Научное приборостроение, 2023, том 33, № 3
научный журнал
Бесплатно
Основная коллекция
Тематика:
Приборостроение. Биомедицинская техника
Издательство:
Институт аналитического приборостроения РАН
Наименование: Научное приборостроение
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 124
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ISSN 0868-5886
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 3, c. 3-26
--- РАЗРАБОТКА ПРИБОРОВ И СИСТЕМ =
УДК 544.773.3+66.063.6+542.07
© М. А. Полдушов, 2023
РАЗРАБОТКА DIY-УСТАНОВКИ ДЛЯ КАПЕЛЬНОЙ МИКРОФЛЮИДИКИ
Создание микрофлюидных установок для большинства исследовательских лабораторий представляет сложную задачу в первую очередь по причине высокой стоимости входящих в их состав компонентов. В связи с этим проводятся многочисленные исследования по поиску новых и модернизации уже имеющихся способов изготовления подобных устройств, направленные на упрощение и удешевление технологии их производства. В работе обсуждается возможность разработки DIY- (Do-It-Yourself, дословный перевод — сделай сам) установки для капельной микрофлюидики, которая включает систему подачи жидкостей, состоящую из нескольких шприцевых насосов, и микрофлюидные чипы с различной геометрией. Для изготовления как шприцевых насосов, так и микрофлюидных чипов использовались широкодоступные готовые компоненты. Некоторые механические части насосов изготавливались самостоятельно с использованием метода 3D-печати. Управление микрофлюидной установкой осуществлялось при помощи платформы Arduino UNO. На ряде примеров формирования эмульсий с различными типами морфологии было показано, что разработанная установка не уступает системам, которые были ранее представлены другими авторами.
Кл. сл.: микрофлюидная установка, капельная микрофлюидика, микроконтроллерные платформы, Arduino
ВВЕДЕНИЕ
Последние несколько десятилетий стали поистине революционными для развития микрофлю-идных технологий. За это время микрофлюидика сформировалась в отдельную междисциплинарную область науки, а ее методы стали практически незаменимыми в целом ряде производственных и исследовательских направлений [1, 2]. Микро-флюидика как отдельная научная дисциплина занимается изучением поведения и управлением потоками жидкостей на микронном и нанометровом масштабах [2, 3]. Реализация потоков жидкостей осуществляется с использованием специальных устройств, называемых микрофлюидными устройствами, или микрофлюидными чипами (МФЧ). Микрофлюидные чипы обычно определяют как устройства, позволяющие манипулировать малыми (вплоть до пиколитров) объемами жидкостей (газов) благодаря использованию систем микроканалов, сформированных в подложках различной природы [2]. Помимо МФЧ, микрофлюидные установки (МФУ) обязательно включают в себя системы подачи и контроля потока жидкостей (или газов), которые в большинстве случаев используют шприцевые, перистальтические либо нагнетательные насосы [4, 5], однако могут быть реализованы многими другими способами [4].
Одним из интенсивно развивающихся направлений микрофлюидных технологий является разработка КМФС — микрофлюидных систем на ос
нове капель (droplet-based microfluidic devices), которые позволяют формировать и управлять микрокаплями жидкостей, находящихся в непрерывной фазе другой несмешивающейся жидкости [6, 7]. Возможность генерации монодисперсных эмульсий и дальнейшего точного манипулирования отдельными малыми объемами жидкостей в пределах микрофлюидного чипа делает КМФС чрезвычайно востребованными во многих областях. В рамках биологических исследований методы капельной микрофлюидики используются для инкапсуляции внутри капель эмульсии отдельных клеток [6-8], молекул ДНК или РНК [6], а также многоклеточных организмов [9]. Отдельные капли могут применяться в качестве микрореакторов (т.н. "капельные микрореакторы"), в объеме которых может осуществляться синтез микро- и наночастиц различной природы [2, 6, 10, 11].
