마이크로채널에서 서브킬로헤르츠 진동 흐름의 생성을 위한 외부 드라이버의 조립 및 특성화
Summary
이 프로토콜은 마이크로 채널에서 10-1000Hz의 고조파 진동 흐름을 생성하는 편리한 방법을 보여줍니다. 이는 컴퓨터 제어 스피커 다이어프램을 모듈식 방식으로 마이크로채널에 인터페이싱하여 수행됩니다.
Abstract
Microfluidic 기술은 분석 및 합성을위한 화학 및 생물학적 실험실의 표준 도구가되었습니다. 화학 시약 및 세포 배양물과 같은 액체 샘플의 주입은 일반적으로 주사기 펌프, 중력 또는 모세관력에 의해 구동되는 꾸준한 흐름을 통해 주로 이루어집니다. 보완적인 진동 흐름의 사용은 최근 문헌에서 입증 된 수많은 장점에도 불구하고 응용 프로그램에서 거의 고려되지 않습니다. 마이크로 채널에서 진동 흐름의 구현에 대한 중요한 기술적 장벽은 널리 채택되지 않은 원인이 될 가능성이 큽니다. 진동 흐름을 생성할 수 있는 고급 상업용 주사기 펌프는 종종 더 비싸고 1Hz 미만의 주파수에서만 작동합니다. 여기서, 마이크로채널에서 진동 흐름을 발생시키는 저비용, 플러그 앤 플레이형 스피커 기반 장치의 조립 및 동작이 입증된다. 10-1000Hz 범위의 주파수를 갖는 고충실도 고조파 진동 흐름은 독립적인 진폭 제어와 함께 달성될 수 있습니다. 10-600 μm 범위의 진폭은 일반적인 마이크로 채널에서 공진 주파수에서 1mm 이> 진폭을 포함하여 전체 작동 범위에 걸쳐 달성 될 수 있습니다. 발진 주파수는 스피커에 의해 결정되지만 발진 진폭이 유체 특성 및 채널 형상에 민감하다는 것을 보여줍니다. 특히, 발진 진폭은 채널 회로 길이 및 액체 점도가 증가함에 따라 감소하고, 반대로 진폭은 스피커 튜브 두께 및 길이가 증가함에 따라 증가한다. 추가적으로, 이 장치는 마이크로채널 상에 설계될 이전의 특징들을 필요로 하지 않으며 쉽게 분리될 수 있다. 그것은 맥박 흐름을 생성하기 위해 주사기 펌프에 의해 생성 된 꾸준한 흐름과 동시에 사용할 수 있습니다.
Introduction
마이크로채널에서 액체 유량을 정밀하게 제어하는 것은 액적 생산 및 캡슐화1, 혼합2,3, 부유 입자 4,5,6,7 의 분류 및 조작과 같은 랩온어칩 응용 분야에 매우 중요합니다. 흐름 제어를 위해 주로 사용되는 방법은 고정 된 부피의 액체 또는 고정 된 체적 유량을 분배하는 고도로 제어 된 꾸준한 흐름을 생성하는 주사기 펌프이며, 종종 완전히 단방향 흐름으로 제한됩니다. 단방향 유동을 생성하기 위한 대안적인 전략은 중력 헤드(8), 모세관력(9), 또는 전기삼투압 흐름(10)을 사용하는 것을 포함한다. 프로그래밍 가능한 시린지 펌프는 유량 및 분배된 부피의 시간 의존적 양방향 제어를 허용하지만 시린지 펌프의 기계적 관성으로 인해 1초 이상의 응답 시간으로 제한됩니다.
더 짧은 시간 척도에서의 흐름 제어는 흐름 물리학의 질적 변화로 인해 접근 할 수없는 가능성의 과다한 6,11,12,13,14,15를 잠금 해제합니다. 이 다양한 흐름 물리학을 활용하는 가장 실용적인 방법은 음향파 또는 10-1- 10-9 s 또는 10 1-10 9 Hz 범위의 시간 주기를 갖는 진동 흐름을 이용하는 것입니다. 이 주파수 범위의 더 높은 끝은 벌크 음향파(BAW; 100kHz-10MHz) 및 표면 음향파(SAW; 10MHz-1GHz) 장치를 사용하여 액세스됩니다. 전형적인 BAW 장치에서, 전체 기판 및 유체 컬럼은 접합된 압전에 걸쳐 전압 신호를 인가함으로써 진동된다. 이것은 상대적으로 높은 처리량을 가능하게하지만 더 높은 진폭에서 가열을 초래합니다. 그러나 SAW 장치에서, 고체-액체 계면은 압전 기판 상에 패터닝된 한 쌍의 인터디지타이징된 전극에 전압을 인가함으로써 진동된다. 매우 짧은 파장 (1 μm-100 μm)으로 인해 300 nm만큼 작은 입자는 SAW 장치에서 발생하는 압력파에 의해 정밀하게 조작 될 수 있습니다. 작은 입자를 조작하는 능력에도 불구하고, SAW 방법은 파동이 소스로부터의 거리에 따라 빠르게 감쇠되기 때문에 국소 입자 조작으로 제한됩니다.
