用于生物应用的三维特斯拉结构高性能微混合器外文翻译资料

 2023-04-10 18:29:58

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用于生物应用的三维特斯拉结构高性能微混合器

An-Shik Yang,Feng-Chao Chuang, Chi-Kuan Chen, Mei-Hui Lee,Shih-Wei Chen,Tsai-Lung Su,Yung-Chun Yang

国立台北理工大学能源与制冷空调工程系,台北 106,台湾,ROC

台北市马偕纪念医院病理科,台北 104,台湾

中华民国国防医学中心口腔医学院,台北市 114,台湾,中华民国

亮点

设计、制造和测试了一种基于三维特斯拉结构的新型高性能微混合器。

当流量为0.015 - l5L/s.时,混合效率最高被提升至94%,

免疫荧光实验体现了该微混合器的混合效果。

关键词:微流控 CFD模拟 微混合器 特斯拉结构

概 述

微混合器在生物技术工程、分析化学、医学工业和高通量合成等领域被广泛使用,因为生物过程通常涉及复杂的化学反应,需要有用的反应物混合来引发。本文介绍了一种新型的基于三维特斯拉结构的高性能的微混合器的设计、仿真、制造和测试,以实现生物应用微流控装置中的有效混合过程。通过计算流体动力学 (CFD )的计算和实验,研究了三维特斯拉微混合器开发过程中的流动和混合特性。所提出的微混合器的预测和测量结果表明,在0.1-100(0.015–15uL/s)

范围内的雷诺数(Re)具有良好的混合性能。在Re=100时,其压降小于1054Pa。我们还展示了成功的应用提出混合的免疫荧光分析EGF受体L858R突变特异性兔单抗(作为癌症物标记物)被抗兔IgG-CFL555和H1975细胞,揭示了混合效果的微流控装置的结合反应抗体检测肺癌细胞表面的抗原。

1. 介绍

微流体技术是一种快速发展的技术,允许将微流组件小型化和集成到一个系统中,用于各种应用。因此,许多流体功能,如阀门、计量、混合、运输和分离,可以植入单一基底上,以开发用于高精度操作和控制微型液体的微流体系统,使化学、生物和医学分析得以缩小在不同的基于微流控的生化分析系统中,液体样品的混合被认为是在短时间内实现合适的化学反应的最具挑战性的过程之一。微流控系统中的混合通常是由扩散而不是湍流为主,因为它在微尺度上的低雷诺数流性质。然而,扩散驱动的混合是相对耗时和低效的。无源混合器由于其成本低、反应迅速、易于制造和组装、不需要控制单元和额外的电源等优点,已被广泛用于各种微流控用途。被动微混合器的混合发展是通过修改不同形状或微结构的流通道来控制的。根据其混合机理,这些混合器主要可分为混沌平流和层压。以前的微混合器可以操纵它的几何形状和结构(如沟槽)以增加流动通道的界面面积,从而增 强流体的混合。后者的微混合器通过层流来增加混合(即在流体流动路径上使用多通道或添加障碍将流体分成流后再合并为单一流)进行混合,扩大界面面积,从而改善混合效果。特斯拉结构已被应用于多种平面内微流控装置的实物,如微阀和泵。Hong演示了第一个使用二维(2D)改进的特斯拉结构的被动微混合器,以产生横向分散,可以通过分流和重组流动来减少流体流之间的扩散路径。流体倾向于靠近倾斜表面流动,以分裂流体流,并引导流的一部分与流的另一部分重新合并。因此,由于相反的流动在横向方向上的重复影响,可以实现很强的混合效果。在三维(3D)被动微混合器的开发过程中,经常设计流体的多次分裂和统 一,以进一步扩大接触由两个或多个子流由多层形成的表面微流控通道,以加强混合效果,尽管这些设备的制造可以相对更复杂,取决于他们的3D配置。

命名:

C 物种浓度

Ci 横向上的物种浓度分布 Re 雷诺数

在距离入口有不同距离的方向 ui 速度矢量

C 浓度分布的平均值 V 流入速度

D 扩散系数 rho; 密度

N 在浓度分布上的采样总数 micro; 动态粘滞度

Dh 水力直径 sigma;E 混合度指数

P 压力

表1

先前的研究表明,插入特斯拉结构的微芯片器件通过产生横向分散,可以相当有效地增强流体的混合。然而,据我们所知,其他地方报道了使用3D特斯拉布局设计的系统检查的结果非常有限。本研究提出了一种创新的被动式微混合器,以有效地混合两种液体与三维特斯拉结构。通过质量、动量和物种浓度的稳态三维守恒方程进行了计算流体动力学(CFD)分析,模拟了混合行为。对浓度分布进行了预测,并与由微流可视化系统拍摄的共聚焦图像中的可视化荧光进行了比较,

