مقالة منهجية

تصنيع وتشغيل Acoustofluidic أجهزة دعم السائبة موجات الصوتية الدائمة للSheathless التركيز من الجسيمات

13K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/53861

⸱

مارس 6, 2016

 ,  ,  ,  , 
1NSF Research Triangle Materials Research Science and Engineering Center, Duke University, 2Department of Biomedical Engineering, Duke University, 3Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Duke University

في هذه المقالة

ملخص

أجهزة Acoustofluidic استخدام الموجات فوق الصوتية داخل قنوات الموائع الدقيقة للتلاعب، والتركيز وعزل الصغيرة مع وقف التنفيذ والكيانات نانوية. يصف هذا البروتوكول تصنيع وتشغيل مثل هذا الجهاز يدعم موجات دائمة الصوتية السائبة للتركيز الجسيمات في تبسيط المركزي بدون مساعدة من السوائل غمد.

الملخص

يشير Acoustophoresis إلى تشريد الأجسام المعلقة في استجابة لقوى الاتجاه من الطاقة الصوت. وبالنظر إلى أن الأجسام المعلقة يجب أن يكون أصغر من طول موجة الحادث الصوت وعرض القنوات الموائعية عادة ما تكون عشرات إلى مئات من ميكرومتر عبر والأجهزة acoustofluidic عادة ما تستخدم الموجات فوق الصوتية المتولدة من محول كهربائي ضغطي النابض في الترددات العالية (في نطاق ميغاهرتز ). على ترددات المميزة التي تعتمد على هندسة الجهاز، فمن الممكن للحث على تشكيل موجات دائمة يمكن أن تركز الجسيمات على طول يبسط الموائعية المطلوبة داخل لتدفق بكميات كبيرة. هنا، نحن تصف طريقة لتصنيع أجهزة acoustophoretic من المواد المشتركة والمعدات غرفة نظيفة. وتبين لنا نتائج ممثل للتركيز الجسيمات مع عوامل التباين الصوتية إيجابية أو سلبية، والتي تتحرك نحو العقد ضغط أو antinodes من موجات دائمة، respectivاعل. توفر هذه الأجهزة فائدة عملية كبيرة لتحديد المواقع بدقة أعداد كبيرة من الكيانات المجهرية (على سبيل المثال، الخلايا) في ثابتة او تدفق السوائل لتطبيقات تتراوح بين الخلوي في التجمع.

المقدمة

وتستخدم أجهزة Acoustofluidic لممارسة قوات الاتجاه على الكيانات المجهرية (على سبيل المثال، جزيئات أو خلايا) لمن التركيز، والمحاذاة، والتجمع، والحبس أو الانفصال داخل السوائل هادئة أو flowstreams الصفحي. 1 ضمن هذه الفئة واسعة من الأجهزة، القوات يمكن أن تتولد من الأكبر موجات دائمة الصوتية، وتظهر على السطح موجات دائمة الصوتية (SSAWs) 2 أو السفر الصوتية موجات 3 بينما نحن نركز على تصنيع وتشغيل الأجهزة التي تدعم موجات دائمة الصوتية السائبة، والأجهزة التي تدعم SSAWs تلقينا الكثير من الاهتمام في الآونة الأخيرة نظرا لقدرتها على التعامل بدقة خلايا على أسطح 4 و بسرعة فرز الخلايا في قنوات التدفق المستمر. 5 أجهزة دعم موجات دائمة الصوتية بكميات كبيرة، ولكن، إعادة ترتيب الجزيئات على أساس الاهتزازات الميكانيكية للجدران الجهاز التي تم إنشاؤها بواسطة محول كهربائي ضغطي، الذي يثير موجات دائمة في ميكروفلويديكتجاويف في الترددات الرنانة محددة هندسيا. وهذا يتيح إمكانية توليد سعة الضغط العالي مقارنة بالأجهزة SSAW، والنقل وبالتالي، أسرع acoustophoretic الكيانات المجهرية. 6

وتتكون هذه موجات دائمة من مجموعة الدوري مكانيا من العقد و antinodes الضغط، التي يتم إصلاحها في منصب يتذبذب ضغط في الوقت المناسب. جزيئات تستجيب لموجات دائمة عن طريق الهجرة إلى العقد ضغط أو antinodes، اعتمادا على الخواص الميكانيكية للجزيئات النسبية إلى السائل، والتي تم وصفها من قبل عامل النقيض الصوتي:

figure-introduction-1

حيث ρ المتغيرات وβ تمثل الكثافة والانضغاطية والسفلية p و ƒ تمثل كائن مع وقف التنفيذ (على سبيل المثال، الجسيمات أو الخلية)، والسوائل، على التوالي.7 الكيانات التي تمتلك عاملا إيجابيا النقيض الصوتية (أي ɸ> 0) الهجرة إلى عقدة الضغط (ق)؛ في حين، والكيانات التي تمتلك عامل النقيض الصوتي السلبي (أي ɸ <0) الهجرة إلى antinodes الضغط. 7 في حين أن غالبية المواد الاصطناعية (مثل الخرز البوليسترين) والخلايا يحمل النقيض الصوتية إيجابي، والجسيمات المرنة المصنوعة من أساس السيليكون المواد، 8 الجزيئات الدهنية 9 أو غيرها من مكونات مرنة للغاية يحمل النقيض الصوتية سلبي في الماء. الجسيمات المرنة في الأجهزة acoustofluidic يمكن استخدامها لعزل جزيئات صغيرة (10) وكوسيلة لحصر الجزيئات الاصطناعية 11 أو خلايا (12) لأغراض الفرز التمييز. 13

