Prototip Minyatür Akış Sitometresi ve Companion mikroakışkan Karıştırma Teknoloji İndirimli-gravite Çevre Donanım Gösterileri

Bu prosedürün genel amacı, diğer kurulumlara da uyarlanabilecek bileşen hazırlıkları ve uçuş içi prosedürleri kullanarak, düşük yerçekimli parabolik uçuş sırasında minyatürleştirilmiş bir akış sitometresini çalıştırmaktır. Bu işlem, öncelikle düşük yerçekiminde kullanım kolaylığı ve güvenlik için standart ve özel imalat bileşenlerin dikkatle seçilmesiyle gerçekleştirilir. İkinci adım ise bileşenlerin; muhafaza, izleme otomasyonu ve çoklu demonstrasyonların kolaylaştırılması için ek unsurlar içeren bir parabolik uçuş test düzeneği içerisinde monte edilmesidir.

Ardından ekip; titiz planlama, protokol geliştirme ve eğitimlerle başarılı uçuş içi deneylere hazırlanır. Son adım ise uçuş sırasında gerçekleştirilen çok bileşenli gösterimlerdir. Nihayetinde, parabolik uçuş testleri, teknolojinin potansiyel uzay uygulamalarını sergilemek ve ağırlıksızlık, yerçekimi değişimleri ile titreşimin performans üzerindeki etkilerini belirlemek için kullanılır.

Bu yöntem akış sitometrisi ve ilgili teknolojilere uygulanabilse de, düşük yerçekimindeki diğer bireysel tanısal test türlerine, özellikle birden fazla gösterim veya tetikleme prosedürü içeren işlemlere de kısmen uygulanabilir. NASA ile gerçekleştirdiğimiz parabolik uçuşlara hazırlandığımızda, deneylere aslında en iyi nasıl hazırlanılacağını açıklayan çok fazla video ve hatta literatür bulunmadığı için JO için bu videoyu hazırlamaya karar verdik. Buradaki bilgileri elde edebilmek için NASA bünyesindeki çeşitli birimlerde doğru kişilerle iletişim kurmak adına gerçekten çok çaba sarf etmemiz gerekmişti.

Bu durumda, JoVE okuyucularının da bu uçuşlara uygun şekilde hazırlanabilmeleri için bu bilgileri paylaşmak istiyoruz. Düşük yerçekimi koşullarında kullanılmak üzere basit bir akış sitometrisi sistemi kurmak; çok sayıda akışkanlık, optik ve elektronik prototip bileşeni gerektirir. Sistemi çalıştırmak için minimum ağırlık ve güç gereksinimine sahip bir basınç sistemi hazırlayarak başlayın.

Akışkanlar sistemi, minyatürize bir hava pompasını diferansiyel basınç sensörüne bağlar. Ardından, hava sıkışması olmadan doldurulabilen bir sıvı kaynak kabı düzeneği kurun. Bu düzenek, elastik bir kauçuk diyaframa, sıkıca kapatılabilen bir kapağa ve vial tabanında giriş hava tüplüme sahip sert plastik bir vialden oluşur.

Giriş hava borusu bağlantısını optik yapıştırıcı kullanarak sızdırmaz hale getirin. Kap yerleştirme işlemi sırasında ve sonrasında sıvı çıkışını önlemek için kap çıkış borusunun üzerine geçici bir lamet kelepçesi yerleştirin. Vial'i doldurmak için, hava girişine bağlı bir şırınga ile diyaframı genişletin.

Sıvıyı ağzına kadar doldurun ve altında hava kalmayacak şekilde kapağı eğik bir açıyla yerleştirin. Çıkış tüpünü hazırlamak ve diyaframın uyguladığı çökmeye neden olan basıncı tahliye etmek için sürgü klempsini kısa süreliğine çıkarın. Pompanın, hava veya sıvı sızıntısı olmadan flakonu basınçlandırdığından emin olun.

Sıvı akışını kap çıkış borusundan dışarı itmek için diyaframı sıkıştırın. Gerekli olan üçüncü bileşen, akışı bozacak bir geri basınç oluşturmadan atıkları toplamak için kullanılan bir sıvı atık konteyneridir. Çift muhafaza için tasarlanmış, bir flakonun içine yapıştırılmış başka bir flakon kullanın.

