Сборка и характеристика внешнего драйвера для генерации субкилогерцового колебательного потока в микроканалах

Точное управление расходом жидкости в микроканалах имеет решающее значение для лабораторных применений на кристалле, таких как производство капель и инкапсуляция¹, смешивание ^2,3, а также сортировка и обработка взвешенных частиц ^4,5,6,7. Преимущественно используемым методом управления потоком является шприцевой насос, который производит высоко контролируемые устойчивые потоки, дозирующие либо фиксированный объем жидкости, либо фиксированный объемный расход, часто ограниченный полностью однонаправленным потоком. Альтернативные стратегии получения однонаправленного потока включают использование гравитационной головки⁸, капиллярных сил⁹ или электроосмотического потока¹⁰. Программируемые шприцевые насосы позволяют осуществлять двунаправленное регулирование расхода и дозированных объемов в зависимости от времени, но ограничены временем отклика более 1 с из-за механической инерции шприцевого насоса.

Управление потоком в более коротких временных масштабах открывает множество 6,11,12,13,14,15 недоступных возможностей из-за качественных изменений в физике потока. Наиболее практичным средством использования этой разнообразной физики потока являются акустические волны или колебательные потоки с временными периодами в диапазоне от ^10-1 до ^10-9 с или 10¹ -10⁹ Гц. Доступ к верхнему пределу этого частотного диапазона осуществляется с помощью объемных акустических волн (BAW; 100 кГц-10 МГц) и поверхностных акустических волн (SAW; 10 МГц-1 ГГц). В типичном устройстве BAW вся подложка и столб жидкости вибрируются путем подачи сигнала напряжения через связанный пьезоэлектрик. Это обеспечивает относительно высокую пропускную способность, но также приводит к нагреву на более высоких амплитудах. Однако в устройствах SAW интерфейс твердо-жидкий колеблется путем подачи напряжения на пару интердигитированных электродов, узорчатых на пьезоэлектрической подложке. Из-за очень коротких длин волн (1 мкм-100 мкм) частицы размером до 300 нм могут точно манипулировать волной давления, генерируемой в устройствах SAW. Несмотря на способность манипулировать мелкими частицами, методы SAW ограничены локальными манипуляциями с частицами, поскольку волна быстро ослабевает с удалением от источника.

В диапазоне частот 1-100 кГц колебательные потоки обычно генерируются с использованием пьезоэлементов, которые связаны с микроканалом полидиметилсилоксана (PDMS) над расчетной полостью^16,17. Мембрана PDMS над узорчатой полостью ведет себя как вибрационная мембрана или барабан, который создает давление на жидкость в канале. В этом диапазоне частот длина волны больше, чем размер канала, но амплитуды скорости колебаний малы. Наиболее полезным явлением в этом частотном режиме является генерация акустических/вязких потоковых потоков, которые являются выпрямленными устойчивыми потоками, вызванными нелинейностью, присущей потоку жидкостей с инерцией¹⁸. Устойчивые потоки обычно проявляются в виде высокоскоростных встречно-вращающихся вихрей в непосредственной близости от препятствий, острых углов или микропузырьков. Эти вихри полезны для смешивания^19,20 и отделения частиц размером 10 мкм от потока^{потока 21}.

Для частот в диапазоне 10-1000 Гц как скорость колебательной составляющей, так и связанное с ней устойчивое вязкое течение значительны по величине и полезны. Сильные колебательные потоки в этом диапазоне частот могут быть использованы для инерционной фокусировки²², облегчают генерацию капель²³ и могут генерировать условия потока (числа Вомерсли), которые имитируют кровоток для исследований in vitro . С другой стороны, потоковые потоки полезны для смешивания, улавливания частиц и манипулирования. Колебательный поток в этом диапазоне частот также может быть осуществлен с использованием пьезоэлемента, связанного с устройством, как описано выше²³. Существенным препятствием для реализации колебательных потоков через связанный пьезоэлемент является то, что он требует предварительного проектирования функций. Кроме того, связанные элементы динамика не являются съемными, и новый элемент должен быть прикреплен к каждому устройству²⁴. Тем не менее, такие устройства представляют собой преимущество компактности. Альтернативным методом является использование электромеханического релейного^{клапана 20}. Эти клапаны требуют пневматических источников давления и специального программного обеспечения управления для работы и, следовательно, увеличивают технический барьер для тестирования и внедрения. Тем не менее, такие устройства позволяют применять заданную амплитуду и частоту давления.

В данной статье описано построение, эксплуатация и характеристика удобного для пользователя метода генерации колебательных потоков в диапазоне частот 10-1000 Гц в микроканалах. Метод предлагает множество преимуществ, таких как экономичная сборка, простота в эксплуатации и готовность к сопряжению со стандартными микрофлюидными каналами и аксессуарами, такими как шприцевые насосы и трубки. Кроме того, по сравнению с предыдущими аналогичными подходами²⁵, способ предлагает пользователю селективное и независимое управление частотами и амплитудами колебаний, включая модуляцию между синусоидальными и несинусоидальными формами волн. Эти функции позволяют пользователям легко развертывать колебательные потоки и, следовательно, способствуют широкому внедрению в широкий спектр существующих в настоящее время микрофлюидных технологий и приложений в области биологии и химии.