Несмотря на неоспоримые преимущества применения микрофлюидных технологий для решения многих задач, основным фактором, ограничивающим их внедрение различными лабораториями, остается их высокая стоимость. По этой причине продолжается интенсивный поиск новых и совершенствование уже имеющихся методов производства различных составных частей микро-флюидных платформ. В первую очередь это касается технологий изготовления МФЧ. Изначально применяемое для этих целей кварцевое и силикатное стекло заменяется, где это возможно, более доступными и легкими в обработке полимерными
3
М. А. ПОЛДУШОВ материалами, такими как поликарбонат (ПК), полиметилметакрилат (ПММА), полидиметилси-локсан (ПДМС), и другими [12]. В зависимости от материала подложки микрофлюидного чипа применяются различные способы прототипирования микрофлюидных чипов. Широкое распространение получил метод мягкой литографии [2, 6, 12], который, однако, представляет собой многостадийный и весьма трудоемкий процесс, требующий наличия масок-фотошаблонов, изготовление которых вносит значительный вклад в стоимость готового изделия [13]. Развиваются альтернативные способы прототипирования чипов, включая технологии безмасочной литографии, методы инжекционного формования, прессования (тиснения) для разработки МФУ из термопластов, лазерной абляции и другие. Во всех перечисленных выше способах изготовления чипов требуется наличие специализированного весьма дорогостоящего оборудования. Не меньших финансовых затрат требует реализация систем управления потоками жидких компонентов, которые, помимо аппаратной части, включают программное обеспечение, регулирующее работу данных систем. Стоимость коммерческих готовых решений в данном случае может составлять многие десятки тысяч долларов [5, 14]. Одним из возможных решений для исследовательских коллективов может стать использование open-source продуктов как в области программного, так и аппаратного обеспечения. Во многом именно многочисленные open-source инициативы дали импульс к появлению ставшего весьма значимым явления современной науки — Do-It-Yourself (DIY, дословный перевод — сделай сам), проектов, на базе которых становится возможным создавать целые исследовательские лаборатории [15, 16]. Среди технологий, позволяющих создавать многие, в том числе весьма сложные исследовательские инструменты в рамках DIY-проектов, можно выделить технологии 3D-печати, а также появление очень доступных микроконтроллерных платформ для прототипирования электронных устройств, использующих открытый исходный код (open-source electronics platforms), таких как Ardui-no, Raspberry Pi, и их аналогов [14, 17]. Различные open-source инструменты в полной мере применяются и для разработки компонентов микрофлюид-ных установок. Отметим лишь некоторые решения, предлагаемые в данной области. На базе микроконтроллерных платформ Arduino и Raspberry Pi были реализованы системы подачи жидких компонентов, разработка которых осуществлялась с использованием DIY шприцевых [14, 17-21], перистальтических [22, 23] и нагнетательных [24] насосов. В большинстве подобных изделий механические детали реализуемых установок производились методом 3D-печати [14, 17-19, 21-23], иногда предлагалось использовать части готовых устройств [20]. Интенсивно развиваются DIY-технологии в области прототипирования микро-флюидных чипов. Во-первых, продолжаются исследования "традиционных" литографических способов прототипирования: разработка фотолитографических установок с использованием УФ-светодиодов [25, 26], использование DLP- (Digital Light Processing) проекторов для безмасочной литографии [27] и др. Во-вторых, весьма перспективными представляются изыскания в области создания чипов на бумажной основе [28, 29], которые позволяют производить очень бюджетные продукты [30]. В-третьих, при производстве чипов интенсивно внедряются технологии 3D-печати [31]. В рамках капельной микрофлюидики для прототипирования МФЧ было предложено [32, 33] использовать готовые широкодоступные компоненты, такие как медицинские иглы, пластиковые фитинги, трубки и др., иногда совместно с деталями, изготовленными методом 3D-печати, что позволяет значительно удешевить и упростить сборку данных устройств. Многочисленные opensource решения не только помогают при создании