双频激励下利用驻波表面声波操控微粒
2018年8月21日
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。
该方法有助于解决生物医学领域中的关键问题，例如在芯片实验室的微流控通道中操控微粒并辅助分选。该技术的主要优势在于能够增强表面声波驻波的可调谐性。演示该实验步骤的是我课题组的研究生Yannapol。
从微流控通道的模具开始。此模具为硅晶圆上的负性光刻胶图案。用于制作该模具的光刻图案可提供更详细的结构信息。
按10:1的体积比混合PDMS与固化剂。将混合物置于真空烘箱中脱气约15分钟。脱气后，将混合物转移至模具中。
然后，将其浇注在硅片的光刻胶上。接着，将覆盖后的硅片再脱气 15 分钟。之后，将硅片放入培养箱中加热，以固化 PDSM。
当PDMS冷却后，将其从硅片上取下。微流控通道已准备好进行后续步骤。准备用于制造换能器的基底。
在此情况下，使用直径为四英寸的铌酸锂晶圆。在匀胶机上，将正性光刻胶旋涂于该晶圆表面。随后，采用光刻技术在两厘米的开口区域内，将光刻胶图形化为20条宽度为150纳米的条带。
光刻之后，这是基底横截面变化的示意图。光刻胶显影后，在基底上溅镀20纳米铬，随后溅镀400纳米铝。使用丙酮去除非曝光区域上的铬和铝层。
将基底置于氧气等离子体中进行表面处理。使用氮气与氧气比例为2:1的混合气体，功率为30瓦，处理60秒。处理完成后，同时操作基底和微通道。
将PDMS微通道与铌酸锂基底对齐并键合。将两者压合数秒钟以实现粘接。将集成器件置于60度的加热腔室内保温三小时。
加热腔室后，该装置即可用于基于双频激发的表面声波驻波研究。进行观察时，将装置置于倒置显微镜的载物台上。确保带有叉指换能器的晶圆与载物台接触，并使微通道位于上方。
将换能器连接至函数发生器的放大信号输出端。安排来自注射泵的液体流经磁力搅拌器。制备实验所需的溶液。
将4微米的聚苯乙烯微球与去离子水混合。在旋涡振荡器中将混合物振荡2至3分钟，随后将混合物置于超声波破碎仪中处理10分钟。
将混合物转移至一个3毫升的注射器中。同时向注射器中加入一个搅拌子。接着，将注射器放置在注射泵上。
确保注射器位于磁力搅拌器上方，并连接至设备进样口。将注射泵流速设置为每分钟数微升。现在，使用叉指换能器的基本频率和三阶谐波驱动设备。
在显微镜下观察稳定的微粒，并使用数码相机记录图像。首先不进行激发，然后改变两个频率之间的相位差。利用所记录的图像确定每个压力节点处的微粒浓度。
这是表面声波在 6.2 兆赫和 18.6 兆赫激励频率下驻波压力波形的图示。纵轴表示沿宽度为 300 微米的微通道的位置。曲线代表不同的功率比，即基模功率占总功率（146 毫瓦）的百分比。
在相同功率条件下，同一通道内四个微米级微球所受的声辐射力如图所示。当功率比高于90%时，声力始终同相，在通道150微米位置形成单一压力节点。当功率比低于90%时，会出现额外的压力节点。当四个微米的聚苯乙烯微球初始置于通道壁时，其运动行为由功率比决定。
注意：当功率比高于90%时，粒子会移向中心节点；当功率比为90%及以下时，粒子则移向侧边节点。将实验数据（用符号表示）与模拟结果（用虚线表示）在粒子位置随功率比变化的关系上进行比较，两者符合良好。
请注意，此图显示了上侧和下侧的节点。在粒子浓度随功率比变化的图中，同样可以观察到良好的一致性。在进行此操作时，重要的是要记住通过调节双频激励的功率比来调节微流控通道中的声学驻波。
该技术问世后，为生物医学工程领域的研究人员探索在芯片实验室中快速、高效且灵活地操控微粒铺平了道路。请务必注意，使用电气仪器可能具有极高危险性，在进行本操作时应始终采取预防措施，防止触电。
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概述
本文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。该技术解决了生物医学领域中的关键问题，特别是在芯片实验室应用中。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控
- 生物医学工程
- 颗粒操控
背景
- 微流控通道在多种生物医学应用中至关重要。
- 操控微粒可增强这些通道中的分选和处理能力。
- 表面声波驻波可提高微粒操控的可调性。
- 本研究在硅片上采用负性光刻胶图案进行通道制备。
研究目的
- 演示一种在微流控通道中操控微粒的方法。
- 增强芯片实验室中的分选能力。
- 提高声波操控技术的可调谐性。
使用的方法
- 使用光刻技术制备微流控通道。
- 应用双频激励进行颗粒操控。
- 由一名研究生演示该操作流程。
- 评估该技术在微粒分选中的有效性。
主要结果
- 该方法能够以受控方式成功操控微粒。
- 在微流控通道中观察到增强的分选能力。
- 双频激励提高了声波的可调谐性。
