Summary
Protokol, mikrokanallarda 10-1000 Hz'den harmonik salınımlı akış üretmek için uygun bir yöntem göstermektedir. Bu, bilgisayar kontrollü bir hoparlör diyaframının mikrokanala modüler bir şekilde yerleştirilmesiyle gerçekleştirilir.
Abstract
Mikroakışkan teknolojisi, kimyasal ve biyolojik laboratuvarlarda hem analiz hem de sentez için standart bir araç haline gelmiştir. Kimyasal reaktifler ve hücre kültürleri gibi sıvı numunelerin enjeksiyonu, ağırlıklı olarak tipik olarak şırınga pompaları, yerçekimi veya kılcal kuvvetler tarafından tahrik edilen sabit akışlarla gerçekleştirilir. Tamamlayıcı salınımlı akışların kullanımı, literatürde yakın zamanda gösterildiği gibi sayısız avantajına rağmen, uygulamalarda nadiren dikkate alınmaktadır. Mikrokanallarda salınımlı akışların uygulanmasının önündeki önemli teknik engel, yaygın olarak benimsenmemesinden muhtemelen sorumludur. Salınımlı akış üretebilen, genellikle daha pahalıdır ve yalnızca 1 Hz'den daha düşük frekanslarda çalışan gelişmiş ticari şırınga pompalarıdır. Burada, mikro kanallarda salınımlı akış üreten düşük maliyetli, tak ve çalıştır tipi hoparlör tabanlı bir aparatın montajı ve çalışması gösterilmektedir. 10-1000 Hz arasında değişen frekanslara sahip yüksek doğruluklu harmonik salınımlı akışlar, bağımsız genlik kontrolü ile birlikte elde edilebilir. Tipik bir mikrokanalda, rezonans frekansında 1 mm'> genlikler de dahil olmak üzere tüm çalışma aralığı boyunca 10-600 μm arasında değişen genlikler elde edilebilir. Salınım frekansı hoparlör tarafından belirlenmesine rağmen, salınım genliğinin akışkan özelliklerine ve kanal geometrisine duyarlı olduğunu gösteriyoruz. Spesifik olarak, salınım genliği, artan kanal devresi uzunluğu ve sıvı viskozitesi ile azalır ve aksine, genlik, hoparlör tüpü kalınlığı ve uzunluğunun artmasıyla artar. Ek olarak, cihaz mikrokanal üzerinde önceden tasarlanmış bir özellik gerektirmez ve kolayca çıkarılabilir. Pulsatil akışlar oluşturmak için bir şırınga pompası tarafından oluşturulan sabit bir akışla aynı anda kullanılabilir.
Introduction
Mikrokanallardaki sıvı akış hızının hassas kontrolü, damlacık üretimi ve kapsülleme1, karıştırma 2,3 ve asılı partiküllerin 4,5,6,7 olarak sıralanması ve manipülasyonu gibi çip üzerinde laboratuvar uygulamaları için çok önemlidir. Akış kontrolü için ağırlıklı olarak kullanılan yöntem, genellikle tamamen tek yönlü akışla sınırlı, sabit bir hacimli sıvı veya sabit bir hacimsel akış hızı dağıtan yüksek kontrollü sabit akışlar üreten bir şırınga pompasıdır. Tek yönlü akış üretmek için alternatif stratejiler arasında yerçekimi kafası8, kılcal kuvvetler9 veya elektro-ozmotik akış10 kullanılır. Programlanabilir şırınga pompaları, akış hızlarının ve dağıtılan hacimlerin zamana bağlı çift yönlü kontrolüne izin verir, ancak şırınga pompasının mekanik ataleti nedeniyle 1 s'den büyük tepki süreleriyle sınırlıdır.
Daha kısa zaman ölçeklerinde akış kontrolü, akış fiziğindeki nitel değişiklikler nedeniyle 6,11,12,13,14,15 numaralı başka türlü erişilemeyen olasılıkların bolluğunun kilidini açar. Bu çeşitli akış fiziğinden yararlanmanın en pratik yolu, 10-1-10-9 s veya 10 1 -10 9 Hz arasında değişen zaman periyotlarına sahip akustik dalgalar veya salınımlıakışlardır. Bu frekans aralığının üst ucuna toplu akustik dalga (BAW; 100 kHz-10 MHz) ve yüzey akustik dalga (SAW; 10 MHz-1 GHz) cihazları kullanılarak erişilir. Tipik bir BAW cihazında, tüm substrat ve sıvı kolonu, bağlı bir piezoelektrik boyunca bir voltaj sinyali uygulanarak titreştirilir. Bu, nispeten yüksek verim sağlar, ancak aynı zamanda daha yüksek genliklerde ısınma ile sonuçlanır. Bununla birlikte, SAW cihazlarında, katı-sıvı arayüzü, bir piezoelektrik substrat üzerinde desenli bir çift interdigite elektrot voltajı uygulanarak salınır. Çok kısa dalga boyları (1 μm-100 μm) nedeniyle, 300 nm kadar küçük parçacıklar, SAW cihazlarında üretilen basınç dalgası tarafından hassas bir şekilde manipüle edilebilir. Küçük parçacıkları manipüle etme yeteneğine rağmen, SAW yöntemleri yerel parçacık manipülasyonu ile sınırlıdır, çünkü dalga kaynaktan uzaklaştıkça hızla zayıflar.
