Methodenartikel

Mikropartikel Manipulation durch ständigen akustischen Oberflächenwellen mit Zweifrequenz-Erregungen

DOI:

10.3791/58085

⸱

21. August 2018

 , 
1School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ein Protokoll für die Manipulation der Mikropartikel in einem mikrofluidischen Kanal mit einem Zweifrequenz-Erregung wird vorgestellt.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wir zeigen eine Methode zur Erhöhung der tuning Fähigkeit von einem ständigen akustische Oberflächenwellen (Tripadvisor) für Mikropartikel Manipulation in einem Lab-on-a-Chip (LOC) System. Die gleichzeitige Erregung der Grundfrequenz und seine dritte harmonische, die als Zweifrequenz-Anregung, um ein paar interdigital Transducer (IDTs) bezeichnet wird könnte eine neue Art von stehende Schallwellen in einem Mikrofluidik-Kanal erzeugen. Variation, die Kraft und die Phase der Erregung Zweifrequenz-Ergebnisse in einem rekonfigurierbaren Feld die akustische Strahlung Krafteinwirkung auf die Mikropartikel in der Microchannel Signale (z.B.die Anzahl und Lage der Knoten Druck und die Mikropartikel Konzentrationen an den entsprechenden Druck-Knoten). Dieser Artikel zeigt, dass die Fahrzeit von der Mikropartikel auf nur einem Knoten reduziert werden kann ~ 2-fold auf das Leistungsgewicht der Grundfrequenz größer als ca. 90 %. Im Gegensatz dazu gibt es drei Druck-Knoten in der Microchannel, wenn weniger als diese Schwelle. Des weiteren Anpassung der Anfangsphase zwischen der Grundfrequenz und die dritte harmonische Ergebnisse in andere Bewegung Preise der drei Tripadvisor Druck Knoten sowie des Anteils der Mikropartikel an jedem Druck-Knoten in der Microchannel. Es ist eine gute Übereinstimmung zwischen der experimentellen Beobachtung und der numerischen Vorhersagen. Diese neuartige Erregung Methode integrieren leicht und nicht-invasiv in das LOC-System, mit einem breiten Vertretbarkeit und nur ein paar Änderungen an der Versuchsaufbau.

Einleitung

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LOC-Technologie integriert eine oder mehrere Funktionen auf einem Mikrochip für Biologie, Chemie, Biophysik und biomedizinischen Prozesse. LOC ermöglicht ein Labor-Setup im Maßstab kleiner als Sub-Millimeter, schnelle Reaktionsgeschwindigkeiten, eine kurze Reaktionszeit, hohe Prozesskontrolle, einen geringen Verbrauch (weniger Abfall, weniger Reagenzien Kosten und weniger erforderlichen Probenvolumen), einen hohen Durchsatz aufgrund Parallelisierung, eine Low cost in Zukunft Massenproduktion und kostengünstige Einwegartikel, einen hohen Sicherheitsstandard für chemische, radioaktive oder biologische Studien und die Vorteile eines kompakten und tragbaren Gerät1,2. Präzise Zelle Manipulation (d.h., Ansammlung und Trennung) ist entscheidend für eine LOC-basierte Analyse und Diagnose3,4. Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Mikropartikel Manipulation haben jedoch eine Vielzahl von Herausforderungen. Viele Techniken, wie z. B. Elektro-Osmose5, Dielektrophorese (DEP)6, Magnetophoresis7, Thermophorese,8,9, eine optische Ansatz10, eine optoelektronische nähern11 , eine hydrodynamische Ansatz12und Acoustophoresis13,14,15, entwickelt worden. Im Vergleich sind akustische Ansätze für eine LOC-Anwendung geeignet, weil theoretisch können viele Arten von Mikropartikeln/Zellen effektiv manipuliert und nicht-invasiv mit einer ausreichend hohen Kontrast (Dichte und Kompressibilität) im Vergleich mit der umgebenden Flüssigkeit. Daher kommen im Vergleich zu ihren Kollegen, akustische Ansätze von Natur aus für die meisten Mikropartikel und biologischen Objekten, unabhängig von ihrer optischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften16.