عادة يتم تصنيع أجهزة Acoustofluidic من المواد القياسية (على سبيل المثال، والسيليكون والزجاج) التي لديها صلابة كافية لسوpport موجة دائمة الصوتية. في العديد من الأجهزة acoustofluidic (بما في ذلك الجهاز هو موضح هنا)، فقد تم تصميم الموجات الميكانيكية ليتردد صداها في أدنى وضع التوافقي، الذي يتكون من موجة دائمة نصف الطول الموجي الذي يمتد عرض متناهية. هذا التكوين لديه عقدة الضغط في وسط antinodes القناة وضغط على الاطراف للقناة. ولقد ثبت سابقا أن هذه النظم يمكن أن تستخدم للتطبيقات الخلوي على أساس رقاقة 14-16 والتطبيقات بدءا من محاصرة الخلايا إلى تركيز خلايا. 17،18

وصفنا عملية التصنيع، وأساليب للاستخدام وقدرات الأداء التمثيلي عبوة acoustofluidic التي تدعم موجات دائمة الصوتية السائبة. يتطلب هذا الجهاز خطوة ضوئيه واحدة، خطوة واحدة الحفر والتفجير خطوة واحدة إلى السندات بشكل دائم كوب "غطاء" لالركيزة السيليكون محفورا. ونلاحظ أن البعض acoustofluidiج الأجهزة التي تدعم موجات دائمة الصوتية السائبة يمكن أن تكون ملفقة من الزجاج أو الكوارتز الشعيرات الدموية بد أن محولات كهرضغطية، الذي يوصف في أماكن أخرى. 19،20 الأجهزة القائمة على السيليكون توفر مزايا القوة والسيطرة على هندسة قناة تدفق، والتي تسمح معا ل أنواع عديدة من تجهيز العينات التي تحتوي على تعليق من الجزيئات والخلايا. يتم توفير الأجهزة قابلة لإعادة الاستخدام يتم تنظيفها بشكل صحيح بين الاستخدامات (أي عن طريق تنظيف الجهاز مع مخازن والمنظفات الصناعية).

البروتوكول

1. الطباعة التصويرية

  1. تصميم الضوئية الرئيسية باستخدام حزمة البرامج المناسبة وتقديم تصميم لطابعة الضوئية الرئيسية المؤهلة. 21
  2. في منشأة غرفة نظيفة، شطف "أحادية الجانب 6 مصقول سي رقاقة مع وجود تدفق مستمر من الأسيتون (≥99.5٪، انظر الجدول 1)، يليه دفق مستمر من الميثانول (99.8٪، انظر الجدول 1). تجفيف رقاقة عن طريق الرش بالغاز N 2، ووضع رقاقة على طبق ساخن في درجة حرارة 95 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة.
    ملاحظة: إن قائمة المنشطات وتوجيه الكريستال من رقائق لا تؤثر الإجراءات التالية.
  3. حماية الحوض خارج المغطي تدور (في زيادة ونقصان القياسية معطف هود) من خلال تغطية مع ورقة من آل احباط ووضع نظيفة سي رقاقة في وسط تشوك فراغ في المغطي تدور لتأمين الرقاقة.
  4. إيداع مقاومة للضوء إيجابي مباشر على مركز الرقاقة عن طريق سكب بعناية حتى يغطي مقاوم الضوء أكثرمن الرقاقة. الحرص على ضمان عدم وجود فقاعات في مقاومة للضوء.
    ملاحظة: الإجراءات الدقيقة في خطوات 1،5-1،10 تتوافق مع مقاومة للضوء هو مبين في الجدول 1؛ قد تكون هناك حاجة إلى إجراءات مختلفة للضوء ومختلفة.
  5. بدء دورة تدور عن طريق تنفيذ الإجراءات التالية:
    1. البرنامج بسرعة 300 دورة في الدقيقة، وهو منحدر من 100 دورة في الدقيقة / ثانية، ووقت تدور من 5 ثانية لبدء دورة تدور.
    2. برنامج لسرعة 1800 دورة في الدقيقة، وهو منحدر من 1000 دورة في الدقيقة / ثانية، ووقت تدور من 60 ثانية لنشر بالتساوي مقاومة للضوء.
    3. برنامج لسرعة 0 دورة في الدقيقة، وهو منحدر من 1000 دورة في الدقيقة / ثانية، وزمن دوران 0 ثانية لاختتام دورة تدور.
  6. الافراج عن فراغ في ظرف واستخدام ملاقط رقاقة لاسترداد رقاقة من ظرف. ثم وضع رقاقة على طبق ساخن لخبز على 110 درجة مئوية لمدة 165 ثانية.
    ملاحظة: ويشار إلى هذه الخطوة على أنها "خبز لينة".
  7. تحميل الضوئية الرئيسية في حامل من قناعاليجنر / ضوئيه الجهاز.
  8. تحرير المعلمات من آلة ضوئيه لتقديم جرعة من الطاقة 1400 ميغا جول / سم 2 (على سبيل المثال، لشدة الناتج من 13.5 ميغاواط / سم 2، استخدم وقت التعرض لل~103.7 ثانية).
  9. إزالة الرقاقة photopatterned من حامل ووضعها في محلول المطور المقابلة لها (انظر الجدول 1) لمدة 5 دقائق.
  10. إزالة الرقاقة من المطور، وغسل رقاقة مع وجود تدفق مستمر من H 2 O منزوع الأيونات وجففها بالغاز N 2.
    ملاحظة: الإفراط في وضع قد يسبب أنماط للتضخم، في حين تحت النامية قد يسبب إزالة كاملة من مقاوم الضوء على ميزات نمط الصورة.
  11. تفقد الرقاقة تحت المجهر للتأكد من أنماط المطبوعة على الضوئية الرئيسية نقلوا إلى مقاومة للضوء.