Yüzen sıvıları hapseden ancak basınç dengelemesi için kabin ortamıyla hava alışverişine izin veren güvenli bir sünger pencere ile flakonların ağzını kapatarak, düşük yerçekimli makinede kullanılacak bir numune yükleyici yapın ve kılıf takılı bir kılcal boruyu sıvı hattındaki iki O-ring arasında güvenilir bir şekilde sıkıştıracak kılavuz raylı, yay yüklü bir kıskaç tasarımı oluşturun. Kılcal boru olmadığında, sıvı hattını tamamlamak ve sızıntı olmadan hazırlama (priming) işlemini gerçekleştirmek için yayların O-ringleri birbirine bastırdığından emin olun. Çalışması için elektrikli mekanik alt bileşenlere ihtiyaç duymayan bir mikro karıştırıcı tasarlayın.

Hızlı prototip Polimetil metakrilat yöntemi kullanılarak, akış halindeki tekil partiküllerin saptanması için iki girişli spiral vorteks mikro karıştırıcı seçilmiş ve imal edilmiştir. Ticari olarak temin edilebilen optomekanik bileşenler kullanılarak, özel olarak imal edilmiş avuç içi boyutundaki minyatür optik blok bir mikroskop ekmek tahtası plakasına monte edilir. Prototip montajındaki son adım, cihaz kontrolü ve veri toplama için elektroniklerin ve yazılımın tasarlanmasıdır.

Kullanım kolaylığı ve erken prototipleme için, ticari olarak temin edilebilen veri toplama kartlarına bağlı el ile lehimlenmiş parçalar, kod ve programlar ile düzenek cihazlarını çalıştırmak ve tüm verileri senkronize etmek için özel bir yazılım kullanın. Dizüstü bilgisayarın pilini çıkarın ve bilgisayarı yalnızca güç kablosu üzerinden çalışacak şekilde ayarlayın. Azaltılmış yer çekimi uçuşlarındaki güvenlik nedenleriyle, tüm cihazlara güç sağlayan elektrik güç şeması, hızlı ve tam bir elektronik kapatma mekanizması içermelidir.

Uçuş sırasında. Başarılı bir uçuş performansı için, tek bir açma-kapama düğmesine sahip tek bir grup priz uçağın güç dağıtım paneline bağlanır; mevcut toplam alan ve bu alanın deney düzeneği alanı ile düzeneği çevreleyen kullanıcı alanı arasında nasıl bölüneceği dikkate alınmalıdır. Mevcut toplam alan, yerdeki benzer bir demonstrasyon için sağlanan alandan daha küçük bir alanla sınırlıdır.

Hangi bileşenlere yer seviyesinde diz çökerek veya ayakta durma yüksekliğinde erişimin daha uygun olduğunu belirleyin. Ayrıca, hangi bileşenlerin bir destek yapısı içinde sağlanan korumadan en çok faydalanacağını değerlendirmek de önemlidir. Buradaki düzenek destek yapısı, uçuş ivmelerine dayanabilen ve hedeflenen hava aracına güvenli bir şekilde sabitlenebilen dikey bir ekipman rafıdır.

Kabin tabanı, raf içerisindeki seviyelere atanmış bileşenleri içerir: dizüstü bilgisayarın yerleştirileceği bir üst seviye, prototip alt bileşenlerini barındıran bir orta raf seviyesi ve ekstra mendiller, eldivenler ve çeşitli bir atık konteynerini içeren bir taban seviyesi. Prototipi sabitlemek ve muhafaza etmekle birlikte numuneleri görüntüleyebilmek için çeşitli prototip dışı bileşenler imal edilmeli veya uyarlanmalıdır. Bunlar arasında, elektronik bileşenleri muhafaza edecek özel bir akrilik kutu ve uçuş kabininin kontaminasyon riskine yol açmadan bir yükleyici demonstrasyonu gerçekleştirmek için kübik bir alan sağlayan, kol erişim deliklerine sahip özel bir akrilik eldiven kutusu yer almaktadır.

Bir mikro karıştırıcı demonstrasyon cıvatasını kaydetmek için, özel bir akrilik çip tutucu ve CCD kamera ile donatılmış breadboard plakasının üzerine bir stereo mikroskop yerleştirin. Optik bloğun güvenli bir şekilde gösterilmesini sağlamak için, ortam ışığını engellemek ve lazer risklerini kontrol altına almak amacıyla özel, opak bir akrilik kutu kullanın. Bazı basit tasarım stratejileri; manuel tüp bağlantısı, uçuş sırasında yapılan ayarlamalar veya yüksek el becerisi gerektiren diğer işlemlere olan ihtiyacı ortadan kaldırabilir.

