Name: assembly and characterization of an external driver for the generation of sub-kilohertz oscillatory flow in microchannels
Uploaded: 2022-01-28T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Assembly and Characterization of an External Driver for the Generation of Sub-Kilohertz Oscillatory Flow in Microchannels at JoVE.com

We willen graag de steun en faciliteiten van het Department of Mechanical Science and Engineering Rapid Prototyping Lab aan de Universiteit van Illinois erkennen om dit werk mogelijk te maken.

1. Snel prototype matrijsontwerp en fabricage
<ol><li>Open AutoCAD op een pc. Selecteer Bestand op de taakbalk, selecteer vervolgens Openen en blader naar en klik op een driedimensionaal (3D) modelbestand van de kanaalmal met .dxf of .dwg extensie.</li>
	<li>Selecteer het hele model door erop te klikken en er een vak omheen te slepen. Exporteer het ontwerp als stl-bestand door Bestand | Exporteren, vervolgens Andere indelingen en kies ...

<ol>
	<li>Collins, J., Lee, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+serial+microfluidic+droplet+size+gradient+by+step-wise+ramping+of+flow+rates.">Control of serial microfluidic droplet size gradient by step-wise ramping of flow rates.</a> Microfluidics and Nanofluidics. 3, 19-25 (2007).</li><li>Lee, C. Y., Chang, C. L., Wang, Y. N., Fu, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+Mixing:+A+Review.">Microfluidic Mixing: A Review.</a> International Journal of Molecular Sciences. 12 (5), 3263-3287 (2011).</li><li>Bayareh, M., Ashani, M. N., Usefian, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Active+and+passive+micromixers:+A+comprehensive+review.">Active and passive micromixers: A comprehensive review.</a> Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 147, 10771 (2020).</li><li>Zhang, S., Wang, Y., Onck, P., den Toonder, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+concise+review+of+microfluidic+particle+manipulation+methods.">A concise review of microfluidic particle manipulation methods.</a> Microfluidics and Nanofluidics. 24, 24 (2020).</li><li>Bayareh, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+updated+review+on+particle+separation+in+passive+microfluidic+devices.">An updated review on particle separation in passive microfluidic devices.</a> Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 153, 107984 (2020).</li><li>Wu, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acoustofluidic+separation+of+cells+and+particles.">Acoustofluidic separation of cells and particles.</a> Microsystems &amp; Nanoengineering. 5, 32 (2019).</li><li>Bhagat, A. A. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics+for+cell+separation.">Microfluidics for cell separation.</a> Medical &amp; Biological Engineering &amp; Computing. 48 (10), 999-1014 (2010).</li><li>M&#228;ki, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+and+Experimental+Characterization+of+Pressure+Drop+in+Gravity-Driven+Microfluidic+Systems.">Modeling and Experimental Characterization of Pressure Drop in Gravity-Driven Microfluidic Systems.</a> ASME Journal of Fluids Engineering. 137 (2), 021105 (2015).</li><li>Safavieh, R., Juncker, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Capillarics:+pre-programmed,+self-powered+microfluidic+circuits+built+from+capillary+elements.">Capillarics: pre-programmed, self-powered microfluidic circuits built from capillary elements.</a> Lab on a Chip. 13, 4180-4189 (2013).</li><li>Hossan, M. R., Dutta, D., Islam, N., Dutta, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review:+Electric+field+driven+pumping+in+microfluidic+device.">Review: Electric field driven pumping in microfluidic device.</a> Electrophoresis. 39 (5-6), 702-731 (2018).</li><li>Dincau, B., Dressaire, E., Sauret, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pulsatile+Flow+in+Microfluidic+Systems.">Pulsatile Flow in Microfluidic Systems.</a> Small. 16 (9), 1904032 (2020).</li><li>Thurgood, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tunable+Harmonic+Flow+Patterns+in+Microfluidic+Systems+through+Simple+Tube+Oscillation.">Tunable Harmonic Flow Patterns in Microfluidic Systems through Simple Tube Oscillation.</a> Small. 16 (43), 2003612 (2020).</li><li>Xia, H. M., Wu, J. W., Zheng, J. J., Zhang, J., Wang, Z. