Herstellung und Betrieb von Acoustofluidic Devices Unterstützung Bulk-Acoustic-Standing Waves für sheathless Fokussierung der Partikel

Das übergeordnete Ziel dieses Herstellungsansatzes ist es, ein vielseitiges und robustes akustofluidisches Gerät zu schaffen, mit dem mikrometergroße kolloidale Partikel berührungslos mit akustischen stehenden Wellen manipuliert werden können. Unser Ziel ist es, einen einfachen Ansatz zu demonstrieren, indem wir zeigen, wie akustofluidische Werkzeuge, die akustische stehende Wellen in großen Mengen unterstützen, mit Standardgeräten und -verfahren hergestellt werden können, in der Hoffnung, diese nützliche Technologie zugänglicher zu machen. Ein großer Vorteil der Akustofluidik besteht darin, dass sie eine einfache Möglichkeit bietet, mikroskopische Einheiten schnell zu fokussieren oder zu trennen, was weitreichende Auswirkungen auf die On-Chip-Zytometrie und die Zellsortierung hat.

Diese Technologie bietet die Möglichkeit, Partikel in einer Vielzahl von Durchflussraten auf schonende und differenzierte Weise anzuordnen, und das alles auf einer praktischen miniaturisierten Plattform. Platzieren Sie in einer Reinraumanlage einen sauberen, einseitig polierten Siliziumwafer mit der polierten Seite nach oben auf einem Spin Coater. Platzieren Sie einen positiven Fotolack direkt auf der Mitte des Wafers, indem Sie ihn vorsichtig gießen, bis der Fotolack den größten Teil des Wafers bedeckt.

Drehen Sie dann die Probe, um eine gleichmäßige Schicht Fotolack zu erzeugen. Wenn Sie fertig sind, lassen Sie das Vakuum am Spannfutter los und verwenden Sie eine Waferpinzette, um den Wafer herauszunehmen. Legen Sie dann den Wafer auf eine Heizplatte und backen Sie ihn für die vom Fotolacklieferanten angegebene Zeit weich.

Während der Fotolack einbrennt, legen Sie eine Fotomaske, wie die hier gezeigte, in den Halter eines Masken-Aligners. Laden Sie dann den Wafer und belichten Sie ihn mit UV-Licht einer vom Fotolacklieferanten angegebenen Energiedosis. Nehmen Sie anschließend den photostrukturierten Wafer aus dem Halter und legen Sie ihn in eine Lösung des entsprechenden Entwicklers.

Wenn Sie fertig sind, nehmen Sie den Wafer aus dem Entwickler, waschen Sie ihn mit einem gleichmäßigen Strom von deionisiertem Wasser und trocknen Sie ihn mit Stickstoff. Laden Sie den photostrukturierten Wafer in die Kammer eines tiefenreaktiven Ionenätzinstruments und ätzen Sie die fluidischen Kanäle in den Wafer bis zur gewünschten Tiefe nach Standard-Ätzverfahren. Wenn der Ätzvorgang abgeschlossen ist, entladen Sie die Probe aus der Kammer und geben Sie sie in ein großes Becherglas, das eine Fotolack-Entfernerlösung enthält.

Stellen Sie sicher, dass der Wafer in die Lösung eingetaucht ist und lassen Sie ihn eine Stunde lang bei 65 Grad Celsius einweichen. Nehmen Sie die Waffel aus dem Becherglas und spülen Sie sie abwechselnd mit Aceton und Isopropylalkohol ab. Trocknen Sie dann den Wafer mit Stickstoff.

Bereiten Sie in einer gut belüfteten Haube, die für die Verwendung mit Säure zugelassen ist, eine Piranha-Lösung in einem großen, sauberen Becherglas zu, indem Sie der Schwefelsäure 30 % Wasserstoffperoxid im Verhältnis eins zu drei hinzufügen. Tauchen Sie den ionengeätzten Wafer mit den geätzten Merkmalen nach oben in die Piranha-Lösung und lassen Sie ihn fünf Minuten lang stehen. Entfernen Sie dann den Wafer und spülen Sie ihn gut mit entionisiertem Wasser ab.

