用于在微通道中产生亚千赫兹振荡流的外置驱动器的组装与表征

我们的技术将振荡流引入使用微流控技术的生物学家和化学家。该装置组装迅速、操作简便，是一种即插即用的高保真振荡流生成方法。本实验操作将由我实验室的博士生Giridar Vishwanathan进行演示。

首先，将一对鳄鱼夹转针导线的鳄鱼夹端夹在锥体直径为八厘米的15瓦扬声器的端子上。将音频控制器芯片放置在绝缘元件上。将导线的针状端插入音频芯片的螺丝插孔中。

使用螺丝刀拧紧以确保连接。将一根AUX线的一端连接到控制器芯片，另一端连接到计算机上的AUX接口。将一个12伏直流电源适配器连接到电源上。

通过将直流适配器的同轴端连接到电源插座，为控制器芯片供电。使用互联网浏览器，访问在线音调发生器网站。在在线应用程序中输入 5 至 1200 赫兹之间的所需频率，并将音量滑块调整至所需水平。

单击波形发生器符号，选择所需的波形，例如正弦波、方波、三角波或锯齿波。默认设置为正弦波形。按“播放”以启动扬声器。

将扬声器和控制器芯片用胶带固定在3D打印的扬声器基座上，以便在显微镜载物台上定位。将3D打印的适配器同心地放置在扬声器锥面上。在适配器边缘均匀涂抹足量的硅酮密封胶，并静置固化两小时。

将200微升微量移液器吸头从其狭窄端约两厘米处剪断，并丢弃较宽的一半，保留的狭窄锥形端将用作可逆连接的楔形密封。连接聚乙烯管至微通道出口时，先将管子穿过移液器吸头，再穿过接头的同轴端，最后从侧面穿出。将移液器吸头的狭窄端牢固地楔入接头的同轴端，以形成可拆卸的紧密密封。

将示踪粒子加入含有22%（重量/重量）甘油溶液的小瓶中，制备在20摄氏度下液相中聚苯乙烯体积分数为0.01%至0.1%的中性浮力悬浮液。通过剧烈振荡充分混合，形成均匀悬浮液。用1毫升进样注射器吸取1毫升样品。

将装好样品的注射器固定在自动注射泵上。将注射器针头插入装置的进样管路，确保形成密水密封。确保出口管路穿过适配器组件并插入储液罐中。

打开注射泵，使用触摸屏将注射器类型选择为 Becton-Dickinson 1 mL，然后选择“输注”。接着选择所需的流速或流体体积。使用注射泵启动稳定流动。

等待出口管充满液体直至扬声器处。在信号发生器应用中选择所需的频率振幅和波形，然后按播放以在微通道内产生振荡流。将装置安装到显微镜上。

通过选择放大倍数在10倍至40倍之间的物镜，并调节焦平面和载物台位置，设置光学系统。为了在明确定义的焦平面上获得测量结果，应确保物镜的景深比微流道深度小五倍或更多。为了观察振荡流动，需使用高速相机，其帧率至少为振荡频率的两倍。

为了有效分辨波形，每个周期内至少测量10个时间点，并将帧率设置为振荡频率的10倍以上。或者，若需观察正向流动的长期效应，可通过将观测频率设为振荡频率的任意整数分之一来进行频闪成像。无论是直接成像还是频闪成像，均应使用配备全局快门的相机，以避免果冻效应。

在任何一种情况下，均应使曝光时间显著小于振荡周期，至少小一个数量级（10倍或以上），以防止出现拖影。若无高速相机，可通过以接近但不等于频闪帧率的帧率进行录制，从而获得显著慢放的振荡图像，由此可准确测量、观察并记录振荡幅度。在通道中截面处追踪示踪粒子的位移显示，在振荡频率为100、200、400和800赫兹时，信号呈简谐振动。

在所有扬声器音量设置下，振幅随频率变化的曲线图中，特征曲线在约180赫兹处出现共振峰，超过该频率后振幅随频率升高而下降。在工作频率范围内，不同参数相对于参考情况对振荡振幅的影响显示，当工作液体的黏度增加时，振幅降低至接近原来的二分之一。当相同材料的微流控管路直径增大时，振幅相较于参考情况提高了1.5至3倍，具体倍数取决于频率。

当相同材料的管长增加时，在共振频率附近振幅显著增大。非正弦波形的粒子位移轨迹表明，与方波和锯齿波相关的急剧位置变化在实际系统中是不可能实现的。然而，至少在三次谐波范围内，其实测傅里叶谱与理想谱符合良好。

必须确认出口管路已完全充满液体。这可以确保振幅达到最大且随时间保持恒定。同时必须使用配备全局快门的相机。

我们已利用该技术精确观察和测量微米级颗粒在微通道内长距离运动后的行为，这使我们能够实现新的微流控操控技术。