基于液滴在微流体装置的被动抽水高速输送系统

摘要

一种新型的微流体系统已经开发使用的被动式抽水的现象和用户控制流体输送系统。这种微流体系统已在多种生物应用由于其成本低，易于使用，体积精度高，速度快，重复性和自动化的潜力。

摘要

一种新型的微流体系统已经开发使用的被动抽水用户控制液滴基于流体输送系统沿现象。被动式抽水，是由表面张力引起的压力差驱动流体运动的现象在封闭的渠道。自动化流体输送系统由电压控制阀，微流体水库和控制系统连接到喷嘴。这些电压的控制阀，提供了一个容积精确的方式提供高频率地在微流体装置的入口流体液滴。在目前的研究例子展示了尺寸的基础上，该系统能够流动每分钟4毫升（通过260um截面渠道2.2毫米）。根据这些相同的通道尺寸，通道内的流体交换可以实现低至8毫秒。据观察，有动力系统（在通道的阀门和流体的速度创造了水滴的组合传授），液体的表面张力之间的相互作用。势头提供了速度，流体的流量（或反之亦然），在入口处的表面张力的平衡提供了任何流量的突然停止。这突然停止，允许用户控制通道的流量特性和各种生物应用打开门，不等药物细胞研究试剂交付。它也观察到，喷嘴的目的是在浅层的角度入口时，液滴的势头可能会造成额外的有趣流体现象，如在多个入口液滴混合，。

研究方案

在这份报告中，我们展示了一个流体输送的方法，利用小液滴表面张力泵通过一个微流体通道所需的量，以达到不同的流体现象。例如，用户可能希望尽可能快流单液，或在连续快速创建特定的流体模式提供多种流体。为了做到这一点，用户必须首先有一个微流体装置周围建立了一个应用程序。 microflluidic设备并不需要保税，但应该从一个亲水性材料。 Therfore，该方法可以利用几乎所有的微流体装置，性能在很大程度上微流体通道的几何约束的要求。为了帮助浏览此方法，介绍了相关的数值分析的几何约束。

1. 分析方法：根据拉普拉斯法和沃什伯恩法[1]，可以与在微流体通道，其尺寸和流动的液体，如公式（1）属性的流量，
   （1）
   ΔP是入口和出口之间的压力差，γ是液体的表面张力，R是进口下降半径，Q是流量和 K是由方程（2）中所描述的流体阻力，
   （2）
   其中，η是液体的粘度_，L 0是渠道的长度，H为通道高度，W为信道宽度，λ= W / H 和G（λ）= 1.5，λ> 4.45或
   
   如果λ<4.45。方程（2）代入式（1），总是假定H （3）
   同样的分析可以知道一个通​​道内流体的速度为Q = VA，其中V是流体的平均流速和A是截面积或硬件。插入这些方程（3）你想出方程（4），
   （4）
   经常应用在微流体生物的一个重要的机械概念，即是剪应力，这涉及到流率和速度，由式（5），
   （5）
   明知流量，流速和渠道尺寸和流体性质的功能，其物理意义之间的关系是在一个微流体装置的设计对于一个给定的目的是至关重要的。一旦创建一个设备，用户必须校准流体输送系统设备内达到所需的流量特性。
2. 在设置和校准配送系统的步骤：
   1. 通过软光刻技术，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS，Sylgard 184，道康宁）[2]微流体装置。有朱庇特的文章，说明制作的PDMS微流体装置[5]的方法。这个演示中，我们选择了一个简单的直连通道，，尺寸如下：2.2毫米宽，10毫米的长度和260um高度。入口和出口直径1.8毫米和5.1毫米（图1）。可逆PDMS的设备连接到玻片上按到玻片上（或其他合适的基板），挤掉任何气泡[5]。一个可逆的附件允许设备重复使用多次。该方法也可用于与永久保税设备，但它不是必需的。
   2. 装满液体的设备。的硅橡胶的疏水性和亲水性玻璃帮助一个放置在进口下降，出口或移动，进入通道。如果液滴不希望通过自身的渠道，或如果气泡进入通道移动进入，用户可以在入口或出口的液滴，并在另一端使用一个吸管吸吮的液体通过渠道。帮助进入通道的液动的另一种方法是从载玻片上分离的PDMS设备，并轻轻清洗用乙醇的PDMS设备和载玻片。这PDMS和载玻片上的疏水和亲水的性质，分别，这可能会随着时间的推移和使用已减弱回报。
   3. 与液体灌装设备后，地方上的进气口的小水滴和比格ř在出口下降。确保被动抽水正在发生的事情通过观看入口崩溃的小水滴，观察液体流量对出口。再次，确保通道内无气泡。
   4. 使用的利公司的[3] VHS微配药开始套件，放在一起的一个或多个阀门（阀图2设置）的李VHS M / 2 24伏阀组成，一个0.062与孔口的0.0100大小MINSTAC喷嘴“，在李0.062 Minstac软管适配器，李穗和保持驱动器（用户控制，未显示）和引线大会（阀门的连接穗，并保持驱动器，不显示）。
   5. 按住阀门的一种简单方法是使用生物科学工具微型人（图2）[4]。这提供了一种方法，精确瞄准和保存在某个位置的阀门，在阀门粘合实验持有人的一端，并在另一边使用一个磁性底座（未显示）。
   6. 请几英尺以上的PDMS微流体装置（在我们的例子中，我们使用¾每盎司注射器开放的环境，见图2）的水库系统。该水库提供了一个压头驱动喷嘴，与水库的高度成正比的压力。另外喷嘴阀可加压任何不同的方式（即压缩天然气）。将注射器针头注射器。一个典型的注射器针头将很容易附着到1.14毫米内径管。在1.14毫米的油管，然后轻松地附加到1.58毫米（1 / 16“）内径管，然后本身连接到”软阀门管的适配器“。为了防止泄漏液体在1.14毫米至1.58毫米的管道连接，可以使用硅橡胶密封剂。现在有一个注射器针头和利有限公司阀之间的线，填充液体注射器水库。额外的注射器和一个阀门，可以用来帮助在清洗过程中（在图2所示，但不标记）。阀门一侧放置一个磁铁，这是如何将这些阀门被清除（他们常闭电磁阀），并观看流经阀门和出0.0100 ''喷嘴的液体开始从水库。
   7. 选择一个阀门开放时间（开放时间是阀允许液体通过对每一个脉冲的基础上的时间）和频率（每秒的脉冲数）的校准系统。激活一个选定的时间（一分钟左右，只记得总运行时间）阀。称取液体从阀门交付。了解总的运行时间，频率和每个脉冲的开放时间，计算每毫秒克拍出来阀门。这种“克每毫秒”的价值将允许你选择任何想要的音量，用户可能希望从阀门交付的开放时间。

