Mikrokanallarda Sub-Kilohertz Salınımlı Akış Üretimi için Harici Bir Sürücünün Montajı ve Karakterizasyonu

Mikrokanallardaki sıvı akış hızının hassas kontrolü, damlacık üretimi ve kapsülleme¹, karıştırma ^2,3 ve asılı ^{partiküllerin} 4,5,6,7 olarak sıralanması ve manipülasyonu gibi çip üzerinde laboratuvar uygulamaları için çok önemlidir. Akış kontrolü için ağırlıklı olarak kullanılan yöntem, genellikle tamamen tek yönlü akışla sınırlı, sabit bir hacimli sıvı veya sabit bir hacimsel akış hızı dağıtan yüksek kontrollü sabit akışlar üreten bir şırınga pompasıdır. Tek yönlü akış üretmek için alternatif stratejiler arasında yerçekimi kafası⁸, kılcal kuvvetler⁹ veya elektro-ozmotik akış^{10 kullanılır}. Programlanabilir şırınga pompaları, akış hızlarının ve dağıtılan hacimlerin zamana bağlı çift yönlü kontrolüne izin verir, ancak şırınga pompasının mekanik ataleti nedeniyle 1 s’den büyük tepki süreleriyle sınırlıdır.

Daha kısa zaman ölçeklerinde akış kontrolü, akış fiziğindeki nitel değişiklikler nedeniyle ^{6,11,12,13,14,15} numaralı başka türlü erişilemeyen olasılıkların bolluğunun kilidini açar. Bu çeşitli akış fiziğinden yararlanmanın en pratik yolu, 10-1-10-9 s veya 10 ^{1 –}10 ^{9 Hz} arasında değişen zaman periyotlarına sahip akustik dalgalar veya salınımlı^{akışlardır.} Bu frekans aralığının üst ucuna toplu akustik dalga (BAW; 100 kHz-10 MHz) ve yüzey akustik dalga (SAW; 10 MHz-1 GHz) cihazları kullanılarak erişilir. Tipik bir BAW cihazında, tüm substrat ve sıvı kolonu, bağlı bir piezoelektrik boyunca bir voltaj sinyali uygulanarak titreştirilir. Bu, nispeten yüksek verim sağlar, ancak aynı zamanda daha yüksek genliklerde ısınma ile sonuçlanır. Bununla birlikte, SAW cihazlarında, katı-sıvı arayüzü, bir piezoelektrik substrat üzerinde desenli bir çift interdigite elektrot voltajı uygulanarak salınır. Çok kısa dalga boyları (1 μm-100 μm) nedeniyle, 300 nm kadar küçük parçacıklar, SAW cihazlarında üretilen basınç dalgası tarafından hassas bir şekilde manipüle edilebilir. Küçük parçacıkları manipüle etme yeteneğine rağmen, SAW yöntemleri yerel parçacık manipülasyonu ile sınırlıdır, çünkü dalga kaynaktan uzaklaştıkça hızla zayıflar.

1-100 kHz frekans aralığında, salınımlı akışlar genellikle tasarlanmış bir boşluk^16,17 üzerinde bir polidimetilsiloksan (PDMS) mikrokanalına bağlanmış piezo-elemanlar kullanılarak üretilir. Desenli boşluğun üzerindeki PDMS membranı, kanal içindeki sıvıyı basınçlandıran titreşimli bir membran veya tambur gibi davranır. Bu frekans aralığında, dalga boyu kanal boyutundan daha büyüktür, ancak salınım hızı genlikleri küçüktür. Bu frekans rejimindeki en yararlı fenomen, atalet¹⁸ ile sıvıların akışında bulunan doğrusal olmayanlıktan kaynaklanan düzeltilmiş sabit akışlar olan akustik / viskoz akış akışlarının üretilmesidir. Sabit akış akışları tipik olarak engellerin, keskin köşelerin veya mikro kabarcıkların yakınında yüksek hızlı ters dönen girdaplar olarak kendini gösterir. Bu girdaplar, 19,20’yi karıştırmak ve¹⁰ μm boyutundaki parçacıkları akış akışı^21’den ayırmak için kullanışlıdır.

10-1000 Hz aralığındaki frekanslar için, hem salınımlı bileşenin hızı hem de ilişkili sabit viskoz akış, büyüklük ve kullanım açısından önemlidir. Bu frekans aralığındaki güçlü salınımlı akışlar, atalet odaklama²² için kullanılabilir, damlacık üretimi^23’ü kolaylaştırabilir ve in vitro çalışmalar için kan akışını taklit eden akış koşulları (Womersley sayıları) üretebilir. Öte yandan, akış akışları karıştırma, parçacık yakalama ve manipülasyon için kullanışlıdır. Bu frekans aralığındaki salınımlı akış, yukarıda^{açıklandığı} gibi cihaza bağlı bir piezo elemanı kullanılarak da gerçekleştirilebilir. Bağlı bir piezo elemanı aracılığıyla salınımlı akışları uygulamanın önündeki önemli bir engel, özelliklerin önceden tasarlanmasını gerektirmesidir. Ayrıca, bağlı hoparlör elemanları sökülemez ve her cihaza yeni bir eleman bağlanmalıdır²⁴. Bununla birlikte, bu tür cihazlar kompakt olmanın avantajını sunar. Alternatif bir yöntem, bir elektromekanik röle valfi^{20 kullanmaktır}. Bu valfler, çalışma için pnömatik basınç kaynakları ve özel kontrol yazılımı gerektirir ve bu nedenle test ve uygulama için teknik engeli arttırır. Bununla birlikte, bu tür cihazlar ayarlanmış basınç genliği ve frekansının uygulanmasını sağlar.

Bu makalede, mikrokanallarda 10-1000 Hz frekans aralığında salınımlı akışlar üretmek için kullanıcı dostu bir yöntemin oluşturulması, işletilmesi ve karakterizasyonu açıklanmaktadır. Yöntem, uygun maliyetli montaj, kullanım kolaylığı ve standart mikroakışkan kanallar ve şırınga pompaları ve tüpleri gibi aksesuarlarla arayüze hazır olma gibi sayısız avantaj sunar. Ek olarak, önceki benzer yaklaşımlar²⁵ ile karşılaştırıldığında, yöntem kullanıcıya sinüzoidal ve sinüzoidal olmayan dalga formları arasındaki modülasyon da dahil olmak üzere salınım frekanslarının ve genliklerinin seçici ve bağımsız kontrolünü sunar. Bu özellikler, kullanıcıların salınımlı akışları kolayca dağıtmalarına olanak tanır ve bu nedenle, biyoloji ve kimya alanlarında şu anda mevcut olan mikroakışkan teknolojilerin ve uygulamalarının geniş bir yelpazesine yaygın olarak benimsenmesini kolaylaştırır.