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonlinear+microfluidics:+device+physics,+functions,+and+applications.">Nonlinear microfluidics: device physics, functions, and applications.</a> Lab on a Chip. 21, 1241-1268 (2021).</li><li>Glasgow, I., Aubry, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancement+of+microfluidic+mixing+using+time+pulsing.">Enhancement of microfluidic mixing using time pulsing.</a> Lab on a Chip. 3 (2), 114-120 (2003).</li><li>Zhang, P., Bachman, H., Ozcelik, A., Huang, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acoustic+Microfluidics.">Acoustic Microfluidics.</a> Annual Review of Analytical Chemistry. 13, 17-43 (2020).</li><li>Lieu, V. H., House, T. A., Schwartz, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamic+Tweezers:+Impact+of+Design+Geometry+on+Flow+and+Microparticle+Trapping.">Hydrodynamic Tweezers: Impact of Design Geometry on Flow and Microparticle Trapping.</a> Analytical Chemistry. 84 (4), 1963-1968 (2012).</li><li>Jain, R., Darling, R. B., Lutz, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frequency+characterization+of+flow+magnitude+and+phase+in+resonant+microfluidic+circuits.">Frequency characterization of flow magnitude and phase in resonant microfluidic circuits.</a> Analytical Methods. 9, 5425-5432 (2017).</li><li>Squires, T. M., Quake, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics:+Fluid+physics+at+the+nanoliter+scale.">Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale.</a> Reviews of Modern Physics. 77, 977 (2005).</li><li>Zhang, C., Guo, X., Brunet, P., Costalonga, M., Royon, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acoustic+streaming+near+a+sharp+structure+and+its+mixing+performance+characterization.">Acoustic streaming near a sharp structure and its mixing performance characterization.</a> Microfluidics and Nanofluidics. 23 (9), 104 (2019).</li><li>Abolhasani, M., Oskooei, A., Klinkova, A., Kumacheva, E., G&#252;nther, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shaken,+and+stirred:+oscillatory+segmented+flow+for+controlled+size-evolution+of+colloidal+nanomaterials.">Shaken, and stirred: oscillatory segmented flow for controlled size-evolution of colloidal nanomaterials.</a> Lab on a Chip. 14, 2309-2318 (2014).</li><li>Thameem, R., Rallabandi, B., Hilgenfeldt, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast+inertial+particle+manipulation+in+oscillating+flows.">Fast inertial particle manipulation in oscillating flows.</a> Physical Review Fluids. 2 (5), 052001 (2017).</li><li>Vishwanathan, G., Juarez, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inertial+focusing+in+planar+pulsatile+flows.">Inertial focusing in planar pulsatile flows.</a> Journal of Fluid Mechanics. 921, 1 (2021).</li><li>Geschiere, S. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Slow+growth+of+the+Rayleigh-Plateau+instability+in+aqueous+two+phase+systems.">Slow growth of the Rayleigh-Plateau instability in aqueous two phase systems.</a> Biomicrofluidics. 6, 022007 (2012).</li><li>V&#225;zquez-Vergara, P., Torres Rojas, A. M., Guevara-Pantoja, P. E., Poir&#233;, E. C., Caballero-Robledo, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+flow+spectrometer.">Microfluidic flow spectrometer.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 27, 077001 (2017).</li><li>Sauret, A., Shum, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Forced+generation+of+simple+and+double+emulsions+in+all-aqueous+systems.">Forced generation of simple and double emulsions in all-aqueous systems.</a> Applied Physics Letters. 100, 154106 (2012).</li><li>Vishwanathan, G., Juarez, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Steady+streaming+viscometry+of+Newtonian+liquids+in+microfluidic+devices.">Steady streaming viscometry of Newtonian liquids in microfluidic devices.</a> Physics of Fluids. 31, 041701 (2019).</li><li>Vishwanathan, G., Juarez, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Steady+streaming+flows+in+viscoelastic+liquids.">Steady streaming flows in viscoelastic liquids.</a> Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 271, 104143 (2019).</li><li>Vishwanathan, G., Juarez, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generation+and+application+of+sub-kilohertz+oscillatory+flows+in+microchannels.">Generation and application of sub-kilohertz oscillatory flows in microchannels.</a> Microfluidics and Nanofluidics. 24, 69 (2020).</li></ol>

