ESSMN25. Minatyriserade analyssystem i biomedicinska tillämpningar

Transkript

1 Labhandledning Akustiklab Akustikteori Teorin för hur krafterna verkar i ett akustiskt fält är ganska komplex. Men för att få en generell bild av det hela räcker det med att man ser på den förenklade formen för en stående plan våg, ekvation 1. Den primära akustiska kraften F rad beror på ett flertal olika parametrar, se tabell nedan. F z rad = 4πΦ(κ, ρ)ka 3 E ac sin (2kz) (Ekvation 1) Φ(κ, ρ) = 1 3 [5ρ p 2ρ 0 2ρ p +1ρ 0 κ p κ 0 ] (Ekvation 2) k a E ac Φ(κ,ρ) ρ p ρ 0 κ p κ 0 vågnummer partikelradie Akustisk energidensitet Akustisk kontrastfaktor Partikelns densitet Vätskans densitet Partikelns kompressibilitet Vätskans kompressibilitet De fysiska parametrar som påverkar är framför allt volymen på partikeln, men även densiteten och kompressibiliteten på partikeln kontra den omgivande vätskan. Även frekvensen f spelar roll, den kommer in via vågnumret k där v är ljudhastigheten i ekvation 3. k = 2π λ = 2πf v (Ekvation 3) Den akustiska kontrastfaktorn Φ (ekvation 2) avgör om en partikel kommer gå mot trycknoden eller tryckbuken i ljudfältet. En partikel med positiv kontrastfaktor går mot trycknoden, negativa mot tryckbuken. Generellt sett går de flesta rigida partiklar mot noden, medan luftbubblor, oljedroppar eller partiklar med lägre densitet än omgivande buffert (detta gäller dock inte alltid) går mot tryckbuken AL

2 Flödessystemet Figur 1. Översikt av flödessystemet med en bild av kiselchippet överst. Vårt prov går in i förfokuseringskanalen längst till vänster och delas sedan upp i två flöden som kommer in i separationskanalen längs med väggarna. I mitten i separationskanalen kommer en tvättvätska in. FU 1. Vad är syftet med förfokuseringen? FU 2. Vilket ratio mellan kanalbredd och kanalhöjd krävs för att förfokuseringen skall kunna realiseras med ett enda piezoelektriskt element AL

3 FU 3. Vad är syftet med tvättvätskan? Chippet har två utlopp, ett centralt där de partiklar som blivit förflyttade in i mittenflödet går ut, samt ett utlopp för vätskan/partiklar som gått åt sidan i flödesdelaren. Vätskeflödena mäts på utloppen och på inloppet med flödessensorer. Data från dessa används för att reglera tryckluften som trycksätter vätskebehållarna så att önskat vätskeflöde uppnås. Hela flödesprocessen styrs från ett labview-program. FU 4. Hur beror flödet genom separationskanalen av det drivande trycket? AL

4 Laborationen 1 dimensionell fokusering 1. Separationskanalen är ca 375µm bred. Vad skall ni ha för frekvens för att få en resonans på en halv våglängd? Antag att vätskan är vatten med ljudhastighet på ~1500m/s. 2. Ställ in frekvens och amplitud genom att studera fokuseringen i separationskanalen så att ni får bästa möjliga fokusering med minsta möjliga kraft. Vad får ni för frekvens och amplitud? 3. Vad händer om ni ökar amplituden för mycket? Varför? 4. Hur stort frekvensspann har ni med bibehållen resonans/fokusering? 5. Hur påverkas fokuseringen när flödet varieras? 2 dimensionell förfokusering 6. I förfokuseringssteget vill vi ha två stycken partikelband som länkas av åt var sitt håll vid flödedelaren. Kanalen är 300µm bred. Vad blir resonansfrekvensen här? 7. Ställ in förfokuseringsfrekvens och amplitud genom att studera fokuseringen i förfokuseringskanalen så att ni får bästa möjliga fokusering med minsta möjliga kraft. Vad blev den? 8. Slå på/av förfokuseringen under en körning och studera separationsresultatet vid separationsutloppet. Ser ni någon skillnad? Diskutera utfallet AL

5 Separering av 5µm och 7µm partiklar 9. Utgå från de inställningar ni hittat tidigare för både för fokuseringskanalen och separationskanalen och försök hitta ett läge där de större 7µm partiklarna går in i mitten och de mindre 5µm partiklarna går ut åt sidorna. 10. När ni hittat de inställningar ni tycker verkar bäst, byt uppsamlingsrör och kör ett till försök. Analysera era resultat med flödescytometri. Hur bra separation fick ni? Partikeltvätt Ni kommer få ett prov av handledaren som innehåller vita polystyrenpartiklar (PS) i en saltlösning samt ett blått färgämne (Evans blue). 11. Utför en tvätt av de vita partiklarna, dvs. ett buffertbyte där ni flyttar partiklarna från den blå vätskan till den klara vätskan i mitten av separationskanalen. 12. Byt tvättvätskan i centrum från NaCl till MQ vatten i stället. Vad händer? 13. Varför blev utfallet som det blev? AL