Введение в активное смешивание в микрофлюидном чипе
В микромасштабе смешивание может быть достигнуто двумя способами: пассивным и активным.
- Перемешивание в пассивном микромиксере по своей природе является медленным, поскольку оно в основном происходит за счет диффузии и хаотической адвекции, вызванной кинетической энергией потока и геометрией микромиксера; змеевик, елочка, Т- и Y-образные смесители.
- В активном микромиксере для перемешивания используются возмущения, создаваемые внешним полем, и процесс перемешивания происходит быстро. Примерами являются магнитные, акустические, управляемые давлением и магнитогидродинамические микромиксеры.
В этой статье по применению основное внимание уделяется оценке активного перемешивания с использованием микромиксера с магнитной мешалкой путем разбавления флуоресцентного красителя в микрофлюидной установке Elveflow.
Рисунок 1: Два способа смешивания синего и желтого раствора (а) пассивный метод, (б) активный метод |
Активный микромиксер на чипе служит для:
|
Принцип активного микросмешивания
Используя мгновенное перемешивание магнитной мешалкой, можно производить заданные концентрации растворов и собирать их на выходе из микромиксера путем расчета и применения соответствующих скоростей потока на входе. Микрофлюидная установка состоит из регулятора давления, датчиков потока и микромиксера. Растворы в камере микромиксера непрерывно перемешиваются с помощью магнитной мешалки, вызывая мгновенное перемешивание жидкостей. Управляемый давлением поток в сочетании с датчиками потока позволяет точно контролировать скорость потока жидкостей, поступающих в микромиксер.
Микрофлюидная установка с активным микромиксером
Оборудование:
|
Химикаты:
|
Конструкция активного микромиксера
Микрофлюидный чип Fluidic 286: Micro Mixer - смеситель с магнитной мешалкой
Параметры | Значения |
Тип интерфейса |
Mini luer |
Объем камеры |
20 – 40 – 60- 80 – 100 – 150 мкл |
Толщина крышки |
175 мкм |
Материал |
ПММА |
Микрофлюидный чип Fluidic 268: чип с одним прямым каналом
Параметры | Значения |
Тип интерфейса |
Luer |
Ширина канала |
2.5 мм |
Глубина канала |
150 мкм |
Длина канала |
58.5 мм |
Толщина крышки |
175 мкм |
Материал |
ПММА |
Обработка поверхности |
Гидрофилизированный |
Краткое руководство по активному смешиванию в микрофлюидном чипе-смесителе
Подключение прибора
• Подключите контроллер OB1 к внешнему источнику давления с помощью пневматической трубки и к компьютеру с помощью кабеля USB.
• Подключите датчики скорости потока к OB1.
• Включите OB1, нажав выключатель питания.
• Запустите программу Elveflow.
• Добавьте OB1 в программное обеспечение: нажмите «Add instrument» \ выберите OB1 \ установите как MK3 +, установите каналы давления, если необходимо, дайте имя инструменту и нажмите «ОК», чтобы сохранить изменения. Ваш OB1 теперь должен быть в списке распознанных устройств.
• Калибровка OB1 требуется при первом использовании.
• Добавьте датчики скорости потока в программу: нажмите «Add sensor»\ выберите датчик \ аналоговый или цифровой (выберите рабочий диапазон скорости для датчика, если у вас аналоговый детектор), дайте имя датчику, выберите какое устройство подключите к датчику и нажмите ОК, чтобы сохранить изменения. Ваш датчик должен быть в списке распознанных устройств.
• Откройте окно OB1.
Приготовление раствора
• Заполните первый резервуар дистиллированной водой и подсоедините прилагаемую трубку с внешним диаметром 1/16 дюйма и гибкую трубку с внешним диаметром 4 мм к резервуару.
• Повторите шаг 1 с исходным раствором натриевой соли флуоресцеина (10 мкМ).
Подготовка микрофлюидных чипов с активным микромиксером
• Подключите микрофлюидные резервуары к соответствующему выходу регулятора давления OB1.
• Для измерения расхода подключите датчики расхода между резервуарами для жидкостей и чипом.
• Для точной настройки системы и достижения наилучших характеристик с точки зрения контроля скорости потока добавьте резистивную трубку (длина 15 см при внутреннем диаметре 100 мкм) для линий дистиллированной воды и основного раствора.
СОВЕТ: Сопротивление всегда следует размещать после MFS (между MFS и чипом), чтобы обеспечить стабильное измерение.
• Подключите резервуар для дистиллированной воды к «liquid inlet 1» и добавьте заглушку к «liquid inlet 2», а также к «liquid outlet» с помощью mini luer соединителей.
