Name: Manipulación de micropartículas de pie ondas acústicas superficiales con excitaciones de doble frecuencia (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-21T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 51 s
Description: Aprende a manipular micropartículas en canales microfluídicos mediante ondas acústicas superficiales con excitación de doble frecuencia. Esta técnica mejora la clasificación en laboratorios en chip.

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Este trabajo fue patrocinado por el fondo de investigación académica (AcRF) nivel 1 (RG171/15), Ministerio de Educación de Singapur.

1. preparación de la canal microfluídico
<ol><li>Poly-dimethylsiloxane (PDMS) se mezclan con un elastómero de base en la proporción 10:1.</li>
	<li>Desgasificar la mezcla en un horno de vacío y vierta sobre una oblea de silicio con un patrón de photoresist negativo del tono en la parte superior.</li>
	<li>Desgasificar otra vez la oblea de silicio con dibujos y calentar a 70 ° C durante 3 horas en una incubadora de solidificación.</li>
</ol>2. fabricación de los transductores interdigitales
<ol><li>Depósito 20 nm de Cr y 400 nm en una oblea de LiNbO3 ; patrón 20 tiras con un ancho de 150 μm y una abertura de 2 cm en una máscara plástica para Fotolitografía depositando el photoresist positivo sobre el sustrato.</li>
	<li>Quitar la capa del FE-Cr-en el área no expuesta con acetona.</li>
	<li>Tratar la superficie con plasma de oxígeno (con una proporción de nitrógeno y el oxígeno de 2:1) a la potencia de 30 W por 60 s.</li>
	<li>Alinee el microchannel PDMS y adherir al sustrato LiNbO3 presionando con un dedo durante unos segundos.</li>
	<li>Coloque el dispositivo integrado en la cámara de calentamiento a 60 ° C durante 3 horas.</li>
</ol>3. frecuencia de doble excitación
<ol><li>Aplicar simultáneamente dos componentes de la frecuencia (f1 y f3, la frecuencia fundamental y su tercer armónico de la IDT fabricado, respectivamente) con la diferencia de fase φ entre ellos al par de objetivos, para que la sierra producida se puede expresar como sigue. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq1.jpg"> Aquí, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq2.jpg">y <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq3.jpg"> = las presiones acústicas.</li>
	<li>Sintetizar la forma de onda de frecuencia doble mediante el Editor de ecuaciones el software ArbExpress aplicación en la frecuencia de muestreo de 100 MS/s y luego guardarlo para el generador de funciones como entrada arbitraria para la excitación de la sierra en el experimento vía un cable USB.</li>
	<li>Variar la potencia de la frecuencia fundamental de la energía emitida total <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq4.jpg"> de (excitación a la frecuencia puramente fundamental) al 100% a 0% (excitación a la puramente tercer armónico); para una buena comparación, cambio pero mantener la potencia total del mismo.</li>
	<li>Variar la diferencia de fase de la excitación de la frecuencia doble de 0° a 360°.</li>
</ol>4. simulación numérica
<ol><li>Describir el movimiento de la cabina de flujo laminar incompresible con Reynolds baja (es decir, Re = 0,55) y Mach los siguientes números35. <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq5.jpg"> <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq6.jpg"> Aquí, <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq7.jpg">= la velocidad del fluido, <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq8.jpg">= viscosidad dinámica, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq9.jpg">= la densidad del fluido, <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq10.jpg">= la presión sobre el líquido, <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq11.jpg">= la matriz de identidad, y <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq12.jpg">= una fuerza externa.</li>
	<li>Describir la fuerza de arrastre producida de Stoke en el objeto siguiente36. <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq13.jpg"> Aquí, <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq14.jpg">= radio de la micropartícula, <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq15.jpg">= velocidad del fluido, y <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq16.jpg">= la velocidad de las micropartículas.</li>
	<li>Derivar la fuerza de radiación acústica aplicada a las micropartículas en la MCP a lo largo del x-eje (a lo ancho de la MCP) en una sola frecuencia como sigue16 . <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq17.jpg"> Aquí, <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq18.jpg">= volumen de la micropartícula, <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq19.jpg">= la densidad de las micropartículas, <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq20.jpg">= la densidad del medio, <img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq21.jpg">= compresibilidad de la micropartícula, y <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq22.jpg">= compresibilidad del medio.</li>
	<li>Derivar la fuerza de radiación acústica resultante de la excitación de la frecuencia doble como sigue. <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq23.jpg">
</li>
	<li>Expresar el movimiento transversal a lo ancho del canal (a lo largo del y-axis) bajo la fuerza de la radiación acústica y el Stokes arrastre fuerza gobernado por la segunda ley de Newton como sigue. <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq24.jpg">
</li>
	<li>Resolver las ecuaciones diferenciales ordinarias (odas) utilizando el método de Runge-Kutta de cuarto orden en un ordenador personal. Establecer el paso del tiempo y duración total como 1 μs y 20 s, respectivamente.</li>
</ol>5. experimental observación
<ol><li>Girar la solución en la concentración de 5.9 x 107 con 4 μm verde fluorescentes granos del poliestireno por 1 mL en el vórtex durante unos 2-3 min y luego sumergirlo en un sonicador ultrasonido durante 10 minutos para interrumpir cualquier aglomeración antes de cada prueba.</li>
	<li>Llenar la mezcla en una jeringa de 3 mL y luego conducirlo con una bomba con un caudal de 3 a 5 μl/min.</li>
	<li>Conducir la IDT con la doble frecuencia de la señal de un generador de función seguido de un amplificador de potencia.</li>
	<li>Observar las micropartículas estabilizadas en la MCP abajo debajo de un microscopio óptico con un aumento de X 40 y grabar la imagen con una cámara digital.</li>
	<li>Medir la ubicación de las micropartículas acumuladas en las imágenes digitales capturadas con ImageJ y la escala establecida y luego determinar cuantitativamente la concentración de micropartículas acumulada con el brillo de fluorescencia normalizado en cada nodo de presión.</li>
</ol>