Tauchen Sie den Wafer weitere zwei Minuten in die Piranha-Lösung und spülen Sie ihn dann erneut mit reichlich entionisiertem Wasser ab. Waschen Sie den Wafer in einer separaten, gut belüfteten Haube, die für die Verwendung von Lösungsmitteln vorgesehen ist, mit einem stetigen Strom Aceton, gefolgt von einem stetigen Strom Methanol, und trocknen Sie den Wafer dann mit Stickstoffgas. Ätzen Sie mit einem Ritzwerkzeug gerade Linien um den Umfang des mikrofluidischen Chips in den Wafer, so dass er kleiner ist als die Abmessungen des rechteckigen Glassegments mit vorgebohrten Löchern.

Lassen Sie den Wafer vorsichtig entlang der geätzten Linien einrasten. Spülen Sie das Siliziumsegment mit einem stetigen Strom Aceton, gefolgt von einem stetigen Strom Methanol. Legen Sie den Wafer dann zwei Minuten lang bei 95 Grad Celsius auf eine heiße Platte, damit er trocknen kann.

Legen Sie dann vorsichtig das saubere Glas mit den geätzten Merkmalen nach oben auf das Silikonsegment. Stellen Sie sicher, dass die Löcher richtig ausgerichtet sind. Drehen Sie dann die Segmente vorsichtig um und stellen Sie sicher, dass die Löcher ausgerichtet bleiben.

Sichern Sie die beiden Segmente mit doppelseitigem leitfähigem Klebeband, wobei die Hälfte des Bandes die vertikalen Kanten des Silikonsegments und die andere Hälfte des Bandes das überhängende Glas sichert. Drehen Sie dann die Segmente erneut so, dass das Glassegment oben liegt. Legen Sie die Segmente auf eine Stahlplatte auf einer heißen Platte bei 450 Grad Celsius.

Anschließend wird vorsichtig eine zweite Stahlplatte von mindestens fünf Kilogramm direkt auf die zusammengesetzten Glas- und Silikonsegmente gelegt. Diese Platte sollte nicht mit dem Silikonsegment oder dem leitfähigen Band in Berührung kommen. Verbinden Sie mit einem Hochspannungsnetzteil das stromführende Kabel mit der Stahlplatte auf den montierten Glas- und Silikonsegmenten und die Erde mit der unteren Stahlplatte.

Drehen Sie die Spannung an der darunterliegenden Heizplatte auf 1.000 Volt. Überprüfen Sie die angelegte Spannung mit einem Multimeter, indem Sie eine Sonde gegen die Bodenplatte und die andere Sonde gegen die obere Platte drücken. Kehren Sie nach zwei Stunden zurück, um die Heizplatte und die Gleichstromversorgung auszuschalten und das Gerät von den Metallplatten zu entfernen.

Kratzen Sie die Oberfläche des Glases mit einem Rasiermesser ab, um den durch die anodische Bindung entstehenden Schmutz zu entfernen, und reinigen Sie dann die Oberfläche des Glases mit Aceton. Bereiten Sie als Nächstes eine etwa fünf Millimeter dicke Folie aus Polydimethylsiloxan vor, indem Sie sie in mehrere kleine quadratische Platten von etwa 10 Millimetern x 10 Millimetern schneiden. Verwende einen 3-mm-Biopsiestanzer, um ein Loch in die Mitte jeder Platte zu schneiden.

Kleben Sie dann die Platten mit Epoxidharz direkt auf die Löcher auf dem Glassubstrat. Löten Sie zwei Drähte an die beiden leitenden Bereiche des Wandlers. Kleben Sie den Blei-Zirkonat-Titanat-Wandler vorsichtig auf das Siliziumsegment auf der Rückseite des Geräts, das unter dem Mikrokanal zentriert ist.