1-100 kHz frekans aralığında, salınımlı akışlar genellikle tasarlanmış bir boşluk16,17 üzerinde bir polidimetilsiloksan (PDMS) mikrokanalına bağlanmış piezo-elemanlar kullanılarak üretilir. Desenli boşluğun üzerindeki PDMS membranı, kanal içindeki sıvıyı basınçlandıran titreşimli bir membran veya tambur gibi davranır. Bu frekans aralığında, dalga boyu kanal boyutundan daha büyüktür, ancak salınım hızı genlikleri küçüktür. Bu frekans rejimindeki en yararlı fenomen, atalet18 ile sıvıların akışında bulunan doğrusal olmayanlıktan kaynaklanan düzeltilmiş sabit akışlar olan akustik / viskoz akış akışlarının üretilmesidir. Sabit akış akışları tipik olarak engellerin, keskin köşelerin veya mikro kabarcıkların yakınında yüksek hızlı ters dönen girdaplar olarak kendini gösterir. Bu girdaplar, 19,20'yi karıştırmak ve10 μm boyutundaki parçacıkları akış akışı21'den ayırmak için kullanışlıdır.
10-1000 Hz aralığındaki frekanslar için, hem salınımlı bileşenin hızı hem de ilişkili sabit viskoz akış, büyüklük ve kullanım açısından önemlidir. Bu frekans aralığındaki güçlü salınımlı akışlar, atalet odaklama22 için kullanılabilir, damlacık üretimi23'ü kolaylaştırabilir ve in vitro çalışmalar için kan akışını taklit eden akış koşulları (Womersley sayıları) üretebilir. Öte yandan, akış akışları karıştırma, parçacık yakalama ve manipülasyon için kullanışlıdır. Bu frekans aralığındaki salınımlı akış, yukarıdaaçıklandığı gibi cihaza bağlı bir piezo elemanı kullanılarak da gerçekleştirilebilir. Bağlı bir piezo elemanı aracılığıyla salınımlı akışları uygulamanın önündeki önemli bir engel, özelliklerin önceden tasarlanmasını gerektirmesidir. Ayrıca, bağlı hoparlör elemanları sökülemez ve her cihaza yeni bir eleman bağlanmalıdır24. Bununla birlikte, bu tür cihazlar kompakt olmanın avantajını sunar. Alternatif bir yöntem, bir elektromekanik röle valfi20 kullanmaktır. Bu valfler, çalışma için pnömatik basınç kaynakları ve özel kontrol yazılımı gerektirir ve bu nedenle test ve uygulama için teknik engeli arttırır. Bununla birlikte, bu tür cihazlar ayarlanmış basınç genliği ve frekansının uygulanmasını sağlar.
Bu makalede, mikrokanallarda 10-1000 Hz frekans aralığında salınımlı akışlar üretmek için kullanıcı dostu bir yöntemin oluşturulması, işletilmesi ve karakterizasyonu açıklanmaktadır. Yöntem, uygun maliyetli montaj, kullanım kolaylığı ve standart mikroakışkan kanallar ve şırınga pompaları ve tüpleri gibi aksesuarlarla arayüze hazır olma gibi sayısız avantaj sunar. Ek olarak, önceki benzer yaklaşımlar25 ile karşılaştırıldığında, yöntem kullanıcıya sinüzoidal ve sinüzoidal olmayan dalga formları arasındaki modülasyon da dahil olmak üzere salınım frekanslarının ve genliklerinin seçici ve bağımsız kontrolünü sunar. Bu özellikler, kullanıcıların salınımlı akışları kolayca dağıtmalarına olanak tanır ve bu nedenle, biyoloji ve kimya alanlarında şu anda mevcut olan mikroakışkan teknolojilerin ve uygulamalarının geniş bir yelpazesine yaygın olarak benimsenmesini kolaylaştırır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Hızlı prototip kalıp tasarımı ve imalatı
- PC'de AutoCAD'i açın. Görev çubuğunda Dosya'yı seçin, ardından Aç'ı seçin ve kanal kalıbının .dxf veya .dwg uzantısına sahip üç boyutlu (3B) bir model dosyasına göz atın ve tıklayın.
