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

Das übergeordnete Ziel dieses Herstellungsansatzes besteht darin, ein vielseitiges und robustes akustofluidisches Gerät zu schaffen, mit dem mikrometergroße kolloidale Partikel kontaktlos mithilfe von stehenden Volumenwellen manipuliert werden können. Unser Ziel ist es, einen einfachen Ansatz zu demonstrieren, indem gezeigt wird, wie akustofluidische Werkzeuge, die stehende Volumenwellen unterstützen, unter Verwendung standardmäßiger Geräte und Verfahren hergestellt werden, in der Hoffnung, diese nützliche Technologie zugänglicher zu machen. Ein wesentlicher Vorteil der Akustofluidik liegt darin, dass sie eine einfache Möglichkeit bietet, mikroskopische Objekte schnell zu fokussieren oder zu trennen, was weitreichende Implikationen in der Chip-basierten Zytometrie und Zellsortierung hat.

Diese Technologie bietet die Möglichkeit, Partikel auf schonende und gezielte Weise bei einer Vielzahl von Durchflussraten in einer kompakten, miniaturisierten Plattform anzuordnen. Legen Sie in einer Reinraumumgebung eine saubere sechs Zoll große Siliziumscheibe mit einseitig polierter Oberfläche mit der polierten Seite nach oben auf einen Spin-Beschichter. Geben Sie einen positiven Fotolack direkt in die Mitte der Scheibe, indem Sie ihn vorsichtig einfüllen, bis der Fotolack den größten Teil der Scheibe bedeckt.

Danach die Probe zentrifugieren, um eine gleichmäßige Schicht aus Photoresist zu erzeugen. Sobald der Vorgang abgeschlossen ist, das Vakuum am Chuck abschalten und mit Wafer-Pinzetten den Wafer entnehmen. Anschließend den Wafer auf eine Heizplatte legen und gemäß den Angaben des Photoresist-Herstellers eine Weile sanft trocknen.

Während der Photoresist backt, laden Sie eine Fotomaske, wie die hier gezeigte, in den Halter eines Maskenaligners ein. Anschließend laden Sie den Wafer und belichten ihn mit UV-Licht mit einer Energie-Dosis, die vom Hersteller des Photoresists vorgegeben wird. Danach entfernen Sie den fotomusterbelichteten Wafer aus dem Halter und legen ihn in eine Lösung des entsprechenden Entwicklers.

Nach Beendigung die Wafer aus dem Entwickler nehmen, mit einem gleichmäßigen Strom deionisiertem Wasser abwaschen und mit Stickstoff trocknen. Die photomusterbelichtete Wafer in die Kammer eines Tiefen-Reaktivionenätzers einlegen und die fluidischen Kanäle gemäß den Standardätzverfahren auf die gewünschte Tiefe in die Wafer ätzen. Sobald der Ätzprozess abgeschlossen ist, die Probe aus der Kammer entnehmen und in einen großen Becher mit einer Fotolack-Abbeizlösung geben.

Stellen Sie sicher, dass das Wafer in der Lösung eingetaucht ist, und lassen Sie es eine Stunde lang bei 65 Grad Celsius einweichen. Nehmen Sie das Wafer aus dem Becher und spülen Sie es abwechselnd mit Strömen von Aceton und Isopropylalkohol ab. Anschließend trocknen Sie das Wafer mit Stickstoff.

In einer gut belüfteten Abzugshaube, die für die Verwendung von Säuren zugelassen ist, stellen Sie eine Piranha-Lösung in einem großen, sauberen Becher her, indem Sie 30 %iges Wasserstoffperoxid in einem Verhältnis von eins zu drei zu Schwefelsäure hinzufügen. Tauchen Sie die ionengeätzte Waferplatte mit den geätzten Strukturen nach oben in die Piranha-Lösung ein und lassen Sie sie fünf Minuten lang darin. Anschließend nehmen Sie die Waferplatte heraus und spülen sie gründlich mit entionisiertem Wasser ab.

