制造，操作和表面声波驱动声逆流微流体流动可视化
August 27th, 2013
在这段视频中，我们首先描述的表面声波（SAW）声逆流装置的制造和运行程序。然后，我们证明实验装置，允许流量可视化进行定性和定量分析复杂的流量泵送装置内的SAW。
以下实验的总体目标是展示表面声学、波浪驱动的微流体逆流装置的装置制造作和随后的流动可视化。这是通过首先制造由金图案卵形锂表面声波层和聚甲基 xin 微通道层组成的两层器件来实现的。第二步，使用网络分析仪对设备进行测试，以确保指间传感器的正常运行，并找到运行逆流装置的谐振频率。
接下来，设备的入口处加载微球种子流体，并将射频信号施加到出口处的指间传感器。用高速显微镜记录所得的通道流，以获得分析结果以显示各种流方案，这些方案主要取决于器件的几何形状和施加的功率。虽然该方法针对声学控制流装置的制造和作，但本视频中的程序也可用于其他表面声波驱动的微流体装置的制造和作，例如微流体、混合泵和优化器。
一般来说，刚接触这种方法的人可能会遇到困难，因为在使用表面声波微流体时，需要掌握制造作和分析的许多不同方面。首先，使用两个单独的光掩模创建一个微流体装置，如随附的书面协议中所述，一个用于粉红色显示的表面声波层，另一个用于黄色显示的微通道模具。制造基本器件后，添加负片光刻胶，例如 ARN 43 40，并使用光学光刻技术曝光微通道区域。
然后使用 0.14 毫巴和 100 瓦的氧气等离子体活化暴露的样品表面 2 分钟，以提供约 450 伏的偏置电压。接下来，将 35 毫升 He aec、15 毫升四氯化碳和 20 微升 Okta 脱盐三氯乙烯混合到通风橱内的烧杯中。将装置放入溶液中以使表面化并使其疏水。
将装置置于覆盖的溶液中 2 小时，然后用异丙醇冲洗并在氮气下干燥。干燥后，检查水在表面的接触角是否在 90 度以上。如果接触角不足，请清洁样品并再次调整表面大小。
否则，用丙酮去除残留的光刻胶，然后用异丙醇冲洗并用氮气枪干燥。接下来，将样品安装在带有射频波导和标准同轴连接器的印刷电路板上后，在样品边缘放置吸声聚合物，并通过引线键合或使用 POGO 连接器连接指间传感器，如图所示。接下来，准备图案化 PDMS 层，其中包含具有所需尺寸的通道，如随附的文本协议中所述。
固化后，使用手术刀片在通道周围切割，小心不要损坏母模并将其剥离。然后使用剃须刀片细化和拉直复制品边缘。确保在通道的外侧至少留出 2 毫米的间隙，并且直接切穿样品，在通道出口处没有间隙。
接下来，使用 Harris unicorn 打孔机在微室中打一个孔，形成流体加载入口并取下气缸。然后使用显微镜通过简单的保形键合将 PDMS 通道与卵形锂衬底键合以进行对准。通过这种方式，粘接将在流体测试阶段保持保持，同时保持可逆性。
首先将表面声波延迟线连接到频谱分析仪的端口，然后测量设备的散射矩阵，以测试 RF 设备。一对单电极传感器的传输将类似于以指间传感器的工作频率为中心的同步函数的绝对值。接下来，观察反射光谱。
反射光谱的下降发生在与沿长轴以 100 兆赫兹工作频率的器件中传输峰值相同的频率。S 11 和 S 22 的典型值为负 8 分贝，S 12 的典型值为负 20 分贝，无 PDMS 通道。为了最好地可视化流动动力学，请将样品置于显微镜下。
具体的光学设置取决于要观察到的表面声波微流体现象。要研究流体填充动力学，请使用配备外汇物镜和每秒 30 帧摄像机的简单倒置显微镜。但是，要研究更复杂的微粒动力学，请使用 20 倍物镜和 100 FPS 或更高的摄像机。
重要的是，目标和帧速率都足够高，以捕获任何在空间和时间上重要的流特征。接下来，将通道出口前面的指间传感器连接到射频信号发生器和放大器，并在散射矩阵测量中观察到的谐振频率下运行。如有必要，请使用高功率 UHF 放大器。
在这里，我们使用的是最大输出为 37 DBM 且增益为 40 分贝的迷你电路 zw five 放大器。对于研究声学逆流，总输出功率至少达到 25 DBM 非常重要。在运行设备时观察声流和雾化现象，而没有声逆流。
在较低的功率下，通常声流再循环从 0 DBM 开始，雾化发生在 14 DBM 以上。接下来，通过每毫升添加 500 个微珠 10 到第 10 个颗粒，并在实验前涡旋溶液 15 秒，准备用于可视化的微珠加载液。然后将 60 μL 微珠悬浮液装入腔室。
缓慢使用微量移液器液体会被动扩散到微量腔室中，以避免可能的颗粒粘附在基材上，加载时对设备施加零 DBM 信号。开始通过显微镜录制视频并增加作功率，以观察声学逆流。不同的流动方案将由输入功率、芯片设计和颗粒直径决定。
为了定性地捕捉动力学，使用标记作为空间参考，记录通道填充不同阶段弯液面和入口附近的流体流动。然后，通过微粒图像、VE 不对称或空间时间图像相关光谱定量测量粒子动力学，如随附的文本协议中引用，以获得准确的结果。以粒子动力学施加的帧速率，以固定视野记录目标点处的流体流动至少 100 帧。
对于更复杂的分析以获得流线和速度场测量值，请使用自定义的微粒图像不对称性或时空图像相关光谱代码。以下是在锂酸盐层键合之前采集的典型 S 11 和 S 12 光谱。两个光谱中的谐振频率可以在 95 兆赫兹处看到。
S 11 频谱中中心频率处的谷深与射频功率在表面声波机械功率中的转换效率有关。因此，谷值最小值的降低将导致作设备所需的功率降低。S 12 频谱的最大值与射频功率和表面声波机械功率的转换效率以及波沿延迟线的衰减有关。
该值的降低可能源于波延迟线错位或裂纹等缺陷。显示。以下是使用 500 纳米乳胶速度观察到的四种不同的特征流模式。前两张图像显示了通道入口处的不同结果。
在左侧，由于通道填充开始时的声流现象，观察到两个对称的涡流，一段时间后，当通道部分填充时，实现层流。此处显示的图像来自弯月面附近。当通道部分填充在左侧时，观察到颗粒呈线堆积，并以与弯月面相同的速度移动。
当粒子动力学由右侧的声辐射力主导时，就会发生这种情况。这里观察到阻力和声流的主导地位。颗粒吞噬两个涡流，仅积聚在距离弯月面 300 微米以内的条带中，并且位于基材表面附近。
在参加这些程序时，请务必记住在从制造到作的所有实验阶段保持设备非常清洁。看完这个视频后，你应该对如何制造和测试表面声波器件有很好的了解。使用 PDMS 微流体技术，可视化和分析宏流体流。
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概述
这段视频展示了表面声波（SAW）驱动微流控逆流装置的制造和操作。它包括定性流动可视化和装置内复杂流动的定量分析。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控技术
- 声波技术
- 流动可视化
背景
- 表面声波装置用于操控流体流动。
- 该装置由金图案铌酸锂层和聚甲基丙烯酸甲酯微通道层组成。
- 理解微流控装置中的流动动力学对各种应用至关重要。
- 之前的研究探索了不同配置及其对流动行为的影响。
研究目的
- 制造一个用于控制流体流动的双层SAW装置。
- 可视化和分析装置产生的流动模式。
- 展示制造方法在其他微流控应用中的多功能性。
使用的方法
- 使用特定材料制造双层装置。
- 使用网络分析仪测试装置以确保正常运行。
- 向交错指状换能器施加射频信号以启动流动。
- 使用高速显微镜记录流动模式以进行分析。
主要结果
- 成功制造和操作SAW逆流装置。
- 可视化和分析了流动模式，显示其依赖于装置几何形状和功率。
- 结果表明在微流控应用中具有各种流动方案的潜力。
- 该方法可以适用于其他表面声波驱动的装置。
结论
- SAW装置有效操控研究应用中的流体流动。
- 流动可视化技术提供了对复杂流动动力学的洞察。
- 这种制造方法可应用于一系列微流控装置。
常见问题
Executive Industry Relevance