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<li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+enrichment+of+low-abundance+cell+samples+using+standing+surface+acoustic+waves+%28SSAW%29%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Continuous enrichment of low-abundance cell samples using standing surface acoustic waves (SSAW).</a> Lab on a Chip. 14, 924-930 (2014).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

El movimiento de micropartículas en la MCP por un SSAW en la excitación de la frecuencia doble fue investigado extensivamente en este estudio, y una técnica de modelar efectivamente regulables variando las señales de excitación de frecuencia doble fue desarrollada y probada. La producción de una forma de onda se realiza fácilmente por la mayoría generadores de funciones, y el enfoque de ajuste es muy conveniente. S12- tanto S11-respuestas en frecuencia de objetivos fabricados ilustran varios modos r...

Tecnología LOC integra una o varias funciones en un microchip para Biología, química, biofísica y procesos biomédicos. LOC permite un montaje de laboratorio en una escala más pequeñas que los milímetros, velocidades de reacción rápida, un corto tiempo de respuesta, un control de proceso alta, un consumo de bajo volumen (menor costo de reactivos residuales, inferiores y menos volumen de muestra requerido), un alto rendimiento debido a paralelización, un bajo costo en el futuro la producción en masa y rentables desechables, una alta seguridad para los estudios de química, radiactivos o biológicos y las ventajas de un dispositivo compacto y portátil1,2. Manipulación celular precisa (es decir, acumulación y separación) es fundamental en un LOC basado en análisis y diagnóstico3,4. Sin embargo, la exactitud y la reproducibilidad de la manipulación de micropartículas con una variedad de desafíos. Muchas técnicas, como la electro-osmosis5, dielectroforesis (DEP)6, magnetoforesis7, thermophoresis8,9, un enfoque óptico10, un optoelectrónicos enfoque11 , un enfoque hidrodinámico12y acoustophoresis13,14,15, se han desarrollado. En comparación, métodos acústicos son apropiados para una aplicación LOC porque, teóricamente, se pueden manipular eficazmente y no invasor con un contraste lo suficientemente alto (densidad y compresibilidad) en comparación con muchos tipos de células de micropartículas con el líquido circundante. Por lo tanto, en comparación con sus contrapartes, métodos acústicos son inherentemente elegibles para mayoría de micropartículas y objetos biológicos, independientemente de sus propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas16.
Propagan las ondas acústicas superficiales (Sierras) de los objetivos sobre todo en la superficie de un sustrato piezoeléctrico en el grosor de varias longitudes de onda y, a continuación, fuga en el ángulo de Rayleigh en el líquido en la MCP, según de ley de Snell17, 18,19,20,21,22. Tienen las ventajas técnicas de una alta eficiencia energética a lo largo de la superficie debido a su localización de la energía, una flexibilidad de diseño de alta frecuencia, una integración de sistema bien con el canal microfluídico y miniaturización con tecnología de sistemas micro-electrónicos-mecánicos (MEMS) y un alto potencial de producción en masa23. En este protocolo, sierras son generadas a partir de un par de idénticos objetivos y propaga en la dirección opuesta para generar una onda, o tubos, en la MCP, donde las micropartículas suspendidas son empujadas a los nodos de presión, sobre todo por la acústica aplicada radiación de fuerza de24. La amplitud de esa fuerza resultante se determina por la frecuencia de excitación, el tamaño de micropartículas y su factor de contraste acústico22,25.
Tal acoustophoresis tiene la limitación de los patrones de manipulación predeterminadas que no son fácilmente ajustables. La frecuencia de excitación de los objetivos depende de su distancia periódica, por lo que el ancho de banda es muy limitado. Varias estrategias se han desarrollado para mejorar la capacidad de afinabilidad y manipulación. Los modos de primeros y segundo de las ondas estacionarias de acústicas aplicadas en diferentes partes de la MCP podrían separar micropartículas más eficazmente según velocidades de movimiento diferentes hacia las líneas nodales26. Estos dos modos pueden aplicarse también a la parte entera de la MCP y cambiado alternativamente27,28,29. Sin embargo, para esto, un gran número de equipos (es decir, tres generadores de funciones, dos unidades de impedancia y un relé electromagnético) es necesario, con la complejidad creciente de costo y control del montaje experimental debido a las diferentes impedancia eléctrica a la frecuencia fundamental y tercer armónico de la pieza de la placa30. Además, se podrían aplicar dedo inclinado transductores interdigitales (SFITs) para ajustar las celdas y las micropartículas patrones por excitar una etapa de los dedos inclinados para una cierta resonancia20,31. Sin embargo, entonces, el ancho de banda es inversamente proporcional al número de dedos inclinados. Múltiples líneas nodales de presión tienen una sensibilidad en comparación con la línea nodal y una mayor eficiencia de separación en el separador de micropartículas de SSAW-basado convencional. Alternativamente, también podría cambiarse la ubicación de los nodos de presión simplemente ajustando la diferencia de fase aplicada a los dos objetivos en el diseño de32,33.
La frecuencia fundamental y el tercer armónico de objetivos tienen similares respuestas en frecuencia para pueden ser excitadas al mismo tiempo que proporciona más afinabilidad para la manipulación de micropartículas34. En comparación con la excitación de IDT convencional en una sola frecuencia, ajuste de la presión acústica de la doble frecuencia excitación y la fase entre ellos proporciona exclusividad técnica, como hasta ~ 2 redujo el tiempo de movimiento a la presión de nodal línea o el centro de la MCP, el variado número y ubicación de las líneas nodales de la presión y la concentración de micropartículas.