различных DIY-компонентов микрофлюидных установок, но и позволяют на их основе построить полный цикл научных исследований, начиная от проектирования и управления МФУ и заканчивая анализом полученных данных. На основании проведенного литературного анализа можно утверждать, что в научном сообществе существует большой интерес к созданию самодельных устройств для применения в качестве частей микрофлюидных систем. Целью настоящей работы в этой связи являлась разработка и оценка технических возможностей доступной по цене и простой в компоновке DIY-микро-флюидной установки, предназначенной для генерации капель одинарных и двойных эмульсий. УСТРОЙСТВО МИКРОФЛЮИДНОЙ УСТАНОВКИ Общая характеристика Разработанная МФУ состоит из двух частей: системы подачи жидких компонентов и микро-флюидных чипов с различной геометрией, в которых происходит непосредственное образование капель эмульсий. Все компоненты микрофлюид-ных установок были собраны самостоятельно. При сборке использовались либо готовые детали, находящиеся в широком доступе, либо детали, произведенные с использованием метода 3D-печати. Устройство микрофлюидных установок различалось в зависимости от типа (одинарная или двойная) генерируемых эмульсий. Во-первых, приме НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 3
РАЗРАБОТКА DIY-УСТАНОВКИ 5 нялись микрофлюидные чипы с различной конструкцией, которая будет подробно описана в соответствующем разделе. Во-вторых, различалась реализация системы подачи жидких компонентов. Для генерации одинарных эмульсий использовалась система, состоящая из двух, а для генерации двойных эмульсий — система из трех шприцевых насосов. Устройство и способ изготовления как шприцевых насосов, так и микрофлюидных чипов будут подробно описаны ниже. Система подачи жидких компонентов Как уже было отмечено, подача жидких компонентов осуществлялась с использованием системы шприцевых насосов. Общая схема разработанных насосов представлена на рис. 1. Механическая часть насоса состоит из трех основных элементов: левая 1 и правая 2 неподвижные опоры и подвижная часть — каретка 3. Данные детали, а также основа 19 и пластины для крепления шприца 12, 14 изготовлялись методом 3Э-печати на принтере Ender-3 Pro из полилактида. Трехмерные модели для печати были спроектированы при помощи открытого программного продукта FreeCAD [34] версии 0.19. К левой опоре 1 крепится шаговый двигатель 17 на четыре болта М3*16 4. Шаговый двигатель через муфту 5 соединяется со шпилькой М5*200 6, которая с противоположной стороны удерживается в правой опоре при помощи шарикового подшипника и шайбы 7. Вращение шагового двигателя передается шпильке и преобразуется посредством гайки 8 в поступательное движение каретки. Гайка 8 плотно фиксируется в углублении каретки, как показано в увеличенном масштабе на вставке II рис. 1. Каретка плавно перемещается по цилиндрическим направляющим 9 на линейных подшипниках 10, располагающихся в специальных выемках. Рис. 1. Общая схема шприцевого насоса. 1 — левая опора; 2 — правая опора; 3 — каретка; 4 — болты М3 *16 и шайбы; 5 — муфта; 6 — шпилька М5*200; 7 — подшипник шариковый и шайба; 8 — гайка М5; 9 — цилиндрические направляющие; 10 — подшипник линейный; 11 — шприц; 12, 14 — пластины для крепления шприца; 13, 15, 20 — болты М3*16, гайки и шайбы; 16 — гайки М3 и шайбы; 17 — шаговый двигатель; 18 — концевой выключатель; 19 — основа. Вставки: I — крепление концевого выключателя к каретке, II — фиксация гайки 8 в каретке НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 3
М. А. ПОЛДУШОВ Резьба, нарезанная на обоих концах направляющих, позволяет закрепить их в левой и правой опорах при помощи гаек 16. Для придания большей жесткости конструкции левая и правая опоры крепятся к основе 19 болтами 20. Ход каретки ограничивает концевой выключатель 18, установленный на ее нижней части, как изображено на вставке I. Жидкие компоненты подаются в мик-рофлюидный чип из стандартных одноразовых шприцев 11. Плунжер одноразового шприца крепится к каретке пластиной 12, которая прижимается болтами 13, а цилиндр шприца пластиной 14 и болтами 15 к правой опоре. Используемое крепление позволяет надежно зафиксировать шприцы различных объемов (в работе использовались шприцы объемом 1 и 5 мл). Похожий тип