- Etrafındaki bir kutuyu tıklatıp sürükleyerek modelin tamamını seçin. Dosya |'ni seçerek tasarımı .stl dosyası olarak dışa aktarın Dışa aktarın, ardından Diğer biçimler ve açılır kutudan .stl öğesini seçin.
- Dosyayı Formlabs FORM3 gibi yüksek hassasiyetli reçine stereolitografik (SLA) yazıcıya yükleyin. Reçineyi reçine odasına dökün ve baskıyı başlatın ve kalıbı en küçük z ekseni adımlarıyla (Formlabs CLEAR reçinesi için 25 mikron) üretin.
- Otomatik parça baskısının tamamlanmasını bekleyin.
NOT: 0,1 mm kadar küçük özelliklere sahip kalıplar bu şekilde imal edilebilir. - Parçayı reçineden çıkardıktan sonra, kalan reçineyi çıkarmak için 5 dakika boyunca izopropanol içinde çalkalayın.
- Kalıbı 2 dakika boyunca hava veya azot gazı ile kurulayın.
NOT: Silikon gofretlerle geleneksel mikroakışkan kalıp imalatları ve herhangi bir SU8 veya KMPR fotodirenci ile fotolitografi, daha küçük özelliklere sahip bir kalıp üretmek için de kullanılabilir. - Kurutulmuş kalıbı 60 °C'de UV ışığında maksimum 1 saat kürleyin.
2. PDMS mikrokanal üretimi
- Kalıbı bir alüminyum folyo tabakasına yerleştirin. PDMS'nin delaminasyonunu kolaylaştırmak için, kalıbı 1 veya 2 geçişte silikon kalıp salınımı ile püskürtün.
- PDMS reçinesini ve çapraz bağlayıcıyı ağırlıkça 10: 1 oranında tek kullanımlık bir kaba dökün ve tek kullanımlık bir kaşıkla karıştırın.
- Gerekli kalınlıkta bir film üretmek için elde edilen karışımı kalıba dökün. Büyük kanal duvar deformasyonunu önlemek için, PDMS kalınlığını 5 mm'den fazla veya maksimum özellik kalınlığının 3-4 katı olarak koruyun.
- Dökülmüş PDMS ile kalıbı degas odasına yerleştirin ve kapağı kapatın. O-ringin odayı hava geçirmez bir şekilde kapattığından emin olun.
- Egzoz valfini kapatın ve gaz gidermeyi başlatmak için vakum kaba pompasını açın.
- Dökülen karışımı bir vakum pompasında 4-6 döngüden fazla bir süre boyunca gazdan arındırın ve her döngü yaklaşık 5 dakika sürer. İnce bir tel kullanarak kalan kabarcıkları (köşelerde ve siperlerde) manuel olarak çıkarın.
- Fırın sıcaklığını 80 ° C'ye ayarlayın ve ön ısıtmasına izin verin. Karışımı kürlenmesi için 2 saat boyunca 80 °C'de fırına koyun.
- Kürlenmiş kalıbı fırından çıkarın ve soğuması için 10 dakika oda sıcaklığında bırakın.
- Bir neşter kullanarak, kalıbın kenarlarını dikkatlice kesin. Optimum delaminasyon için, kalıp ve kürlenmiş PDMS arasına izopropanol enjekte etmek için bir şırınga kullanın.
- Kürlenmiş PDMS'yi kalıptan çıkarın ve bir tıraş bıçağı ile ayrı ayrı cihazlara kesin. Her cihazın boyutu, cam kızağa yapıştırılmak üzere 10 mm x 10 mm ila 30 mm x 70 mm arasında değişmelidir.
- Bir biyopsi punch kullanarak giriş ve çıkışta 1.0-3.0 mm çapında bir delik açın.
- El tipi radyo frekansı (RF) plazma jeneratörünü açın. Cam slaytı etkinleştirmek için, tel elektrodu 2 dakika boyunca temiz, kuru cam bir slaytın üzerinden birkaç kez sabit bir şekilde geçirin. Yaklaşık 5 mm'lik bir tel ila cam boşluğu tutun. Kürlenmiş PDMS'nin cihaz tarafını aktif cam slayt ile temas edecek şekilde yerleştirin ve ardından 2 saat boyunca 80 °C'lik bir fırına yerleştirin.
