[论文解读] Effects of Syringe Pump Fluctuations On Cell-Free Layer in Hydrodynamic Separation Microfluidic Devices

Md Ehtashamul Haque, Amirali Matin+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 73被引用 13

一句话总结

本研究探讨了注射泵引起的压力波动如何破坏流体动力学微流控分离装置中细胞自由层（CFL）的稳定性。通过使用一种新型编码压缩旋转镜（CCRM）高速相机，作者证明CFL宽度波动在频率和振幅上直接对应于泵引起的压力振荡，从而降低分离效率，尤其在10–30 mL/h的流速下，尽管设计上应为理想状态，但牛奶脂肪颗粒仍被导入脂肪含量较低的出口。

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.

研究动机与目标

• 研究注射泵引起的压力波动对流体动力学微流控分离装置中细胞自由层（CFL）稳定性的影响。
• 量化在中等至高流速（5–25 mL/h）下，注射泵机械振动与CFL宽度波动之间的关系。
• 通过使用牛奶作为两相模型样品，评估这些波动对分离效率的影响。
• 证明压力波动会破坏颗粒路径控制，并导致出口间交叉污染。
• 为使用常规注射泵运行的稳健微流控系统提供设计指导。

提出的方法

• 采用一种新型、低成本的编码压缩旋转镜（CCRM）相机，对瞬态CFL动态进行高速、高灵敏度成像。
• 使用步进电机驱动的注射泵，测量从5到25 mL/h流速范围内的绝对和相对压力波动。
• 在10、20和30 mL/h的流速下，使用50%脂肪含量的牛奶进行实验，评估在波动流速下的分离性能。
• 利用220 nm和968 nm处的吸光度光谱法，定量分析脱脂牛奶和脂肪出口组分中的脂肪含量。
• 采用动态光散射（DLS）分析所收集组分中颗粒的粒径分布。
• 在相对于收缩处上表面的深度（Z=6 μm和Z=10 μm）进行粒子轨迹的计算模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 注射泵引起的压力波动如何影响微流控分叉装置中细胞自由层（CFL）的宽度和稳定性？
• RQ2 在频率和振幅方面，注射泵机械振动与CFL宽度波动之间存在何种关系？
• RQ3 在5–25 mL/h范围内，流速和流体动力粘度如何影响压力波动的幅度？
• RQ4 在多大程度上，压力波动会降低流体动力学微流控装置的分离效率，以牛奶样品为证？
• RQ5 观察到的CFL宽度波动是否可直接归因于注射泵的机械振动？

主要发现

• 从5 mL/h起，相对压力波动在平均压力的约2%处趋于平稳。
• 绝对压力波动随运动粘度非线性增加，在5–25 mL/h范围内于1.25 cSt时达到峰值。
• CCRM成像证实，CFL宽度波动在频率和振幅上均直接对应于注射泵引起的压力振荡。
• 在10 mL/h时，脱脂牛奶出口在220 nm处的吸光度显著更高（p=0.0056），表明因波动导致脂肪污染增加。
• DLS数据显示，10 mL/h时脱脂牛奶出口中较大脂肪球（1–7 µm）的比例更高，与分光光度结果一致。
• 模拟结果证实，在Z=10–6 μm处距离收缩处上表面2.5–3.5 µm的颗粒，在波动条件下可能被导入脱脂牛奶出口。