We hebben de assemblage (zie protocolkritische stappen 3 en 4) en werking (zie protocolkritische stappen 5 en 6) van een extern luidsprekergebaseerd apparaat gedemonstreerd voor het genereren van oscillerende stroom met frequenties in het bereik van 10 tot 1000 Hz in microfluïdische apparaten. Deeltjestracering van gesuspendeerde tracerdeeltjes is vereist om de getrouwheid van de harmonische beweging te bepalen en om het bereik van oscillatieamplitudes te kalibreren die haalbaar zijn over het bereik van bedrijfsfrequent...

De nauwkeurige regeling van het vloeistofdebiet in microkanalen is cruciaal voor lab-on-a-chip-toepassingen zoals druppelproductie en inkapseling1, mengen 2,3 en het sorteren en manipuleren van zwevende deeltjes 4,5,6,7. De meest gebruikte methode voor debietregeling is een spuitpomp die sterk gecontroleerde constante stromen produceert die een vast volume vloeistof of een vast debiet afgeven, vaak beperkt tot volledig unidirectioneel debiet. Alternatieve strategieën voor het produceren van unidirectionele stroming omvatten het gebruik van gravitationele kop8, capillaire krachten9 of elektro-osmotische stroom10. Programmeerbare spuitpompen maken een tijdsafhankelijke bidirectionele regeling van debieten en afgegeven volumes mogelijk, maar zijn beperkt tot responstijden van meer dan 1 s vanwege de mechanische traagheid van de spuitpomp.
Flow control op kortere tijdschalen ontsluit een overvloed aan 6,11,12,13,14,15 aan anders ontoegankelijke mogelijkheden als gevolg van kwalitatieve veranderingen in de stromingsfysica. De meest praktische manier om deze gevarieerde stromingsfysica te benutten is door middel van akoestische golven of oscillerende stromen met tijdsperioden variërend van 10-1- 10-9 s of 101 -109 Hz. Het hogere uiteinde van dit frequentiebereik is toegankelijk met behulp van bulk akoestische golf (BAW; 100 kHz-10 MHz) en oppervlakte akoestische golf (SAW; 10 MHz-1 GHz) apparaten. In een typisch BAW-apparaat worden het hele substraat en de vloeistofkolom getrild door een spanningssignaal toe te passen over een gebonden piëzo-elektrisch. Dit maakt relatief hoge doorvoersnelheden mogelijk, maar resulteert ook in verwarming bij hogere amplitudes. In SAW-apparaten wordt de vaste-vloeistofinterface echter oscillerend door spanning toe te passen op een paar interdigitated elektroden met een patroon op een piëzo-elektrisch substraat. Door de zeer korte golflengten (1 μm-100 μm) kunnen deeltjes zo klein als 300 nm nauwkeurig worden gemanipuleerd door de drukgolf die in SAW-apparaten wordt gegenereerd. Ondanks het vermogen om kleine deeltjes te manipuleren, zijn SAW-methoden beperkt tot lokale deeltjesmanipulatie, omdat de golf snel verzwakt met de afstand tot de bron.
Bij het frequentiebereik van 1-100 kHz worden oscillerende stromen meestal gegenereerd met behulp van piëzo-elementen die zijn gebonden aan een polydimethylsiloxaan (PDMS) microkanaal boven een ontworpen holte16,17. Het PDMS-membraan boven de patroonholte gedraagt zich als een trillend membraan of trommel die de vloeistof in het kanaal onder druk zet. Bij dit frequentiebereik is de golflengte groter dan de kanaalgrootte, maar de oscillatiesnelheidsamplitudes zijn klein. Het meest bruikbare fenomeen in dit frequentieregime is het genereren van akoestische / viskeuze stroomstromen, die worden gerectificeerde gestage stromen veroorzaakt door niet-lineariteit inherent aan de stroom van vloeistoffen met traagheid18. De gestage stroomstromen manifesteren zich meestal als snelle tegengesteld draaiende wervelingen in de buurt van obstakels, scherpe hoeken of microbellen. Deze wervelingen zijn nuttig voor het mengen van19,20 en het scheiden van deeltjes ter grootte van 10 μm van de stroomstroom21.
Voor frequenties in het bereik van 10-1000 Hz zijn zowel de snelheid van de oscillerende component als de bijbehorende gestage viskeuze streaming aanzienlijk in omvang en nuttig. Sterke oscillerende stromen in dit frequentiebereik kunnen worden gebruikt voor traagheidsfocus22, vergemakkelijken druppelgeneratie23 en kunnen stroomomstandigheden (Womersley-getallen) genereren die de bloedstroom nabootsen voor in vitro studies. Aan de andere kant zijn streamingstromen nuttig voor het mengen, deeltjesvangen en manipulatie. Oscillerende stroming in dit frequentiebereik kan ook worden bereikt met behulp van een piëzo-element dat aan het apparaat is gebonden zoals hierboven beschreven23. Een belangrijke hindernis voor het implementeren van oscillerende stromen door een gebonden piëzo-element is dat het vereist dat functies vooraf worden ontworpen. Bovendien zijn de verlijmde luidsprekerelementen niet afneembaar en moet aan elk apparaat een nieuw element worden bevestigd24. Dergelijke apparaten hebben echter het voordeel dat ze compact zijn. Een alternatieve methode is het gebruik van een elektromechanische relaisklep20. Deze kleppen vereisen pneumatische drukbronnen en aangepaste besturingssoftware voor de werking en verhogen daarom de technische barrière voor testen en implementatie. Niettemin maken dergelijke apparaten de toepassing van ingestelde drukamplitude en frequentie mogelijk.
