Aufbau und Charakterisierung eines externen Treibers zur Erzeugung von Sub-Kilohertz-Schwingungsströmungen in Mikrokanälen

Die präzise Steuerung des Flüssigkeitsdurchflusses in Mikrokanälen ist entscheidend für Lab-on-a-Chip-Anwendungen wie Tröpfchenproduktion und Verkapselung¹, Mischen von^2,3 und Sortieren und Manipulieren von suspendierten Partikeln 4,5,6,7. Die am häufigsten verwendete Methode zur Durchflussregelung ist eine Spritzenpumpe, die hochkontrollierte stetige Durchflüsse erzeugt, die entweder ein festes Flüssigkeitsvolumen oder einen festen Volumenstrom abgeben, der oft auf einen vollständig unidirektionalen Durchfluss beschränkt ist. Alternative Strategien zur Erzeugung einer unidirektionalen Strömung umfassen die Verwendung von Gravitationskopf⁸, Kapillarkräften⁹ oder^{elektroosmotischem Fluss 10}. Programmierbare Spritzenpumpen ermöglichen eine zeitabhängige bidirektionale Regelung von Durchflussmengen und Dosiermengen, sind aber aufgrund der mechanischen Trägheit der Spritzenpumpe auf Ansprechzeiten von mehr als 1 s beschränkt.

Die Flussregelung auf kürzeren Zeitskalen erschließt eine Fülle von 6,11,12,13,14,15 anderweitig unzugänglichen Möglichkeiten aufgrund qualitativer Veränderungen in der Strömungsphysik^. Das praktischste Mittel, um diese abwechslungsreiche Strömungsphysik zu nutzen, ist durch akustische Wellen oder oszillierende Strömungen mit Zeiträumen von 10-1- 10-9 s oder 10 ^{1 –}10⁹ Hz. Das obere Ende dieses Frequenzbereichs wird mit akustischen Massenwellen- (BAW; 100 kHz-10 MHz) und Oberflächenakustischen Wellen (SAW; 10 MHz-1 GHz) erreicht. In einem typischen BAW-Gerät werden das gesamte Substrat und die Flüssigkeitssäule vibriert, indem ein Spannungssignal über ein gebundenes Piezoelektrikum angelegt wird. Dies ermöglicht relativ hohe Durchsätze, führt aber auch zu einer Erwärmung bei höheren Amplituden. In SAW-Geräten wird die Fest-Flüssig-Grenzfläche jedoch oszilliert, indem Spannung an ein Paar interdigitalisierter Elektroden angelegt wird, die auf einem piezoelektrischen Substrat strukturiert sind. Aufgrund der sehr kurzen Wellenlängen (1 μm-100 μm) können Partikel von nur 300 nm durch die in SAW-Geräten erzeugte Druckwelle präzise manipuliert werden. Trotz der Fähigkeit, kleine Partikel zu manipulieren, sind SAW-Methoden auf die lokale Partikelmanipulation beschränkt, da die Welle mit der Entfernung von der Quelle schnell abschwächt.

Im Frequenzbereich von 1-100 kHz werden oszillierende Strömungen normalerweise unter Verwendung von Piezoelementen erzeugt, die an einen Polydimethylsiloxan (PDMS) -Mikrokanal über einem ausgelegten Hohlraum^16,17 gebunden sind. Die PDMS-Membran über dem gemusterten Hohlraum verhält sich wie eine vibrierende Membran oder Trommel, die die Flüssigkeit innerhalb des Kanals unter Druck setzt. In diesem Frequenzbereich ist die Wellenlänge größer als die Kanalgröße, aber die Amplituden der Schwingungsgeschwindigkeit sind klein. Das nützlichste Phänomen in diesem Frequenzbereich ist die Erzeugung von akustischen/viskosen Strömungen, bei denen es sich um rektifizierte stetige Strömungen handelt, die durch Nichtlinearität verursacht werden, die dem Fluss von Flüssigkeiten mit Trägheit^{innewohnt 18}. Die stetigen Strömungsströmungen manifestieren sich typischerweise als Hochgeschwindigkeits-gegenläufige Wirbel in der Nähe von Hindernissen, scharfen Ecken oder Mikroblasen. Diese Wirbel sind nützlich, um ^19,20 zu mischen und¹⁰ μm große Partikel vom Strömungsstrom ²¹ zu trennen.

Für Frequenzen im Bereich von 10-1000 Hz sind sowohl die Geschwindigkeit der oszillatorischen Komponente als auch die damit verbundene stetige viskose Strömung beträchtlich und nützlich. Starke oszillatorische Strömungen in diesem Frequenzbereich können für die Trägheitsfokussierung²² verwendet werden, die Tröpfchenerzeugung²³ erleichtern und Strömungsbedingungen (Womersley-Zahlen) erzeugen, die den Blutfluss für In-vitro-Studien nachahmen. Auf der anderen Seite sind Streaming-Flüsse nützlich für das Mischen, Partikeleinfangen und Manipulation. Der oszillierende Fluss in diesem Frequenzbereich kann auch unter Verwendung eines Piezoelements erreicht werden, das wie oben beschrieben mit dem Gerät verbunden ist²³. Eine wesentliche Hürde bei der Implementierung von oszillierenden Flows durch ein gebondetes Piezoelement besteht darin, dass Funktionen im Voraus entworfen werden müssen. Darüber hinaus sind die geklebten Lautsprecherelemente nicht abnehmbar, und an jedes Gerät muss ein neues Element geklebt^{werden 24}. Solche Geräte bieten jedoch den Vorteil, kompakt zu sein. Eine alternative Methode ist die Verwendung eines elektromechanischen Relaisventils²⁰. Diese Ventile benötigen pneumatische Druckquellen und eine kundenspezifische Steuerungssoftware für den Betrieb und erhöhen somit die technische Barriere für Test und Implementierung. Dennoch ermöglichen solche Geräte die Anwendung von eingestellter Druckamplitude und -frequenz.

In diesem Artikel wird die Konstruktion, Bedienung und Charakterisierung einer benutzerfreundlichen Methode zur Erzeugung von oszillierenden Strömungen im Frequenzbereich von 10-1000 Hz in Mikrokanälen beschrieben. Das Verfahren bietet zahlreiche Vorteile wie die kostengünstige Montage, die einfache Bedienung und die einfache Anbindung an gängige mikrofluidische Kanäle und Zubehör wie Spritzenpumpen und Schläuche. Darüber hinaus bietet die Methode im Vergleich zu früheren ähnlichen Ansätzen²⁵ dem Benutzer eine selektive und unabhängige Steuerung von Schwingungsfrequenzen und Amplituden, einschließlich der Modulation zwischen sinusförmigen und nicht-sinusförmigen Wellenformen. Diese Funktionen ermöglichen es Benutzern, oszillierende Strömungen einfach einzusetzen und erleichtern somit eine breite Einführung in ein breites Spektrum derzeit bestehender mikrofluidischer Technologien und Anwendungen in den Bereichen Biologie und Chemie.