マイクロチャネルにおけるサブキロヘルツ振動流を生成するための外部ドライバの組み立てと特性評価

マイクロチャネル内の液体流量の正確な制御は、液滴生成およびカプセル化¹、混合^2,3、懸濁粒子⁴、5、⁶、⁷の選別および操作などのラボオンチップアプリケーションにとって重要です。流量制御に主に使用される方法は、固定量の液体または固定体積流量のいずれかを分配する高度に制御された定常流量を生成するシリンジポンプであり、しばしば完全に一方向の流れに限定される。一方向の流れを生成するための代替戦略は、重力ヘッド⁸、毛細管力⁹、または電気浸透流¹⁰を使用することを含む。プログラム可能なシリンジポンプは、流量と分配量の時間依存の双方向制御を可能にしますが、シリンジポンプの機械的慣性のために1秒を超える応答時間に制限されています。

より短い時間スケールでのフロー制御は^、フロー物理学の質的変化のために、そうでなければアクセスできない可能性の6,11,12,13,14,15の茄多を解き放ちます。この多様な流れ物理学を利用する最も実用的な手段は、10-1-10-9秒または10 ^{1-10 9Hz}の範囲の時間周期の音響波または振動流を使用することです。この周波数範囲のハイエンドには、バルク弾性波(BAW; 100 kHz-10 MHz)および弾性表面波(SAW; 10 MHz-1 GHz)デバイスを使用してアクセスします。典型的なBAWデバイスでは、接合された圧電体に電圧信号を印加することによって、基板全体と流体カラムが振動します。これにより、比較的高いスループットが可能になりますが、より高い振幅での加熱ももたらされます。しかし、SAWデバイスでは、圧電基板上にパターニングされた一対の桁間電極に電圧を印加することによって固液界面が発振される。非常に短い波長(1 μm-100 μm)のため、300 nmという小さな粒子は、SAWデバイスで発生する圧力波によって正確に操作できます。小さな粒子を操作する能力にもかかわらず、SAW法は波が源からの距離とともに急速に減衰するため、局所的な粒子操作に限定される。

1〜100kHzの周波数範囲では、振動流は、通常、設計されたキャビティ^16,17の上のポリジメチルシロキサン(PDMS)マイクロチャネルに結合されたピエゾ素子を使用して生成される。パターン化されたキャビティの上にあるPDMS膜は、チャネル内の流体を加圧する振動膜またはドラムのように振る舞う。この周波数範囲では、波長はチャンネルサイズよりも大きくなりますが、発振速度振幅は小さくなります。この周波数レジームで最も有用な現象は、慣性¹⁸を有する液体の流れに内在する非線形性のために生じる整流された定常流である音響/粘性ストリーミング流れの生成である。定常的な流れは、通常、障害物、鋭いコーナー、またはマイクロバブルの近くで高速の逆回転渦として現れます。これらの渦は、^19,20を混合し、^10μmサイズの粒子を流れ流²¹から分離するのに有用である。

10~1000Hzの範囲の周波数では、振動成分の速度とそれに関連する定常粘性ストリーミングの両方がかなりの大きさで有用です。この周波数範囲における強い振動流は、慣性集束²²に使用でき、液滴生成²³を容易にし、イン ビトロ 研究のための血流を模倣する流れ条件(Womersley数)を生成することができる。一方、ストリーミング フローは、混合、パーティクルのトラップ、および操作に役立ちます。この範囲の周波数における振動流は、上記²³のように装置に接合されたピエゾ素子を用いて達成することもできる。結合されたピエゾ素子に振動流を実装する際の大きなハードルは、機能を事前に設計する必要があることです。さらに、接合されたスピーカ要素は着脱可能ではなく、新しい要素が各装置²⁴に接合されなければならない。しかしながら、このような装置は、コンパクトであるという利点を提示する。別の方法は、電気機械式中継弁^{20を用いることである}。これらのバルブは、操作のために空気圧源とカスタム制御ソフトウェアを必要とするため、テストと実装に対する技術的な障壁が高まります。それにもかかわらず、そのようなデバイスは、設定された圧力振幅および周波数の適用を可能にする。

この記事では、マイクロチャネルで10~1000Hzの周波数範囲で振動流を生成するためのユーザーフレンドリーな方法の構築、動作、および特性評価について説明します。この方法は、費用対効果の高い組み立て、操作の容易さ、シリンジポンプやチューブなどの標準的なマイクロ流体チャネルやアクセサリとのインターフェースの準備ができているなど、多くの利点を提供します。さらに、以前の同様のアプローチ²⁵と比較して、この方法は、正弦波波形と非正弦波波形との間の変調を含む、発振周波数および振幅の選択的かつ独立した制御をユーザに提供する。これらの機能により、ユーザーは振動流を簡単に展開できるため、生物学および化学の分野における現在存在する幅広いマイクロ流体技術およびアプリケーションへの広範な採用が容易になります。