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

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.

1. Schnelles Prototypen-Formendesign und -herstellung
<ol><li>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.</li>
	<li>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...

<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>

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...

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.

<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

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.

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...

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

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.

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

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

Unsere Technik bringt Biologen und Chemikern mit Hilfe der Mikrofluidik oszillierende Strömungen. Dieses Gerät ist schnell zu montieren, einfach zu bedienen und ist eine Plug-and-Play-Methode zur Erzeugung von High-Fidelity-Oszillatorenflüssen. Das Verfahren wird Giridar Vishwanathan, ein Doktorand aus meinem Labor, demonstrieren.Klemmen Sie zunächst die Krokodilklemmenden eines Krokodilpaares, um Drähte mit einem acht Zentimeter großen Kegel an die Anschlüsse eines 15-Watt-Lautsprechers zu heften. Platzieren Sie den AUX-Controller-Chip auf einer isolierenden Komponente. Stecken Sie die Stiftenden in die Schraubbuchsen des Aux-Chips.Ziehen Sie mit einem Schraubendreher an, um die Konnektivität zu gewährleisten. Schließen Sie ein Ende eines AUX-Kabels an den Controller-Chip und das andere Ende an einen Aux-Port an einem Computer an. Schließen Sie einen 12-Volt-Gleichstromadapter an das Netzteil an.Schalten Sie den Controller-Chip ein, indem Sie das koaxiale Ende des DC-Adapters an die Steckdose anschließen. Navigieren Sie mit einem Internetbrowser zu einer Online-Tongenerator-Website. Geben Sie in der Online-Anwendung die gewünschte Frequenz zwischen 5 und 1200 Hertz ein und scrollen Sie die Lautstärkeleiste auf die gewünschte Menge.Klicken Sie auf das Wellentypgenerator-Symbol und wählen Sie die gewünschte Wellenform wie Zeichen, Quadrat, Dreieck oder Sägezahn aus. Die Standardeinstellung ist eine Vorzeichenwellenform. Drücken Sie Play, um den Lautsprecher zu betätigen.Kleben Sie den Lautsprecher und den Controller-Chip auf den 3D-gedruckten Lautsprecherhügel zur Positionierung auf der Mikroskopbühne. Platzieren Sie den 3D-gedruckten Adapter konzentrisch auf der Lautsprechermembran. Silikondichtmittel großzügig entlang der Ränder des Adapters auftragen und zwei Stunden aushärten lassen.Schneiden Sie eine 200-Mikroliter-Mikropipettenspitze etwa zwei Zentimeter von ihrem schmalen Ende ab und entsorgen Sie die breitere Hälfte der Spitze, wo das schmale konische Ende als Keildichtung für die reversible Befestigung dient. Verbinden Sie den Polyethylenschlauch mit dem Mikrokanalausgang, indem Sie zuerst durch die Mikropipettenspitze und dann durch das koaxiale Ende des Adapters und schließlich durch die Seite hinaus. Keilen Sie das schmale Ende der Pipettenspitze fest in das koaxiale Ende des Adapters, um eine abnehmbare dichte Abdichtung zu schaffen.Fügen Sie Tracerpartikel in eine Durchstechflasche mit 22% Gewichtsgewicht Glycerinlösung hinzu, um eine neutral schwimmende Suspension mit einem Volumenanteil von 0,01% bis 0,1% Polystyrol in Flüssigkeit bei 20 Grad Celsius zu erzeugen. Kräftig durch Schütteln mischen, um eine homogene Suspension zu erhalten. Laden Sie eine Einlassspritze mit einem Milliliter Probe auf.Legen Sie die geladene Spritze auf und befestigen Sie sie auf einer automatischen Spritzenpumpe. Führen Sie die Spritzennadel in den Einlassschlauch des Geräts ein, um eine wasserdichte Abdichtung zu erzeugen. Stellen Sie sicher, dass das Auslassrohr durch die Adapterbaugruppe und in einem Behälter verwurzelt ist.Schalten Sie die Spritzenpumpe ein, wählen Sie über den Touchscreen den Spritzentyp als Becton-Dickinson 1 ml und dann Infuse aus. Wählen Sie dann die gewünschte Durchflussmenge des Durchflussvolumens aus. Initiieren Sie den gleichmäßigen Durchfluss mit der Spritzenpumpe.Warten Sie, bis der Auslassschlauch bis zum Lautsprecher mit Flüssigkeit gefüllt ist. Wählen Sie eine erforderliche Frequenzamplitude und Wellenform in der Tongeneratoranwendung aus und drücken Sie die Wiedergabetaste, um einen oszillierenden Fluss innerhalb des Mikrokanals zu erzeugen. Montieren Sie das Gerät auf dem Mikroskop.Richten Sie die optische Konfiguration ein, indem Sie ein Objektiv mit einer Vergrößerung zwischen 10X und 40X auswählen, die Brennebene einstellen und die Bühne positionieren. Um Messungen in einer genau definierten Brennebene zu erhalten, stellen Sie sicher, dass die Schärfentiefe