду колебаний без высокоскоростной камеры, записывайте с частотой кадров, близкой к стробоскопической частоте кадров, но не равной ей (например, 49 кадров/с для сигнала 50 Гц). Это приводит к сильно замедленному колебанию, от которого можно точно измерить амплитуду.
- Наблюдайте и записывайте измерения амплитуды.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Для иллюстрации возможностей и производительности вышеуказанной установки представлены репрезентативные результаты колебательного потока в простом линейном микроканале с квадратным сечением. Ширина и высота канала составляют 110 мкм, а длина – 5 см. Во-первых, мы опишем движение сферических частиц индикатора полистирола и то, как они могут быть использованы для проверки точности колебательного сигнала, а также диапазона достижимых амплитуд колебаний. Затем мы обсуждаем влияние специфических свойств жидкости или микрофлюидных материалов на амплитуду колебаний. Наконец, мы иллюстрируем возможности для несинусоидальных форм сигналов.
Для сравнения определяем эталонный случай по следующим свойствам жидкости, геометрии канала и микрофлюидным материалам. Рабочая жидкость представляет собой деионизированную воду (μ = 1,00 мПа.с) с 0,01% объемной долей индикаторных частиц, которые имеют диаметр, d = 1 мкм и плотность, ρ = 1,20 кг/м3. Соответствующее время отклика частицы, заданное ρd2/18μ, составляет 70 нс, что намного меньше соответствующих колебательных временных шкал (1-100 мс). Частицы наблюдаются на канале средней высоты с 10-кратным объективом и глубиной фокусировки 10 мкм. Микрофлюидная трубка имеет диаметр 1,27 мм x 0,76 мм (внешняя x внутренняя) и длину выпускной трубки 12 см, которая удерживается на 5 см выше уровня канала.
Отслеживаемые смещения индикаторных частиц на промежуточной плоскости канала для различных частот колебаний показаны на рисунке 2. Гармонический сигнал наблюдается для всех показанных частот колебаний, которые составляют 100 Гц, 200 Гц, 400 Гц и 800 Гц. Частота кадров изображения была больше или равна частоте колебаний в 20 раз. Настройка амплитуды (громкости динамика) поддерживалась постоянной на различных частотах колебаний. Для частот 100 Гц, 200 Гц, 400 Гц и 800 Гц соответствующие амплитуды составляют приблизительно 125 мкм, 100 мкм, 25 мкм и 10 мкм соответственно.
Отслеживаемое смещение частиц также используется для определения точности гармонического движения и диапазона амплитуд колебаний, что является критическим этапом процесса калибровки. Точность гармонического смещения частиц при различных частотах колебаний и амплитудах проиллюстрирована с помощью спектров Фурье и показана на рисунке 3А. Для частот 50 Гц, 200 Гц и 400 Гц соответственно рассматриваются три различные амплитуды, характеризующиеся разностью потенциалов в кабеле (или входном напряжении усилителя). Настройки называются низкими (30%, 1,5 В, желтый), промежуточными (60%, 3 В, оранжевый) и высокими (90%, 4,5 В, красный). Здесь процент представляет собой величину настройки громкости по отношению к максимальной громкости динамика или соответствующему напряжению 5 В. Спектры Фурье смещения частиц при частотах колебаний 50 Гц, 200 Гц и 800 Гц показаны на рисунке 3А для трех различных входных напряжений усилителя (1,5 В, 3 В, 4,5 В), соответствующих желтому, оранжевому и красному цветам соответственно. Первичный пик спектра точно соответствует применяемой частоте для всех параметров громкости. Первичный пик > в 10 раз превышает вторичные пики, даже при самой высокой амплитуде.
Для входного напряжения усилителя 5 В амплитуда смещения конуса динамика имеет максимальное значение 5 мм и остается постоянной для частот до 50 Гц, а затем уменьшается примерно квадратично для частот выше 50 Гц (например, 1,5 мм при 100 Гц). Амплитуда колебаний частиц в жидкости пропорциональна мощности, преобразуемой произведением амплитуды конуса динамика и частоты колебаний. Поэтому мы ожидаем, что амплитуда колебаний максимальна вблизи резонансной частоты динамика и уменьшается для частот по обе стороны от него для фиксированного входного напряжения усилителя. Кроме того, мы также можем ожидать, что амплитуда колебаний жидкости изменяется линейно с входным напряжением усилителя, и ее значение не может превышать амплитуду конуса динамика.