<table><tbody><tr><td>poli-dimetilsiloxano</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td>base de elastómero de poli-dimetilsiloxano</td><td>Oblea</td> de silicio Dow <td>Corning Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Bonda Technology</td><td>SI8PSPD</td><td></td></tr><tr><td>tono negativo fotorresistente</td><td>Microchem</td><td>SU-8</td><td></td></tr> pulido a <tr><td>doble cara Oblea de LiNbO3</td><td>University Wafer</td><td>Y-128 y grados;</td><td></td></tr><tr><td>fotorresistencia positiva</td><td>Nicolaus-Otto-Stra&szlig; e</td><td>AZ 9260</td><td></td></tr><tr><td>plasma de oxígeno</td><td>Harrick Máscara</td> de plástico de plasma <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Infinite Graphics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

manipulación de micropartículas de pie ondas acústicas superficiales con excitaciones de doble frecuencia

Microparticle Manipulation by Standing Surface Acoustic Waves with Dual-frequency Excitations

Demostrar un método para aumentar la capacidad de sintonización de una onda acústica superficial de pie (SSAW) para la manipulación de micropartículas en un sistema de laboratorio-en-un-chip (LOC). La excitación simultánea de la frecuencia fundamental y su tercer armónico, que se denomina como frecuencia doble excitación, a un par de transductores interdigitales (objetivos) podría generar un nuevo tipo de ondas acústicas en un canal de microfluidos en pie. Variando la potencia y la fase de la excitación de doble frecuencia señales de resultados en un campo reconfigurable de la fuerza de radiación acústica aplicada a las micropartículas en la MCP (p. ej., el número y la ubicación de los nodos de presión y la concentraciones de micropartículas en los nodos de presión correspondiente). Este artículo demuestra que se puede reducir el tiempo de movimiento de las micropartículas a nodo solamente una presión ~ 2 veces en la relación de potencia de la frecuencia fundamental más de ~ 90%. En cambio, hay tres nodos de presión en la MCP si tienen menos de este umbral. Además, ajuste de la fase inicial entre la frecuencia fundamental y los resultados del tercer armónicos en las tasas de movimiento diferente de los tres nodos de presión SSAW, así como en el porcentaje de micropartículas en cada nodo de presión en la MCP. Hay un buen acuerdo entre la observación experimental y las predicciones numéricas. Este método novedoso de excitación puede integrar fácilmente y no invasiva en el sistema LOC, con una amplia validez y sólo unos pocos cambios en el montaje experimental.