1-100kHz 주파수 범위에서 진동 흐름은 일반적으로 설계된 캐비티16,17 위의 폴리디메틸실록산(PDMS) 마이크로채널에 결합된 압전 소자를 사용하여 생성됩니다. 패턴화된 캐비티 위의 PDMS 멤브레인은 채널 내의 유체를 가압하는 진동 멤브레인 또는 드럼처럼 동작합니다. 이 주파수 범위에서 파장은 채널 크기보다 크지 만 진동 속도 진폭은 작습니다. 이 주파수 체계에서 가장 유용한 현상은 음향/점성 스트리밍 흐름의 생성이며, 이는 관성(18)을 갖는 액체의 흐름에 내재된 비선형성으로 인해 발생하는 정류된 꾸준한 흐름이다. 꾸준한 스트리밍 흐름은 일반적으로 장애물, 날카로운 모서리 또는 마이크로 버블 근처에서 고속 역회전 소용돌이로 나타납니다. 이들 소용돌이는 19,20을 혼합하고유동 스트림(21)으로부터10 μm 크기의 입자를 분리하는데 유용하다.
10-1000Hz 범위의 주파수의 경우, 진동 구성 요소의 속도와 그에 관련된 꾸준한 점성 스트리밍은 크기가 상당히 크고 유용합니다. 이 주파수 범위 내의 강한 진동 흐름은 관성 집속(22)에 사용될 수 있고, 액적 생성(23)을 촉진하며, 시험관내 연구를 위해 혈류를 모방하는 유동 조건(Womersley 숫자)을 생성할 수 있다. 반면에 스트리밍 흐름은 혼합, 파티클 트래핑 및 조작에 유용합니다. 이러한 주파수 범위에서의 진동 흐름은 또한 전술한 바와 같이 장치에 결합된 압전 소자(23)를 사용하여 달성될 수 있다. 본딩 피에조 요소를 통해 진동 흐름을 구현하는 데 중요한 장애물은 사전에 설계해야 한다는 것입니다. 또한, 접합된 스피커 엘리먼트는 분리가능하지 않으며, 새로운 엘리먼트가 각각의 디바이스(24)에 본딩되어야 한다. 그러나, 이러한 장치들은 콤팩트하다는 이점을 제공한다. 다른 방법은 전기기계 릴레이 밸브(20)를 이용하는 것이다. 이 밸브는 작동을 위해 공압 소스와 맞춤형 제어 소프트웨어가 필요하므로 테스트 및 구현에 대한 기술적 장벽이 증가합니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 장치는 설정된 압력 진폭 및 주파수의 적용을 가능하게 한다.
이 기사에서는, 마이크로채널에서 10-1000 Hz의 주파수 범위에서 진동 유동을 발생시키는 사용자 친화적인 방법의 구성, 동작 및 특성화가 설명된다. 이 방법은 비용 효율적인 조립, 작동 용이성, 표준 미세 유체 채널 및 주사기 펌프 및 튜브와 같은 액세서리와 인터페이스 할 준비가되어있는 것과 같은 수많은 이점을 제공합니다. 추가적으로, 이전의 유사한 접근법들(25)과 비교하여, 이 방법은 정현파 파형과 비정현파 파형 사이의 변조를 포함하는 발진 주파수 및 진폭에 대한 선택적이고 독립적인 제어를 사용자에게 제공한다. 이러한 기능을 통해 사용자는 진동 흐름을 쉽게 배치 할 수 있으므로 생물학 및 화학 분야의 현재 존재하는 광범위한 미세 유체 기술 및 응용 분야에 널리 채택 될 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우리는 미세 유체 장치에서 10 ~ 1000Hz 범위의 주파수를 갖는 진동 흐름을 생성하기 위한 외부 스피커 기반 장치의 어셈블리(프로토콜 중요 단계 3 및 4 참조) 및 작동(프로토콜 중요 단계 5 및 6 참조)을 시연했습니다. 정지 트레이서 입자의 입자 추적은 고조파 운동의 충실도를 결정하고 작동 주파수 범위에서 달성 가능한 진동 진폭의 범위를 교정하는 데 필요합니다. 주어진 볼륨 설정에 대한 진폭-?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는이 작업을 가능하게하기 위해 일리노이 대학의 기계 과학 및 공학 래피드 프로토 타이핑 연구소에서 제공 한 지원 및 시설을 인정하고 싶습니다.
Materials
| 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 |
Referenzen
- 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. Microfluidic Mixing: A Review. International Journal of Molecular Sciences. 12 (5), 3263-3287 (2011).
- 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. Microfluidics for cell separation. Medical & Biological Engineering & Computing. 48 (10), 999-1014 (2010).
- 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. Pulsatile Flow in Microfluidic Systems. Small. 16 (9), 1904032 (2020).
- 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. Acoustic Microfluidics. Annual Review of Analytical Chemistry. 13, 17-43 (2020).
- 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. Microfluidic flow spectrometer. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27, 077001 (2017).
- 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).