- Polietilen giriş ve çıkış borularını istenen uzunlukta kesin ve bunları giriş ve çıkış deliklerine yerleştirin.
- Çalışma sırasında tüpün ayrılmasını önlemek için, temas yüzeyine silikon dolgu macunu uygulayın ve boruyu sabitlemek için 2 saat kürlenmeye bırakın.
3. Salınımlı sürücü tertibatı
- Bir çift timsahtan pime telin timsah klips uçlarını bir hoparlörün terminallerine kelepçeleyin. Burada 8 cm konili 15 W'lık bir hoparlör kullanıldı, ancak diğer hoparlörler de kullanılabilir.
- aux denetleyici yongasını bir yalıtım kabına yerleştirin. Pim uçlarını aux denetleyici yongasının vida soketlerine takın ve bağlantıyı sağlamak için bir tornavida ile sıkıca sıkın.
- Aux kablosunun bir ucunu denetleyici yongasına, diğer ucunu da bilgisayar veya akıllı telefondaki aux bağlantı noktasına bağlayın.
- Güç kaynağına 12 V doğru akım (DC) adaptörü bağlayın. DC adaptörünün koaksiyel ucunu elektrik prizine bağlayarak denetleyici yongasını açın.
- Bir internet tarayıcısı kullanarak, çevrimiçi bir ton oluşturucu web sitesine gidin (örneğin, https://www.szynalski.com/tone-generator/).
- Çevrimiçi uygulamada istediğiniz frekansı (5-1200 Hz) yazın. Ses düzeyi çubuğunu gerekli miktara kaydırın (ör. %100).
- Dalga Tipi Jeneratör sembolüne tıklayın ve istediğiniz dalga formunu seçin (sinüs, kare, üçgen, testere dişi). Varsayılan değerin sinüs dalga biçimi olduğunu unutmayın. Hoparlörü etkinleştirmek için Oynat düğmesine basın.
4. Adaptör montajı
NOT: Hoparlörden tüpe adaptör düzeneğinin tamamı Şekil 1'deki şema ile gösterilmiştir.
- Hoparlörü (Şekil 1(I)) kavisli yüzeye ve montajın her iki tarafına bir bant yapıştırarak 3B baskılı hoparlör yuvasına (Şekil 1(II)) sabitleyin (Ek Dosya 1'deki speakermount.stl dosyasına bakın).
- Hoparlörü, hoparlör konisi yüzeyi yukarı bakacak şekilde dikey olarak yönlendirin. 3B yazdırılmış bağdaştırıcıyı (Şekil 1(III)) (Ek Dosya 2'deki speakertubeadapter.stl dosyasına bakın) hoparlör konisine eş merkezli olarak yerleştirin.
- Silikon dolgu macununu adaptörün kenarları boyunca cömertçe uygulayın ve 2 saat boyunca kürlenmeye bırakın.
- Çalışma sırasında hareketi önlemek için hoparlörü ve hoparlör montajını mikroskop sahnesine ve bandı aşağı doğru konumlandırın.
- 200 μL'lik bir mikro pipet ucunu dar ucundan yaklaşık 2 cm kesin ve ucun daha geniş yarısını atın. Dar konik uç, geri dönüşümlü bağlantı için bir kama contası görevi görecektir.
- Polietilen boruyu (Şekil 1(V)) mikrokanal (Şekil 1(VI)) çıkışına önce mikro pipet ucundan (Şekil 1(IV)) geçirerek, sonra adaptörün koaksiyel ucundan ve son olarak da yandan dışarı doğru bağlayın.
- Pipet ucunun dar ucunu adaptörün koaksiyel ucuna sıkıca sıkıştırarak çıkarılabilir sıkı bir sızdırmazlık oluşturun.
5. Mikrokanallardaki salınımlı akışlar için deney düzeneğinin çalışması
- 20 ° C'de sıvıda% 0.01 -% 0.1 polistiren hacim fraksiyonuna sahip nötr olarak yüzdürücü bir süspansiyon üretmek için% 22 ağırlık / ağırlık (w / w) gliserol çözeltisine izleyici parçacıkları ekleyin. Homojen bir süspansiyon oluşturmak için sallayarak kuvvetlice karıştırın.
- 1 mL numune ile 1 mL'lik bir giriş şırıngası yükleyin. Yüklü şırıngayı otomatik bir şırınga pompasına monte edin ve sabitleyin. Su geçirmez bir sızdırmazlık oluşturmak için şırınga iğnesini cihazın giriş borusuna yerleştirin.
- Çıkış tüpünün adaptör tertibatından ve bir rezervuara yönlendirildiğinden emin olun (adaptör tertibatı ile ilgili önceki bölüme bakın).