In dit artikel wordt de constructie, werking en karakterisering van een gebruiksvriendelijke methode beschreven om oscillerende stromen te genereren in het frequentiebereik van 10-1000 Hz in microkanalen. De methode biedt tal van voordelen, zoals kosteneffectieve montage, bedieningsgemak en klaar om te communiceren met standaard microfluïdische kanalen en accessoires zoals spuitpompen en slangen. Bovendien biedt de methode, in vergelijking met eerdere vergelijkbare benaderingen25, de gebruiker selectieve en onafhankelijke controle van oscillatiefrequenties en amplitudes, inclusief de modulatie tussen sinusoïdale en niet-sinusoïdale golfvormen. Deze functies stellen gebruikers in staat om eenvoudig oscillerende stromen te implementeren en vergemakkelijken daarom een wijdverspreide toepassing in een breed scala van momenteel bestaande microfluïdische technologieën en toepassingen op het gebied van biologie en chemie.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Oscillatory Driver Assembly</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alligator-to-pin wire</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>3255</td>
			<td>Small alligator clip to male jumper wire (12)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aux cable</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>2698</td>
			<td>3.5 mm Male/Male stereo cable 1 m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Controller chip</td>
			<td>Damgoo</td>
			<td>TPA3116</td>
			<td>50w+50w 2 channel audio amplifier (bluetooth and AUX)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DC adapter</td>
			<td>Adafruit</td>
			<td>798</td>
			<td>12 V DC 1A regulated switching power adapter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro-pipette tip</td>
			<td>VWR Signature</td>
			<td>37001-532</td>
			<td>200 ul micropipette tip</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone sealant</td>
			<td>Loctite</td>
			<td>908570</td>
			<td>Clear silicone waterproof sealant (80 ml)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Speaker</td>
			<td>Drok</td>
			<td>6843996</td>
			<td>4.5 inch 4 Ohm 40 W speaker</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Speaker mount</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>3D printed from &#39;speakermount.stl&#39; in supplementary files</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Speaker-to-tube adapter</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>3D printed from &#39;speaketubeadapter.stl&#39; in supplementary files</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microchannel Manufacture</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biopsy punch</td>
			<td>Miltex</td>
			<td>15110</td>
			<td>Biopsy punch with plunger (1 - 4 mm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Degasser</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable cup</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable spoon</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Slides</td>
			<td>VWR Signature</td>
			<td>16004-430</td>
			<td>3&#34; x 1&#34; pre clean 1 mm thick</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mold</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Si - SU-8 or 3D printed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven</td>
			<td>Fischer Scientific</td>
			<td></td>
			<td>Isotemp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PDMS resin and cross-linker</td>
			<td>Dow Chemical</td>
			<td>4019862</td>
			<td>Sylgard 184 PDMS resin and crosslinker (500 g)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene tubing</td>
			<td>Becton Dickinson Intramedic</td>
			<td>427440</td>
			<td>Polyethylene tubing (PE 60 - PE 200)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Razor blades</td>
			<td>VWR</td>
			<td>55411-050</td>
			<td>Single edge industrial razor blades</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RF plasma generator</td>
			<td>Electro-Technic Products</td>
			<td>BD - 20</td>
			<td>High frequency generator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone Mold Release</td>
			<td>CRC</td>
			<td>03301</td>
			<td>Food Grade Silicon Mold release (16 oz)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Observation and Characterization</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera</td>
			<td>Edgertronic</td>
			<td></td>
			<td>SC2+</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lens</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td>Plan Fluor 10x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td>Ti Eclipse manual stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Needles</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td>305175</td>
			<td>&#160;PrecisionGlide 20G</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td>1180100555</td>
			<td>Monoject 1 ml</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>Harvard Apparatus</td>
			<td></td>
			<td>Dual syringe programmable syringe pump</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tracer Particles</td>
			<td>Spherotech</td>
			<td>PP-10-10</td>
			<td>Polystyrene tracer particles 1 um</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