Akustische Oberflächenwellen (SAWs) aus der IDTs propagieren meist auf der Oberfläche von einem piezoelektrischen Substrat bei der Dicke von mehreren Wellenlängen und dann Leck an der Rayleigh-Winkel in die Flüssigkeit in der Microchannel nach der Snell Gesetz17, 18,19,20,21,22. Sie haben die technischen Vorteile der hohen Energieeffizienz entlang der Oberfläche aufgrund ihrer Lokalisation der Energie, eine tolles Design-Flexibilität bei hoher Frequenz, eine gute Systemintegration mit mikrofluidischen Kanal und Miniaturisierung mit Micro-Elektronik-Mechanical (MEMS) Systemtechnologie und ein hohes Potenzial zur Serienfertigung23. In diesem Protokoll Sägen aus ein paar identische IDTs generiert und in die entgegengesetzte Richtung um eine stehende Welle oder Tripadvisor, in der Microchannel generieren wo abgehängte Mikropartikel an Druck Knoten, vor allem von der angewandten Akustik gedrängt werden vermehrt Strahlung Kraft24. Die Amplitude der so resultierende Kraft richtet sich nach der Erregerfrequenz, Mikropartikel Größe und seine akustischen Kontrast Faktor22,25.

Solche Acoustophoresis hat die Begrenzung der vorgegebenen manipulierende Muster, die nicht leicht verstellbar sind. Die Anregungsfrequenz des der IDTs richtet sich nach ihrer regelmäßigen Entfernung, so ist die Bandbreite sehr begrenzt. Verschiedene Strategien wurden entwickelt, um die Einstellbarkeit und Manipulation Funktionalität zu erweitern. Die erste und zweite Modi akustische stehender Wellen in verschiedenen Teilen der Microchannel angewendet könnte Mikropartikel effektiver nach verschiedenen Bewegung Geschwindigkeit in Richtung der Schwingungsknoten-Linien26trennen. Diese beiden Modi konnten auch auf der ganze Teil der Microchannel angewendet werden und wechselte alternativ27,28,29. Ist jedoch dafür, eine große Anzahl von Geräten (d.h., drei Funktion Generatoren, zwei Impedanzanpassung Einheiten und ein elektromagnetisches Relais) erforderlich, mit der steigenden Kosten und Kontrolle Komplexität der Versuchsaufbau aufgrund der verschiedenen elektrische Impedanzen an der Grundfrequenz und dritte harmonische der piezokeramischen Platte30. Darüber hinaus konnte schräg-Finger interdigital Transducer (SFITs) angewendet werden, um die Zellen und die Strukturierung durch eine Periode der schräge Finger für eine bestimmte Resonanz20,31spannende Mikropartikel anzupassen. Allerdings ist dann die Bandbreite umgekehrt proportional zu der Anzahl der schräge Finger. Mehrere Knoten Druckleitungen haben eine höhere Trennleistung und Sensibilität gegenüber der einzelnen Knotenpunkte Linie im konventionellen Tripadvisor-basierte Mikropartikel Separator. Alternativ könnte die Lage der Druck Knoten auch einfach durch Anpassung der Phasendifferenz angewendet, die zwei IDTs Design32,33geändert werden.

Die Grundfrequenz und die dritte harmonische IDTs haben ähnliche Frequenzgänge so dass sie gleichzeitig angeregt werden können die mehr Einstellbarkeit der Mikropartikel Manipulation34vorsieht. Im Vergleich zu den konventionellen IDT Erregung bei einer einzigen Frequenz, Anpassung der akustischen Druck die Zweifrequenz-Erregung und die Phase zwischen ihnen bietet technische Einzigartigkeit, z. B. bis zu ~ 2-fach Fahrzeit auf der Mondknotenachse Druck reduziert Linie oder die Mitte des der Microchannel, die vielfältige Anzahl und Lage der Knotenpunkte Druckleitungen und Mikropartikel-Konzentrationen.