Surface acoustic wave (SAW) microfluidic devices enable precise fluid manipulation in lab-on-a-chip platforms, supporting early-stage discovery workflows where controlled microflow and particle dynamics are critical for assay development and target validation. The ability to visualize and quantify flow regimes—including laminar flow, vortices, and particle accumulation—provides mechanistic insights that de-risk biological hypotheses by linking physical stimuli to cellular or molecular responses. This technology enhances predictive confidence in preclinical models by offering a tunable, reproducible system for studying fluid-mediated biological effects under defined physical conditions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by applying controlled acoustic forces to modulate cellular microenvironments and observe downstream biological responses.
- Operational Value: Supports functional target validation through reproducible fluid dynamics that isolate mechanical variables in mechanotransduction studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated microfluidic systems for downstream screening by establishing stable, quantifiable flow conditions necessary for reliable compound exposure.
- Operational Value: Enhances assay standardization through precise control of flow rate, shear stress, and particle trafficking, improving data consistency across replicates.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables disease-relevant modeling of fluidic shear environments found in vasculature or secretory tissues, supporting translational biomarker discovery.
- Operational Value: Facilitates preclinical continuity by providing a tunable physical stimulus platform that bridges in vitro discovery and in vivo physiological conditions.
Pipeline & Workflow Integration
The SAW microfluidic platform integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis-driven fluid dynamics studies that inform lead identification and preclinical risk assessment through mechanistic de-risking of flow-dependent biological processes.
- Discovery Biology: Supports mechanistic interrogation of how fluid forces influence signaling pathways, cellular adhesion, and phenotypic outcomes in target validation.
- Screening: Delivers assay-ready microfluidic systems with reproducible flow profiles that ensure consistent compound delivery and response measurement.
- Analytics: Provides quantitative outputs such as particle velocity, vortex formation, and accumulation domains that enable objective comparison of experimental conditions.
- Translational Research: Connects in vitro fluid dynamics to pathophysiological flow environments, supporting biomarker alignment in preclinical models.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable microfluidic capability applicable across multiple projects requiring precise fluid control and visualization.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing ambiguity in mechanobiological assays through controlled, observable fluid dynamics.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility via definable flow regimes tied to input power, geometry, and particle characteristics.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling early detection of flow-dependent artifacts or false positives in screening campaigns.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by identifying mechanistically validated targets with reduced biological noise from uncontrolled fluid variables.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, RF electronics, and microfluidic system integration.
- Depends on access to lithography tools, RF signal generators, amplifiers, and high-speed microscopy.
- Necessitates cross-team standardization between fabrication, operation, and imaging teams for consistent results.
- Involves adaptation considerations when scaling to different channel geometries or particle types.
- Limited by the need for cleanroom environments and careful surface treatment to ensure reliable bonding and hydrophobic properties.