Führen Sie zum Schluss den Silikonschlauch durch die Löcher in den Platten aus Polydimethylsiloxan und tragen Sie zusätzlichen Kleber um die Platten und den Schlauch auf, um sie an Ort und Stelle zu halten. Montieren Sie das Gerät sicher auf einem Mikroskoptisch, wobei sich der Mikrokanal direkt unter dem Objektiv befindet. Achten Sie darauf, dass der Schallkopf nicht mit dem Tisch in Berührung kommt.

Verbinden Sie als Nächstes die Silikonschläuche aus den Auslässen des Geräts mit den Spritzen, die an den Spritzenpumpen befestigt sind. Legen Sie den Silikonschlauch, der zum Einlass des Geräts führt, in ein Fläschchen, das eine Suspension aus Polystyrolkügelchen oder interessierenden Zellen enthält. Stellen Sie dann das Fläschchen mit der Probe auf eine Rührplatte, um es kontinuierlich zu mischen, um sicherzustellen, dass während des gesamten Experimentverlaufs eine konstante Konzentration aufrechterhalten wird.

Verbinden Sie den Wandler mit dem Ausgang einer Leistungsverstärker in Reihe mit einem Funktionsgenerator. Programmieren Sie die Einstellungen am Funktionsgenerator und überwachen Sie den Ausgang an einem Oszilloskop. Schalten Sie dann den Funktionsgenerator und den Leistungsverstärker ein, um mit der Betätigung des Wandlers zu beginnen.

Schalten Sie dann das Mikroskop ein und stellen Sie sicher, dass der mikrofluidische Kanal deutlich scharf ist. Schalten Sie außerdem die Spritzenpumpe ein, um die Probe in das Gerät einzuführen. Überwachen Sie die Entitäten, die während des gesamten Experiments durch das Gerät fließen, mit einem Fluoreszenzmikroskop

Hier wurde eine Spritzenpumpe verwendet, um die mikrofluidische Kammer mit einer Suspension aus grün fluoreszierenden Polystyrolkügelchen mit einer Geschwindigkeit von 100 Mikrolitern pro Minute zu infundieren. Sobald der Blei-Zirkonat-Titanat-Wandler aktiviert und auf eine Frequenz von 2,366 Megahertz abgestimmt ist, bildet sich über die Breite dieses Mikrokanals mit einem Durchmesser von 313 Mikrometern eine stehende Welle mit halber Wellenlänge. Dadurch wird der Strom der Perlen entlang des Druckknotens fokussiert.

Bei der Injektion der rot fluoreszierenden Silikonpartikel, die einen negativen akustischen Kontrastfaktor aufweisen, konzentrierten sie sich entlang der Druckantinodes. Die Fähigkeit dieses Systems, Teilchen zu fokussieren, hängt sowohl von der Durchflussrate als auch von den angelegten Spannungen ab. Mit zunehmender Strömung verteilt sich die Verteilung der Partikel über den Mikrokanal.

Auch das Erhöhen der angelegten Spannungen erhöht das Ausmaß der Partikelfokussierung. Sobald dieses Gerät in Betrieb ist, kann es zur Manipulation von Partikeln und Zellen für eine Vielzahl von mikrofluidikbasierten Bioassays und Experimenten verwendet werden, die eine feine räumliche oder zeitliche Kontrolle erfordern. Es ist wichtig, sich Zeit zu nehmen und bei jedem Schritt vorsichtig zu sein, da Eile bei jedem Schritt zu Unvollkommenheiten im Endprodukt führen kann.

Sobald das Gerät fertig ist, kann es viele Male verwendet werden, solange das Gerät zwischen den Anwendungen mit den richtigen Reinigungsmitteln und Waschpuffern gereinigt wird. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein akustofluidisches Gerät aus Silikon und Glas herstellt, das akustische stehende Wellen unterstützt. Bitte denken Sie daran, dass Sie mit starken Chemikalien arbeiten, wie z. B. der Piranha-Mischung, die bei unsachgemäßer Handhabung äußerst gefährlich sein können.

Bitte gehen Sie beim Umgang mit diesen Flüssigkeiten mit der gebotenen Sorgfalt vor, um eine sichere chemische Praxis für alle Ihre Fertigungsarbeiten zu gewährleisten.