2. العميق رد الفعل ايون النقش

  1. تحميل سي رقاقة نقوش الصورة في غرفة عميقرد الفعل أداة أيون الحفر وحفر القنوات الموائعية في سي ويفر إلى العمق المطلوب وفقا للإجراءات الحفر القياسية. 22
  2. تفريغ بعناية عينة من الغرفة بعد عملية الحفر كاملة.
  3. لإزالة مقاومة للضوء الزائد من الرقاقة، وإعداد كوب كبير بمحلول مزيل مقاومة للضوء (انظر الجدول 1) في غطاء جيد التهوية مخصص للاستخدام المذيبات ووضعه على طبق ساخن عند 65 درجة مئوية.
  4. غمر الرقاقة في حل إزالة مقاومة للضوء والسماح لها ينقع لمدة 1 ساعة.
    ملاحظة: مختلفة الحلول التي يمكن أن تستخدم لإزالة مقاومة للضوء (على سبيل المثال، حل الأسيتون (≥99.5٪، انظر الجدول 1) يمكن إزالة مقاومة للضوء عن طريق نقع بين عشية وضحاها).
  5. إزالة الرقاقة من الدورق وشطفه بالتناوب مع تيارات الأسيتون (≥99.5٪، انظر الجدول 1) وايزوبروبيل (≥99.7٪، انظر الجدول 1). تجفيف رقاقة ثإيث N 2 الغاز.

3. سمكة البيرانا تنظيف

  1. في غطاء جيد التهوية (مخصصة لاستخدام الأحماض)، يعد حل سمكة البيرانا عن طريق إضافة H 2 O 2 (30.0٪ بالوزن في الماء؛ انظر الجدول 1) إلى H 2 SO 4 (95،0-98،0٪، انظر الجدول 1) لسنة نسبة 1: 3 في، كوب نظيف واسع.
    تنبيه: حلول سمكة البيرانا هي ضارة للغاية، هي مادة مؤكسدة قوية وخطرة للغاية. خذ الحذر الشديد في التعامل مع الحلول سمكة البيرانا وارتداء معدات السلامة المناسبة.
  2. غمر أيون محفورا رقاقة مع ميزات محفورا مواجهة ويترك لمدة 5 دقائق. إزالة بعناية رقاقة وشطف تماما مع H 2 O. منزوع الأيونات
  3. إعادة غمر الرقاقة في حل سمكة البيرانا لمدة 2 دقيقة. إزالة بعناية رقاقة وشطف تماما مع غزير H 2 O. منزوع الأيونات
  4. في غطاء منفصل جيد التهوية مخصص للاستخدام المذيبات، وغسل رقاقة مع وجود تدفق مستمر منالأسيتون (≥99.5٪، انظر الجدول 1)، يليه دفق مستمر من الميثانول (99.8٪، انظر الجدول 1) وتجفيف رقاقة مع N 2 الغاز. التخلص من حل سمكة البيرانا باتباع إجراءات السلامة المناسبة.

4. إعداد غطاء زجاج البورسليكات

  1. باستخدام أداة الكاتب، حفر خطوط مستقيمة في الزجاج البورسليكات لخلق شرائح مستطيلة الشكل (على سبيل المثال، 8 × 4 سم 2). المفاجئة بعناية الزجاج لاسترداد شرائح مستطيلة.
  2. تأخذ واحدة من هذه الشرائح الزجاجية ووضعه على رأس نسخة مطبوعة من التصميم المطلوب (مع الأبعاد الفعلية) للاحتفال موقع المداخل والمخارج على الزجاج مع علامة سوداء.
  3. حفر مدخل ومخرج ثقوب في الزجاج البورسليكات.
    ملاحظة: معدات السلامة المناسبة يجب أن ترتديه في جميع الأوقات.
    1. إصلاح 1/8 "مثقاب في فم الصحافة الحفر. ضع شريحة زجاجية مستطيلة على رأسلوحة آل مع حفر ثقوب بحيث علامات على الزجاج هي فوق الفتحات الموجودة في لوحة ال. تأمين الزجاج على لوحة آل مع الشريط.
    2. خفض بعناية مقبض تغذية لبدء حفر ثقوب صغيرة في كوب والاستمرار في خفض مقبض حتى يتم إجراء ثقب من خلال الزجاج. وبمجرد الانتهاء من الحفرة، وإزالة الشريط ورفع الزجاج ببطء لإزالة مسحوق الزجاج. وضع مسحوق الزجاج في كوب بالماء ونبذ استخدام إجراءات السلامة المناسبة.
    3. تجف بعناية الزجاج بقطعة قماش ماصة غير المنتجة للالوبر واتباع نفس الإجراءات (خطوات 4.3.1-4.3.2) لحفر أخرى مدخل ومخرج الثقوب.
  4. اتبع الإجراء نفسه (المادة 3 أعلاه) لتنظيف قطعة الزجاج مستطيلة مع حل سمكة البيرانا.
    تنبيه: حلول سمكة البيرانا هي ضارة للغاية، هي مادة مؤكسدة قوية وخطرة للغاية. خذ الحذر الشديد في التعامل مع الحلول سمكة البيرانا وارتداء معدات السلامة المناسبة.