Tauchen Sie das Wafer erneut zwei Minuten lang in die Piranha-Lösung ein und spülen Sie es anschließend erneut mit reichlich entionisiertem Wasser ab. In einer separaten, gut belüfteten Abzugshaube, die ausschließlich für den Einsatz von Lösungsmitteln vorgesehen ist, spülen Sie das Wafer mit einem kontinuierlichen Strom Aceton, gefolgt von einem kontinuierlichen Strom Methanol, und trocknen Sie das Wafer anschließend mit Stickstoffgas. Ritzen Sie mithilfe eines Ritzwerkzeugs gerade Linien in das Wafer entlang des Umfangs des mikrofluidischen Chips, sodass dieser kleiner ist als die Abmessungen des rechteckigen Glassegments mit vorgebohrten Löchern.

Brechen Sie die Wafer vorsichtig entlang der eingeritzten Linien ab. Spülen Sie das Siliziumsegment mit einem gleichmäßigen Strom Aceton, gefolgt von einem gleichmäßigen Strom Methanol, ab. Anschließend stellen Sie den Wafer zwei Minuten lang zur Trocknung auf eine Heizplatte bei 95 Grad Celsius.

Danach vorsichtig das saubere Glas auf das Silikonsegment legen, wobei die geätzten Strukturen nach oben zeigen müssen. Sicherstellen, dass die Löcher korrekt ausgerichtet sind. Anschließend die Segmente vorsichtig umdrehen, wobei darauf geachtet werden muss, dass die Löcher weiterhin ausgerichtet bleiben.

Befestigen Sie die beiden Segmente mit doppelseitigem Klebeband, wobei die eine Hälfte des Bandes die vertikalen Kanten des Silikonsegments und die andere Hälfte das überstehende Glas fixiert. Drehen Sie die Segmente anschließend erneut um, sodass sich das Glassegment oben befindet. Stellen Sie die Segmente auf eine Stahlplatte auf einem Heizblock bei 450 Grad Celsius.

Danach vorsichtig eine zweite Stahlplatte mit einem Gewicht von mindestens fünf Kilogramm direkt auf die zusammengesetzten Glas- und Siliziumsegmente legen. Diese Platte darf weder das Siliziumsegment noch das leitfähige Klebeband berühren. Mithilfe einer Hochspannungsquelle die aktive Leitung mit der Stahlplatte auf den zusammengesetzten Glas- und Siliziumsegmenten verbinden und die Masse mit der unteren Stahlplatte verbinden.

Schalten Sie die Spannung des darunterliegenden Heizplättchens auf 1.000 Volt ein. Überprüfen Sie die angelegte Spannung mit einem Multimeter, indem Sie eine Sonde an die untere Platte und die andere Sonde an die obere Platte drücken. Kehren Sie nach zwei Stunden zurück, um das Heizplättchen und die Gleichstromquelle auszuschalten und das Gerät von den metallischen Platten zu entfernen.

Krätzen Sie die Oberfläche des Glases mit einem Rasiermesser ab, um Schmutz, der durch die anodische Bondung entstanden ist, zu entfernen, und reinigen Sie anschließend die Glasoberfläche mit Aceton. Bereiten Sie danach eine etwa fünf Millimeter dicke Scheibe aus Polydimethylsiloxan vor, indem Sie sie in mehrere kleine quadratische Platten von etwa 10 Millimeter mal 10 Millimeter schneiden. Verwenden Sie eine 3-mm-Biopsie-Stanze, um in die Mitte jeder Platte ein Loch zu stanzen.

Danach die Platten mithilfe von Epoxidharz direkt über den Öffnungen auf dem Glas-Substrat befestigen. Zwei Drähte an den beiden leitfähigen Bereichen des Wandlers verlöten. Den Blei-Zirkonat-Titanat-Wandler vorsichtig mittig unterhalb des Mikrokanals auf dem Siliziumabschnitt an der Rückseite der Vorrichtung verkleben.

