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

الهدف العام من نهج التصنيع هذا هو إنشاء جهاز صوتي مائع (acoustofluidic) متعدد الاستخدامات وقوي للتحكم في الجسيمات الغروية ذات الحجم الميكروني بطريقة خالية من التلامس باستخدام الموجات الصوتية الموقوفة الكتلية. هدفنا هو توضيح نهج بسيط من خلال بيان كيفية تصنيع أدوات صوتية مائعة تدعم الموجات الصوتية الموقوفة الكتلية باستخدام معدات وإجراءات قياسية، على أمل جعل هذه التقنية المفيدة أكثر سهولة في الوصول إليها. وتكمن الميزة الرئيسية للموائع الصوتية في أنها توفر طريقة بسيطة لتركيز أو فصل الكيانات المجهرية بسرعة، وهو ما له تداعيات واسعة في قياس التدفق الخلوي على الشريحة وفرز الخلايا.

توفر هذه التقنية القدرة على ترتيب الجسيمات بمعدلات تدفق متنوعة بطريقة لطيفة ومميزة، وكل ذلك ضمن منصة مصغرة ومريحة. في منشأة الغرفة النظيفة، ضع رقاقة سيليكون مصقولة من جانب واحد بمقاس ست بوصات تكون نظيفة على جهاز طلاء دوراني بحيث يكون الجانب المصقول متجهًا للأعلى. ضع مادة مقاومة للضوء موجبة مباشرة على مركز الرقاقة عن طريق السكب بعناية حتى تغطي المادة المقاومة للضوء معظم الرقاقة.

بعد ذلك، قم بتدوير العينة لإنتاج طبقة متساوية من المادة المقاومة للضوء. عند الانتهاء، قم بتحرير تفريغ الهواء من قاعدة التثبيت واستخدم ملاقط الرقائق لاستعادة الرقاقة. بعد ذلك، ضع الرقاقة على لوح تسخين وقم بإجراء عملية الخبز اللين للمدة الزمنية المحددة من قبل مورد المادة المقاومة للضوء.

أثناء عملية خبز المقاوم الضوئي، قم بتحميل قناع ضوئي، مثل ذلك الموضح هنا، في حامل جهاز محاذاة الأقنعة. بعد ذلك، قم بتحميل الرقاقة وتعريضها للأشعة فوق البنفسجية بجرعة طاقة محددة من قبل مورد المقاوم الضوئي. ثم قم بإزالة الرقاقة ذات النمط الضوئي من الحامل ووضعها في محلول المظهر المناسب لها.

عند الانتهاء، أخرج الرقاقة من المحمّض، واغسلها بتدفق مستمر من الماء منزوع الأيونات، ثم جففها باستخدام النيتروجين. ضع الرقاقة ذات النمط الضوئي في غرفة جهاز النقش الأيوني التفاعلي العميق، وانقش القنوات المائعية في الرقاقة وصولاً إلى العمق المطلوب باتباع إجراءات النقش القياسية. وعند اكتمال عملية النقش، أخرج العينة من الغرفة وضعها في بيكر كبير يحتوي على محلول مزيل للمقاوم الضوئي.

تأكد من غمر الرقاقة في المحلول واتركها تنقع لمدة ساعة واحدة عند 65 درجة Celsius. أخرج الرقاقة من الكأس واغسلها بتدفقات متبادلة من acetone و isopropyl alcohol. ثم جفف الرقاقة باستخدام nitrogen.

في غطاء fume hood جيد التهوية ومعتمد لاستخدام الأحماض، قم بتحضير محلول بيرانا (Piranha solution) في دورق كبير ونظيف عن طريق إضافة بيروكسيد الهيدروجين بتركيز 30% إلى حمض الكبريتيك بنسبة واحد إلى ثلاثة. اغمر الرقاقة المحفورة أيونيًا في محلول بيرانا بحيث تكون الميزات المحفورة مواجهة للأعلى واتركها لمدة خمس دقائق. ثم أخرج الرقاقة واشطفها جيدًا بالماء منزوع الأيونات.

