Mikroakışkan Cihazlar Pasif pompalanması için Yüksek Hızlı Damlacık tabanlı Dağıtım Sistemi

Pasif pompalama, çıkışa yerleştirilmiş büyük bir damlacık ve girişe yerleştirilmiş küçük bir damlacık gerektirir. Bu durum, akışı yürütmek için gereken basınç farkını oluşturacaktır. Farklı sıvıların ardışık damlacıkları, kanalda paketlerin akmasına ve nihayetinde çıkışta toplanmasına neden olacaktır.

Girişte stabil bir akışkan kabuğu oluşturmaya yetecek kadar yüksek bir frekansta düşük hacimli damlacıklar ileterek yüksek akış hızlarına ulaşılabilir. Merhaba, ben Wisconsin Medicine Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Bölümü'ndeki Justin Williams laboratuvarından Pedro Reto. Ben de Williams laboratuvarından Brian Mogan.

Ben de UW Medicine biyomedikal mühendisliği bölümündeki Profesör S Lab'den Aaron Burier. Bugün size mikroakışkan cihazlarda pasif pompalama yapma prosedürünü göstereceğiz. Laboratuvarımızda bu prosedürü, mikro kanallar içindeki akışı ve biyolojik uygulamalar için kanal içindeki akışkan değişimini incelemek amacıyla kullanıyoruz.

Öyleyse başlayalım. İlk olarak, yumuşak litografi tekniğini kullanarak polimetil siloksan ile bir mikroakışkan cihaz oluşturun. Ardından, cihazı kesin ve sonra tersine çevirin.

PDMS cihazını, üzerine bastırarak ve içerideki tüm hava kabarcıklarını dışarı iterek bir lam üzerine sabitleyin. Geri dönüşümlü sabitleme, cihazın defalarca yeniden kullanılmasına olanak tanır. Şimdi cihazı sıvı ile doldurun.

Gıda boyalı su kullanıyoruz. Sıvı kanala kendiliğinden girmezse, giriş kısmına bir damla sıvı damlatın ve kanalın karşı ucunda bir pipet kullanarak sıvıyı kanal boyunca çekin. Cihazı sıvıyla doldurduktan sonra, giriş kısmına küçük bir damla ve çıkış kısmına daha büyük bir damla yerleştirin.

Girişteki küçük damlanın küçüldüğünü ve çıkıştaki damlanın büyüdüğünü gözlemleyerek sıvının hareket ettiğinden emin olun. Devam etmeden önce, pasif pompalamanın temel ilişkilerini açıklayalım. Pompalanan damlaların dinamiği; yüksekliği ve uzunluğuyla kanal boyutları ile girişe yerleştirilen damlanın boyutu gibi birkaç faktöre bağlıdır.

Bu faktörlerin akışı nasıl etkilediği konusunda size daha iyi bir fikir vermek için birkaç örnek sunacağız. Benzer iki kanal ile başlayalım. Genişlikleri ve yükseklikleri aynıdır, ancak biri diğerinden daha uzundur.

Şimdi her kanalın girişine aynı boyutta damlalar yerleştiriyoruz. Kısa kanalların girişindeki damlanın, uzun kanalların damlasına göre daha hızlı çöktüğünü gözlemleyin. Bunun nedeni, daha uzun bir kanalın daha yüksek akışkanlık direncine sahip olması ve içindeki akışın daha yavaş olmasıdır.

Şimdi, aynı uzunluk ve yüksekliğe sahip ancak farklı genişlikteki iki kanalı daha inceleyelim. Her kanalın girişine özdeş damlalar yerleştirelim ve bunların çöküşünü izleyelim. Daha ince kanalın, giriş damlasını çöktürmesinin nasıl daha uzun sürdüğünü görüyor musunuz?

Bunun nedeni, daha ince kanalın daha geniş kanala göre daha yüksek akışkan direncine sahip olmasıdır. Son olarak, iki özdeş kanal alalım ve her birinin girişine farklı boyutlarda damlalar yerleştirelim. Daha büyük giriş damlasının, daha küçük giriş damlasına göre çökmesinin daha uzun sürdüğüne dikkat edin.

Bunun nedeni, daha küçük bir damlanın daha büyük olanına göre daha az hacme ve daha yüksek iç basınca sahip olmasıdır. Küçük damlaların büyük olanlardan daha iyi olduğunu bildiğimiz ve bu küçük damlaların ne kadar hızlı sönebildiğini gözlemlediğimiz için, şimdi biyolojik deneyler yapabileceğimiz şekilde bir kanalın girişine hacimsel olarak hassas damlaların nasıl iletileceğini sorguluyoruz.

Lee Company'nin mikro dağıtım başlangıç kiti kullanılarak, her biri vol valf, 0,0100 inç orifis boyutuna sahip bir nozul ve bir yumuşak tüp adaptöründen oluşan bir veya daha fazla valf kurulur. Burada, önceki adımda yaptığımız gibi, tüp valf konnektörleri aracılığıyla kontrol kutusuna bağlanmış valf bulunmaktadır. Ayrıca, burada görülen bu hat olan bir spike voltaj kaynağımız mevcuttur.