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Protokoll

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1. Vorbereitung des mikrofluidischen Kanals

  1. Mischen Sie Poly-Dimethylsiloxane (PDMS) mit einem Elastomer Basis im Verhältnis 10:1.
  2. Die Mischung in einem Vakuumofen entgasen und gießt es auf einem Silizium-Wafer mit einem negativen Ton Photoresist Muster auf der Oberseite.
  3. Entgasen der gemusterten Silizium-Wafer wieder und Erhitzen Sie es bei 70 ° C für 3 h in einem Inkubator für Erstarrung.

2. Herstellung von Interdigital Transducer

  1. Anzahlung 20 nm Cr und 400 nm Al auf einem Wafer LiNbO-3 ; Muster 20 Streifen mit einer Breite von 150 µm und eine Blende von 2 cm auf einem Kunststoff-Maske für Photolithographie durch die Hinterlegung der positiven Photoresist auf dem Substrat.
  2. Entfernen Sie die Cr-Al-Schicht auf der nicht-exponierten Bereich mit Aceton.
  3. Behandeln sie die Oberfläche mit Sauerstoffplasma (mit einem Stickstoff und Sauerstoff-Verhältnis von 2:1) bei der Leistung von 30 W für 60 s.
  4. Richten Sie die PDMS Microchannel und binden Sie es an das LiNbO3 Substrat durch Drücken mit dem Daumen für ein paar Sekunden.
  5. Platzieren Sie das integrierte Gerät in der Heizkammer bei 60 ° C für 3 h.

(3) Zweifrequenz-Anregung

  1. Gleichzeitig gelten zwei Frequenzkomponenten (f1 und f3, die Grundfrequenz und seine dritte harmonische des vorgefertigten IDT, beziehungsweise) mit der Phase Unterschied φ zwischen ihnen zu dem IDTs, damit die produzierte Säge kann wie folgt ausgedrückt werden.
    figure-protocol-1
    Hier,
    figure-protocol-2und figure-protocol-3 = der akustischen Druck.
  2. Synthetisieren Sie die Zweifrequenz-Wellenform mit dem Formel-Editor von ArbExpress Anwendungs-Software auf die Sampling-Frequenz von 100 MS/s zu und zu speichern Sie, der Funktionsgenerator als beliebigen Eingabe für die Säge Erregung im Experiment über ein USB-Kabel.
  3. Die Macht der Grundfrequenz, die insgesamt abgestrahlte Leistung variieren figure-protocol-4 von 100 % (Erregung an den rein Grundfrequenz) auf 0 % (Erregung an den rein dritte harmonische); für einen guten Vergleich ändern, aber der gesamten Leistung beibehalten.
  4. Variieren Sie die Phasendifferenz der Zweifrequenz-Anregung von 0° bis 360°.

(4) numerische Simulation

  1. Beschreiben Sie die Bewegung der inkompressiblen Laminar-Flow mit niedrigen Reynolds (d.h., Re = 0,55) und Mach Zahlen wie folgt35.
    figure-protocol-5
    figure-protocol-6
    Hier,
    figure-protocol-7= der fluidgeschwindigkeit,
    figure-protocol-8= die dynamische Viskosität,
    figure-protocol-9= die flüssigkeitsdichte,
    figure-protocol-10= Druck auf die Flüssigkeit,
    figure-protocol-11= die Einheitsmatrix und
    figure-protocol-12= eine externe Kraft.
  2. Beschreiben Sie die produzierte Stoke ziehen Kraft auf das Objekt als folgt36.
    figure-protocol-13
    Hier,
    figure-protocol-14= den Radius der Mikropartikel,
    figure-protocol-15= die Geschwindigkeit der Flüssigkeit und
    figure-protocol-16die Geschwindigkeit der Mikropartikel =.
  3. Leiten Sie die akustische Strahlung Krafteinwirkung auf die Mikropartikel in der Microchannel entlang der X-Achse (über die Microchannel-Breite) auf einer einzigen Frequenz wie folgt16 .
    figure-protocol-17
    Hier,
    figure-protocol-18= die Menge der Mikropartikel,
    figure-protocol-19= die Dichte der Mikropartikel,
    figure-protocol-20= die Dichte des Mediums,
    figure-protocol-21= die Kompressibilität der Mikropartikel und
    figure-protocol-22= die Kompressibilität des Mediums.
  4. Die daraus resultierende akustische Strahlung Kraft der Zweifrequenz-Anregung wie folgt ableiten.
    figure-protocol-23
  5. Die Querbewegung über die Kanalbreite Express (entlang der y-Achse) ziehen Sie unter die akustische Strahlung Kraft und die Stokes Kraft durch Newtons zweites Gesetz wie folgt geregelt.
    figure-protocol-24
  6. Lösen Sie die gewöhnlichen Differentialgleichungen (Oden) oben mit der vierte Auftrag Runge-Kutta-Verfahren auf einem Personal Computer. Legen Sie den Zeitschritt und Gesamtdauer als 1 µs und 20 s, beziehungsweise.