أعد غمر الرقاقة في محلول البيرانا (Piranha solution) لمدة دقيقتين إضافيتين، ثم اشطفها مرة أخرى بكميات وفيرة من الماء منزوع الأيونات. وفي خزانة أبخرة منفصلة جيدة التهوية ومخصصة لاستخدام المذيبات، اغسل الرقاقة بتدفق مستمر من الأسيتون يليه تدفق مستمر من الميثانول، ثم جفف الرقاقة بغاز النيتروجين. وباستخدام أداة خدش، قم بنقش خطوط مستقيمة في الرقاقة حول محيط الشريحة الموائعية الدقيقة بحيث تكون أصغر من أبعاد القطعة الزجاجية المستطيلة ذات الثقوب المحفورة مسبقاً.

قم بكسر الرقاقة بعناية على طول الخطوط المحفورة. اشطف قطعة السيليكون بتدفق مستمر من الأسيتون متبوعاً بتدفق مستمر من الميثانول. ثم ضع الرقاقة على لوح تسخين عند 95 °C لمدة دقيقتين حتى تجف.

بعد ذلك، أضف قطعة الزجاج النظيفة بعناية فوق جزء السيليكون بحيث تكون الميزات المحفورة متجهة للأعلى. تأكد من محاذاة الثقوب بشكل صحيح. ثم، اقلب الأجزاء بعناية مع ضمان بقاء الثقوب محاذية.

ثبّت القطعتين باستخدام شريط لاصق موصل ثنائي الوجه، بحيث يثبت نصف الشريط الحواف الرأسية لقطعة السيليكون، بينما يثبت النصف الآخر الزجاج البارز. بعد ذلك، اقلب القطعتين مرة أخرى بحيث تكون القطعة الزجاجية في الأعلى. ضع القطعتين فوق لوح فولاذي على لوح تسخين عند 450 درجة مئوية.

بعد ذلك، أضف بعناية لوحاً فولاذياً ثانياً يزن خمسة كيلوغرامات على الأقل مباشرة فوق قطع الزجاج والسيليكون المجمعة. يجب ألا يلامس هذا اللوح قطعة السيليكون أو الشريط الموصل. وباستخدام مصدر طاقة عالي الجهد، صِل الطرف الموجب (الحي) باللوح الفولاذي الموجود أعلى قطع الزجاج والسيليكون المجمعة، وصِل الطرف الأرضي باللوح الفولاذي السفلي.

اضبط الجهد الكهربائي في اللوح الساخن الموجود في الأسفل على 1,000 فولت. تحقق من الجهد المطبق باستخدام المقياس المتعدد (multimeter) عن طريق ضغط أحد المسبارين على اللوح السفلي والمسبار الآخر على اللوح العلوي. عُد بعد مرور ساعتين لإيقاف تشغيل اللوح الساخن ومصدر التيار المستمر (DC power supply)، ثم قم بإزالة الجهاز من الألواح المعدنية.

قم بكشط سطح الزجاج باستخدام شفرة حلاقة لإزالة أي أوساخ ناتجة عن الربط الأنودي، ثم نظف سطح الزجاج باستخدام الأسيتون. بعد ذلك، قم بتجهيز شريحة من البوليديميثيل سيلوكسان بسمك 5 mm تقريبًا عن طريق تقطيعها إلى عدة ألواح مربعة صغيرة يبلغ قياسها 10 mm × 10 mm تقريبًا. استخدم خرامة خزعات بقطر 3 mm لعمل ثقب واحد في مركز كل لوح.

بعد ذلك، قم بلصق الشرائح مباشرة فوق الفتحات الموجودة على الركيزة الزجاجية باستخدام راتنج الإيبوكسي. قم بتلحيم سلكين في المنطقتين الموصلتين في المحول. قم بلصق محول تيتانات زركونات الرصاص بعناية على قطعة السيليكون في الجانب الخلفي من الجهاز بحيث يكون متمركزاً أسفل القناة المجهرية.