assembly and characterization of an external driver for the generation of sub-kilohertz oscillatory flow in microchannels

Microfluïdische technologie is een standaardinstrument geworden in chemische en biologische laboratoria voor zowel analyse als synthese. De injectie van vloeibare monsters, zoals chemische reagentia en celculturen, wordt voornamelijk bereikt door gestage stromen die meestal worden aangedreven door spuitpompen, zwaartekracht of capillaire krachten. Het gebruik van complementaire oscillerende stromen wordt zelden overwogen in toepassingen, ondanks de vele voordelen zoals onlangs aangetoond in de literatuur. De aanzienlijke technische barrière voor de implementatie van oscillerende stromen in microkanalen is waarschijnlijk verantwoordelijk voor het ontbreken van de wijdverspreide toepassing ervan. Geavanceerde commerciële spuitpompen die oscillerende stroom kunnen produceren, zijn vaak duurder en werken alleen voor frequenties minder dan 1 Hz. Hier wordt de assemblage en werking van een goedkoop, plug-and-play luidsprekergebaseerd apparaat gedemonstreerd dat oscillerende stroom in microkanalen genereert. Hifi harmonische oscillerende stromen met frequenties variërend van 10-1000 Hz kunnen worden bereikt, samen met onafhankelijke amplituderegeling. Amplitudes variërend van 10-600 μm kunnen worden bereikt over het hele werkingsbereik, inclusief amplitudes > 1 mm bij de resonantiefrequentie, in een typisch microkanaal. Hoewel de oscillatiefrequentie wordt bepaald door de luidspreker, illustreren we dat de oscillatieamplitude gevoelig is voor vloeistofeigenschappen en kanaalgeometrie. In het bijzonder neemt de oscillatieamplitude af met toenemende kanaalcircuitlengte en vloeistofviscositeit, en daarentegen neemt de amplitude toe met toenemende dikte en lengte van de luidsprekerbuis. Bovendien vereist het apparaat geen voorafgaande functies die op het microkanaal moeten worden ontworpen en is het gemakkelijk afneembaar. Het kan gelijktijdig worden gebruikt met een constante stroom die wordt gecreëerd door een spuitpomp om pulsatiele stromen te genereren.