5. بأكسيد الربط

  1. باستخدام أداة الكاتب، حفر خطوط مستقيمة في سي الرقاقة حول محيط رقاقة ميكروفلويديك مثل أنها أصغر قليلا من شريحة زجاجية مستطيلة (على سبيل المثال، 7 × 3 سم 2). المفاجئة بعناية الرقاقة على طول خطوط محفورة.
  2. شطف قطاع سي مع وجود تدفق مستمر من الأسيتون (≥99.5٪، انظر الجدول 1)، يليه دفق مستمر من الميثانول (99.8٪، انظر الجدول 1). وضع رقاقة على طبق ساخن في درجة حرارة 95 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة حتى يجف.
  3. مع ميزات محفورا على القطعة سي مواجهة، إضافة بعناية زجاج نظيفة على صدارة فئتها من السيارات سي وتأكد من أن الثقوب محاذاة بشكل صحيح.
  4. بعناية الوجه شرائح مع ضمان يتم الاحتفاظ محاذاة الثقوب. منذ قطعة الزجاج أكبر من شريحة سي، وتأمين الجزئين مع الشريط على الوجهين حيث يؤمن نصف الشريط حواف العمودي للقطاع سي، والنصف الآخرالشريط يؤمن الزجاج المتدلية. ثم الوجه شرائح أخرى من هذا القبيل أن الجزء الزجاج على القمة، ووضع شرائح على رأس لوح معدني على طبق ساخن.
  5. بعناية إضافة لوح معدني الثاني (على سبيل المثال، الصلب) من الوزن الثقيل بما فيه الكفاية (أي لا يقل عن 5 كلغ) مباشرة إلى الجزء العلوي من الزجاج تجميعها وشرائح سي.
    ملاحظة: يجب أن لا يكون هذا لوح معدني في اتصال مع شريحة سي أو شريط موصل.
  6. استخدام إمدادات الطاقة عالية الجهد، ربط الرصاص واحد (السلطة) إلى لوح معدني على أعلى من الزجاج تجميعها وشرائح سي والرصاص الآخر (الأرض) إلى لوح معدني أسفل.
  7. تحويل الجهد على طبق ساخن الأساسية إلى 1000 خامسا تحقق من الجهد المطبق باستخدام متعدد. اضغط التحقيق واحدا ضد لوحة أسفل، وتحقيق آخر ضد الصفيحة العلوية.
    تنبيه: إن الجهد العالي هو في غاية الخطورة. يجب الحرص على عدم لمس ألواح معدنية أو أسلاك توصيل.
  8. ترك الساخنةلوحة في 450 درجة مئوية لمدة 2 ساعة للسماح للزجاج "غطاء" لanodically السندات إلى الركيزة سي. العودة بعد 2 ساعة لإيقاف طبق ساخن، إيقاف إمدادات الطاقة العاصمة وإزالة الجهاز من ألواح معدنية.
    تحذير: إن ألواح معدنية تكون ساخنة للغاية أثناء وبعد عملية الربط، بحيث يسمح للمواد لتبرد لمدة لا تقل عن 1 ساعة بعد إيقاف طبق ساخن.

6. وضع اللمسات الأخيرة على جهاز Acoustofluidic

  1. كشط سطح الزجاج بشفرة الحلاقة لإزالة الأوساخ التي تنتجها الترابط انوديك وتنظيف سطح الزجاج مع الأسيتون.
  2. إعداد ورقة من ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان (PDMS) ما يقرب من 5 مم وقطع عدة، ألواح صغيرة مربعة تقريبا 10 × 10 مم 2 (انظر الجدول 1). 23
  3. استخدام خزعة لكمة 3 مم إلى قطع فتحة واحدة في وسط كل بلاطة PDMS وذلك لإدراج أنابيب السيليكون من خلال ذلك. وضع ألواح مباشرة على رأس الحفرةالصورة على الركيزة الزجاج والغراء ألواح مع الايبوكسي.
    ملاحظة: يجب الحرص على عدم استخدام الكثير من الغراء لأنها سوف تسد فتحات الجهاز.
  4. بعناية الغراء zirconate تيتانات (PZT) محول يؤدي إلى الجزء سي على الجانب الخلفي للجهاز، محورها تحت متناهية.
  5. جندى اثنين من الأسلاك لاثنين من المناطق الموصلة على محول PZT. الحرص على أن الأسلاك هي التي تعلق بشكل آمن إلى محول PZT. إدراج أنابيب السيليكون من خلال ثقوب في ألواح من PDMS وإضافة الغراء إضافية حول الألواح والأنابيب لضمان تعلقهم.