• Установите низкое давление (50 мбар) для заполнения микрофлюидного чипа водой и удаления пузырьков воздуха.
СОВЕТ: Чтобы удалить последний пузырь воздуха из микрофлюидного чипа:
- Вариант 1: наклоните микрофлюидный чип вертикально, пока воздушный пузырек не начнет двигаться в направлении выпускного канала, и приложите более высокое давление (от 100 до 200 мбар), чтобы вытеснить воздушный пузырек из системы.
- Вариант 2: (Применяется, когда воздушный пузырь трудно / сложно удалить): После заполнения микрофлюидного чипа подсоедините «air outlet» к трубке falcon, которая соединена с вакуумным каналом OB1. Одновременно установите давление от 100 до 200 мбар на «liquid inlet» и вакуум от -50 до -100 мбар на «air outlet».
Изображение установки, сочетающей Fluidic 286 и 268
Эксперименты с непрерывным разбавлением с использованием активных микромиксеров
• Подсоедините резервуар для исходного раствора к «впускному отверстию для «liquid inlet 2».
СОВЕТ: Чтобы избежать попадания пузырьков воздуха в камеру, установите низкое давление (50 мбар) до тех пор, пока раствор не начнет капать из трубки, а затем подсоедините трубку к соответствующему входу.
• Подключите «liquid outlet» к входу микрофлюидного чипа Fluid 268 для анализа полученной конечной концентрации (в данном примечании по применению, с использованием флуоресценции), или вы можете напрямую собрать раствор с заданной концентрацией в специальном резервуаре.
• Поместите пластину цифровой магнитной мешалки под микрофлюидный чип 286 (микромиксер) и установите перемешивание.
СОВЕТ: Скорость перемешивания будет зависеть от объема выбранной камеры и от скорости потока, используемой для экспериментов.
• Переключите вашу систему в «Flow sensor mode», чтобы активировать контур обратной связи.
СОВЕТ: Благодаря внутренним экспериментам советуем вам установить следующие значения параметров P и I:
- для дистилляционной воды: P = 0,045 и I = 0,08
- для основного раствора: P = 0,08 и I = 0,1
• Установите скорость потока дистиллированной воды и основного раствора в соответствии с желаемой конечной концентрацией и отрегулируйте скорость перемешивания, чтобы обеспечить надежное смешивание двух растворов.
СОВЕТ: заранее рассчитайте разные скорости потока для обоих растворов, чтобы обеспечить использование наилучшего диапазона вашего датчика потока с учетом объема используемой камеры.
Автоматизированные эксперименты по микроперемешиванию
Процесс разбавления можно автоматизировать, выполнив следующие шаги:
• Чтобы создать последовательность, нажмите верхнюю среднюю кнопку «Create Sequence» в главном окне программного обеспечения ESI: появится новое окно.
• Возврат к окну OB1: установите желаемые скорости потока на обоих соответствующих каналах, чтобы получить целевую концентрацию, и сохраните конфигурацию, нажав «Config».
• Шаг 2 можно повторить для всех необходимых конфигураций.
• Возврат к окну OB1: сохраните «0» конфигурацию давления или расхода для обоих ваших каналов и сохраните конфигурацию, нажав «Config».
• Вернитесь в окно последовательности: в левой части окна щелкните зеленое поле «OB1» (в средней части появится строка «OB1: Select instrument»), с правой стороны выберите инструмент (ваш OB1 регулятор давления должен появиться при нажатии на «Instrument») и «load the configuration», сохраненную ранее.
• В левой части окна последовательности щелкните поле «Wait» (символ часов) (появится новая строка с временными рамками): установите желаемую продолжительность.
• Повторите шаги 4 и 5 для всех желаемых концентраций.
• В левой части окна щелкните зеленое поле «OB1» (в средней части появится строка «OB1: Select instrument»), с правой стороны выберите инструмент (ваш контроллер давления OB1 должен появиться при нажатии на «Instrument») и «load the configuration» при нулевом давлении или расходе.
• В левой части окна последовательности щелкните синее поле «END» (появится новая строка «END»). Это означает, что ваша последовательность окончена.
Результаты активного перемешивания в микромиксере
В этом примечании по применению известная концентрация флуоресцеинового красителя (10 мкМ) была разбавлена водой с использованием микрофлюидного чипа для достижения заданной концентрации флуоресцеина за счет контролируемой скорости потока.
На следующем графике представлена зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации флуоресцеина для:
• Ref: значения, полученные при ручном разбавлении;
• Разбавление: значения, полученные путем разведения внутри микрофлюидного чипа;
• Автоматизация разбавления: значения получены путем автоматического разбавления внутри микрофлюидного чипа.