Assemblage en karakterisering van een externe driver voor het genereren van sub-kilohertz oscillerende stroming in microkanalen

De nauwkeurige regeling van het vloeistofdebiet in microkanalen is cruciaal voor lab-on-a-chip-toepassingen zoals druppelproductie en inkapseling¹, mengen ^2,3 en het sorteren en manipuleren van zwevende deeltjes ^4,5,6,7. De meest gebruikte methode voor debietregeling is een spuitpomp die sterk gecontroleerde constante stromen produceert die een vast volume vloeistof of een vast debiet afgeven, vaak beperkt tot volledig unidirectioneel debiet. Alternatieve strategieën voor het produceren van unidirectionele stroming omvatten het gebruik van gravitationele kop⁸, capillaire krachten⁹ of elektro-osmotische stroom¹⁰. Programmeerbare spuitpompen maken een tijdsafhankelijke bidirectionele regeling van debieten en afgegeven volumes mogelijk, maar zijn beperkt tot responstijden van meer dan 1 s vanwege de mechanische traagheid van de spuitpomp.

Flow control op kortere tijdschalen ontsluit een overvloed aan 6,11,12,13,14,15 aan anders ontoegankelijke mogelijkheden als gevolg van kwalitatieve veranderingen in de stromingsfysica. De meest praktische manier om deze gevarieerde stromingsfysica te benutten is door middel van akoestische golven of oscillerende stromen met tijdsperioden variërend van ^10-1– ^10-9 s of 10¹ -10⁹ Hz. Het hogere uiteinde van dit frequentiebereik is toegankelijk met behulp van bulk akoestische golf (BAW; 100 kHz-10 MHz) en oppervlakte akoestische golf (SAW; 10 MHz-1 GHz) apparaten. In een typisch BAW-apparaat worden het hele substraat en de vloeistofkolom getrild door een spanningssignaal toe te passen over een gebonden piëzo-elektrisch. Dit maakt relatief hoge doorvoersnelheden mogelijk, maar resulteert ook in verwarming bij hogere amplitudes. In SAW-apparaten wordt de vaste-vloeistofinterface echter oscillerend door spanning toe te passen op een paar interdigitated elektroden met een patroon op een piëzo-elektrisch substraat. Door de zeer korte golflengten (1 μm-100 μm) kunnen deeltjes zo klein als 300 nm nauwkeurig worden gemanipuleerd door de drukgolf die in SAW-apparaten wordt gegenereerd. Ondanks het vermogen om kleine deeltjes te manipuleren, zijn SAW-methoden beperkt tot lokale deeltjesmanipulatie, omdat de golf snel verzwakt met de afstand tot de bron.

Bij het frequentiebereik van 1-100 kHz worden oscillerende stromen meestal gegenereerd met behulp van piëzo-elementen die zijn gebonden aan een polydimethylsiloxaan (PDMS) microkanaal boven een ontworpen holte^16,17. Het PDMS-membraan boven de patroonholte gedraagt zich als een trillend membraan of trommel die de vloeistof in het kanaal onder druk zet. Bij dit frequentiebereik is de golflengte groter dan de kanaalgrootte, maar de oscillatiesnelheidsamplitudes zijn klein. Het meest bruikbare fenomeen in dit frequentieregime is het genereren van akoestische / viskeuze stroomstromen, die worden gerectificeerde gestage stromen veroorzaakt door niet-lineariteit inherent aan de stroom van vloeistoffen met traagheid¹⁸. De gestage stroomstromen manifesteren zich meestal als snelle tegengesteld draaiende wervelingen in de buurt van obstakels, scherpe hoeken of microbellen. Deze wervelingen zijn nuttig voor het mengen van^19,20 en het scheiden van deeltjes ter grootte van 10 μm van de stroomstroom²¹.

Voor frequenties in het bereik van 10-1000 Hz zijn zowel de snelheid van de oscillerende component als de bijbehorende gestage viskeuze streaming aanzienlijk in omvang en nuttig. Sterke oscillerende stromen in dit frequentiebereik kunnen worden gebruikt voor traagheidsfocus²², vergemakkelijken druppelgeneratie²³ en kunnen stroomomstandigheden (Womersley-getallen) genereren die de bloedstroom nabootsen voor in vitro studies. Aan de andere kant zijn streamingstromen nuttig voor het mengen, deeltjesvangen en manipulatie. Oscillerende stroming in dit frequentiebereik kan ook worden bereikt met behulp van een piëzo-element dat aan het apparaat is gebonden zoals hierboven beschreven²³. Een belangrijke hindernis voor het implementeren van oscillerende stromen door een gebonden piëzo-element is dat het vereist dat functies vooraf worden ontworpen. Bovendien zijn de verlijmde luidsprekerelementen niet afneembaar en moet aan elk apparaat een nieuw element worden bevestigd²⁴. Dergelijke apparaten hebben echter het voordeel dat ze compact zijn. Een alternatieve methode is het gebruik van een elektromechanische relaisklep²⁰. Deze kleppen vereisen pneumatische drukbronnen en aangepaste besturingssoftware voor de werking en verhogen daarom de technische barrière voor testen en implementatie. Niettemin maken dergelijke apparaten de toepassing van ingestelde drukamplitude en frequentie mogelijk.

In dit artikel wordt de constructie, werking en karakterisering van een gebruiksvriendelijke methode beschreven om oscillerende stromen te genereren in het frequentiebereik van 10-1000 Hz in microkanalen. De methode biedt tal van voordelen, zoals kosteneffectieve montage, bedieningsgemak en klaar om te communiceren met standaard microfluïdische kanalen en accessoires zoals spuitpompen en slangen. Bovendien biedt de methode, in vergelijking met eerdere vergelijkbare benaderingen²⁵, de gebruiker selectieve en onafhankelijke controle van oscillatiefrequenties en amplitudes, inclusief de modulatie tussen sinusoïdale en niet-sinusoïdale golfvormen. Deze functies stellen gebruikers in staat om eenvoudig oscillerende stromen te implementeren en vergemakkelijken daarom een wijdverspreide toepassing in een breed scala van momenteel bestaande microfluïdische technologieën en toepassingen op het gebied van biologie en chemie.