以进行软件验证。为了研究复杂的输运过程,测量和模拟都探讨了几何结构和雷 诺数对三维特斯拉微混合器的共混性能的影响。我们还应用开发的混合器EGF的免疫荧光分析受体L858R突变特异性兔单抗(作为癌症生物标记)被抗免IgG-CFL555和H1975细胞证明的混合结果微设备检测抗体的结合反应识别肺癌细胞表面的抗原。

装置设计与制造

微流控混合器采用聚二甲基硅氧烷(PDMS),并采用相关的设计和制造方法表述如下。

提出了三种微型混合器模型,其主要区别在于特斯拉结构转弯接头的开口范围。图1展示了三维特斯拉微混合器的开口宽度示意图。长为0.2mm,宽为0.14mm,高为0.08mm.以布局(a)为基线设计。t型通道由两个入口和一个出口组成,有180的角度o入口之间。通道的截面尺寸是 200磅宽和100升高每一层的形状系数100毫升的特斯拉混合部门避免潜在的困难制造过程中造成的复杂结构与小形状因素集成到微通道。从每个入口到十字路口的距离是3.1毫米,从特斯拉结构的连接处到后端的长度为(a)10.7(基线设计),(b)11.84和(c)12.98毫米,对于不同的开口宽度。此外,预计在通道中增加一层特斯拉框架来形成三维结构,可能会对流动产生更多的干扰,为了提高混合效率。因此,我们在转弯缝处设计了三个开口宽度,以实现微混合器中的三维流管分裂和重组流场,并研究了减小宽度对混合结果的影响。

图 1。三维特斯拉微混合器的示意图,开口宽度分别为(a)0.2,(b)0.14和(c)0.08毫米(放

大图)。

用复制成型的方法制造的。采用PDMS(美国道康宁作物公司)铸造工艺,在硅基板上用SU-8模具生产反向结构。最初,硅片被清洗并在热板上脱水。通过旋转涂层负性光刻胶在硅片上以500rpm的速度旋转10秒,然后以1750rpm的速度旋转30秒。然后在水平热板上软烤。 两步软烘焙过程在65℃下进行5min,然后在95℃下进行20min。照射过程采用总紫外线照射剂量为215mJ/cm 2,然后是两步,曝光后的烘烤程序,在65℃ 1min和95℃ 10min。随后,用铬光掩模进行光刻处理,制备了微流控装置的图案。SU-8的开发实践是通过将暴露的基底浸入显影剂溶液(MicroChem,USA)中,通过超声波搅拌5min,溶解未暴露的光刻胶,以获得厚度为100微米的图案化SU-8主模。然后用去离子(去离子)水冲洗晶圆,然后用氮气干燥。SU-8的偏差由于标准光刻工艺的限制,模型的尺寸在2微米左右。

图 2 组装的 3d 特斯拉微混合器的图片。

在下一阶段,首先制备PDMS预聚物和固化剂以10:1w/w比例的混合(Sylgard184硅胶弹性体,陶氏康宁,美国),然后倒入有图案的SU-8模具中。采用真空泵对PDMS预聚物进行脱气,去除混合过程中产生的气泡。PDMS在95摄氏度的烤箱中固化1h.固化后,将PDMS复制体从SU-8模板上剥离。一般来说,每个PDMS微流体装置的尺寸的变化低于2.5%。然后钻出进、出口孔,组装前将湿PDMS作为胶水涂覆两层反向PDMS层密封,完成微混合器

  1. 实验装置

图3展示了检测微流控装置中混合现象的微流可视化系统的示意图。本研究使用两个液体样品进行混合:去离子(去离子)水和含荧光染料的去离子水溶液(0.1%,不含罗丹明6G,西格玛-奥尔德里奇)。为了提供控制和连续的流动,两个液体样品通过注射泵(NE-1600,新时代泵系统)引入微流控装置。利用荧光技术测量物种浓度分布,采用特征波长为532nm的1w半导体激光器(L-532-1000A,Sintec光电技术)作为激发源。用荧光显微镜(VMU-L,Mitutoyo)捕获照明流场的图像,在图像平面上的照明均匀性较高。荧光发射通过10倍目标透镜收集。而使用570nm的高通滤光片(FGL570Thorlabs)从相对较弱的荧光光中过滤较短的波长发射(可归因于高强度激发光),以减少背景噪声。在显微镜上安装电荷耦合装置(CCD)相机(XC-HR57,SONY)获取光学图像,用数据采集和分析板(Domiono和谐,Euresys)处理,显示在显示器上,然后作为文件存储在个人电脑上。

