Fabricación, operación y visualización del flujo en la superficie-acústico de ondas impulsadas Microfluídica Acústica contraflujo

El objetivo general del siguiente experimento es mostrar la operación de fabricación del dispositivo y la posterior visualización del flujo de un dispositivo de contraflujo microfluídico acústico de superficie, impulsado por ondas. Esto se logra fabricando primero el dispositivo de dos capas compuesto por una capa de onda acústica de superficie ovada de litio con patrón de oro y una capa de microcanal de polimetilxina. Como segundo paso, el dispositivo se prueba con un analizador de red para garantizar el correcto funcionamiento del transductor interdigital, así como para encontrar la frecuencia de resonancia a la que se debe hacer funcionar el dispositivo de contraflujo.

A continuación, la entrada del dispositivo se carga con fluido sembrado con microesferas y se aplica una señal de RF al transductor interdigital en la salida. El flujo del canal resultante se registra con un microscopio de alta velocidad para obtener los resultados del análisis que muestran varios esquemas de flujo, que dependen principalmente de las geometrías del dispositivo y la potencia aplicada. Si bien este método está dirigido a la fabricación y operación de los dispositivos de flujo de control acústico, el procedimiento de este video también se puede aplicar para la fabricación y operación de otros dispositivos microfluídicos impulsados por ondas acústicas de superficie, como microfluidos, bombas mezcladoras y optimizadores.

En general, las personas nuevas en este método pueden tener dificultades, ya que hay muchos aspectos diferentes de la operación y el análisis de fabricación que deben dominarse cuando se trabaja con microfluídica de ondas acústicas de superficie. Para comenzar, cree un dispositivo microfluídico como se describe en el protocolo escrito adjunto utilizando dos máscaras fotográficas separadas, una para la capa de onda acústica de la superficie que se muestra en rosa y una segunda para el molde de microcanal que se muestra en amarillo. Una vez fabricado el dispositivo básico, se añade una fotorresistencia negativa, como ARN 43 40, y se expone el área del microcanal mediante técnicas litográficas ópticas.

A continuación, active la superficie de la muestra expuesta utilizando dos minutos de plasma de oxígeno a 0,14 milibares y 100 vatios para proporcionar un voltaje de polarización de aproximadamente 450 voltios. A continuación, mezcle 35 mililitros de AEC, 15 mililitros de tetracloruro de carbono y 20 microlitros de tricloroetileno Okta desal en un vaso de precipitados dentro de una campana extractora. Coloque el dispositivo en la solución para incrustar la superficie y hacerla hidrófoba.

Deje el dispositivo en la solución tapado durante dos horas y luego enjuáguelo con isopropanol y séquelo con nitrógeno. Una vez seco, compruebe que el ángulo de contacto del agua en la superficie esté por encima de los 90 grados. Si el ángulo de contacto es insuficiente, limpie la muestra y vuelva a cambiar el tamaño de la superficie.

De lo contrario, retire el fotorresistente residual con acetona, luego enjuague con isopropanol y seque con una pistola de nitrógeno. A continuación, después de montar la muestra en una placa de circuito impreso con guías de ondas de radiofrecuencia y conectores coaxiales estándar, coloque un polímero absorbente acústico en los bordes de la muestra y conecte los transductores interdigitales mediante unión de cables o utilizando conectores POGO como se muestra aquí. A continuación, prepare la capa PDMS con patrón que contiene un canal con las dimensiones deseadas como se describe en el protocolo de texto adjunto.

Una vez curado, corte alrededor del canal con una cuchilla quirúrgica, teniendo cuidado de no dañar el molde maestro y despegarlo. A continuación, afina y endereza los bordes de la réplica con una cuchilla de afeitar. Asegúrese de dejar al menos dos milímetros de espacio libre en el lado lateral del canal y ningún espacio libre en la salida del canal cortando a través de la muestra.

A continuación, perfore un agujero en la microcámara con un perforador de unicornio Harris para formar la entrada de carga de fluido y quitar el cilindro. A continuación, una el canal PDMS con el sustrato ovado de litio mediante una simple unión conformada utilizando un microscopio para la alineación. De esta manera, la unión se mantendrá a través de la etapa de prueba de fluidos mientras permanece reversible.

Pruebe el dispositivo de RF conectando primero la línea de retardo de onda acústica de superficie a los puertos de un analizador de espectro y mida la matriz de dispersión del dispositivo. La transmisión de un par de transductores de un solo electrodo se asemejará al valor absoluto de una función de sincronización centrada en la frecuencia de funcionamiento del transductor interdigital. A continuación, observe el espectro de reflexión.

Una caída en el espectro de reflexión ocurre a la misma frecuencia que el pico en la transmisión en dispositivos que operan a 100 megahercios a lo largo del eje mayor. Los valores típicos son menos ocho decibelios para S 11 y S 22 y menos 20 decibelios para S 12 sin canales PDMS. Para visualizar mejor la dinámica del flujo, coloque la muestra bajo un microscopio.