7. استخدام الجهاز Acoustofluidic

  1. جبل آمن الجهاز على مرحلة المجهر مع متناهية مباشرة تحت هذا الهدف.
    ملاحظة: تأكد محول PZT لم يكن قادرا على الاتصال مع المرحلة عن طريق وضع إدراج صغير تحت الجهاز.
  2. باستخدام موصلات موحدة، وربط أنابيب السيليكون من outlخدمات الاختبارات التربوية للجهاز لحقن تأمين على المضخات حقنة.
    ملاحظة: ويهدف هذا التكوين من أجل "وضع الانسحاب". قد بدلا من أن تستخدم مضخات حقنة لحقن العينة في الجهاز.
  3. وضع أنبوب السيليكون المؤدية إلى مدخل الجهاز في قارورة تحتوي على عينة السائل (على سبيل المثال، تعليق الخرز البوليسترين أو خلايا).
  4. ضع قارورة تحتوي على عينة السائل على طبق من ضجة لخلط باستمرار العينة والتأكد من أن تركيز ثابت من الجزيئات أو الخلايا المحافظة طوال فترة التجربة.
  5. ربط الأسلاك من محول PZT إلى الإخراج من السلطة مكبر للصوت في سلسلة مع مولد وظيفة. برنامج الإعدادات على مولد وظيفة (على سبيل المثال، ذروة إلى ذروة الجهد والتردد) ورصد إشارة خرج من مكبر للصوت باستخدام الذبذبات. تشغيل مولد وظيفة والسلطة مكبر للصوت لبدء تشغيل الصمامات محول PZT 6.
    1. لتقدير تردد الرنين من الجهاز، اتبع المعادلة ج = λ * ƒ، حيث c هي سرعة الصوت في المتوسط ​​(أي المياه)، λ هي طول الموجة الصوتية وƒ هو تردد محول PZT. في حالة وجود نصف طول الموجة التوافقية (التي نظهر في القسم ممثل النتائج)، وينبغي أن يكون عرض متناهية نصف طول موجة دائمة.
    2. استخدام إعداد الجهد الذروة إلى الذروة في نطاق 0-50 V.
      ملاحظة: زيادة في نتائج الجهد المطبق في سعة الضغط العالي، وبالتالي، acoustophoresis أكثر سرعة.
  6. بدوره على المجهر وضمان قناة ميكروفلويديك بشكل واضح في التركيز.
  7. بدوره على ضخ حقنة لتطبيق تدفق وإدخال العينة في الجهاز. مراقبة الكيانات التي تتدفق من خلال الجهاز مع المجهر على وضع مضان.
  8. ضمان الجهاز تركز بكفاءة particليه عن طريق ضبط الجهد الذروة إلى الذروة التي تزود بها محول PZT لتعديل السعة الضغط وعن طريق إجراء مسح التردد بالقرب من تردد الرنين المتوقع لتحديد تردد الرنين التجريبية.

النتائج

لقد قمنا بتصميم جهاز acoustofluidic تحتوي على مدخل trifurcating، وهي القناة الرئيسية ويبلغ عرضه 300 ميكرون ومنفذ trifurcating (الشكل 1A - B). ونلاحظ أن كنا فقط مدخل واحد لجميع التجارب في هذه الدراسة (أي تحقيق sheathless تركيز الجسيمات عن طريق قوات الأشعة الصوتية) عن طريق منع مداخل أخرى مع شمعات القابلة للإزالة. وفقا للإجراءات المذكورة أعلاه، قمنا بإنشاء رقاقة امتلاك عرض القناة 313 ميكرون، مع وجود خطأ من ~4٪ بسبب عيوب أثناء عملية التصنيع الدقيق (الشكل 1C - D). قمنا بتشغيل الجهاز على تردد القيادة من 2،366 ميغا هرتز للحث على موجة دائمة التوافقي نصف طول الموجة.

كنا مولد إشارة متصلة السلطة مكبر للصوت لتوليد عالية التردد الموجي الجيبية لتحفيز آر PZTansducer. استخدمنا الذبذبات لقياس الجهد الناتج من الذروة إلى الذروة (V ص) التي تم إنشاؤها من السلطة مكبر للصوت للتحقق من الإخلاص للشكل إشارة والسعة. باستخدام مضخة المحاقن، ونحن حقن أول تعليق الخضراء الخرز البوليسترين الفلورسنت بمعدل 100 ميكرولتر / دقيقة دون يشتغل من محول PZT كعنصر تحكم السلبية (الشكل 2A). المقبل، ونحن دفعتها الجهاز على 2.366 ميغاهيرتز لتشكيل موجة نصف الطول الموجي الأمد عبر عرض متناهية (V ص = 40 V، الشكل 2B). وجدنا أن هذه الجسيمات، التي لديها عامل إيجابي النقيض الصوتية، وركزت على طول العقدة الضغط كما هو متوقع. 6 ونحن أيضا حقن جزيئات فلوري الحمراء مع عامل النقيض الصوتي السلبي (أي ɸ ≈ -0.88، توليفها من عملية وصفها سابقا) 8 التحقق من أن الجهاز لدينا يمكن أن يفضي تركيز على طول antinodes الضغط ( الشكل 2C).

وأخيرا، اكتشفنا مدى تركيز الجسيمات مع عامل إيجابي النقيض الصوتية في مجموعة من معدلات تدفق (أي، 0 إلى 1،000 ميكرولتر / دقيقة على النحو الذي ينظمه على ضخ حقنة) والفولتية (أي 0-50 بي بي). تم جمع أشرطة الفيديو التي تتألف من 15 لقطة لكل حالة. تم استخدام برنامج ImageJ لعينة خمسة من ملف كثافة مضان عبر عرض متناهية. تم استخدام برنامج الحوسبة العددي في المتوسط ​​لمحات كثافة لكل حالة ولضمان سلاسة البيانات المتوسط ​​باستخدام برنامج تصفية المضمنة. كما هو متوقع، ومدى الجسيمات التركيز (أي، على النحو المحدد في عرض ذروة مضان الموافق عرض للتيار من الجسيمات) انخفضت مع زيادة معدلات التدفق (الشكل 3A). كما وجدنا أن حجم الجسيمات التركيز، زيادة مع زيادة الفولتية المطبقة (فايجوري 3B).