图3.(a)微流动可视化系统的示意图和(b)图片。

本研究采用荧光技术来测量浓度分布。为了评价混合性能,将这些捕获的图像转换为灰度图像,其中流体的灰度水平代表流体浓度。在实际应用中,荧光染料浓度与荧光强度之间呈线性关系。因此,采用经验校准程序将图像强度转换为浓度值。作为微流控领域中量化混合程度的传统方法,等式采用图(1)测定的混合效率。

(1)

rE和Ci表示从入口到不同距离的横向上的混合指数和物种浓度分布。项C和N表示浓度剖面上的平均值和采样总数。对于均匀混合,浓度的偏差应为0.5个,混合指数为1。相反,当混合指数从1降低到0时,混合量较少。零混合指数对应于在完全未混合状态下的物种浓度。从可视化图像的试验结果可以增强对混合过程的理解,建立模型验证的实验数据库。

在生物医学测试中,制备了H1975肺癌细胞,在细胞表面实现与荧光抗体的结合反应,以用于检测计划中的3D特斯拉微混合器的混合性能。保留H1975细胞系,在RPMI-1640培养基中培养融合染色1.5mMl-谷氨酰胺,1mM丙酮酸钠,10mMHEPES和4500mg/L葡萄糖添加10%胎牛血清。这些细胞在37℃和5%CO2的培养箱中培养,然后用磷酸盐缓冲盐水(PBS)洗涤,并在0.025%胰蛋白酶处理2min,从培养皿中积累细胞。接下来,将培养基加入到培养皿中,以中和胰蛋白酶的活性。收集到的细胞用台盼蓝染色,用血细胞计数仪计数法测定细胞数量。然后,用PBS连续稀释原细胞悬液来安排所需的细胞浓度。为了在3dTesla微混合器中实现 EGFR的检测,将与兔抗EGFR L858R抗体结合的0.5ml肿瘤细胞浓度控制在102个细胞的速率固定在混合器的入口a上,同时将含有牛抗兔cfl555抗体的0.5 ml 肿瘤细胞混合物输送到微混合器中的入口B在Re=1为35min。当H1975细胞通过设备的检测区时,通过50目标透镜(最大值分别为559nm和569nm的抗兔IgG CFL555偶联物)(MplanAPONIR系列,NA=0.42和一个572nm的带通滤波器(FF01-572/15-25,Semrock)。该滤光片用于屏蔽非特定波长,以降低噪声,并确保荧光信号通过该滤光片和将透镜投射到光电倍增管(PMTH7680-03Hamamatsu)的阴极上。然后使用雪崩光电二极管(APD,C8855-01,滨松)在560-580nm的窄波长内捕获发出的荧光信号,并转换为等效光信号用于计数和检测。

4.数值模拟

在ANSYS/Fluent软件中实现的一个理论公式模拟了两种不同流体在三维特斯拉[30]微混合器中的混合过程。为了保持一致的实验条件,一种测试液体是去离子水中含有荧光染料的溶液,另一种是去离子水。在数值分析中,两种流体均为不可压缩、层流、混溶、性能均匀的液体,重力和温度变化的影响不显著。该模型是基于质量、动量和物种浓度的稳态三维守恒方程。控制方程的描述如下:

, (2)

, (3)

. (4)

符号ui表示i方向上的速度分量,p、、、D、C表示压力、密度、动态粘度、二元扩散系数和物质浓度。将纯水的物理性质应用于两种试验流体,其中、和D的相关值分别为1000kg/m3,0.001N-s/m2,和10-10m2/s。在入口,其中一种液体的物种浓度分别设置为0(去离子水),另一种设置为1(含荧光染料的去离子水)。考虑到两个入口的流量相等,测试流体的流入速度被安排为一个均匀的轮廓,并从0.75开始变化至750mm/s,对应于的雷诺数(Re)为0.1–100.在计算中,Re=qVDh/和Dh是微通道的液压直径。在出口,规定了1atm的固定压

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