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

Мы хотели бы отметить поддержку, оказанную и предоставленные Департаментом механических наук и инженерной лабораторией быстрого прототипирования в Университете Иллинойса для обеспечения этой работы.

1. Быстрое проектирование и изготовление прототипа пресс-формы
<ol><li>Откройте AutoCAD на ПК. Выберите Файл на панели задач, затем выберите Открыть и найдите и нажмите на файл трехмерной (3D) модели формы канала, имеющий расширение .dxf или .dwg.</li>
	<li>Выделите всю модель, щелкнув ...

<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>

Мы продемонстрировали сборку (см. протокольные критические шаги 3 и 4) и работу (см. протокольные критические шаги 5 и 6) внешнего акустического аппарата для генерации колебательного потока с частотами в диапазоне от 10 до 1000 Гц в микрофлюидных устройствах. Отслеживание частиц взвешенных и...

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 полостью16,17. 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 смешивания19,20 и отделения частиц размером 10 мкм от потокапотока 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 релейногоклапана 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.

<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

Микрофлюидная технология стала стандартным инструментом в химических и биологических лабораториях как для анализа, так и для синтеза. Инъекция жидких образцов, таких как химические реагенты и клеточные культуры, преимущественно осуществляется через устойчивые потоки, которые обычно приводятся в движение шприцевыми насосами, гравитацией или капиллярными силами. Использование комплементарных колебательных потоков редко рассматривается в приложениях, несмотря на его многочисленные преимущества, недавно продемонстрированные в литературе. Значительный технический барьер для реализации колебательных потоков в микроканалах, вероятно, ответственен за отсутствие его широкого распространения. Усовершенствованные коммерческие шприцевые насосы, которые могут производить колебательный поток, часто стоят дороже и работают только на частотах менее 1 Гц. Здесь демонстрируется сборка и эксплуатация недорогого акустического аппарата типа plug-and-play, который генерирует колебательный поток в микроканалах. Высокая точность гармонических колебательных потоков с частотами в диапазоне от 10 до 1000 Гц может быть достигнута наряду с независимым управлением амплитудой. Амплитуды в пределах 10-600 мкм могут быть достигнуты во всем диапазоне операций, включая амплитуды > 1 мм на резонансной частоте, в типичном микроканале. Хотя частота колебаний определяется динамиком, мы показываем, что амплитуда колебаний чувствительна к свойствам жидкости и геометрии канала. В частности, амплитуда колебаний уменьшается с увеличением длины цепи канала и вязкости жидкости, и, напротив, амплитуда увеличивается с увеличением толщины и длины трубки динамика. Кроме того, устройство не требует предварительных функций для проектирования на микроканале и легко отсоединяется. Его можно использовать одновременно с устойчивым потоком, создаваемым шприцевым насосом, для создания пульсирующих потоков.

Для иллюстрации возможностей и производительности вышеуказанной установки представлены репрезентативные результаты колебательного потока в простом линейном микроканале с квадратным сечением. Ширина и высота канала составляют 110 мкм, а длина – 5 см. Во-первых, мы опишем движение сфер?...

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

Протокол демонстрирует удобный способ получения гармонического колебательного потока от 10-1000 Гц в микроканалах. Это выполняется путем модульного сопряжения управляемой компьютером диафрагмы динамика с микроканалом.