Om het vermogen en de prestaties van de bovenstaande opstelling te illustreren, worden representatieve resultaten van oscillerende stroming in een eenvoudig lineair microkanaal met een vierkante doorsnede gepresenteerd. De breedte en hoogte van het kanaal zijn 110 μm en de lengte is 5 cm. Eerst beschrijven we de beweging van bolvormige polystyreen tracerdeeltjes en hoe deze kunnen worden gebruikt om de getrouwheid van het oscillerende signaal te controleren, evenals het bereik van oscillatieamplitudes dat haalbaar is. V...

Watch this Scientific Journal Video about Assembly and Characterization of an External Driver for the Generation of Sub-Kilohertz Oscillatory Flow in Microchannels at JoVE.com

Assembly and Characterization of an External Driver for the Generation of Sub-Kilohertz Oscillatory Flow in Microchannels

Het protocol demonstreert een handige methode om harmonische oscillerende stroom van 10-1000 Hz in microkanalen te produceren. Dit wordt uitgevoerd door een computergestuurd luidsprekermembraan op een modulaire manier aan het microkanaal te koppelen.

Assemblage en karakterisering van een externe driver voor het genereren van sub-kilohertz oscillerende stroming in microkanalen

Microfluidic technology has become a standard tool in chemical and biological laboratories for both analysis and synthesis. The injection of liquid ...