- Şırınga pompasını açın. Dokunmatik ekranı kullanarak şırınga tipini Becton-Dickinson 1 mL olarak seçin. Ardından, Demle'yi seçin. Ardından gerekli akış hızını (0-1 mL/dak) veya akış hacmini (< 1 mL) seçin.
- Şırınga pompasını kullanarak sabit akışı başlatın. Yeterli miktarda sıvı akana ve çıkış borusu hoparlöre kadar sıvı ile dolana kadar bekleyin.
NOT: Belirli bir ayar için salınım genliği, çıkış borusu astarlanmışsa sabit taşıma akışına göre değişmeyecektir. - Adım 3.5'te açıklandığı gibi ton üreteci uygulamasında gerekli bir frekans, genlik ve dalga formu seçin ve mikro kanal içinde salınımlı akış oluşturmak için Oynat düğmesine basın.
6. Gözlem ve genlik ölçümü
- Cihazı mikroskopa monte edin. Odak düzlemini ayarlayan ve sahne alanını konumlandıran 10x ile 40x arasında büyütme oranına sahip objektif bir lens seçerek optik yapılandırmayı ayarlayın.
- İyi tanımlanmış bir odak düzleminde ölçümler elde etmek için, objektif lensin alan derinliğinin kanal derinliğinden 5 veya daha fazla faktörle daha küçük olduğundan emin olun.
- Salınımlı akışı gözlemlemek için, Nyquist örnekleme teoremi kullanılarak hesaplanan salınım frekansının en az iki katı kare hızına sahip yüksek hızlı bir kamera kullanın. Dalga formunun pratik olarak yararlı bir çözünürlüğü için, salınım frekansının 10 katı > bir kare hızı kullanarak zaman periyodu başına en az 10 nokta ölçün.
- Alternatif olarak, pulsatil akışların yalnızca düzeltilmiş veya uzun süreli etkilerini gözlemlemek için, gözlem frekansını salınım frekansının herhangi bir mükemmel bölenine ayarlayarak stroboskopik görüntüleme gerçekleştirin.
- Hem doğrudan hem de stroboskopik görüntüleme için, jöle etkisinden kaçınmak için küresel bir deklanşörle donatılmış bir kamera kullanın. Her iki durumda da, çizgilenmeyi önlemek için maruz kalma süresini salınım süresinden (10 veya daha fazla faktörle) önemli ölçüde daha küçük tutun.
- Yüksek hızlı bir kamera olmadan salınım genliğini ölçmek için, stroboskopik kare hızına yakın ancak ona eşit olmayan bir kare hızında kayıt yapın (örneğin, 50 Hz sinyal için 49 kare/sn). Bu, genliğin doğru bir şekilde ölçülebileceği oldukça yavaşlamış bir salınımla sonuçlanır.
- Genlik ölçümlerini gözlemleyin ve kaydedin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Yukarıdaki kurulumun kapasitesini ve performansını göstermek için, kare kesitli basit bir doğrusal mikro kanalda salınımlı akışın temsili sonuçları sunulmaktadır. Kanalın genişliği ve yüksekliği 110 μm, uzunluğu ise 5 cm'dir. İlk olarak, küresel polistiren izleyici parçacıklarının hareketini ve bunların salınım sinyalinin doğruluğunu ve elde edilebilecek salınım genliklerinin aralığını kontrol etmek için nasıl kullanılabileceğini açıklıyoruz. Daha sonra spesifik sıvı özelliklerinin veya mikroakışkan malzemelerin salınım genliği üzerindeki etkisini tartışacağız. Son olarak, sinüzoidal olmayan dalga formlarının kapasitesini gösteriyoruz.
Karşılaştırma için, referans durumunu aşağıdaki akışkan özellikleri, kanal geometrisi ve mikroakışkan malzemelerle tanımlarız. Çalışma sıvısı, çapı, d = 1 μm ve yoğunluğu, ρ = 1.20 kg /m3 olan izleyici parçacıklarının% 0.01 hacim fraksiyonu ile deiyonize sudur (μ = 1.00 mPa.s). ρd2/18μ tarafından verilen karşılık gelen parçacık tepki süresi, karşılık gelen salınımlı zaman ölçeklerinden (1-100 ms) çok daha az olan 70 ns'dir. Parçacıklar, kanalın orta yüksekliğinde 10x hedefi ve 10 μm odak derinliği ile gözlemlenir. Mikroakışkan tüpün çapları 1,27 mm x 0,76 mm (dış x iç) ve kanal seviyesinden 5 cm yukarıda tutulan 12 cm'lik bir çıkış borusu uzunluğu vardır.