5. experimentelle Beobachtung

  1. Drehen Sie die Lösung in der Konzentration von 5,9 x 107 mit 4 µm grün fluoreszierende Polystyrol-Kügelchen pro 1 mL durch Wirbel für ca. 2-3 min. und dann Tauchen sie in eine Ultraschall-sonikator für 10 min, jede Agglomeration vor jeder Prüfung zu stören.
  2. Füllen Sie die Masse in eine 3 mL Spritze und dann mit einer Spritzenpumpe bei einer Durchflussmenge von 3 bis 5 µL/min zu fahren.
  3. Fahren Sie die IDT mit dem Dual-Frequenz-Signal von einem Funktionsgenerator, gefolgt von einer Endstufe.
  4. Die stabilisierte Mikropartikel in der nachgeschalteten mikrokanal unter einem Lichtmikroskop bei 40 X Vergrößerung zu beobachten und das Bild mit einer digitalen Kamera aufnehmen.
  5. Messen Sie die Lage des kumulierten Mikropartikel in der digitalen Aufnahmen mit ImageJ und der etablierten Skala zu, und dann bestimmen Sie quantitativ die Konzentration von den angesammelten Mikropartikel mit der normalisierten Fluoreszenz Helligkeit Jeder Druck-Knoten.

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Ergebnisse

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Die Verteilungen der Schalldruck und die akustische Strahlung Kraft ein Tripadvisor auf die Zweifrequenz-Anregung (6.2 und 18,6 MHz) sind in Abbildung 1dargestellt. Hier tritt die Zweifrequenz-Anregung auf Polystyrol Mikropartikel (4 µm im Durchmesser) in einem mikrokanal mit einer Breite von 300 µm bei einer akustischen Leistung von 146 mW. Die daraus resultierende Schalldruck ist immer in Phase Wenn P1 > 90 % so, dass nur ein Druck K...

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Diskussion

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Die Mikropartikel-Bewegung in der Microchannel durch ein Tripadvisor auf die Zweifrequenz-Anregung wurde ausgiebig untersucht in dieser Studie, und eine Technik effektiv einstellbaren Strukturierung durch Variation der Zweifrequenz-Erregung Signale wurde entwickelt und getestet. Die Herstellung solch einer Wellenform ist leicht von den meisten Funktion Generatoren realisiert, und die Einstellung ist sehr bequem. Die S12- und S11-Frequenzgänge von vorgefertigten IDTs illustrieren mehrere resonanzmode...

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Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Arbeit wurde von der Academic Research Fund (AcRF) Stufe 1 (RG171/15), Ministerium für Bildung, Singapur gesponsert.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
PolydimethylsiloxanDow CorningSylgard 184
Polydimethylsiloxan Elastomer BaseDow CorningSylgard 184
Silizium WaferBonda TechnologySI8PSPD
Negativton PhotolackMicrochemSU-8
doppelseitig polierter LiNbO3 WaferUniversity WaferY-128&Grad;
positiver FotolackNicolaus-Otto-Straß eAZ 9260
Sauerstoff-PlasmaHarrick Plasma
KunststoffmaskeInfinite Graphics

Referenzen

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Dualfrequenz AnregungLab on a Chip SystemInterdigitale Wandlerakustische StrahlungskraftDruckknotenLeistungsverh ltniseinstellungPhasendifferenzabstimmungmikrofluidischer Kanal

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