Onze techniek brengt oscillerende stromen naar biologen en chemici met behulp van microfluïdica. Dit apparaat is snel te monteren, gemakkelijk te gebruiken en is een plug-and-play-methode voor het produceren van hifi-oscillerende stromen. De procedure wordt gedemonstreerd door Giridar Vishwanathan, een promovendus uit mijn laboratorium.Klem om te beginnen de alligatorclipuiteinden van een paar alligators vast om draden vast te pinnen aan de aansluitingen van een 15 watt luidspreker met een conus van acht centimeter. Plaats de chip van de aux-controller op een isolerende component. Steek de uiteinden van de pen in de schroefdozen van de aux-chip.Draai vast met een schroevendraaier om connectiviteit te garanderen. Sluit het ene uiteinde van een aux-kabel aan op de controllerchip en het andere uiteinde op een aux-poort op een computer. Sluit een 12 volt gelijkstroomadapter aan op de voeding.Schakel de controllerchip in door het coaxiale uiteinde van de DC-adapter aan te sluiten op het stopcontact. Navigeer met behulp van een internetbrowser naar een online tone generator-website. Typ de gewenste frequentie tussen 5 en 1200 Hertz in de online applicatie en scrol de volumebalk naar de gewenste hoeveelheid.Klik op het golftype generatorsymbool en selecteer de gewenste golfvorm zoals teken, vierkant, driehoek of zaagtand. De standaardinstelling is een tekengolfformulier. Druk op Afspelen om de luidspreker te activeren.Plak de luidspreker en de controllerchip op de 3D-geprinte luidsprekerheuvel voor positionering op het microscooppodium. Plaats de 3D-geprinte adapter concentrisch op de luidsprekerconus. Breng siliconenkit royaal aan langs de randen van de adapter en laat twee uur uitharden.Knip een micropipettepunt van 200 microliter ongeveer twee centimeter van het smalle uiteinde en gooi de bredere helft van de punt weg waar het smalle conische uiteinde zal dienen als een wigafdichting voor omkeerbare bevestiging. Sluit de polyethyleenbuis aan op de microkanaaluitgang door eerst door de micropipette-punt te rijgen en vervolgens door het coaxiale uiteinde van de adapter en ten slotte via de zijkant naar buiten. Wig het smalle uiteinde van de pipetpunt stevig in het coaxiale uiteinde van de adapter om een afneembare, strakke afdichting te creëren.Voeg tracerdeeltjes toe aan een injectieflacon met een gewicht van 22 gewichtsprocent glyceroloplossing om een neutraal drijvende suspensie te produceren met een volumefractie van 0,01% tot 0,1% polystyreen in vloeistof bij 20 graden Celsius. Meng krachtig door te schudden om een homogene suspensie te produceren. Laad een injectiespuit met één milliliter inlaat met één milliliter monster.Plaats de geladen spuit op een automatische spuitpomp en bevestig deze. Steek de naald van de spuit in de inlaatbuis van het apparaat om een waterdichte afdichting te creëren. Zorg ervoor dat de uitlaatbuis door de adapterassemblage en in een reservoir is geworteld.Schakel de spuitpomp in, selecteer met behulp van het aanraakscherm het type spuit als Becton-Dickinson 1 ml en selecteer vervolgens Infuseren. Selecteer vervolgens het vereiste debiet van het debiet. Start de constante stroom met behulp van de spuitpomp.Wacht totdat de uitlaatbuis is gevuld met vloeistof tot aan de luidspreker. Selecteer een vereiste frequentieamplitude en golfvorm in de toongeneratortoepassing en druk op Afspelen om oscillerende stroom in het microkanaal te genereren. Monteer het apparaat op de microscoop.Stel de optische configuratie in door een objectieflens te selecteren met een vergroting tussen 10X en 40X, en het brandpuntsvlak aan te passen en het podium te positioneren. Om metingen in een goed gedefinieerd brandpuntsvlak te verkrijgen, moet u ervoor zorgen dat de scherptediepte van de objectieflens met een factor vijf of meer kleiner is dan de kanaaldiepte. Om de oscillerende stroom te observeren, gebruikt u een hogesnelheidscamera met een framesnelheid van ten minste tweemaal de oscillatiefrequentie.Voor een bruikbare resolutie van de golfvorm meet u ten minste 10 punten per periode met een 10 keer grotere framesnelheid dan de oscillatiefrequentie. Als alternatief, om langdurige effecten van positieve stromen te observeren, voert u stroboscopische beeldvorming uit door de waarneming in te stellen op een perfecte deler van de oscillatiefrequentie. Gebruik voor zowel directe als stroboscopische beeldvorming een camera die is uitgerust met een globale sluiter om het jello-effect te voorkomen.Houd in beide gevallen de belichtingstijd aanzienlijk kleiner dan de oscillatietijd met een factor 10 of meer om strepen te voorkomen. Om de oscillatieamplitude te meten zonder een hogesnelheidscamera, neemt u op met een framesnelheid die dicht bij maar niet bij de stroboscopische framesnelheid wordt gehouden, wat resulteert in een sterk vertraagde oscillatie waaruit de amplitude nauwkeurig kan worden gemeten, observeren en opnemen van de amplitudemetingen. De rupsverplaatsing van tracerdeeltjes in het middenvlak van het kanaal toonde een harmonisch signaal voor de oscillatiefrequenties 100, 200, 400 en 800 Hertz.In een plot van oscillatieamplitude versus frequentie voor alle luidsprekervolume-instellingen, had de karakteristieke curve een resonantiepiek van ongeveer 180 Hertz waarboven de amplitude met toenemende frequentie afneemt. Het effect van verschillende parameters op de oscillerende amplitude over het bereik van operationele frequenties ten opzichte van het referentiegeval, toonde aan dat wanneer de viscositeit van de werkvloeistof wordt verhoogd, de amplitude met een factor van bijna twee afneemt. Wanneer de microfluïdische buisdiameter voor hetzelfde materiaal wordt vergroot, neemt de amplitude toe ten opzichte van het referentiegeval met een factor tussen 1,5 en 3, afhankelijk van de frequentie.Wanneer de buislengte voor hetzelfde materiaal wordt verhoogd, neemt de amplitude aanzienlijk toe in de buurt van de resonantiefrequentie. Deeltjesverplaatsingssporen voor niet-sinusoïdale golfvormen toonden aan dat zeer scherpe veranderingen in positie geassocieerd met vierkante en zaagtandgolfvormen niet mogelijk zijn in echte systemen. Niettemin waren de Fourierspectra in goede overeenstemming met de ideale spectra, althans tot aan de derde harmonische.Het is belangrijk om te bevestigen dat de uitlaatbuis volledig gevuld is met vloeistof. Dit zorgt ervoor dat de amplitude maximaal is en dat deze constant is met de tijd. Een camera met een globale sluiter moet ook worden gebruikt.We hebben deze techniek gebruikt om nauwkeurig te observeren en te meten hoe microndeeltjes zich gedragen nadat ze een zeer lange afstand in een microkanaal hebben afgelegd. Dit heeft ons in staat gesteld om nieuwe microfluïdische manipulatietechnieken te implementeren.