figure-results-1
الشكل 1: جهاز Acoustofluidic دعم موجات دائمة الصوتية السائبة وجهات النظر تخطيطي للأعلى (A) وأسفل (ب) من جهاز يتألف من الركيزة السيليكون محفورا تنصهر إلى الزجاج البورسليكات "غطاء"، ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان (PDMS) كتل متصلة سيليكون أنابيب ومحول كهربائي ضغطي ملحوم على الأسلاك لصقها على الجزء السفلي من الجهاز. وتظهر الصور من أعلى (C) وأسفل (D) للجهاز أيضا. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2
الشكل 2: الصوتية تركيزالجسيمات مع العوامل الإيجابية والسلبية على النقيض الصوتية. (A) قبل يشتغل من محول الرائدة zirconate تيتانات (PZT)، والجسيمات مع عامل إيجابي الصوتية على النقيض من (10 ميكرون، والخرز البوليسترين الأصفر والأخضر) التي تتدفق في 100 ميكرولتر / دقيقة احتلت عرض متناهية. (ب) بعد محول PZT دفعتها (V ص = 40 V وƒ = 2.366 ميغا هرتز)، وتظهر الجسيمات في الفقرة (أ) للتركيز على عقدة ضغط موجة دائمة. (C) الجسيمات مع عامل النقيض الصوتي السلبي ركزت على طول antinodes ضغط موجة دائمة في غياب تدفق التطبيقية (V ص = 40 V وƒ = 2.366 ميغا هرتز). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.


وتظهر ل(A) مختلف معدلات تدفق (تتراوح من 0 إلى 1،000 ميكرولتر / دقيقة) مع ثابت ذروة ل- - التركيز أداء جهاز acoustofluidic المؤامرات مضان كثافة من الخرز البوليسترين (B هو مبين في الشكل 2A): الشكل (3). ذروة الجهد من 40 V و (ب) مختلف الفولتية التطبيقية (تتراوح 0-50 بي بي) مع معدل تدفق ثابت من 100 ميكرولتر / دقيقة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

المناقشة

تقدم Acoustophoresis نهج بسيط وسريع لترتيب بالضبط كيانات مجهرية داخل microchannels الموائعية من دون الحاجة إلى السوائل غمد المستخدمة في نهج التركيز الهيدروديناميكية. 24 هذه الأجهزة توفر العديد من المزايا أكثر من غيرها من أساليب الجسيمات أو الخلية التلاعب (على سبيل المثال، magnetophoresis، 25،26 dielectrophoresis 27 أو بالقصور الذاتي مما اضطر 28) نظرا لقدرتها على معالجة الكيانات دون حساسيات مغناطيسية عالية، polarizabilities الكهربائية أو حجم التبعثر الضيق. وعلاوة على ذلك، فإن العقد تركيز على موجة دائمة الصوتية يمكن وضعه بعيدا عن مصدر الإثارة، وهو أمر غير ممكن عن طريق المجالات المغناطيسية أو الكهرباء الساكنة حسب سرعة الانسياب في 29 ميزة إضافية هي أن الأجهزة الصوتية يمكن أن تركز جزيئات عبر مجموعة واسعة من معدلات تدفق التطبيقية ومستقلة للاتجاه تدفق، وهذا غير ممكن في الأجهزة ثار الاعتماد على قوات بالقصور الذاتي للتركيز، 28 توفير وسائل لنقل بكفاءة جزيئات أو خلايا لتعزيز فحص الجسيمات لتطبيقات مثل التدفق الخلوي والجسيمات التحجيم. 30،31 سهولة تصنيع الجهاز وعملية يمكن أن تسمح مباشرة لتنفيذ ما شابه الأجهزة للتركيز، التركيز، وتجزئة والفرز الأجسام المعلقة في السوائل. 32

لقد أظهرنا أن قوات الإشعاع الأولية، التي هي أقوى القوى التي تنتجها موجات دائمة الصوتية (1)، يمكن أن تركز المجهرية الدقيقة التي تتدفق من خلال قناة ميكروفلويديك في معدلات تدفق تتجاوز 10 مل / ساعة لتصميم فتحة واحدة. لمعدل تدفق ثابت من 100 ميكرولتر / دقيقة، وتبين لنا أن لدينا جهاز يمكن أن تركز جزيئات إلى تبسيط الضيق (أي 50 ميكرون عبر) دون أي سوائل غمد في الفولتية المنخفضة مثل 20 V الذروة إلى الذروة، مما يتيح أدنى مستوى طريقة باور للbatchwise تركيز 10000000 حزبجسيمات / دقيقة عند حلول المعالجة المركزة المكتظة (على سبيل المثال، 6 × 10 8 الجسيمات / مل)، على سبيل المثال. وعلاوة على ذلك، وهذا الإنتاجية ويمكن زيادة بشكل كبير من خلال افتعال متعددة الفوهة رقائق acoustofluidic أو القنوات التي دفعتها مع التوافقيات أعلى لإنتاج مجموعات من العقد موازية. 33

في حين أن الجهاز يظهر هنا فقط يتطلب المواد والأساليب المستخدمة في التصنيع الدقيق التقليدية، فإننا نؤكد أن هناك حفنة من غيرها من التقنيات التي يمكن استخدامها لبناء أجهزة مماثلة. 19،34،35 وتشمل مزايا هذا النهج بساطته وكذلك متانة الجهاز النهائي.

وتشمل الخطوات الحاسمة لتصنيع هذه الأجهزة ضوئيه لتحديد هندسة متناهية، على رد الفعل الحفر أيون لتشكيل القناة في السيليكون وانوديك الترابط لصهر السيليكون إلى "غطاء" شفافة للمراقبة من قبل fluorescenم المجهر. كل هذه الخطوات تتطلب مرافق غرفة نظيفة لتجنب جمع الغبار أو الحطام داخل الجهاز. مرة واحدة هذه الخطوات كاملة، ومع ذلك، تربط محول PZT والموانئ الموائعية هي واضحة نسبيا ويمكن القيام بها خارج غرفة نظيفة.

