Summary

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

Published: January 28, 2022
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Summary

Das Protokoll demonstriert eine bequeme Methode, um harmonischen oszillatorischen Fluss von 10-1000 Hz in Mikrokanälen zu erzeugen. Dies geschieht durch die modulare Anbindung einer computergesteuerten Lautsprechermembran an den Mikrokanal.

Abstract

Die Mikrofluidik-Technologie ist zu einem Standardwerkzeug in chemischen und biologischen Laboratorien sowohl für die Analyse als auch für die Synthese geworden. Die Injektion von flüssigen Proben wie chemischen Reagenzien und Zellkulturen erfolgt überwiegend durch stetige Strömungen, die typischerweise durch Spritzenpumpen, Schwerkraft oder Kapillarkräfte angetrieben werden. Die Verwendung komplementärer oszillatorischer Strömungen wird in Anwendungen trotz ihrer zahlreichen Vorteile, wie kürzlich in der Literatur gezeigt, selten in Betracht gezogen. Das erhebliche technische Hindernis für die Implementierung oszillatorischer Flüsse in Mikrokanälen ist wahrscheinlich für das Fehlen seiner weit verbreiteten Akzeptanz verantwortlich. Fortschrittliche handelsübliche Spritzenpumpen, die einen oszillierenden Durchfluss erzeugen können, sind oft teurer und funktionieren nur für Frequenzen unter 1 Hz. Hier wird die Montage und der Betrieb einer kostengünstigen, Plug-and-Play-Lautsprecher-basierten Apparatur demonstriert, die einen oszillierenden Fluss in Mikrokanälen erzeugt. High-Fidelity-harmonische Schwingungsflüsse mit Frequenzen von 10-1000 Hz können zusammen mit einer unabhängigen Amplitudensteuerung erreicht werden. Amplituden von 10-600 μm können über den gesamten Betriebsbereich, einschließlich Amplituden > 1 mm bei der Resonanzfrequenz, in einem typischen Mikrokanal erreicht werden. Obwohl die Schwingungsfrequenz vom Sprecher bestimmt wird, veranschaulichen wir, dass die Schwingungsamplitude empfindlich auf Fluideigenschaften und Kanalgeometrie reagiert. Insbesondere nimmt die Schwingungsamplitude mit zunehmender Kanalkreislänge und Flüssigkeitsviskosität ab, und im Gegensatz dazu nimmt die Amplitude mit zunehmender Lautsprecherröhrendicke und -länge zu. Darüber hinaus erfordert das Gerät keine vorherigen Funktionen, um auf dem Mikrokanal entworfen zu werden, und ist leicht abnehmbar. Es kann gleichzeitig mit einem stetigen Fluss verwendet werden, der von einer Spritzenpumpe erzeugt wird, um pulsierende Strömungen zu erzeugen.

Introduction

Die präzise Steuerung des Flüssigkeitsdurchflusses in Mikrokanälen ist entscheidend für Lab-on-a-Chip-Anwendungen wie Tröpfchenproduktion und Verkapselung1, Mischen von2,3 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 oderelektroosmotischem 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 Hohlraum16,17 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 Trägheitinnewohnt 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 geklebtwerden 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.

Protocol

1. Schnelles Prototypen-Formendesign und -herstellung Öffnen Sie AutoCAD auf einem PC. Wählen Sie Datei in der Taskleiste, wählen Sie dann Öffnen und navigieren Sie zu und klicken Sie auf eine dreidimensionale (3D) Modelldatei der Kanalform mit .dxf oder .dwg Erweiterung. Wählen Sie das gesamte Modell aus, indem Sie darauf klicken und ein Feld um es herum ziehen. Exportieren Sie den Entwurf als STL-Datei, indem Sie Datei | auswählen Expo…

Representative Results

Um die Leistungsfähigkeit und Leistung des obigen Aufbaus zu veranschaulichen, werden repräsentative Ergebnisse der oszillierenden Strömung in einem einfachen linearen Mikrokanal mit quadratischem Querschnitt dargestellt. Die Breite und Höhe des Kanals beträgt 110 μm und seine Länge beträgt 5 cm. Zunächst beschreiben wir die Bewegung sphärischer Polystyrol-Tracer-Partikel und wie diese verwendet werden können, um die Genauigkeit des Schwingungssignals sowie den Bereich der erreichbaren Schwingungsamplituden zu…

Discussion

Wir haben die Montage (siehe protokollkritische Schritte 3 und 4) und den Betrieb (siehe protokollkritische Schritte 5 und 6) einer externen Lautsprecher-basierten Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungsströmungen mit Frequenzen im Bereich von 10 bis 1000 Hz in mikrofluidischen Bauelementen demonstriert. Die Partikelverfolgung von suspendierten Tracerpartikeln ist erforderlich, um die Genauigkeit der harmonischen Bewegung zu bestimmen und den Bereich der über den Bereich der Betriebsfrequenzen erreichbaren Schwingung…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir möchten uns für die Unterstützung und die Einrichtungen des Department of Mechanical Science and Engineering Rapid Prototyping Lab an der University of Illinois bedanken, um diese Arbeit zu ermöglichen.

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

References

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Cite This Article
Vishwanathan, G., Juarez, G. Assembly and Characterization of an External Driver for the Generation of Sub-Kilohertz Oscillatory Flow in Microchannels. J. Vis. Exp. (179), e63294, doi:10.3791/63294 (2022).

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