Farklı salınım frekansları için kanal orta düzlemindeki izleyici parçacıkların izlenen yer değiştirmeleri Şekil 2'de gösterilmiştir. Gösterilen tüm salınım frekansları için 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz ve 800 Hz olmak üzere harmonik bir sinyal gözlenir. Görüntüleme kare hızı, salınım frekansının 20 katından büyük veya buna eşitti. Genlik (hoparlör sesi) ayarı, farklı salınım frekansları boyunca sabit tutuldu. 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz ve 800 Hz frekansları için, karşılık gelen genlikler sırasıyla yaklaşık 125 μm, 100 μm, 25 μm ve 10 μm'dir.
Parçacıkların izlenen yer değiştirmesi, harmonik hareketin doğruluğunu ve kalibrasyon işleminde kritik bir adım olan salınım genliklerinin aralığını belirlemek için de kullanılır. Farklı salınım frekanslarında ve genliklerinde parçacıkların harmonik yer değiştirmesinin doğruluğu, Fourier spektrumları kullanılarak gösterilmiştir ve Şekil 3A'da gösterilmiştir. Sırasıyla 50 Hz, 200 Hz ve 400 Hz frekansları için, aux kablosundaki (veya amplifikatör giriş voltajındaki) potansiyel farkla karakterize edilen üç farklı genlik dikkate alınır. Ayarlar düşük (%30, 1,5 V, sarı), orta (%60, 3 V, turuncu) ve yüksek (%90, 4,5 V, kırmızı) olarak adlandırılır. Burada, yüzde, maksimum hoparlör ses seviyesine veya 5 V'luk karşılık gelen voltaja göre ses ayarının büyüklüğünü temsil eder. 50 Hz, 200 Hz ve 800 Hz salınım frekanslarındaki parçacık yer değiştirmesinin Fourier spektrumları, sırasıyla sarı, turuncu ve kırmızı renklere karşılık gelen üç farklı amplifikatör giriş voltajı (1.5 V, 3 V, 4.5 V) için Şekil 3A'da gösterilmiştir. Spektrumun birincil zirvesi, tüm ses ayarları için uygulanan frekansa tam olarak karşılık gelir. Birincil zirve, en yüksek genlikte bile, ikincil zirvelerin 10 katı >.
5 V'luk bir amplifikatör giriş voltajı için, hoparlör koni yer değiştirmesinin genliği maksimum 5 mm'lik bir değere sahiptir ve 50 Hz'e kadar olan frekanslar için sabit kalır ve daha sonra 50 Hz'in üzerindeki frekanslar için yaklaşık olarak kuadratik olarak azalır (örneğin, 100 Hz'de 1,5 mm). Sıvıdaki parçacık salınım genliği, hoparlör koni genliğinin ürünü ve salınım frekansı tarafından verilen güç ile orantılıdır. Bu nedenle, salınım genliğinin hoparlör rezonans frekansına yakın maksimum olmasını ve sabit bir amplifikatör giriş voltajı için her iki tarafındaki frekanslar için azalmasını bekliyoruz. Ayrıca, sıvının salınım genliğinin amplifikatör giriş voltajı ile doğrusal olarak değiştiğini ve değerinin hoparlör koni genliğinin değerini geçemeyeceğini de bekleyebiliriz.
Bu beklentiler, Şekil 3B'de gösterilen frekansa karşı salınım genliğinin bir grafiğinde doğrulanmıştır. Tüm hoparlör ses ayarları için, karakteristik eğri, genliğin artan frekansla azaldığı yaklaşık 180 Hz'de meydana gelen bir rezonans zirvesine sahiptir. Farklı voltajlardaki eğriler, salınım genliğinin voltajla doğrusal olarak değiştiğini ima eden log ölçeğindeki dikey çeviriler dışında aynı görünür. Son olarak, maksimum genlik, 5 V'luk rezonans frekansında bile 1,5 mm'den azdır. Bununla birlikte, tüm çalışma frekansı aralığında 100 μm'> salınım genliklerinin elde edilebileceği şekilde bir hacim ayarı seçilebilir.