ومع ذلك، العلاج المناسب من الجهاز أمر ضروري لطول العمر. وهذا يشمل (1) احتضان الجهاز مع تخميل الكواشف (على سبيل المثال، بولي (جلايكول الإثيلين) سيلاني) قبل كل تجربة لحماية القناة من تراكم بقايا و(2) التنظيف الجهاز مع المنظفات بعد كل تجربة. تراكم الحطام قد تعرض الاخلاص من موجة دائمة الصوتية وقد يقلل من القدرة على التركيز بكفاءة الجزيئات أو الخلايا داخل الجهاز. ونلاحظ أيضا أن هذه الأجهزة ليست مناسبة تماما للعينات polydisperse عالية أو العينات التي تحتوي على الكيانات يقترب من نصف حجم موجة دائمة.

Acoustofluiوتوفر الأجهزة مدينة دبي للإنترنت فائدة هائلة لمجموعة متنوعة من التطبيقات التي تمتد من التجمع الغروية إلى الخلية فصل والتدفق الخلوي. القدرة على معالجة العينات البيولوجية مع الدقة في معدلات تدفق عالية يمكن أن تسمح القدرة على زيادة الانتاجية من خلال هذه الأجهزة ميكروفلويديك، في حين خفض التكاليف من الكواشف لزوم لها، وأحجام عينة كبيرة أو معدات ضخمة لتوزيع السوائل غمد. طرق تصنيع المطلوبة لجعل أجهزة acoustofluidic هي واضحة والإجراءات المطلوبة لتشغيلها وسهلة الاستعمال. ونحن نأمل أن تكون هذه الإجراءات تشجيع التنمية على نطاق واسع من الأجهزة المماثلة لتحفيز مجالات جديدة للبحث عن التطبيقات عبر مواد العلوم، والتكنولوجيا الحيوية والطب.

الإفصاحات

يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

شكر وتقدير

تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (من خلال المنح DMR-1121107 و CMMI-1363483 وزمالات أبحاث الدراسات العليا (GRF-1106401) إلى CWS و DFC و KAO.) والمعاهد الوطنية للصحة (R21GM111584). لا يوجد تضارب في المصالح بين المؤلفين.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
رقائق السيليكونأديسون الهندسية ، إنك.3P16 "رقاقة السيليكون الصف الميكانيكي < 111>
AZ 9260 مقاومة للضوءMicroChemicals GmbHAZ9260-Qمقاومة للضوء الإيجابية
AZ 400K مطورMicroChemicals GmbHAZ400K CONC-CSتمييع 1 جزء AZ 400K في 4 أجزاء منزوعة الأيونات H2< / sub>O
H2< / sub>O2< / sub>Sigma Aldrich، Co.21676330 في المائة بالوزن في H2O
H2SO4Sigma Aldrich, Co.كاشف ACS 320501، 95.0-98.0٪
1165 مزيل الضوءDow Chemical ، Co.DEM-100180731-methyl-2-pyrrolidinone القائم
على الأسيتونسيجما ألدريتش ، كو.320110كاشف ACS, & 99.5٪
كحول الأيزوبروبيلسيجما ألدريتش ، شركة.W292907 99.7٪ ، لجنة الاتصالات الفيدرالية ، FG
ميثانولسيجما ألدريتش ، كو.322415اللامائي ، 99.8٪
زجاج البورسليكات   ؛ (زجاج Nexterion B)Schott AG 2098576< ص>الحجم: 120 × 60 & plusmn; 0.1 مم السماكة: 1 & plusmn ؛ 0.005 مم < / ص >
مثقاب للزجاج والسيراميك & nbsp ؛ماكماستر كار ، إنك.2954A1حجم مثقاب الحفر: 1/8 " الطول الكلي: 2 3/16 " قطر الساق: 7/64 "
مجموعة Polydimethylsiloxane (PDMS)Sigma Aldrich، Co.761036شركة داو كورنينج ؛ سيلجارد 184 & ريج ؛ 10 جرام كليب باك
خزعة لكمة   ؛  تيد بيلا، إنك. 15078معرف تلميح هاريس أحادي النواة: 3.0 mm  نصيحة OD: 3.40 مم
محول تيتانات الزركونات الرصاص (PZT)APC International، Ltd.طلب مخصص ، (841 WFB)الطول: 30.0 مم ، العرض: 5.0 مم ، التردد: 2.46 ميجا هرتز ، 2.0 مم التفاف نهاية لليؤدي
إلى أنابيب السيليكون   ؛كول بارمر إنسترومنت ، كو07625-220.6 مم معرف
حبات البوليسترينثيرمو فيشر العلمية، Inc.F-883610 & م مضان أصفر وأخضر