Schließlich wird der Silikon-Schlauch durch die Löcher in den Polydimethylsiloxan-Blöcken geführt, und zusätzlicher Klebstoff wird um die Blöcke und den Schlauch herum aufgetragen, um diese zu befestigen. Das Gerät wird sicher auf der Mikroskoptischplatte befestigt, wobei der Mikrokanal sich direkt unterhalb des Objektivs befindet. Achten Sie darauf, dass der Wandler keinen Kontakt mit der Platte hat.

Verbinden Sie anschließend die Silikonschläuche von den Ausgängen des Geräts mit Spritzen, die an Spritzenpumpen befestigt sind. Führen Sie den Silikonschlauch, der zum Eingang des Geräts führt, in ein Gefäß, das eine Suspension entweder aus Polystyrolkügelchen oder den gewünschten Zellen enthält. Stellen Sie danach das Gefäß mit der Probe auf einen Rührer, um diese kontinuierlich zu mischen und so sicherzustellen, dass während des gesamten Experiments eine konstante Konzentration aufrechterhalten wird.

Schließen Sie den Wandler an den Ausgang eines Leistungsverstärkers in Reihe mit einem Funktionsgenerator an. Programmieren Sie die Einstellungen am Funktionsgenerator und überwachen Sie die Ausgabe auf einem Oszilloskop. Schalten Sie dann den Funktionsgenerator und den Leistungsverstärker ein, um die Ansteuerung des Wandlers zu beginnen.

Schalten Sie als Nächstes das Mikroskop ein und stellen Sie sicher, dass der mikrofluidische Kanal scharf im Fokus liegt. Schalten Sie außerdem die Spritzenpumpe ein, um die Probe in das Gerät einzuführen. Überwachen Sie während des gesamten Experiments die durch das Gerät fließenden Partikel mit einem Fluoreszenzmikroskop.

Hier wurde eine Spritzenpumpe verwendet, um die mikrofluidische Kammer mit einer Suspension grün fluoreszierender Polystyrolkugeln mit einer Rate von 100 Mikrolitern pro Minute zu befüllen. Sobald der Blei-Zirkonat-Titanat-Wandler aktiviert und auf eine Frequenz von 2,366 Megahertz abgestimmt ist, bildet sich eine stehende Welle mit einer halben Wellenlänge über die Breite dieses Mikrokanals, die 313 Mikrometer beträgt. Dadurch wird der Kugelstrom entlang des Druckknotens fokussiert.

Wenn die roten fluoreszierenden Silikonpartikel, die einen negativen akustischen Kontrastfaktor aufweisen, in das Gerät injiziert wurden, konzentrierten sie sich entlang der Druckknoten. Die Fähigkeit dieses Systems, Partikel zu fokussieren, hängt sowohl von der Strömungsrate als auch von den angelegten Spannungen ab. Mit zunehmender Strömung verteilen sich die Partikel über den gesamten Mikrokanal.

Auch eine Erhöhung der angelegten Spannungen verstärkt den Fokusierungsgrad der Partikel. Sobald das Gerät in Betrieb ist, kann es zur Manipulation von Partikeln und Zellen für eine Vielzahl mikrofluidikbasierter Bioassays und Experimente verwendet werden, die eine präzise räumliche oder zeitliche Kontrolle erfordern. Es ist wichtig, sich Zeit zu nehmen und bei jedem Schritt sorgfältig vorzugehen, da Eile in irgendeinem Schritt Fehler im fertigen Gerät verursachen kann.

Nachdem das Gerät fertiggestellt ist, kann es mehrfach verwendet werden, solange es nach jeder Nutzung ordnungsgemäß mit geeigneten Reinigungsmitteln und Waschpuffern gereinigt wird. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein akustofluidisches Gerät herstellt, das aus Silizium und Glas besteht und volumetrische akustische stehende Wellen unterstützt. Bitte bedenken Sie, dass Sie mit starken Chemikalien arbeiten, wie beispielsweise der Piranha-Mischung, die äußerst gefährlich sein können, wenn sie unsachgemäß gehandhabt werden.

Bitte achten Sie bei der Handhabung dieser Flüssigkeiten auf eine ordnungsgemäße Sicherheitspraxis, um einen sicheren chemischen Umgang während Ihrer gesamten Herstellungsarbeiten zu gewährleisten.