Örneğin, birden fazla kaynak dosyayı aynı anda basınçlandırmak için; içi boşaltılmış bir silindirden oluşan, bir giriş iğnesine ve sıvı akış yönünü kontrol etmek için birden fazla çıkış borusuna uyarlanmış özel bir makine basınç manifoldu kullanın. Bilgisayarı kullanarak, bir DAQ kartına bağlı tandem MOSFET anahtarlar tarafından kontrol edilen üç yollu solenoid valflerden oluşan bir panel oluşturun.

Üç yollu solenoid valfler, her zaman varsayılan kapalı portuna veya açık portuna bağlı olan ortak bir porta sahiptir. Açık konuma geçiş, beş voltluk bir sinyal ile tetiklenir. Yazılım, valf durumlarını değiştirmek veya pompa sürme basıncını değiştirmek için dizüstü bilgisayarda tek bir tıklama gibi tek butonlu müdahaleler kullanarak gösterimler boyunca ilerleyecek şekilde programlanmıştır.

Bu durum, çevreye sızıntılara yol açabilecek ve kaotik bir ortamda deney süresinin kaybına neden olabilecek manuel borulama ayarlamaları ihtiyacını ortadan kaldırır. Numune yükleyici demonstrasyonu, bir numunenin yüklenmesini ve numunenin tespit için optik bloğa veya OB'ye sürülmesini içerir. Kurulum, yükleyiciden önce ve sonra olmak üzere iki valf kullanır.

Yükleme sırasında, yükleyici kullanılırken sıvı hareketini önlemek için her iki valf de kapalı konuma getirilir; valflerin açılması, serum fizyolojik şişesinden atık şişesine kadar uzanan sıvı X yolunu açarak pompanın örneği analiz için sürmesini sağlar. Optik blok gösterimi, tüp bağlantılarını manuel olarak değiştirme ihtiyacı duymadan üç farklı örnek türünün ardışık tespitini içerir; serum fizyolojik, örnekler arasında sistemi temizlemek için kullanılabilir. Mikro karıştırıcı gösterimi, kan-serum fizyolojik karıştırma ve mavi-sarı boya karıştırma segmentlerini içerir.

Kurulum, basıncı ya kan ve salin tüplerine ya da boya tüplerine yönlendirmek için iki valf kullanır; böylece aynı anda yalnızca bir karıştırma gösterimi aktif olur. Ek bir valf, kan-salin karıştırma çipine hava kabarcığı enjekte edilmesini sağlar. Sistem, uçuş sırasında ani sarsıntı kuvvetlerine, titreşime veya yolcu çarpmasına karşı hazırlanmalıdır.

Hizalamanın stabilizasyonu için, özellikle optik bileşenler gibi kolayca yerinden oynayabilen hizalanmış bileşenlere hızlı kuruyan epoksi uygulayın. Fiziksel sarsıntı testleri için CCD kamerasının mikroskop I parçasına olan bağlantısı da dahil olmak üzere, gerektiğinde diğer bileşenleri sabitlemek amacıyla hızlı kuruyan epoksinin üzerine endüstriyel sınıf epoksi uygulayın. Tüm bileşenler yerindeyken düzenek destek yapısını sallayarak kontrol edin.

Düzeneği sarsıntıya maruz bıraktıktan sonra, özellikle deneyin ortasında uçağın aniden düzleşmesi veya düzeneğe aniden etki eden kuvvetler gibi beklenmedik uçuş olayları için eğitilmiş hizalı optik bileşenler başta olmak üzere, münferit bileşenlerin işlevselliğini kontrol edin. Raflara dolgu malzemesi ekleyerek serbest hareket eden yolcuları koruyun. Köşeler, cihazı uçuş sırasında uzmanlıkla kullanabilmeleri için birden fazla kişiyi birincil operatör olarak eğitir.

Parais sırasında kimin hastalanacağı öngörülemez ve belirli bir kullanıcı bir uçuşta etkilenmezken bir başkasında hastalanabilir. Uçuş konumuna nakliyat sonrası düzeneği kontrol edin, gerekli düzeltmeleri yapın ve uçağa yüklemeden önce boru bağlantılarını kurun. Her uçuş gününde, o günün gösterimlerine karşılık gelen örnek tüplerini hazırlayın ve bağlayın.