المراجع

  1. Laurell, T., Petersson, F., Nilsson, A. Chip integrated strategies for acoustic separation and manipulation of cells and particles. Chem Soc Rev. 36 (3), 492-506 (2007).
  2. Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
  3. Schmid, L., Weitz, D. A., Franke, T. Sorting drops and cells with acoustics: acoustic microfluidic fluorescence-activated cell sorter. Lab Chip. 14 (19), 3710-3718 (2014).
  4. Guo, F., et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (1), 43-48 (2015).
  5. Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (16), 4970-4975 (2015).
  6. Gao, L., et al. Two-dimensional spatial manipulation of microparticles in continuous flows in acoustofluidic systems. Biomicrofluidics. 9 (1), 014105(2015).
  7. Bruus, H. Acoustofluidics 7: The acoustic radiation force on small particles. Lab Chip. 12 (6), 1014-1021 (2012).
  8. Shields, C. W. IV, et al. Nucleation and growth synthesis of siloxane gels to form functional, monodisperse, and acoustically programmable particles. Angew Chem Int Ed Engl. 53 (31), 8070-8073 (2014).
  9. Petersson, F., Nilsson, A., Holm, C., Jonsson, H., Laurell, T. Separation of lipids from blood utilizing ultrasonic standing waves in microfluidic channels. Analyst. 129 (10), 938-943 (2004).
  10. Cushing, K. W., et al. Elastomeric negative acoustic contrast particles for affinity capture assays. Anal Chem. 85 (4), 2208-2215 (2013).
  11. Johnson, L. M., et al. Elastomeric microparticles for acoustic mediated bioseparations. J Nanobiotechnology. 11, 22(2013).
  12. Shields, C. W. IV, Johnson, L. M., Gao, L., Lopez, G. P. Elastomeric negative acoustic contrast particles for capture, acoustophoretic transport, and confinement of cells in microfluidic systems. Langmuir. 30 (14), 3923-3927 (2014).
  13. Shields, C. W. IV, Reyes, C. D., Lopez, G. P. Microfluidic cell sorting: a review of the advances in the separation of cells from debulking to rare cell isolation. Lab Chip. 15, 1230-1249 (2015).
  14. Goddard, G., Martin, J. C., Graves, S. W., Kaduchak, G. Ultrasonic particle-concentration for sheathless focusing of particles for analysis in a flow cytometer. Cytometry A. 69 (2), 66-74 (2006).
  15. Goddard, G. R., Sanders, C. K., Martin, J. C., Kaduchak, G., Graves, S. W. Analytical Performance of an Ultrasonic Particle Focusing Flow Cytometer. Anal Chem. 79 (22), 8740-8746 (2007).
  16. Goddard, G., Kaduchak, G. Ultrasonic particle concentration in a line-driven cylindrical tube. J Acoust Soc Am. 117 (6), 3440(2005).
  17. Lenshof, A., Magnusson, C., Laurell, T. Acoustofluidics 8: applications of acoustophoresis in continuous flow microsystems. Lab Chip. 12 (7), 1210-1223 (2012).
  18. Carugo, D., et al. A thin-reflector microfluidic resonator for continuous-flow concentration of microorganisms: a new approach to water quality analysis using acoustofluidics. Lab Chip. 14 (19), 3830-3842 (2014).
  19. Austin Suthanthiraraj, P. P., et al. One-dimensional acoustic standing waves in rectangular channels for flow cytometry. Methods. 57 (3), 259-271 (2012).
  20. Wiklund, M., Nilsson, S., Hertz, H. M. Ultrasonic trapping in capillaries for trace-amount biomedical analysis. J App Phys. 90 (1), 421(2001).
  21. Shields, C. W. IV, et al. Field-directed assembly of patchy anisotropic microparticles with defined shape. Soft Matter. 9 (38), 9219(2013).
  22. Yeom, J., Wu, Y., Selby, J. C., Shannon, M. A. Maximum achievable aspect ratio in deep reactive ion etching of silicon due to aspect ratio dependent transport and the microloading effect. J Vac Sci Technol B Microelectron Nanometer Struct Process Meas Phenom. 23 (6), 2319(2005).
  23. McDonald, J. C., Whitesides, G. M. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices. Acc Chem Res. 35 (7), 491-499 (2002).
  24. Golden, J. P., Justin, G. A., Nasir, M., Ligler, F. S. Hydrodynamic focusing--a versatile tool. Anal Bioanal Chem. 402 (1), 325-335 (2012).
  25. Hejazian, M., Li, W., Nguyen, N. T. Lab on a chip for continuous-flow magnetic cell separation. Lab Chip. 15 (4), 959-970 (2015).
  26. Shields, C. W. IV, Livingston, C. E., Yellen, B. B., Lòpez, G. P., Murdoch, D. M. Magnetographic array for the capture and enumeration of single cells and cell pairs. Biomicrofluidics. 8 (4), 041101(2014).
  27. Voldman, J. Electrical forces for microscale cell manipulation. Annu Rev Biomed Eng. 8, 425-454 (2006).
  28. Di Carlo, D. Inertial microfluidics. Lab Chip. 9 (21), 3038-3046 (2009).
  29. Earnshaw, S. On the nature of the molecular forces which regulate the constitution of the luminferous ether. Trans Camb Phil Soc. 7, 97-112 (1842).
  30. Piyasena, M. E., Graves, S. W. The intersection of flow cytometry with microfluidics and microfabrication. Lab Chip. 14, 1044-1059 (2014).
  31. Grenvall, C., Antfolk, C., Bisgaard, C. Z., Laurell, T. Two-dimensional acoustic particle focusing enables sheathless chip Coulter counter with planar electrode configuration. Lab Chip. 14 (24), 4629-4637 (2014).
  32. Au, A. K., Lee, W., Folch, A. Mail-order microfluidics: evaluation of stereolithography for the production of microfluidic devices. Lab Chip. 14 (7), 1294-1301 (2014).
  33. Piyasena, M. E., et al. Multinode acoustic focusing for parallel flow cytometry. Anal Chem. 84 (4), 1831-1839 (2012).
  34. Lenshof, A., Evander, M., Laurell, T., Nilsson, J. Acoustofluidics 5: Building microfluidic acoustic resonators. Lab Chip. 12 (4), 684-695 (2012).
  35. Evander, M., Tenje, M. Microfluidic PMMA interfaces for rectangular glass capillaries. J Micromech Microeng. 24 (2), 027003(2014).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

PZT PDMS

مقالات ذات صلة