La configuración óptica específica depende de los fenómenos de microfluídica de ondas acústicas superficiales que se van a observar. Para estudiar la dinámica de llenado de fluidos, utilice un microscopio invertido simple equipado con un objetivo Forex y una cámara de vídeo de 30 fotogramas por segundo. Sin embargo, para investigar dinámicas de micropartículas más complejas, utilice un objetivo de 20x y una cámara de vídeo de 100 FPS o superior.

Es importante que tanto el objetivo como la velocidad de fotogramas sean lo suficientemente altos como para capturar cualquier característica de flujo importante espacial y temporalmente. A continuación, conecte los transductores interdigitales frente a la salida del canal a un generador y amplificador de señal de RF y opere a la frecuencia de resonancia observada en las mediciones de la matriz de dispersión. Si es necesario, utilice un amplificador UHF de alta potencia.

Aquí estamos usando un amplificador mini circuits zw five con una salida máxima de 37 DBM y una ganancia de 40 decibelios. Es importante que la potencia de salida total pueda alcanzar al menos 25 DBM para investigar el contraflujo acústico. Observe los fenómenos de transmisión acústica y atomización sin contraflujo acústico mientras hace funcionar el dispositivo.

A menor potencia, normalmente la recirculación de la corriente acústica comienza a cero DBM, y la atomización se produce por encima de 14 DBM. A continuación, prepare el fluido de carga de microperlas para su visualización añadiendo microperlas de 500 nanómetros a 10 a 10 a 10 partículas por mililitro y vórtice la solución durante 15 segundos antes de los experimentos. A continuación, cargue 60 microlitros de la suspensión de microperlas en la cámara.

El uso lento de un fluido de micropipeta se difundirá pasivamente en la microcámara para evitar la posible adhesión de partículas en el sustrato, aplique una señal DBM cero al dispositivo mientras se carga. Comience a grabar el video a través del microscopio y aumente la potencia de operación para observar el contraflujo acústico. Los diferentes esquemas de flujo estarán determinados por la potencia de entrada, el diseño del chip y el diámetro de la partícula.

Con el fin de capturar cualitativamente la dinámica, registre el flujo de fluido en las proximidades del menisco y la entrada en diferentes etapas del llenado del canal, utilizando marcadores como referencia espacial. A continuación, mida cuantitativamente la dinámica de las partículas mediante la imagen de micropartículas, la asimetría VE o la espectroscopia de correlación de imagen temporal espacial, como se indica en el protocolo de texto adjunto para obtener resultados precisos. Registre el flujo de fluido en el punto de interés con un campo de visión fijo durante al menos 100 fotogramas a una velocidad de fotogramas impuesta por la dinámica de partículas.

Para análisis más complicados para obtener mediciones de campo de velocidad y líneas de corriente, utilice la simetría mal de la imagen de micropartículas personalizada o el código de espectroscopia de correlación de imagen temporal espacial que se muestra. Aquí están los espectros típicos de S 11 y S 12 tomados antes de la unión de la capa de litio. La frecuencia de resonancia en los dos espectros se puede ver a 95 megahercios.

La profundidad del valle a la frecuencia central en el espectro S 11 está relacionada con la eficiencia de conversión de la potencia de RF en potencia mecánica de onda acústica de superficie. Por lo tanto, una reducción en el mínimo del valle resultará en una reducción de la potencia requerida para operar el dispositivo. El máximo del espectro S 12 está relacionado con la eficiencia de conversión de la potencia de RF y la potencia mecánica de la onda acústica de superficie, y la atenuación de la onda a lo largo de la línea de retardo.

La reducción de este valor puede deberse a defectos como la desalineación de la línea de retardo de onda o grietas. Mostrado. Aquí hay cuatro patrones de flujo característicos diferentes observados utilizando velocidades de látex de 500 nanómetros. Las dos imágenes superiores muestran resultados diferentes en la entrada del canal.

A la izquierda, se observan dos vórtices simétricos debido a los fenómenos de flujo acústico al comienzo del llenado del canal, después de un tiempo cuando el canal está parcialmente lleno, se logra el flujo laminar. Las imágenes que se muestran aquí son de la proximidad del menisco. Cuando el canal está parcialmente lleno, a la izquierda se observan partículas que se acumulan en líneas y se mueven a la misma velocidad que el menisco.

Esto ocurre cuando la dinámica de partículas está dominada por la fuerza de radiación acústica de la derecha. Aquí se observa el dominio de la fuerza de arrastre y el flujo acústico. Las partículas tragan dos vórtices y se acumulan solo en bandas dentro de las 300 micras del menisco y se encuentran cerca de la superficie del sustrato.

Al asistir a estos procedimientos, es muy importante recordar mantener el dispositivo muy limpio en todas las etapas del experimento, desde la fabricación hasta el funcionamiento. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo fabricar y probar dispositivos de ondas acústicas de superficie. Trabajar con microfluídica PDMS y visualizar y analizar flujos macrofluídicos.I.