Daha sonra, yukarıda açıklanan referans durumuna göre sıvı viskozitesinin, tüp çapının ve tüp uzunluğunun salınımlı genlik üzerindeki etkisi üzerine seçilmiş örnek durumlar sunulmuştur. Bu deneyler için, sürücü genliği (hoparlör ses seviyesi) orta seviyede sabit tutulur ve kalan parametreler referans kontrol kutusuyla (elmas semboller) aynı iken, bir seferde yalnızca bir kurulum parametresi değiştirilir. Frekansa karşı salınım genliği için karşılık gelen sonuçlar Şekil 4'te gösterilmiştir. Çalışma sıvısının viskozitesi% 25'lik bir gliserol çözeltisine (μ = 1.81 mPa.s) değiştirilerek arttırıldığında, genlik, çalışma frekansları aralığında (kare semboller) yaklaşık 2 kat azalır. Bu, genel olarak, sıvı viskozitesinin deiyonize suyunkine kıyasla arttırılmasının, genlikte sabit bir faktör azalması ile frekans eğrisine karşı benzer bir karakteristik genliğe neden olacağını düşündürmektedir. Aynı malzeme (polietilen) için mikroakışkan boru çapı 2,41 mm x 1,67 mm'ye yükseltildiğinde, genlik referans duruma göre frekansa (daire sembolleri) bağlı olarak 1,5-3 arasında bir faktörle artar. Artış, yüksek frekanslarda daha büyük ve düşük frekanslarda daha küçüktür, bu da rezonans frekansının arttığını gösterir. Aynı malzeme (polietilen) için tüp uzunluğu 24 cm'ye (2 faktörü ile) yükseltildiğinde, genlik rezonans frekansının yakınında önemli ölçüde artar, ancak çok düşük ve çok yüksek frekanslarda (üçgen sembolleri) referans kontrol durumundan değişmeden kalır.
Yukarıda tartışılan sinüzoidal dalga formlarına ek olarak, sinüzoidal olmayan dalga formları da gösterilmiştir. Kare, üçgen ve testere dişi dalga formları için parçacık yer değiştirme izleri Şekil 5A'da gösterilmiştir. Burada, genlik ayarı orta düzeydedir (maksimumun% 60'ı), sürüş frekansı 100 Hz'dir ve parçacıklar 4000 kare / s'de gözlenir. Beklendiği gibi, kare ve testere dişi dalga formlarıyla ilişkili pozisyondaki çok keskin değişiklikler, sonlu bir tepki süresine sahip gerçek sistemlerde mümkün değildir. Bu hoparlör sistemi için tepki süresinin 0,5 ms olduğu tahmin edilebilir. Bununla birlikte, bu dalga formlarının Fourier spektrumlarının, en azından Şekil 5B'de gösterildiği gibi üçüncü harmoniğe kadar, ideal spektrumlarla iyi bir uyum içinde olduğu gözlenmiştir.
Şekil 1. Aparat tasarımını ve montajını göstermek için bir şema. Kritik bileşenler (I) hoparlör, (II) hoparlör montajı, (III) hoparlörden tüpe adaptör, (IV) pipet ucu kama contası, (V) polietilen boru ve (VI) PDMS mikrokanalıdır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2. Salınımlı akış sırasında parçacık yer değiştirme örnekleri. Farklı frekanslarda sinüzoidal dalga formu girişi sırasında temsili parçacık izleri yüksek hızlı görüntüleme kullanılarak elde edildi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3. Sinyal doğruluğu ve genlik aralığı için parçacık yer değiştirmesinin analizi. (A) Farklı salınım frekanslarında ve genliklerinde veya hoparlör hacimlerinde sinüzoidal salınımların Fourier spektrum analizi. (B) Üç farklı hoparlör ses ayarında frekansa karşı salınım genliğinin karakteristik eğrisi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4. Tüp uzunluğu, tüp çapı ve sıvı viskozitesinin salınım genliği üzerine etkileri. Referans durumla karşılaştırıldığında, tüp uzunluğundaki veya tüp çapındaki bir artış, çalışma frekansları aralığında salınım genliğinde bir artışa yol açacaktır. Bununla birlikte, viskozitedeki bir artış, salınım genliğini azaltır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5. Sinüzoidal olmayan dalga formlarına örnekler. (A) 100 Hz salınım frekansında kare, üçgen ve testere dişi dalga formları için parçacık yer değiştirmeleri. (B) Sinüzoidal olmayan parçacık yer değiştirmeleri için karşılık gelen Fourier spektrumları. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 1. Şekil 1 (II)'de belirtilen 3D baskılı hoparlör montajı üretmek için stereolitografi dosyası. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Dosya 2. Şekil 1 (III)'te belirtilen 3D baskılı hoparlör tüpü adaptörü üretmek için stereolitografi dosyası. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Mikroakışkan cihazlarda 10 ila 1000 Hz aralığında frekanslarla salınımlı akış oluşturmak için harici bir hoparlör tabanlı aparatın montajını (protokol kritik adım 3 ve 4'e bakınız) ve çalışmasını (protokol kritik adım 5 ve 6'ya bakınız) gösterdik. Harmonik hareketin doğruluğunu belirlemek ve çalışma frekansları aralığında elde edilebilecek salınım genliklerinin aralığını kalibre etmek için askıya alınmış izleyici parçacıklarının partikül takibi gereklidir. Belirli bir ses ayarı için genlik-frekans eğrisi, öncelikle konuşmacının değiştirilemeyen özelliklerine bağlıdır (Şekil 3A, B için temsili sonuçlarda konuşmacı özelliklerinin tartışılmasına bakınız). Bununla birlikte, belirli bir kanal tasarımı için, salınım genliği, boru özelliklerini, sıvı viskozitesini veya bunların kombinasyonlarını uygun şekilde değiştirerek değiştirilebilir ve ayarlanabilir. Örneğin, Şekil 4'te daha büyük bir tüp çapının veya daha uzun tüp uzunluğunun, aynı hacim ayarı için salınım genliğinin büyüklüğünü artırabileceğini gösteriyoruz. Bununla birlikte, viskozitenin arttırılması, salınımlı genliklerin aralığını azaltır ve kullanıcılara 10 μm'den 1 mm'ye kadar uzanan bir genlik aralığı sağlar.