- 实验证实了该技术在芯片实验室中的可行性。
结论
- 本方案提供了一种可靠的微粒操控方法。
- 该方法对生物医学应用与研究具有重要意义。
- 未来的研究可进一步拓展该技术的应用范围。
常见问题
行业重要性概述
该方法通过增强片上实验室系统中用于微粒操控的驻波表面声波的可调谐性，解决了生物医学工程领域的一个关键挑战：即在诊断和治疗应用中对生物微粒进行精确且非侵入性的控制。通过双频激励实现可重构的声学力场，该方法提高了在微粒分选与富集工作流程中的预测可靠性，支持早期靶点验证和检测方法开发。该策略降低了微流控系统中微粒操控的机制不确定性，有助于在发现生物学和转化研究流程中做出基于风险评估的决策。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过在特定压力节点控制微粒浓度，可验证治疗假设，研究靶点结合或通路调控。
- 操作价值：通过可重复且可调节的微粒操控，阐明在受控微环境中功能靶点的行为，支持生物学风险降低。
- 预测价值：通过实现微粒的精确定位以进行下游分析，提高先导化合物筛选的置信度，减少筛选过程中的假阳性结果。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：通过在特定声学节点实现稳定的微粒图案化，为下游实验流程提供经过验证的生物系统。
- 操作价值：通过功率比依赖性调控压力节点的数量与位置，提升检测的标准化与可重复性，确保化合物评估的可靠性。
- 平台价值：通过非侵入式集成至芯片实验室系统，并仅需极少的设置调整，展现出优异的筛选适用性与可扩展性，支持高通量应用。
转化与临床前研究
- 科学价值：通过在模拟生理流动条件的微流控通道中操控仿生微粒，探讨疾病的关联性。
- 操作价值：通过在多个节点上实现相位调节的粒子分布控制，支持从发现到临床前验证的连续性研究。
- 风险调整型进展：基于不同功率比下的定量粒子浓度输出结果支持决策，符合机制性降低风险的目标。
流程与工作流整合
该方法适用于从早期生物学中的假设验证到先导化合物筛选阶段的检测就绪性这一发现连续过程，特别是在微流控平台中，当颗粒操控能够实现功能性检测读出或与生物标志物匹配的分选时尤为适用。
- 发现生物学：通过调节功率比来控制单个或多节点处的颗粒聚集，阐明目标依赖性响应，说明该方法如何支持假设检验。
- 筛选：通过可重复的微颗粒浓度分布模式描述检测的准备状态，从而实现对化合物诱导的颗粒行为变化的可靠检测。
- 分析学：强调粒子位置和浓度等定量输出结果作为功率比和相位差的函数关系，可在不同实验条件下进行统计学比较。
- 转化研究：通过允许调节相位以控制三个压力节点，使该方法与临床前研究保持连续性，用于模拟疾病相关系统中颗粒的动态转运过程。
- 企业级复用：将该方法定位为一种可在多个项目中重复使用的微流控颗粒操控技术，减少针对不同靶点开发定制化检测方法的需求。
运营与企业影响
- 科学价值：提高对颗粒操控结果的预测置信度，降低微流控系统中机制的模糊性，并通过可控的颗粒定位增强靶点验证。
- 操作价值：通过功率比阈值实现标准化（例如，基频占比 >90% 以实现单节点控制），确保实验间可重复性，并在芯片实验室系统中实现双频激励的可扩展性。
- 战略价值：通过实现精确的颗粒分选以减少生物噪声，支持在先导化合物识别中做出更优的决策；利用可重构波形提升资本效率；并通过提高临床前预测能力降低后期研发风险。
- 项目组合影响：基于定量的颗粒浓度数据进行风险校正后的靶点优先级排序，支持以机制性降险为依据的推进决策。
实施注意事项
- 需要具备微流控器件制备、声波理论以及双频激励信号处理方面的专业科学知识。
- 所需仪器包括信号发生器、放大器、压电基底上的叉指换能器（例如铌酸锂），以及用于粒子追踪的显微镜。
- 跨团队标准化需统一功率比阈值、相位校准协议以及粒子浓度测量方法。
- 在不同模型系统间的适应性调整需考虑改变通道尺寸、粒子尺寸和流体性质，以维持声学共振和操控效率。
- 实际限制包括需要精确的相位控制以避免节点意外移动，以及对粒子声学对比度的依赖性，这一点在聚苯乙烯微球的实验观察中已有说明。
生物制药常见问题
Chapters in this video
0:04
Title
0:34
Preparation of the Microfluidic Channel
1:29
Fabrication of the Interdigital Transducers
3:00
Experimental Observation
4:30
Results: Effect of Dual-frequency Standing Surface Acoustic Waves on the Motion of Polystyrene Microparticles in a Microchannel
6:01
Conclusion