der Objektivlinse um den Faktor fünf oder mehr kleiner ist als die Kanaltiefe. Um den oszillierenden Fluss zu beobachten, verwenden Sie eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Bildrate von mindestens der doppelten Schwingungsfrequenz.Für eine sinnvolle Auflösung der Wellenform messen Sie mindestens 10 Punkte pro Zeitraum mit einer 10-mal höheren Bildrate als die Schwingungsfrequenz. Alternativ können Sie zur Beobachtung langfristiger Auswirkungen positiver Flüsse eine stroboskopische Bildgebung durchführen, indem Sie die Beobachtung auf einen beliebigen perfekten Teiler der Schwingungsfrequenz einstellen. Verwenden Sie sowohl für die direkte als auch für die stroboskopische Bildgebung eine Kamera, die mit einem Global Shutter ausgestattet ist, um den Jello-Effekt zu vermeiden.Halten Sie in beiden Fällen die Belichtungszeit um den Faktor 10 oder mehr erheblich kleiner als die Oszillationszeitspanne, um Streifenbildung zu vermeiden. Um die Schwingungsamplitude ohne Hochgeschwindigkeitskamera zu messen, zeichnen Sie mit einer Bildrate auf, die nahe an der stroboskopischen Bildrate gehalten wird, aber nicht daran, was zu einer stark verlangsamten Schwingung führt, von der aus die Amplitude genau gemessen, beobachtet und die Amplitudenmessungen aufgezeichnet werden kann. Die nachverfolgte Verschiebung von Tracerpartikeln an der Kanalmittelebene zeigte ein harmonisches Signal für die Schwingungsfrequenzen 100, 200, 400 und 800 Hertz.In einem Diagramm von Schwingungsamplitude versus Frequenz für alle Lautstärkeeinstellungen des Lautsprechers hatte die Kennlinie einen Resonanzgipfel bei etwa 180 Hertz, jenseits dessen die Amplitude mit zunehmender Frequenz abnimmt. Die Wirkung verschiedener Parameter auf die oszillierende Amplitude über den Bereich der Betriebsfrequenzen in Bezug auf den Referenzfall zeigte, dass bei erhöhter Viskosität der Arbeitsflüssigkeit die Amplitude um den Faktor von fast zwei abnimmt. Wenn der mikrofluidische Rohrdurchmesser für das gleiche Material erhöht wird, erhöht sich die Amplitude im Vergleich zum Referenzfall um einen Faktor zwischen 1,5 und 3, abhängig von der Frequenz.Wenn die Röhrenlänge für das gleiche Material erhöht wird, nimmt die Amplitude in der Nähe der Resonanzfrequenz signifikant zu. Partikelverschiebungsspuren für nicht-sinusförmige Wellenformen zeigten, dass sehr scharfe Positionsänderungen, die mit quadratischen und Sägezahnwellenformen verbunden sind, in realen Systemen nicht möglich sind. Nichtsdestotrotz stimmten die Fourier-Spektren mit den idealen Spektren überein, zumindest bis zur dritten Harmonischen.Es ist wichtig zu bestätigen, dass das Auslassrohr vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Amplitude maximal und mit der Zeit konstant ist. Es muss auch eine Kamera mit Global Shutter verwendet werden.Wir haben diese Technik verwendet, um genau zu beobachten und zu messen, wie sich mikrometergroße Partikel verhalten, nachdem sie eine sehr lange Strecke innerhalb eines Mikrokanals zurückgelegt haben. Dies hat es uns ermöglicht, neue mikrofluidische Manipulationstechniken zu implementieren.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Die Generation von höherer Ordnung Laguerre-Gauss optischen Strahlen für Präzisions-Interferometrie

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

Forschung

Ingenieurwesen

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

Konstruktion und Charakterisierung von External Cavity Diode Laser für die Atomphysik

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

Strukturierung via Optical Saturable Transitions - Herstellung und Charakterisierung

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 Rapid III-V heteroepitaktischen Charakterisierung

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

Charakterisierung von Full Set Materialkonstanten und deren Temperaturabhängigkeit für piezoelektrische Materialien mit Resonanzultraschallspektroskopie

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

Charakterisierung von ultrafeinkörnig und Nanokristalline Materialien mit Übertragung 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

Eine neuartige Methode für<em&gt; In Situ</em&gt; Elektromechanische Charakterisierung von nanoskaligen Proben

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

Vorbereitung der Flüssigkristall-Netzwerke für makroskopische oszillierende Bewegung, die durch Licht induzierten

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

Größe-gesteuerte Poly (Ethylenglycol) Diacrylate Tröpfchen über Semi-3-dimensionale fließen mit Schwerpunkt mikrofluidischen Geräte-Generation

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

Studium der großen Amplitudengang oszillatorische Scherung aus weichen Materialien

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