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

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

Наша методика доносит колебательные потоки до биологов и химиков с помощью микрофлюидики. Это устройство быстро собирается, простое в использовании и является методом plug and play для создания высокоточных колебательных потоков. Продемонстрировать процедуру будет Гиридар Вишванатан, аспирант из моей лаборатории.Для начала зажмите концы зажима аллигатора пары аллигаторов, чтобы прикрепить провода к клеммам 15-ваттного динамика с восьмисантиметровым конусом. Поместите микросхему контроллера aux на изоляционный компонент. Вставьте концы штифтов в винтовые гнезда aux чипа.Затяните с помощью отвертки, чтобы обеспечить подключение. Подключите один конец кабеля AUX к микросхеме контроллера, а другой конец к порту AUX на компьютере. Подключите к источнику питания адаптер постоянного тока напряжением 12 В.Включите микросхему контроллера, подключив коаксиальный конец адаптера постоянного тока к разъему питания. Используя интернет-браузер, перейдите на веб-сайт онлайн-генератора тонов. Введите желаемую частоту от 5 до 1200 Гц в онлайн-приложении и прокрутите полосу громкости до необходимого количества.Нажмите на символ генератора типов волн и выберите нужную форму волны, такую как знак, квадрат, треугольник или пилообразный зуб. По умолчанию используется форма знаковой волны. Нажмите кнопку Воспроизведения, чтобы привести в действие динамик.Прикрепите динамик и чип контроллера к 3D-печатному холмику динамиков для позиционирования на сцене микроскопа. Поместите 3D-печатный адаптер концентрически на конус динамика. Обильно нанесите силиконовый герметик по краям адаптера и дайте отверждаться в течение двух часов.Отрежьте наконечник микропипетки объемом 200 микролитров примерно в двух сантиметрах от его узкого конца и утилизируйте более широкую половину наконечника, где узкий конический конец будет служить клиновым уплотнением для реверсивного крепления. Подключите полиэтиленовую трубку к микроканальному выходу, сначала продекав через наконечник микропипетки, а затем через коаксиальный конец адаптеров и, наконец, выйдя через бок. Прочно вклиньте узкий конец наконечника пипетки в коаксиальный конец адаптеров, чтобы создать съемное плотное уплотнение.Добавьте индикаторные частицы во флакон весом 22% по массе раствора глицерина для получения нейтрально плавучей суспензии с объемной долей от 0,01% до 0,1% полистирола в жидкости при температуре 20 градусов Цельсия. Энергично перемешайте, встряхнув, чтобы получить однородную суспензию. Загрузите впускной шприц на один миллилитр с одним миллилитром образца.Насыпьте и прикрепите нагруженный шприц к автоматическому шприцевому насосу. Вставьте иглу шприца во впускную трубку устройства, чтобы создать водонепроницаемое уплотнение. Убедитесь, что выпускная трубка укоренена через узел адаптера и в резервуар.Включите шприцевой насос, с помощью сенсорного экрана выберите тип шприца Becton-Dickinson 1 мл, затем выберите Infuse. Затем выберите требуемый расход объема потока. Инициируйте постоянный поток с помощью шприцевого насоса.Подождите, пока выпускная трубка не наполнится жидкостью до динамика. Выберите требуемую амплитуду частоты и форму волны в приложении тон-генератора и нажмите кнопку Воспроизведения, чтобы создать колебательный поток внутри микроканала. Установите устройство на микроскоп.Настройте оптическую конфигурацию, выбрав объектив с увеличением от 10X до 40X, а также отрегулировав фокальную плоскость и позиционируя сцену. Для получения измерений в четко определенной фокальной плоскости убедитесь, что глубина резкости объектива меньше глубины канала в пять и более раз. Для наблюдения за колебательным потоком используйте высокоскоростную камеру с частотой кадров не менее чем в два раза превышающей частоту колебаний.Для полезного разрешения волновой формы измерьте не менее 10 точек за период времени с частотой кадров в 10 раз большей, чем частота колебаний. В качестве альтернативы, чтобы наблюдать долгосрочные эффекты положительных потоков, выполняют стробоскопическую визуализацию, устанавливая наблюдение на любой идеальный делитель частоты колебаний. Как для прямого, так и для стробоскопического изображения используйте камеру, оснащенную глобальным затвором, чтобы избежать эффекта желе.В любом случае, держите время экспозиции значительно меньше, чем период времени колебаний, в 10 или более раз, чтобы предотвратить растяжение. Чтобы измерить амплитуду колебаний без высокоскоростной камеры, записывайте с частотой кадров, близкой к стробоскопической частоте кадров, но не к ней, что приводит к сильно замедленному колебанию, из которого амплитуда может быть точно измерена, наблюдать и записывать измерения амплитуды. Отслеживаемое смещение индикаторных частиц в средней плоскости канала показывало гармонический сигнал для частот колебаний 100, 200, 400 и 800 Гц.На графике амплитуды колебаний по отношению к частоте для всех настроек громкости динамиков характеристическая кривая имела резонансный пик на уровне около 180 Гц, за которым амплитуда уменьшается с увеличением частоты. Влияние различных параметров на амплитуду колебаний в диапазоне рабочих частот по отношению к опорному случаю показало, что при увеличении вязкости рабочей жидкости амплитуда уменьшается почти в два раза. Когда диаметр микрофлюидных труб для того же материала увеличивается, амплитуда увеличивается по сравнению с эталонным случаем в 1,5-3 раза в зависимости от частоты.Когда длина трубки для того же материала увеличивается, амплитуда значительно увеличивается вблизи резонансной частоты. Треки смещения частиц для несинусоидальных волновых форм показали, что очень резкие изменения положения, связанные с квадратными и пилообразными волновыми формами, невозможны в реальных системах. Тем не менее, спектры Фурье были в хорошем согласии с идеальными спектрами, по крайней мере, до третьей гармоники.Важно подтвердить, что выходная трубка полностью заполнена жидкостью. Это гарантирует, что амплитуда максимальна и что она постоянна со временем. Также необходимо использовать камеру с глобальным затвором.Мы использовали эту технику для точного наблюдения и измерения того, как частицы микронного размера ведут себя после того, как они путешествуют на очень большое расстояние внутри микроканала. Это позволило нам внедрить новые методы микрофлюидных манипуляций.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Генерации высших порядков Лагерра-Гаусса оптических пучков для высокоточной интерферометрии

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

Строительство и характеристика внешнего резонатора диодных лазеров для атомной физики

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

Создание массивов с помощью оптических насыщающихся переходов - Изготовление и характеристика

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

Электрон Ченнелинг Контрастность изображений для быстрого III-V гетероэпитаксиального Характеристика

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

Характеристика полный набор материальных констант и их зависимости от температуры для пьезоэлектрических материалов с помощью резонансной ультразвуковой спектроскопии

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

Характеристика Ультра мелкозернистый и нанокристаллических материалов с помощью просвечивающей Кикучи дифракции

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

Новый метод для<em&gt; Разное</em&gt; Электромеханическая характеристика наноразмерных образцов

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

Подготовка жидких кристаллов сетей для макроскопических колебательного движения, вызванные света

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

Поколение под контролем размер поли (этиленгликоля) Diacrylate каплями через Semi-3-мерной потока упором Microfluidic приборы

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

Изучая большой амплитуды колебательной сдвиг ответ из мягких материалов

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