конструкции реализуется в ряде ранее представленных open-source проектах шприцевых насосов [14, 17, 21]. Полный список деталей, использованных для сборки механических частей насосов, приведен в Приложении, табл. П. Список составлен для системы, состоящей из трех шприцевых насосов. Система управления шаговыми двигателями Объемный расход жидких компонентов регулируется за счет изменения скорости перемещения каретки 3, которая в свою очередь задается вращением шагового двигателя 17. В работе использовались шаговые двигатели типа Nema, управление которыми осуществлялось посредством микроконтроллерной платформы Arduino Uno R3, скомпонованной с платой расширения CNC Shield версии 3.0. Используемые в работе шаговые двигатели совершают один полный оборот за 200 шагов, что соответствует угловому разрешению в 1.8°. Управляющие импульсы подавались на шаговые двигатели при помощи драйверов модели DRV8825, которые позволяют работать в режиме микрошага. Было выбрано дробление шага, равное 1/32, для установления которого на плате CNC Shield фиксировались необходимые перемычки. Программирование платы Arduino осуществлялось через свободно распространяемый программный продукт Arduino IDE, доступ к которому открыт на официальном сайте производителя [35]. Одновременное управление тремя шаговыми двигателями было реализовано при помощи библиотеки AccelStepper [36]. Загрузка кода (скетча) на плату осуществляется через USB-кабель, соединяемый с персональным компьютером. Для питания всей системы использовался блок питания мощностью 90 Вт (19 В, 4.74 А), подключаемый к плате через стандартный разъем 5.5*2.5 мм. Полный перечень электронных компонентов, использованных в данной работе, также приведен в Приложении, табл. П. Конструкция микрофлюидных чипов Микрофлюидные чипы для формирования капель одинарных (МФЧ 1 и 2) и двойных (МФЧ 3) эмульсий были сконструированы в двух геометриях, изображенных на рис. 2, а, б, которые могут быть легко преобразованы одна в другую. На рис. 2, в, приведена схема участков формирования капель (узлов) с указанием основных размеров, численные значения которых представлены в табл. 1. Расположение данных участков отмечено пунктирными окружностями на рис. 2, а и б. МФЧ 3 имеет две зоны формирования капель: в первой (узел 1) происходит образование ядра композитной капли, во второй (узел 2) генерируется капля целиком. В настоящей работе развивалась идея использования общедоступных компонентов для сборки МФЧ, предлагаемая ранее в ряде публикаций [32, 33]. При изготовлении чипов были использованы т-образные переходники, которые применялись в качестве корпуса МФЧ, и иглы с тупыми наконечниками, из которых строилась система микроканалов. В чипах использовались только металлические наконечники игл, которые предварительно извлекались из их пластиковой головки. Важным преимуществом конструкции данных систем является легкость компоновки составных частей, что позволяет при необходимости проводить их замену, а также разборку с целью очистки. Дополнительной обработки внутренних поверхностей наконечников игл с целью изменения их смачиваемости используемыми в работе жидкостями не производилось. Т-образные переходники были выполнены из полиэтилена и имели внутренний диаметр (D1 на рис. 2, в), равный 2.5 мм. Подача непрерывной фазы 1 осуществляется через вертикальный канал т-образного переходника 2 с объемным расходом Qm. С одной стороны горизонтального канала при помощи резинового фиксатора 3, который гарантирует герметичность узла, соосно каналу устанавливается игла 4, через которую осуществляется подача дисперсной фазы 5 с объемным расходом Qd. С противоположной стороны горизонтального канала также при помощи фиксатора 7 соосно первой игле устанавливается вторая игла 6. Игла 4 внедряется внутрь иглы 6 на расстояние h = 0.7 мм, которое устанавливалось под микроскопом. Подача дисперсной и непрерывной фаз осуществляется при помощи шприцевых насосов, подключенных к МФЧ через силиконовые шланги с внутренним диаметром 2.0 мм. С целью варьирования размеров получаемых капель были использованы иглы с различными внутренними диаметрами. Для подачи дисперсной фазы была НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 3
РАЗРАБОТКА DIY-УСТАНОВКИ
7
Рис. 2. Конструкция микрофлюидных чипов.