例：一分钟（60秒）激活系统。频率为15赫兹（15脉冲在一秒钟内）。每个脉冲的开放时间为20毫秒（ms）。

（20毫秒）（15Hz的）（60秒）= 18000ms。

这意味着，在一分钟内60000 MS中，阀门实际打开为18000毫秒。
假设流体的交货量重达5克。然后，

5克/ 18000毫秒= 2.78e ^-4克/ MS。

在水的情况下，其密度为克每毫升（ML），

2.78e ^-4克/ MS = 2.78e ^-4毫升/ MS。

校准后，下降的体积是依赖于开放时间。例如，开放时间为20ms，和所有参数保持在前面的例子一样，

（2.78e ^-4毫升/ MS）（20毫秒）= 5.56e ^-3毫升= 5.56μL。

要查找的开放时间y需要作出的X微升（微升）量下降，

（x微升）/ [（2.78e ^-4毫升/ MS）（1000μL/毫升）] = Y毫秒

8）瞄准一个或多个喷嘴的PDMS设备的进气口（图3）。经校准系统，走出来，每个阀门，基于微流体装置尺寸计算体积。对于高速被动抽水（获取最大流速），计算进滴体积要创建一个入口下降入口面[2]拥有一个90度接触角。对于分组创作，计算阀频率和开放的时代，要激活序列在两个阀门的阀计时的。正如图3可以看出，两个喷嘴可指出在入口处。这可以扩展到多个喷嘴，所有目的都在于在通道入口处。

代表性的成果：

正确校准时，阀门打开，正确计算时间和正确的入口的喷嘴，用户应该能够看到被动泵的流量（图4）。一阵液体SH乌尔德出来的阀门，到达入口。液体到达入口，进入通道的入口下降有一个瞬间崩溃，对插座。通道内的液体移动只能在一个进口下降崩溃。完整的通道内流体运动停止在下拉倒塌年底，瞬时流体停止提供和定义良好的流体边界的情况下，用户是流动的多种液体。下降崩溃的持续时间取决于进气口半径和体积的进口下降[1]。在我们的实验装置和设计中，进降塌陷发生在几毫秒的问题。

图1。PDMS微流体装置与一个入口，左，和一个电源插座，右。

图2水库系统和阀门安装。

图3。两个阀门，旨在在一个微流体装置的单进。

图4。时间步长的序列（33毫秒），进口下降崩溃的液体从阀门的弹射。

讨论

1. 对于高速抽水，如果选择正确的组合（由于正确的开放时间）的频率和脉冲量每被动，用户应该看到什么似乎是一个静态的下降或壳入口和通道内的流动速度非常快。如果发生溢出，开放时间和/或频率过高。
2. 要检测的势头/表面张力的相互作用，用户应在泵一个脉冲，而脉冲发生（从开始到结束），观察通道内的环境。作者建议使用荧光珠，提供了一个通道内流体行为的准确描述。一个单一入口下降?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sylgard 184 Silicone elastometer base	Dow Corning	MSDS No.: 01064291
Sylgard 184 Silicone elastometer curing agent	Dow Corning	MSDS No.: 01064291
VHS Microdispensing Starting kit	The Lee Company	IKTX0322000A
Miniature Holders	Bioscience Tools	MH-2
LabVIEW	National Instruments		Control System
1.14mm I.D. tubing	Scientific Commodities Inc.	BB31695-PE/7
1.57mm I.D. tubing	Scientific Commodities Inc.	BB31695-PE/10
20 mL BD™ Luer-Lok Tip Syringe, non-sterile	BD Biosciences	301032
http://www.theleeco.com. http://www.biosciencetools.com/Catalog/mHolders.htm.