Research

JoVE Journal

Engineering

The Generation of Higher-order Laguerre-Gauss Optical Beams for High-precision Interferometry

De Generatie van het Hoger-orde Laguerre-Gauss Optische Balken voor hoge-precisie interferometrie

Thermal noise in high-reflectivity mirrors is a major impediment for several  types of high-precision interferometric experiments that aim to reach the  ...

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

Constructie en karakterisering van externe Cavity Diode Lasers voor Atomic Physics

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

Patroonvorming via Optical Verzadigbare Transitions - fabricage en karakterisering

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Electron Channeling Contrast Imaging voor Rapid III-V hetero karakterisatie

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Characterization of Full Set Material Constants and Their Temperature Dependence for Piezoelectric Materials Using Resonant Ultrasound Spectroscopy

Karakterisering van de volledige set Material constanten en hun Temperatuur Afhankelijkheid van piëzo-elektrische materialen met behulp van Resonant Ultrasound Spectroscopie

During the operation of high power electromechanical devices, a temperature rise is unavoidable due to mechanical and electrical losses, causing the ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

Karakterisering van Ultra-fijnkorrelige en nanokristallijne materialen met behulp van Transmission Kikuchi Diffraction

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

Een nieuwe methode voor<em&gt; In situ</em&gt; Elektromechanische Karakterisering van Nanoscale Exemplaren

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

Preparation of Liquid Crystal Networks for Macroscopic Oscillatory Motion Induced by Light

Voorbereiding van vloeibare kristallen netwerken macroscopische oscillerende beweging door licht geïnduceerde

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous ...

Generation of Size-controlled Poly (ethylene Glycol) Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Generation of Size-controlled Poly ethylene Glycol Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Generatie van grootte bestuurde Poly (ethyleen Glycol) Diacrylate druppels via Semi-3-dimensionale Flow gericht Microfluidic apparaten

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. ...

Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials

Bestuderen van grote Amplitude oscillerende Shear reactie van zachte materialen

We investigate the sequence of physical processes exhibited during large amplitude oscillatory shearing (LAOS) of polyethylene oxide (PEO) in dimethyl ...