а — МФЧ для формирования капель одинарных эмульсий;
б — МФЧ для формирования капель двойных эмульсий;
в — схема участка генерации капель (узла) с указанием основных размеров (выделены пунктирными окружностями на а и б): D1 — внутренний диаметр корпуса Т-образного переходника; D2, D3 — внутренний диаметр меньшей и большей иглы участка генерации капель соответственно; a1, a2 — толщина стенки меньшей и большей иглы; h — расстояние между концами игл;
Qd — объемный расход дисперсной фазы; Qd1, Qd2 — объемные расходы первой и второй дисперсных фаз для случая двойных эмульсий; Qm — объемный расход матрицы;
1 — непрерывная фаза, 2 — вертикальный канал переходника, 3 — фиксатор, 4 — игла, 5 — дисперсная фаза, 6 — игла, 7 — фиксатор, 8 — Т-образный переходник, 9, 10 — иглы, 11 — фиксатор, 12 — вертикальный канал второго переходника, 13 — непрерывная фаза, 14 — игла, 15 — фиксатор
Табл. 1. Основные размеры области генерации капель микрофлюидных устройств, изображенной на рис. 2, в
Параметр Размеры, мм
области МФЧ 1 МФЧ 2 МФЧ 3
Узел 1 Узел 2
D1 2.5 2.5 2.5 2.5
D 2 0.210 0.210 0.210 0.603
D 3 1.194 0.603 0.603 1.194
a 1 0.100 0.100 0.100 0.150
a 2 0.230 0.150 0.150 0.230
h 0.7 0.7 0.7 0.7
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 3
М. А. ПОЛДУШОВ
выбрана игла калибра 27G с внутренним диаметром (D2) 210 мкм. Для иглы 6 использовались калибры 16G и 20G с внутренними диаметрами (D3) 1194 мкм (МФЧ 1) и 603 мкм (МФЧ 2).
МФЧ 3 представляет собой МФЧ 2, скомпонованный посредством фиксатора 11 со вторым Т-образным переходником 12. В фиксатор соосно горизонтальным каналам переходников 8 и 12 и на одном уровне с первой иглой 9 вставляется вторая игла 10. Через иглу 9 подается первая дисперсная фаза с объемным расходом Qd1, а вторая дисперсная фаза через вертикальный канал переходника 8 с объемным расходом Qd2. Через вертикальный канал второго Т-образного переходника подается третья жидкость 13, которая в данном случае будет являться непрерывной фазой (Qₘ). Образование композитных капель происходит на выходе из иглы 10, которая соосно введена внутрь третьей иглы 14 (узел 2). Игла 14 также фиксируется в переходнике 12 посредством резинового фиксатора 15. Для игл 9, 10 и 14 были выбраны калибры 27G, 20G и 16G соответственно.
ЖИДКИЕ ИНГРЕДИЕНТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАБОТЕ
В работе с использованием разработанных МФЧ были получены одинарные типа вода-в-масле и двойные типа вода-в-масле-в-воде (В₁-М-В2) стабилизированные эмульсии. В случае одинарных эмульсий в качестве непрерывной фазы использовалось вазелиновое масло (ВМ, ООО "ЮжФарм"), в качестве дисперсной фазы — дистиллированная вода. Для стабилизации эмульсий в непрерывную фазу ВМ вводилось неионогенное поверхностно-активное вещество — сорбитанмо-ноолеат (Span 80, ГОСТ 32770-2014) в количестве 7 масс.%.
Двойная эмульсия В1-М-В2 представляет собой композитные капли, состоящие из масляной фазы, в которой диспергированы капли воды (первая
водная фаза, В1), которые в свою очередь окружены непрерывной водной фазой, являющейся матрицей (вторая водная фаза, В2) (см. ниже Тестирование микрофлюидной установки, рис. 7, б—г). В качестве фазы В₁ была выбрана дистиллированная вода, которая подкрашивалась небольшим количеством водорастворимого красителя для создания контраста при микроскопических исследованиях морфологии формируемой эмульсии. В качестве масляной фазы использовалось ВМ с добавлением 7 масс.% Span 80. Вторая водная фаза В2 представляла раствор поливинилового спирта (ПВС, ГОСТ 10779-88) в воде. Содержание ПВС в растворе составляло 7 масс.%. Для обозначения всех величин, относящихся к фазе В1, которая является первой дисперсной фазой в двойной эмульсии, будет использоваться индекс d1, для масляной фазы, являющейся второй дисперсной фазой, — индекс d2, для матрицы — индекс m (см. рис. 2).
Характеристики применяемых в работе жидкостей приведены в табл. 2. Значения поверхностного натяжения (у), динамической вязкости (п) и плотности (р) для воды при температуре 25 °С взяты из литературы [37]. Поверхностные натяжения для растворов (ВМ + 7 масс.% Span 80) и (вода + + 7 масс.% ПВС), а также межфазные натяжения ( y ₁₂) в системах вода/(ВМ + 7 масс.% Span 80) и (вода + 7 масс.% ПВС)/(ВМ + 7 масс.% Span 80) были определены с использованием метода висящей капли на гониометре ЛК-1 (ООО "НПК Открытая Наука", Россия). Плотность растворов определялась пикнометрическим методом. Динамическая вязкость измерялась на приборе HAAKE Rheostress 1 (Thermo Scientific, США). Все величины измерялись при температуре 23.0 ±0.5 °C.