En la figura 1se muestran las distribuciones de la presión acústica y la fuerza de la radiación acústica de una SSAW en la excitación de doble frecuencia (6.2 y 18,6 MHz). Aquí, la doble frecuencia excitación se produce en poliestireno micropartículas (a 4 μm de diámetro) en un microcanal con una anchura de 300 μm en una potencia acústica de 146 mW. La presión acústica resultante es siempre en fase cuando P1 &gt; 90% por lo que sólo uno n...

Se presenta un protocolo para la manipulación de las micropartículas en un canal de microfluidos con una excitación de doble frecuencia.

Manipulación de micropartículas de pie ondas acústicas superficiales con excitaciones de doble frecuencia

We demonstrate a method for increasing the tuning ability of a standing surface acoustic wave (SSAW) for microparticles manipulation in a lab-on-a-chip ...

Este método puede ayudar a abordar problemas clave en el campo biomédico, como la manipulación de micropartículas y ayudar en la clasificación en un canal microfluídico para laboratorios en un chip. La principal ventaja de esta técnica es que puede mejorar la sintonización de la comisión de la onda acústica de la superficie estacionaria. La demostración del procedimiento estará a cargo de Yannapol, una estudiante graduada de mi grupo.Comience con un molde para el canal microfluídico. Este es un patrón fotorresistente de tono negativo en una oblea de silicona. Más detalles los proporciona el patrón de fotolitografía utilizado para crearlo.Mezcle 10 partes de PDMS con una parte de la relación de volumen base de elastómero. Desgasificar la mezcla en un horno al vacío durante unos 15 minutos. Después de desgasificar, lleve la mezcla al molde.Allí, viértelo sobre la fotorresistencia sobre la oblea de silicona. Ahora, desgasifique la oblea de silicona cubierta durante otros 15 minutos. Después de eso, caliente la oblea en una incubadora para solidificar el PDSM.Cuando el PDMS se enfríe, retírelo de la oblea. El canal microfluídico está listo para los siguientes pasos del protocolo. Prepa

microparticle-manipulation-standing-surface-acoustic-waves-with-dual

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Investigación

JoVE Journal

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Ingeniería

En este video lo primero que describen los procedimientos de fabricación y operación de una onda acústica de superficie (SAW) dispositivo de contraflujo acústico. Se demuestra a continuación, un montaje experimental que permite tanto la visualización del flujo cualitativo y el análisis cuantitativo de los flujos de complejos dentro del dispositivo de bombeo SAW.

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Fabricación de canales de nanoaltura que incorporan la actuación de onda acústica superficial a través de niobato de litio para nanofluídicos acústicos

Dos técnicas de fabricación, despegue y grabado húmedo, se describen en la producción de transductores de electrodos interdigitales sobre un sustrato piezoeléctrico, niobato de litio, ampliamente utilizado para generar ondas acústicas superficiales que ahora encuentran una amplia utilidad en fluidos micro a nanoescala. Los electrodos producidos se muestran para inducir eficientemente las ondas acústicas superficiales de Rayleigh de orden de megahercios.

Fabricación de dispositivos de ondas acústicas de superficie en niobato de litio

Se describe la fabricación de transductores de modo de espesor piezoeléctrico a través de pulverización de corriente directa de electrodos de placa en niobato de litio. Además, el funcionamiento confiable se logra con un soporte de transductor y el sistema de suministro de fluidos y la caracterización se demuestra mediante análisis de impedancia, vibrometría doppler láser, imágenes de alta velocidad y distribución del tamaño de gotas mediante dispersión láser.

Fabricación y caracterización de dispositivos piezoeléctricos en modo de espesor para atomización y acoustofluídicos

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Cambio de fase (nanoemulsiones PSNE) puede ser vaporizado mediante ultrasonidos focalizados de alta intensidad para mejorar la calefacción localizada y mejorar la ablación térmica en los tumores. En este informe, la preparación de PSNE estable con una distribución de tamaño estrecha se describe. Además, el impacto de PSNE vaporizado en ablación por ultrasonidos mediada se demuestra en fantasmas que imitan tejidos.

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Aprende a manipular micropartículas en canales microfluídicos mediante ondas acústicas superficiales con excitación de doble frecuencia. Esta técnica mejora la clasificación en laboratorios en chip.

Manipulación de micropartículas de pie ondas acústicas superficiales con excitaciones de doble frecuencia

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