Эти ожидания подтверждаются на графике амплитуды колебаний по отношению к частоте, показанной на рисунке 3B. Для всех настроек громкости динамиков характеристическая кривая имеет резонансный пик, который происходит примерно при 180 Гц, за пределами которого амплитуда уменьшается с увеличением частоты. Кривые при разных напряжениях кажутся идентичными, за исключением вертикальных трансляций в логарифмической шкале, подразумевающих, что амплитуда колебаний линейно изменяется с напряжением. Наконец, максимальная амплитуда составляет менее 1,5 мм даже при резонансной частоте 5 В. Тем не менее, настройка громкости может быть выбрана таким образом, что амплитуды колебаний > 100 мкм могут быть достигнуты во всем рабочем диапазоне частот.
Далее представлены отдельные примеры случаев влияния вязкости жидкости, диаметра трубки и длины трубки на амплитуду колебаний в диапазоне рабочих частот по отношению к описанному выше эталонному случаю. Для этих экспериментов амплитуда драйвера (громкость динамика) поддерживается постоянной на промежуточном уровне, и одновременно изменяется только один параметр настройки, в то время как остальные параметры идентичны эталонному управляющему случаю (алмазные символы). Соответствующие результаты для амплитуды колебаний по отношению к частоте показаны на рисунке 4. При увеличении вязкости рабочей жидкости путем перехода на 25% раствор глицерина (μ = 1,81 мПа.с) амплитуда уменьшается почти в 2 раза в диапазоне рабочих частот (квадратные символы). Это говорит о том, что в целом увеличение вязкости жидкости по сравнению с деионизированной водой приведет к аналогичной характеристической амплитуде по отношению к частотной кривой с постоянным уменьшением амплитуды коэффициента. Когда диаметр микрофлюидных труб для того же материала (полиэтилена) увеличивается до 2,41 мм х 1,67 мм, амплитуда увеличивается по сравнению с эталонным случаем в 1,5-3 раза в зависимости от частоты (символы круга). Увеличение больше на высоких частотах и меньше на низких частотах, что указывает на увеличение резонансной частоты. Когда длина трубки для того же материала (полиэтилена) увеличивается до 24 см (в 2 раза), амплитуда значительно увеличивается вблизи резонансной частоты, но остается неизменной от опорного контрольного случая на очень низких и очень высоких частотах (треугольные символы).
В дополнение к синусоидальным формам волн, рассмотренным выше, также демонстрируются несинусоидальные формы волн. Дорожки смещения частиц для квадратных, треугольных и пилообразных осциллограмм показаны на рисунке 5А. Здесь установка амплитуды промежуточная (60% от максимальной), частота движения составляет 100 Гц, а частицы наблюдаются на скорости 4000 кадров/с. Как и ожидалось, очень резкие изменения положения, связанные с квадратными и пилообразными формами сигналов, невозможны в реальных системах с конечным временем отклика. Для этой акустической системы время отклика может составлять 0,5 мс. Тем не менее, спектры Фурье этих форм сигналов находятся в хорошем согласии с идеальными спектрами, по крайней мере, до третьей гармоники, как показано на рисунке 5B.