Uçuş konumuna bağlı olarak, kurulum ve deney aşamaları arasında oluşabilecek uzun sürelere ve yüksek ortam sıcaklıklarına karşı hazırlıklı olun. Skopolamin ile amphetamine içeren sağlanan ilaçları kullanarak uçuş sırasında oluşabilecek rahatsızlıkların önüne geçin; yerle paralel şekilde yavaşça yükselerek ve yüksek yerçekimi sırasında düz yatarak yerçekimi geçişlerine uyum sağlamak için ilk birkaç parabolü kullanın. Uçuş pozisyonu alındıktan sonra, özel parabol hava sahasına yaklaşıldığında, düzenek operatörlerinin yüksek yerçekimi aralıklarında uzanabilmeleri için yeterli alan sağlayın ve paraboller başladığında bacak kayışlarına erişimi mümkün kılın.

İndirgenmiş yerçekimi sırasında gövdeye kuvvetli baskılar uygulamayın. Bu durum, gövdenin çok hızlı bir şekilde yukarı hareket etmesine neden olabilir ve örnek yükleyici demonstrasyonunun gerçekleştirilmesini tehlikeli hale getirebilir. Uçak indirgenmiş yerçekimine girdiğinde, parmak ucuna bir damla sayım boncuğu boya karışımı yerleştirmek için örnek şırıngasını kullanın. Parmak ucundan alınan bir örneği simüle etmek için, örneği parmaktan almak üzere bir kapiler sarf malzemesi kullanın ve örneği kapiler yükleyiciye yükleyin.

Saptama için örneği optik sisteme sürün. Mikroskobun altında mikroakışkan karıştırıcı kurulumu gösterimini gerçekleştirin. Kan ve serum fizyolojik çözeltisini 1.52345 ve altı PSI'da, her biri için en az iki parabol boyunca bire bir oranda karıştırın.

Diğer okumalarla senkronize edilmiş video verilerinin kaydedilmesi. Burada, bir karıştırıcı demonstrasyonunun gerçek uçuş görüntüleri gösterilmektedir. Kanal mimarisinin, optimal karıştırmayı engelleyebilecek bir kabarcığı hapsedip hapsetmeyeceğini test etmek için salin girişine hava enjekte edin.Karıştırın.

Mavi ve sarı gıda boyaları, her biri için en az iki parabol boyunca 1,52345 ve altı PSI basınçta uygulanmıştır. Burada gösterilen senkronize kayıt verileri, stereo mikroskop paneline monte edilmiş bir CCD kamera ile gözlemlenen iki mikro karıştırıcı demonstrasyonunun temsili sonuçlarıdır. A paneli mikro yerçekimi koşulları altında mavi ve sarı boyanın karışımını, B paneli ise ay yerçekimi koşulları altında kan ve serum fizyolojik karışımını göstermektedir.

Mikroyerçekimi uçuşu sırasında floresan işaretli beyaz kan hücrelerinin optik blok tespiti gösteriminde, karışma durumu spiral boyunca herhangi bir noktada ve aynı zamanda çıkış kanalında görsel olarak değerlendirilebilir. Akış sitometrisi verileri için kritik performans metrikleri; burada gösterildiği gibi pik yoğunluklarının varyasyon katsayısı, sinyal-gürültü oranları, pik sayım hızları ve tespit verimliliğini içerir. Optik blok tespitinin, yaklaşık 1,5 G'den yaklaşık sıfır G'ye geçişten nispeten etkilenmediği ve tekrar 1,5 g'ye geçiş sırasında da devam ettiği görülmektedir.

Ay yerçekiminde yükleyici gösterimini takiben, yüklü bir numuneye eklenen floresan sayım boncuklarının saptanması, numunenin başarıyla yüklendiğini ve tespit için optik bloğa ulaştığını gösterir. Bu videoyu izledikten sonra, parabolik bir uçuş sırasında cihaz testlerinin nasıl gerçekleştirileceği ve yerçekiminin nasıl azaltılacağı, özellikle de ne tür prosedürlerin uygulanabilir olduğu konusunda daha iyi bir anlayışa sahip olacaksınız; dikkatli planlama, parça seçimi ve test uygulaması, deneyiminizden yüksek verim elde etmenize yardımcı olur.