[논문 리뷰] Effects of Syringe Pump Fluctuations On Cell-Free Layer in Hydrodynamic Separation Microfluidic Devices

Md Ehtashamul Haque, Amirali Matin외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 17.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies참고 문헌 73인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 펌프 유도 압력 변동이 유체역학적 미세유체 분리 장치에서 세포 자유층(CFL) 안정성에 미치는 영향을 조사한다. 새로운 코딩 압축 회전 거울(CCRM) 고속 카메라를 사용하여 저자들은 압력 변동 주파수 및 진폭과 정확히 일치하는 CFL 너비 변동이 있음을 입증하였으며, 이는 특히 10–30 mL/h 유량에서 설계상의 의도와는 달리 우유 지방 입자가 입자 농도가 낮은 출구로 유도되는 등 분리 효율을 저하시킨다.

ABSTRACT

Syringe pumps are widely used biomedical equipment which offer low-cost solutions to drive and control flow through microfluidic chips. However, they have been shown to transmit mechanical oscillations resulting from their stepper motors, into the flow, perturbing device performance. In this work, unlike previous studies at lower flow rates, we have uncovered that the relative pressure fluctuation plateau from 5mL/h onwards to approximately 2% of the average pressure. Furthermore, we find that absolute pressure fluctuations increase as a non-linear monotonic function of kinematic viscosity at flow rates in the 5-25 mL/h range, while the relative pressure fluctuations peak at 1.25 cSt. Using a novel low-cost coded compressive rotating mirror (CCRM) camera, we investigated the effect of fluctuations in a hydrodynamic microfluidic separation device based on a cell-free layer concept. Using this high-speed imaging set-up, we quantified the cell-free zone width fluctuations at bifurcations. We demonstrated that these fluctuations have the same frequency and amplitude than the syringe pump induced pressure oscillations. Finally, to illustrate that pressure fluctuations degrade the separation efficiency in such devices, we demonstrate using milk samples, instances of particles diverted to undesired outlets. This work provides an insight into the effect of syringe pump fluctuations on microfluidic separation, which will inform the design of microfluidic systems and improve their resilience to pulsating or fluctuating flow conditions.

연구 동기 및 목표

• 펌프에 의한 압력 변동이 유체역학적 미세유체 분리 장치에서 세포 자유층(CFL) 안정성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 중간에서 높은 유량(5–25 mL/h) 범위에서 펌프 기계적 진동과 CFL 너비 변동 간의 관계를 정량화하는 것.
• 우유를 이중상 샘플 모델로 사용하여 이러한 변동이 분리 효율에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 압력 변동이 입자 경로 제어를 악화시키고 출구 간 오염을 유발함을 입증하는 것.
• 일반적인 펌프를 사용하는 내구성 있는 미세유체 시스템 설계 지침을 제공하는 것.

제안 방법

• 임시 CFL 동역학을 고속·고감도로 촬영하기 위해 새로운 저비용 코딩 압축 회전 거울(CCRM) 카메라를 사용하였다.
• 스테퍼 모터를 장착한 펌프를 사용하여 5에서 25 mL/h의 유량 범위에서 절대 및 상대 압력 변동을 측정하였다.
• 분리 성능 평가를 위해 우유(지방 함량 50%)를 10, 20, 30 mL/h에서 실험하였다.
• 스키마드 밀크 및 지방 출구 분획의 지방 농도를 220 nm 및 968 nm 파장에서 투과율 분석을 통해 정량화하였다.
• 수집된 분획의 입자 크기 분포를 분석하기 위해 동적 광산란(DLS)을 적용하였다.
• 구속 경계 상단 표면에서 Z=6 μm 및 Z=10 μm 깊이에서 입자 궤적의 수치 시뮬레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펌프에 의한 압력 변동은 미세유체 분岐 장치에서 세포 자유층(CFL)의 너비와 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 펌프 기계적 진동과 CFL 너비 변동 간의 주파수 및 진폭 관계는 어떠한가?
• RQ3 운동 점도와 유량은 5–25 mL/h 범위에서 압력 변동의 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 압력 변동이 유체역학적 미세유체 분리 장치의 분리 효율을 어느 정도 저하시키는가? 이를 우유 샘플로 입증한다.
• RQ5 관측된 CFL 너비 변동은 펌프 기계적 진동과 직접적인 연관이 있는가?

주요 결과

• 5 mL/h 이상의 유량에서 상대 압력 변동은 약 2% 수준에서 포화된다.
• 절대 압력 변동은 운동 점도에 따라 비선형적으로 증가하며, 5–25 mL/h 범위에서 1.25 cSt에서 최대치에 도달한다.
• CCRM 영상로 확인된 lin, CFL 너비 변동은 펌프에 의한 압력 진동과 주파수 및 진폭에서 정확히 일치한다.
• 10 mL/h에서 220 nm 파장에서의 스카마드 밀크 출구 투과율은 20 및 30 mL/h보다 유의미하게 높았으며(p=0.0056), 이는 변동으로 인한 지방 오염 증가를 시사한다.
• DLS 데이터는 10 mL/h에서 스카마드 밀크 출구에 더 큰 우유 지방 구슬(1–7 µm) 비율이 높다는 것을 보여주며, 분광 분석 결과와 일치한다.
• 시뮬레이션 결과, Z=10–6 μm에서 구속 경계 상단으로부터 2.5–3.5 µm 떨어진 입자는 압력 변동 조건에서 스카마드 밀크 출구로 유도될 수 있음을 확인하였다.