介绍了一种利用双频激励在微流控通道中操控微粒的实验方案。
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本文内容
摘要
摘要
我们展示了一种在芯片实验室（lab-on-a-chip, LOC）系统中增强用于微粒操控的驻波表面声波（standing surface acoustic wave, SSAW）调谐能力的方法。通过对一对叉指换能器（interdigital transducers, IDTs）同时激发基频及其第三谐波（称为双频激励），可在微流体通道中产生一种新型的驻波声场。通过调节双频激励信号的功率和相位，可实现作用于微通道内微粒的声辐射力场的动态重构。例如，压力节点的数量和位置以及相应压力节点处的微粒浓度）。本文表明，当基频功率比大于约90%时，微粒向单一压力节点运动的时间可减少约2倍。相比之下，当功率比低于该阈值时，微通道内会出现三个压力节点。此外，调节基频与第三谐波之间的初始相位差，可导致三个声表面波（SSAW）压力节点的运动速率不同，并影响微通道中各压力节点处微粒所占的百分比。实验观察结果与数值模拟预测具有良好一致性。这种新型激励方法可轻松、无创地集成到芯片实验室（LOC）系统中，具有广泛的可调谐性，且仅需对实验装置进行少量改动。
引言
LOC技术将生物学、化学、生物物理学和生物医学过程中的一个或多个功能集成于微芯片上。LOC可实现亚毫米尺度的实验室装置，具有反应速率快、响应时间短、过程控制精度高、试剂消耗量低（减少废料、降低试剂成本、所需样本量更少）、因并行化而实现高通量、未来大规模生产成本低且可制成经济的一次性耗材、在化学、放射性或生物学研究中具有高安全性，以及设备紧凑便携等优势。1,2精确的细胞操作即，积累与分离）在基于实验室芯片（LOC）的分析与诊断中至关重要3,4然而，微粒操控的准确性和可重复性面临多种挑战。许多技术，例如电渗现象5，介电泳（DEP）6，磁泳7，热泳8,9一种光学方法10一种光电方法11一种流体动力学方法12，以及声泳13,
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方案
1. 微流控通道的制备
- 按10:1的比例将聚二甲基硅氧烷（PDMS）与弹性体基质混合。
- 将混合物在真空烘箱中脱气，然后浇注在顶部带有负性光刻胶图案的硅片上。
- 再次对带有图案的硅片进行脱气，并在培养箱中于70 °C加热3小时以固化。
2. 叉指换能器的制备
- 在 LiNbO3 晶圆上沉积 20 nm 的 Cr 和 400 nm 的 Al；在塑料光刻掩模上通过在基底上涂覆正性光刻胶，图形化制备 20 条宽度为 150 µm、通光孔径为 2 cm 的条带。
- 用丙酮去除未曝光区域的 Cr-Al 层。
- 以 30 W 的功率，使用氧等离子体（氮气与氧气比例为 2:1）处理其表面 60 秒。
- 对准 PDMS 微通道，并用拇指按压数秒钟，将其键合至 LiNbO3 基底上。
- 将集成器件置于 60 °C 的加热腔中 3 小时。
3. 双频激发
- 同时施加两个频率成分（f1 和 f3，分别为所制备的IDT的基本频率及其三阶谐波）之间的相位差 φ 在它们与IDT对之间，使得所产生的SAW可表示....
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结果
在双频激励（6.2 和 18.6 MHz）下，SSAW 的声压分布和声辐射力分布如图1所示。此处，双频激励作用于微通道中直径为 4 µm 的聚苯乙烯微粒，微通道宽度为 300 µm，声功率为 146 mW。当P1 > 90% 时，合成声压始终同相，因此仅在y = 150 µm 处存在一个压力节点。相比之下，在P1 = 90% 时，压力节点出现在y = 75、150 和 225 µm 处；在P1 = 0% 时，压力节点出现在y = 50、150 和 250 µm 处。P1 = 90% 的阈值在所有测试条件下几乎保持恒定，微粒直径范围为 4 - 10 µm，总声功率范围为 73 - 648 mW，驱动频率范围为 6.2 - 18.6 MHz。
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讨论
本研究深入探讨了在双频激励下表面声波（SSAW）作用时微通道中微粒的运动行为，并开发和测试了一种通过调节双频激励信号实现有效可调图案化的方法。此类波形的产生可由大多数函数发生器轻松实现，调节方法十分便捷。两种12- 和 S11所制备的叉指换能器（IDTs）的频率响应显示出多个共振模式34测得的基频为6.1 MHz，三次谐波为17.8 MHz，与设计值（6.2 MHz和18.6 MHz）接近，且具有相似的传输系数-8.34 dB。 与 -9.75 dB。因此，在单个IDT的双频激励下，这两个组分的声学能量输出预计相近。这种组分组合不仅限于 f1 和 f3。其他如 f1 和 f5，以及 f3 和 f5，也同样适用。尽管压电陶瓷也能产生体声波的不同谐波，但无法同时激发这些谐波。切换声场可增强微粒的分.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由新加坡教育部学术研究基金（AcRF）第一层次（RG171/15）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚二甲基硅氧烷 | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| 聚二甲基硅氧烷弹性体基底 | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| 硅晶圆 | Bonda Technology | SI8PSPD | |
| 负性光刻胶 | Microchem | SU-8 | |
| 双面抛光 LiNbO3 晶圆 | University Wafer | Y-128° | |
| 正性光刻胶 | Nicolaus-Otto-Straße | AZ 9260 | |
| 氧气等离子体 | Harrick Plasma | ||
| 塑料掩模 | Infinite Graphics |
参考文献
- Chin, C. D., Linder, V., Sia, S. K. Commercialization of microfluidic point-of-care diagnostic devices. Lab on a Chip. 12 (12), 2118-2134 (2012).
- Figeys, D., Pinto, D. Lab-on-a-chip: a revolution in biological and medical sciences. Analytical Chemistry. 72<....
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重印与许可