В табл. 2 также приведены значения плотности для чистого вазелинового масла, используемого в работе для осуществления процедуры градуировки шприцевых насосов.
Табл. 2. Характеристики используемых в работе жидкостей
Характеристики Вазелиновое Вода Вазелиновое Вода + 7 масс.%
масло масло + 7 масс.% ПВС
Span80
Вязкость дин. п, Па^с --- 0.891^10’3 0.084 0.145
Поверхн. натяж. у , мН/м --- 71.97 28.91 54.53
Межфазное натяж. у 12, мН/м --- 3.84 4.07
Плотность р, кг/м3 846.0 997.1 852.5 1025.7
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 3
РАЗРАБОТКА DIY-УСТАНОВКИ
9
ТЕСТИРОВАНИЕ ШПРИЦЕВЫХ НАСОСОВ
Как было указано ранее, объемный расход жидких компонентов варьируется посредством изменения скорости вращения шаговых двигателей. На первом этапе работы проводились процедуры градуировки и последующей калибровки шприцевых насосов. Для этой цели частоты подачи управляющих импульсов на шаговые двигатели сопоставлялись с объемными расходами жидкости
(Q, мкл/мин). Для определения объемного расхода при неизменной скорости вращения двигателя в течение 15 мин с интервалом в 1 мин проводились отбор и последующее взвешивание жидкости, выдавленной из шприца. Градуировка осуществлялась с использованием шприца объемом 5 мл. Образцы жидкости взвешивались на электронных весах Adventurer AR2140 (Ohaus, США) с точностью 0.1 мг. Чтобы предотвратить потерю части
Табл. 3. Результаты тестирования шприцевых насосов
a, имп. /с Q t, Q, 5, 5q , (<Q )1, % (<Q )2, % Cv, %
мкл/мин мкл/мин мкл/мин мкл/мин
Шприц 5 мл
70 63.4 63.3 0.5 0.1 0.45 0.18 0.82
100 90.6 90.4 0.6 0.2 0.37 0.28 0.67
200 181.1 180.8 1.1 0.3 0.33 0.16 0.59
300 271.7 271.3 1.3 0.3 0.27 0.13 0.49
400 362.3 361.9 2.3 0.6 0.35 0.12 0.62
500 452.9 453.8 2.4 0.6 0.30 -0.22 0.54
600 543.4 542.4 2.6 0.7 0.26 0.19 0.47
700 634.0 634.8 3.1 0.8 0.27 -0.12 0.49
800 724.6 723.3 3.7 1.0 0.28 0.18 0.51
1000 905.7 905.2 3.3 0.6 0.13 0.06 0.36
1200 1086.9 1084.9 5.2 1.3 0.26 0.18 0.48
1500 1358.6 1361.1 8.1 2.1 0.33 -0.18 0.60
2000 1811.4 1815.0 7.7 2.0 0.24 -0.20 0.43
3000 2717.1 2721.3 10.8 2.8 0.22 -0.15 0.40
4000 3622.9 3628.5 18.4 4.7 0.28 -0.15 0.51
5000 4528.6 4525.5 16.3 4.2 0.20 0.07 0.36
6000 5434.3 5430.1 24.9 6.4 0.25 0.08 0.46
Шприц 1 мл
200 23.9 239.6 1.7 0.6 0.57 0.69
(24.0)
300 35.8 359.0 2.0 0.7 0.45 0.54
(35.9) ---
400 47.7 477.3 2.5 0.9 0.44 0.53
(44.7)
500 59.7 596.7 3.1 1.1 0.43 0.52
(59.7)
Примечание. Для шприца 1 мл указаны объемные расходы за 10 мин, в скобках указаны — за 1 мин.
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 3
М. А. ПОЛДУШОВ
жидкости в результате ее испарения, для градуировки было выбрано вазелиновое масло. Найденный описанным образом массовый расход жидкости пересчитывался с использованием предварительно измеренного значения плотности ВМ (см. табл. 2) в объемный расход. Для экспериментальных данных, полученных в ходе тестирования шприцевых насосов, выполнялась стандартная процедура их статистической обработки (ГОСТ Р 8.736-2011) с расчетом средних арифметических значений (Q ), средних квадратических отклонений (S), средних квадратических отклонений средних арифметических ( Sq ), относительных отклонений (3Q)1 (при количестве измерений n = 15, доверительной вероятности p = 0.95) и коэффициентов вариации (cv = S /Q ). Полученные результаты представлены в табл. 3.