Bu yöntemin önemli avantajı, montaj, uygulama ve çalıştırma kolaylığıdır. Salınımlı sürücünün tüm maliyeti 60 $ 'dan azdır ve parçalar satın alındıktan sonra montajı sadece yaklaşık 2 saat sürecektir (bkz. Mikroakışkan cihazlarda salınımlı akış oluşturmak için alternatif yöntemlerin aksine25, bu yöntem neredeyse hiçbir tasarım kısıtlaması getirmez ve uygulamaya minimum teslim süresi sağlar. Basitliğine rağmen, yöntemimiz kullanıcıya hem sinüzoidal hem de sinüzoidal olmayan salınımlı dalga formlarının doğruluğunu korurken salınım genliklerinin şaşırtıcı derecede hassas kontrolünü sağlar. Teknik ayrıca büyüklükte iki sıralı bir frekans aralığında harmonik hareket üretir. Son olarak, bu teknik, yüksek frekanslı bir pulsatil akış oluşturmak için şırınga pompaları veya basınç jeneratörleri gibi standart mikroakışkan akış kontrolörleri tarafından üretilen sabit bir akış bileşeni ile birlikte kullanılabilir. Daha önce22,28'de gösterildiği gibi, salınımlı genlik ve frekans, sabit akış hızı salınımlı akış hızına kıyasla küçük olduğunda sabit bir taşıma akışının varlığından etkilenmez. Bu nedenle bu yöntem bir araştırma laboratuvarı ortamı için idealdir.
Yöntemin karşılık gelen bir sınırlaması, genliğin istenen değere ayarlanamamasıdır. Belirli bir mikroakışkan kanal için genliğe göre ölçülmeli ve kalibre edilmelidir. Şu anda ölçeklenebilir değildir ve bu nedenle endüstriyel uygulamalar için hemen uygun değildir. Bu aparatın daha da geliştirilmesi, daha büyük genliklere izin vermek ve boru ve mikroakışkan kanala bağımlılığı en aza indirmek için hoparlör tarafından bağlanabilen ve çalıştırılabilen basit bir diyaframın tasarımını içerecektir.
Genel olarak, bu çalışma nispeten keşfedilmemiş bir frekans aralığında mikroakışkan kanallarda salınımlı akışlar üretmek için düşük maliyetli, sağlam ve özelleştirilebilir bir yaklaşım sunmaktadır. Bu tekniğin Newton26 ve Newton olmayan 27 sıvılarının mikroreolojisi, mikro ölçekte28'de gelişmiş karıştırma ve22 uzunluğu azaltılmış kanallarda atalet odaklaması için yararlı olduğu gösterilmiştir. Bu çalışmada özetlenen yaklaşım, bir şırınga pompasından sabit bir akışla birleştirildiğinde tamamen salınımlı akışlar veya pulsatil akışlar üretmek için erişilebilir ve uyarlanabilir bir metodoloji sağlar. Sonuç olarak, bu uygun teknik, salınımlı akışların mikro ölçekte mevcut araştırmalara ve endüstriye uygulanmasını sağlayabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.
Acknowledgments
Bu çalışmayı mümkün kılmak için Illinois Üniversitesi Makine Bilimi ve Mühendisliği Bölümü Hızlı Prototipleme Laboratuvarı tarafından verilen destek ve olanaklara teşekkür ederiz.
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).