Рисунок 1. Схема для иллюстрации конструкции и сборки аппарата. Важнейшими компонентами являются (I) динамик, (II) крепление динамика, (III) адаптер для подключения динамика к трубке, (IV) клиновое уплотнение с наконечником пипетки, (V) полиэтиленовая трубка и (VI) микроканал PDMS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2. Примеры смещения частиц во время колебательного потока. Репрезентативные следы частиц при синусоидальном входе формы сигнала на разных частотах были получены с использованием высокоскоростной визуализации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3. Анализ смещения частиц на точность сигнала и диапазон амплитуд. (A) Фурье-спектральный анализ синусоидальных колебаний при различных частотах и амплитудах колебаний или громкостях динамиков. (B) Характеристическая кривая амплитуды колебаний по отношению к частоте при трех различных настройках громкости динамиков. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4. Влияние длины трубки, диаметра трубки и вязкости жидкости на амплитуду колебаний. По сравнению с эталонным случаем увеличение длины трубки или диаметра трубки приведет к увеличению амплитуды колебаний в диапазоне рабочих частот. Увеличение вязкости, однако, уменьшает амплитуду колебаний. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5. Примеры несинусоидальных форм сигналов. (A) Смещения частиц для квадратных, треугольных и пилообразных осциллограмм при частоте колебаний 100 Гц. (B) Соответствующие спектры Фурье для несинусоидальных перемещений частиц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительный файл 1. Файл стереолитографии для создания 3D-печатного крепления динамика, указанного на рисунке 1 (II). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 2. Файл стереолитографии для создания 3D-печатного адаптера акустической трубки, указанного на рисунке 1 (III). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Мы продемонстрировали сборку (см. протокольные критические шаги 3 и 4) и работу (см. протокольные критические шаги 5 и 6) внешнего акустического аппарата для генерации колебательного потока с частотами в диапазоне от 10 до 1000 Гц в микрофлюидных устройствах. Отслеживание частиц взвешенных индикаторных частиц требуется для определения точности гармонического движения, а также для калибровки диапазона амплитуд колебаний, достижимых в диапазоне рабочих частот. Амплитудно-частотная кривая для данной настройки громкости зависит, прежде всего, от характеристик динамика, которые не могут быть изменены (см. обсуждение характеристик динамика в репрезентативных результатах для рисунка 3A, B). Однако для конкретной конструкции канала амплитуда колебаний может быть изменена и настроена путем соответствующего изменения свойств трубки, вязкости жидкости или их комбинаций. Например, на рисунке 4 мы показываем , что больший диаметр трубки или большая длина трубки могут увеличить величину колебательной амплитуды для той же настройки объема. Увеличение вязкости, однако, уменьшает диапазон колебательных амплитуд, предоставляя пользователям диапазон амплитуд, простирающийся от 10 мкм до 1 мм.
Существенным преимуществом этого метода является простота сборки, реализации и эксплуатации. Вся стоимость колебательного драйвера составляет менее 60 долларов США, а его сборка займет всего около 2 часов после покупки деталей (см. Таблицу материалов). В отличие от альтернативных способов генерации колебательного потока в микрофлюидных устройствах25, этот способ практически не накладывает конструктивных ограничений и обеспечивает минимальное время выполнения реализации. Несмотря на свою простоту, наш метод позволяет пользователю удивительно точно контролировать амплитуды колебаний при сохранении точности как синусоидальных, так и несинусоидальных колебательных осцилляторных сигналов. Техника также генерирует гармоническое движение в диапазоне частот в два порядка. Наконец, этот метод может быть использован вместе с компонентом устойчивого потока, генерируемым стандартными микрофлюидными контроллерами потока, такими как шприцевые насосы или генераторы давления, для создания высокочастотного пульсирующего потока. Как было продемонстрировано ранее 22,28, на амплитуду и частоту колебаний не влияет наличие устойчивого транспортного потока, когда устойчивая скорость потока мала по сравнению со скоростью колебательного потока. Поэтому этот метод идеально подходит для исследовательской лаборатории.
Соответствующим ограничением метода является то, что амплитуда не может быть установлена на нужном значении. Он должен быть измерен и откалиброван до амплитуды для данного микрофлюидного канала. В настоящее время он не масштабируется и, следовательно, не сразу подходит для промышленного применения. Дальнейшая разработка этого аппарата будет включать в себя конструкцию простой диафрагмы, которая может быть связана и приведена в действие динамиком, чтобы обеспечить большие амплитуды и свести к минимуму зависимость от трубки и микрофлюидного канала.
В целом, эта работа обеспечивает недорогой, надежный и настраиваемый подход к генерации колебательных потоков в микрофлюидных каналах в относительно неисследованном диапазоне частот. Было показано, что этот метод полезен для микрореологии ньютоновских26 и неньютоновских27 жидкостей, улучшенного смешивания на микроуровне28 и инерционной фокусировки в каналах уменьшенной длины22. Подход, изложенный в этой работе, обеспечивает доступную и адаптируемую методологию для создания чисто колебательных потоков или пульсирующих потоков в сочетании с устойчивым потоком от шприцевого насоса. В результате этот удобный метод может позволить реализовать колебательные потоки в существующие научно-исследовательские и промышленные на микроуровне.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Мы хотели бы отметить поддержку, оказанную и предоставленные Департаментом механических наук и инженерной лабораторией быстрого прототипирования в Университете Иллинойса для обеспечения этой работы.
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).