Для шприца объемом 1 мл при выбранных частотах управляющих импульсов выдавливается очень малое для взвешивания количество жидкости (около 0.01 г), что приводит к появлению больших погрешностей измерения, поэтому определение величины Q по описанной выше методике не осуществлялось. Для данного шприца отбор и дальнейшее взвешивание выдавленной жидкости проводили 8 раз с интервалом 10 мин. После этого рассчитывался объемный расход за 10 мин, и полученное значение делилось на 10 для определения Q за одну минуту. В табл. 3 приведены оба значения объемного расхода, при этом расход за минуту указан в скобках.
Дополнительно для обоих шприцов были найдены теоретические значения объемного расхода жидкостей Qt. Значение Qt рассчитывалось следующим способом. Первоначально вычислялась угловая скорость вращения используемых в работе шаговых двигателей, с учетом реализуемого дробления шага, равного 1/32, по формуле
а [имп./с] • 360° 200[шаг.р 32
= 0.05625 • а [град /с],
где а — частота подачи управляющих импульсов на двигатель, задаваемая программно, что эквивалентно количеству шагов, совершаемых двигателем в секунду. Поскольку двигатель совершает один полный оборот за 200 шагов, в выражении появляется коэффициент 360/200.
Затем рассчитывалась линейная скорость X каретки. Учитывая, что шаг резьбы шпильки равен 0.8 мм, каретка, толкающая плунжер шприца, за счет поворота вала двигателя с угловой скоростью B, приобретает линейную скорость, равную
X = B [град/ср 0.8[мм] = 125 ^ 10-4
360°
• а [мм/с].
Окончательно для теоретического объемного расхода жидкости за одну минуту получаем выражение
Qt = 5 |^мм² _ • X [мм/с] • 60 =
= 7.5 •io⁻³
• 5 • а _мм³/мин J,
где 5 — поперечная площадь цилиндра шприца, которая вычисляется как площадь круга:
л • d² г 2 -|
5 =--4---1_мм _1.
Внутренний диаметр d цилиндра шприца равен 4.5 и 12.4 мм для шприцов объемом 1 и 5 мл соответственно.
Отклонение средних значений объемного расхода от теоретических оценивалось при помощи величины относительной погрешности (3Q)₂, которая может служить мерой систематической погрешности. Значения Qt и (3Q)₂, найденные для всех используемых в работе скоростей подачи импульсов, приведены в табл. 3.
Как видно из этой табл. 3, использование в установке шприца объемом 5 мл позволяет варьировать объемный расход жидкости в довольно широком интервале примерно от 65 мкл/мин до 5.4 мл/мин. Величина случайной погрешности, оцениваемая коэффициентом вариации, для большинства скоростей не превышает 0.7%, в то время как отклонение средних значений объемного расхода от теоретических не превышает 0.3%, что не уступает характеристикам шприцевых насосов, которые были разработаны другими авторами, а также промышленно выпускаемых аналогов [14]. При необходимости объемный расход жидкости можно легко снизить либо увеличить, используя шприц меньшего или большего объема соответственно. Например, использование шприца объемом 1 мл, как показано в табл. 3, позволило уменьшить объемный расход до 24.0 мкл/мин, при этом коэффициенты вариации сохраняются на прежнем уровне.