وأخيرًا، أدخل الأنابيب السيليكونية عبر الثقوب الموجودة في شرائح polydimethylsiloxane وأضف غراءً إضافيًا حول الشرائح والأنابيب لتثبيتها في مكانها. قم بتثبيت الجهاز بإحكام على منصة المجهر بحيث تكون القناة الدقيقة مباشرة تحت العدسة الشيئية. توخَّ الحذر لضمان عدم ملامسة المحول للمنصة.

بعد ذلك، قم بتوصيل الأنابيب السيليكونية من مخرجات الجهاز بمحاقن مثبتة على مضخات محاقن. ضع الأنبوب السيليكوني المؤدي إلى مدخل الجهاز في قارورة تحتوي على معلق من حبيبات البوليسترين أو الخلايا المستهدفة. ثم ضع القارورة التي تحتوي على العينة على لوح تحريك لخلطها باستمرار لضمان الحفاظ على تركيز ثابت طوال فترة التجربة.

قم بتوصيل المحول بالخرج القادم من مضخم قدرة موصل على التوالي مع مولد دالات. قم ببرمجة الإعدادات في مولد الدالات وراقب المخرج على راسم الإشارات. بعد ذلك، قم بتشغيل مولد الدالات ومضخم القدرة لبدء تشغيل المحول.

بعد ذلك، قم بتشغيل المجهر وتأكد من أن القناة الموائعية الدقيقة في بؤرة التركيز بوضوح. كما يجب تشغيل مضخة الحقنة لإدخال العينة إلى الجهاز. قم بمراقبة الكيانات المتدفقة عبر الجهاز باستخدام مجهر فلوري طوال فترة التجربة.

هنا، استُخدمت مضخة حقنة لملء الغرفة الموائعية الدقيقة بمعلق من حبيبات البوليسترين ذات الفلورة الخضراء بمعدل 100 µL في الدقيقة. وبمجرد تنشيط محول الطاقة المصنوع من تيتانات زركونات الرصاص وضبطه على تردد 2.366 MHz، تتشكل موجة مستقرة بنصف طول موجي عبر عرض هذه القناة الدقيقة، التي يبلغ عرضها 313 µm. يؤدي ذلك إلى تركيز تدفق الحبيبات على طول عقدة الضغط.

عندما حُقنت جسيمات السيليكون الفلورية الحمراء، التي تمتلك عامل تباين صوتي سلبي، في الجهاز، فقد تجمعت على طول عُقد الضغط. وتعتمد قدرة هذا النظام على تركيز الجسيمات على كل من معدل التدفق والجهود الكهربائية المطبقة. ومع زيادة التدفق، يتسع توزيع الجسيمات عبر القناة الدقيقة.

كما أن زيادة الجهود الكهربائية المطبقة تزيد من درجة تركيز الجسيمات. وبمجرد تشغيله، يمكن استخدام هذا الجهاز للتحكم في الجسيمات والخلايا في مجموعة متنوعة من المقايات الحيوية والتجارب القائمة على الموائع الدقيقة والتي تتطلب تحكماً مكانياً أو زمانياً دقيقاً. ومن المهم تذكر التمهل وتوخي الحذر في كل خطوة، حيث أن العجلة في أي خطوة قد تؤدي إلى ظهور عيوب في الجهاز النهائي.

بمجرد الانتهاء من تصنيع الجهاز، يمكن استخدامه لمرات عديدة شريطة العناية بتنظيفه بين الاستخدامات باستخدام المنظفات ومحاليل الغسيل المناسبة. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكتسب فهماً جيداً لكيفية تصنيع جهاز صوتي مائع (acoustofluidic) يتكون من السيليكون والزجاج ويدعم الموجات الصوتية المستقرة في الكتلة. يرجى تذكر أنك تتعامل مع مواد كيميائية قوية، مثل خليط بيرانا (Piranha mixture)، والتي قد تكون خطيرة للغاية إذا تم التعامل معها بشكل غير صحيح.

يرجى توخي الحذر التام عند التعامل مع هذه السوائل لضمان ممارسة كيميائية آمنة في جميع أعمال التصنيع الخاصة بك.