Ardından kontrol voltaj kaynağımız ve onu takip eden tutma voltaj kaynağımız yer alır. Son olarak, giriş kısmını hedeflerken valfleri sabit tutmak için toprağa bağlantı yapılır. Bioscience Tools marka minyatür tutucular kullanın.

Bunlar, valfin belirli bir konuma hassas bir şekilde yönlendirilmesi ve sabitlenmesi için bir yol sağlar. Deney sırasında, üç adet çeyrek onsluk şırınga kullanarak PDMS cihazının birkaç fit yukarısına yerleştirilecek bir rezervuar sistemi oluşturun. Rezervuar, nozülleri sürmek için gereken basınç yüksekliğini sağlar.

Şırıngaya bir şırınga iğnesi takın. Şimdi şırınga iğnesini 1.14 milimetre iç çaplı boruya, ardından bunu da 1.58 milimetre iç çaplı boruya bağlayın. Sızdırmazlık malzemesi olarak PDMS kullanın.

Şimdi, 1.58 milimetre iç çaplı tüpü valfin yumuşak tüp adaptörüne bağlayın. Şırınga iğnesi ile valf arasında bir hat oluştuğuna göre, valfleri temizlemek ve tüplerin suyla dolmasını sağlamak için şırınga rezervuarlarını sıvıyla doldurun. Valfin yanına bir mıknatıs yerleştirin ve sıvının rezervuardan geçip valf üzerinden 0.01 inçlik nozuldan dışarı akmaya başladığını gözlemleyin.

Bu sistemi, LabVIEW ve Lee Company'nin spike and hold kontrol kutusunu kullanan bir bilgisayarla kontrol ediyoruz. Sistemi kalibre etmek için, bir valfi bir Petri kabına veya tartım için bir whey boat'a yönlendirin. Şimdi, valfi belirlediğiniz süre boyunca açık tutun ve nozuldan çıkan toplam su hacmini tartın.

Bu hacmi sistemin toplam açık kalma süresine bölün. Bu kalibrasyon, kullanıcının herhangi bir zaman dilimi için nozülden püsküren su hacmini belirlemesini sağlar. Sistemi kalibre ettikten sonra nozülü bir kanalın girişine yönlendirin ve önceki kalibrasyonla uyumlu şekilde, kanal girişine öyle bir hacimde damla püskürtün ki; bu damla ne kirliliğe yol açacak kadar büyük ne de fark edilmeyecek kadar küçük olsun.

Deneyler arasında kabarcıkları gidermeyi unutmayın. Pasif pompalamanın temel prensipleri anlaşıldığına ve sistem kalibrasyonu açıklandığına göre, her şey yolunda gittiğinde kullanıcının ne görmesi gerektiğine bakalım. Aşağıdaki video, düşük frekanslarda yüksek hacimlerden yüksek frekanslarda düşük hacimlere doğru ilerleyen bir mikroakışkan kanal akışını göstermektedir.

Bu, kullanıcıya otomatik bir akışkan iletim sistemiyle birlikte geçmiş pompalama yetenekleri hakkında bir anlayış kazandırmalıdır. İzleyen videolarda kullanılan cihaz boyutları 2,22 mm genişlik, 10 mm uzunluk ve 260 µm yüksekliktir. Giriş ve çıkış çapları sırasıyla 1,78 mm ve 5,11 mm'dir.

Yukarıda gösterildiği gibi alternatif akışlar oluşturmak için iki veya daha fazla valf gereklidir. Sırada, kullanılan mevcut cihazdan elde edilebilecek maksimum akış hızını gösteren bir video yer almaktadır. Bu durumda, akışkanın iletilmesi için tek bir valf kullanılmıştır.

Sistem dengesini korumak için, valfi doğrudan girişin üst kısmına yönlendirmek önemlidir. Girişte damlanın oluşturduğu kabuğa dikkat edin. Bu, suyun giriş kısmına, cihazın pasif olarak pompalayabileceği hızda iletilmesiyle sağlanan sabit basıncı temsil eder.

Ayrıca, giriş damlasının bir noktada nasıl taştığına dikkat edin. Bu durum, büyük olasılıkla çıkış damlasının rahatsız edilmesi nedeniyle meydana gelmektedir. Girişteki taşma giderildiğinde, sistem yeniden dengeye kavuşur ve akış devam eder.

Normal şartlarda, piyasada bulunan mikro nozullar kullanılarak pasif bir pompalama sisteminin nasıl kurulacağını, kalibre edileceğini ve çalıştırılacağını göstermiş olduk. Bu deneyleri gerçekleştirirken, kanalınıza hava kabarcığı girmesini önlemek için sabit bir basınç kaynağına sahip olmanın ve istenen akış ile değişimleri sağlamak adına kanal geometrisi ile damla boyutu arasındaki dengeyi bilmenin her zaman önemli olduğunu unutmayın. Örneğin, çıkış damlasının çok fazla büyümesine izin vermemek, aksi takdirde kirliliğe yol açabileceğini veya giriş kısmına ulaşabileceğini göz önünde bulundurun ve PDMS cihazlarınızı temiz ve kuru tutun.

İşte böyle. İzlediğiniz için teşekkür ederiz, deneylerinizde başarılar dileriz.