ТЕСТИРОВАНИЕ МИКРОФЛЮИДНОЙ УСТАНОВКИ
Генерация одинарных эмульсий
Общая схема микрофлюидной установки, предназначенной для генерации одинарных эмульсий (рис. 3), состоит из двух шприцевых насосов, подключенных посредством силиконовых шлангов к микрофлюидному чипу с геометрией первого типа (МФЧ 1 и МФЧ 2). В данной части
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 3
РАЗРАБОТКА DIY-УСТАНОВКИ 11 Рис. 3. Общая схема микрофлюидной установки для генерации одинарных эмульсий работы было исследовано влияние объемного расхода матрицы (Qm) и дисперсной фазы (Qd) на размер капель эмульсии, а также изучена стабильность получения капель путем оценки коэффициента вариации для их диаметров. С этой целью эмульсия собиралась в стеклянную емкость, после чего проводилось ее микроскопическое исследование с использованием оптического микроскопа МИР-2 (ЛОМО, Россия), соединенного с цифро вой окулярной камерой Levenhuk модели C130, подключаемой через USB кабель к компьютеру, что позволяло выводить изображение непосредственно на экран монитора. Для каждого образца эмульсии анализировалось порядка 80 капель. Определение средних диаметров капель проводилось с использованием программы Fiji [38]. На рис. 4 представлены зависимости средних диаметров капель эмульсий от объемных расходов матрицы и дисперсной фазы для МФЧ 1 и 2 во всем исследуемом интервале объемных расходов. На данных диаграммах размер кружков соответствует диаметрам генерируемых капель. Для МФЧ 1 Qm варьировался в интервале от 63.3 мкл/мин до 5430.1 мкл/мин, Qd — от 63.3 мкл/мин до 361.9 мкл/мин. Для МФЧ 2 Qₘ варьировался от 180.8 мкл/мин до 1361.1 мкл/мин, Qd — от 24.0 мкл/мин до 180.8 мкл/мин. Как видно из приведенных диаграмм, с использованием разработанных микрофлюидных чипов удалось получать капли в широком диапазоне диаметров от 1200 до 156 мкм. В качестве примера на рис. 5 представлены микрофотографии эмульсий, полученные при помощи микрофлюидных чипов 1 (б-г, и) и 2 (д-з) при различных отношениях объемных расходов q = Qm / Qd. Для МФЧ 1 q равна 2.0 (и), 3.0 (б), 50.3 (в) и 60.4 (г), для МФЧ 2 — 2.9 (д), 5.0 (ж, з) и 22.6 (е). Рис. 4. Зависимость среднего диаметра капель воды d в эмульсиях вода / (ВМ + 7 масс.% Span) от объемного расхода дисперсной фазы Qd и фазы матрицы Qm для МФЧ 1 (а) и МФЧ 2 (б) НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 3
М. А. ПОЛДУШОВ Рис. 5. Микрофотографии одинарных эмульсий, полученных с использованием МФЧ 1 и МФЧ 2 по схеме (а) при различных объемных расходах матрицы Qm и дисперсной фазы Qd.. МФЧ 1: (б) — Qd = 90.4 мкл/мин, Qm = 271.3 мкл/мин; (в) — Qd = 90.4 мкл/мин, Qm = 4525.5 мкл/мин; (г) — Qd = = 90.4 мкл/мин, Qₘ = 5430.1 мкл/мин; (и) — Qd = 361.9 мкл/мин, Qₘ = 723.3 мкл/мин; МФЧ 2: (д ) — Qd = 63.3 мкл/мин, Qₘ = 180.8 мкл/мин; (е) — Qd = 24.0 мкл/мин, Qₘ = 542.1 мкл/мин; (ж), (з) — Qd = 180.8 мкл/мин, Qm = 905.2 мкл/мин. Масштабная линейка для (з) — 250 мкм, на остальных — 500 мкм Степень дисперсности капель при этом может сильно варьироваться в зависимости от величины Qm и Qd. Для МФЧ 1 вплоть до значений Qd = 271.3 мкл/мин и во всем исследованном интервале Qm коэффициент вариации не превышает 1.9%, что, в частности, демонстрируют микрофотографии, приведенные на рис. 5, б-г. При Qd выше 271.3 мкл/мин происходит увеличение степени полидисперсности генерируемых капель, так, для Qd = 361.5 мкл/мин cv изменяется в интервале от 6.2% (для Qm = 905.2 мкл/мин) до 9.8% (для Qm = 1360 мкл/мин). Иначе обстоит дело с МФЧ 2. При всех использующихся в работе значениях Qd и значениях Qm ниже 634.8 мкл/мин наблюдался процесс генерации однородных капель эмульсии, для которых cᵥ был ниже 2.0% (см. рис. 5, д, е). Превышение Qm величины 634.8 мкл/мин приводит к появлению капель с малыми диаметрами в интервале 1040 мкм, как показано на рис. 5, ж, и в увеличенном масштабе на рис. 5, з. Полученные результаты могут быть объяснены сменой режимов формирования капель с капающего (dripping) на струйный (jetting) при превышении критических значений НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 3