Article de méthode

Manipulation de microparticules par permanent des ondes acoustiques de Surface avec bi-fréquence Excitations

DOI :

10.3791/58085

⸱

21 août 2018

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

Dans cet article

Résumé

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

Un protocole permettant de manipuler les microparticules dans un canal microfluidique avec une double fréquence d’excitation est présenté.

Résumé

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

Nous démontrons une méthode pour augmenter la capacité de réglage d’une onde acoustique surface stationnaire (SSAW) pour la manipulation de microparticules dans un système de lab-on-a-chip (LOC). L’excitation simultanée de la fréquence fondamentale et sa troisième harmonique, ce qui est qualifié de double fréquence d’excitation, à une paire de transducteurs interdigitaux (OID) pourrait générer un nouveau type de commandes des ondes acoustiques dans un canal microfluidique. Varier la puissance et la phase de l’excitation de la double-fréquence des signaux résultats dans un domaine reconfigurable de la force de rayonnement acoustique appliquée sur les microparticules dans le microcanaux (p. ex., le nombre et l’emplacement des nœuds pression et la au moyen de microparticules les concentrations au niveau des noeuds de pression correspondante). Cet article montre que le temps du mouvement de la MICROPARTICULE au nœud de pression qu’un seul peut être réduit ~ 2 fois dans le rapport de la puissance de la fréquence fondamentale supérieure à environ 90 %. En revanche, il y a trois nœuds de pression dans le microcanaux si inférieure à ce seuil. En outre, réglage de la phase initiale entre la fréquence fondamentale et les résultats du troisième harmoniques dans les taux de mouvement différents des trois nœuds pression SSAW, ainsi que du pourcentage de microparticules à chaque nœud de pression dans le microcanaux. Il y a une bonne concordance entre l’observation expérimentale et les prédictions numériques. Cette méthode nouvelle excitation peut intégrer facilement et de façon non invasive dans le système LOC, avec une tenabilité large et seulement quelques changements pour le montage expérimental.

Introduction

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

LOC technologie intègre une ou plusieurs fonctions sur une puce pour la biologie, la chimie, biophysique et processus biomédicaux. LOC permet une mise en place de laboratoire sur une échelle plus petite que les vitesses de réaction rapide, un temps de réponse court, un contrôle de processus élevée, une consommation de faible volume (moins frais de déchets, moins réactifs et moins des volume d’échantillon requis), Sub millimètres, un débit élevé dû à parallélisation, un faible coût à l’avenir la production de masse et jetables rentables, une grande sécurité pour les études biologiques, chimiques ou radioactifs et les avantages d’un appareil compact et portable1,2. Manipulation de cellules précises (p. ex., accumulation et séparation) est essentielle dans une base LOC analyse et diagnostic3,4. Cependant, la précision et la reproductibilité de manipulation au moyen de microparticules ont une variété de défis. Beaucoup de techniques, telles que l’électro-osmose5, diélectrophorèse (DEP)6, magnetophoresis7, thermophorèse8,9, une approche optique10, un optoélectroniques approche11 , une approche hydrodynamique12et Acoustophoromètre13,14,15, ont été développés. En comparaison, les approches acoustiques sont appropriées pour une application de LOC parce que, théoriquement, une multitude de microparticules/cellules peut être manipulée de manière efficace et non invasive avec un contraste assez élevé (densité et la compressibilité) par rapport avec le liquide environnant. Par conséquent, par rapport à leurs homologues, approches acoustiques sont intrinsèquement admissibles pour la plupart des microparticules et des objets biologiques, peu importe leurs propriétés optiques, électriques et magnétiques16.

Ondes acoustiques de surface (SAWs) de l’OID propagent surtout sur la surface d’un substrat piézoélectrique à l’épaisseur de plusieurs longueurs d’onde, puis fuite à l’angle de Rayleigh dans le liquide dans le MICROCANAL, selon Loi17, de la Snell 18,19,20,21,22. Ils ont les avantages techniques d’une efficacité énergétique élevée le long de la surface en raison de leur localisation, de l’énergie, une flexibilité de conception à haute fréquence, un bon système d’intégration avec le canal microfluidique et miniaturisation en utilisant technologie de système de micro-électronique-mécaniques (MEMS) et un potentiel élevé de production de masse23. Dans ce protocole, scies sont générés à partir d’une paire d’OID identiques et propagées dans la direction opposée pour générer une onde stationnaire, ou SSAW, dans le microcanaux, où les microparticules en suspension sont poussés aux nœuds de pression, pour la plupart par l’acoustique appliquée radiation force24. L’amplitude de cette force résultante est déterminée par la fréquence d’excitation, la taille au moyen de microparticules et son contraste acoustique facteur22,25.

Ce Acoustophoromètre a la limitation des patrons de manipulation prédéterminés qui ne sont pas réglables. La fréquence d’excitation de l’OID est déterminée par leur distance périodique, donc la bande passante est très limitée. Plusieurs stratégies ont été développés pour renforcer les capacités d’accordabilité et manipulation. Les modes de premières et deuxième d’acoustique des ondes stationnaires appliqués dans différentes parties de la microchannel pourraient séparer les microparticules plus efficacement selon les vitesses de mouvement différents vers les lignes nodales26. Ces deux modes pourraient également être appliquées à la partie entière de la microchannel et commuté par ailleurs27,28,29. Toutefois, pour ce faire, un grand nombre d’équipement (p. ex., trois générateurs de fonctions, deux unités d’adaptation d’impédance et un relais électromagnétique) est nécessaire, avec la complexité accrue de coûts et contrôle de l’installation expérimentale en raison des différentes impédance électrique à la fréquence fondamentale et la troisième harmonique de la piézo plaque30. En outre, transducteurs interdigitaux incliné-doigt (SFITs) pourraient être appliquées pour ajuster les cellules et les microparticules patterning en excitant une période des doigts inclinés pour une certaine résonance20,31. Toutefois, alors, la bande passante est inversement proportionnelle au nombre de doigts inclinés. Plusieurs lignes nodales de pression ont une plus grande efficacité de séparation et sensibilité par rapport à la ligne nodale dans le séparateur conventionnel basé sur SSAW microparticules. Par ailleurs, l’emplacement des nœuds pression pourrait également être changé simplement en ajustant la différence de phase appliquée à le deux OID dans la conception32,33.

La fréquence fondamentale et la troisième harmonique d’OID ont des réponses similaires de fréquence afin qu’ils peuvent être excitées en même temps, qui fournit plus d’accordabilité pour la manipulation de microparticules34. Par rapport à l’excitation de IDT classique à une seule fréquence, réglage de la pression acoustique de l’excitation de la double-fréquence et la phase entre eux fournit unicité technique, tels que le jusqu'à ~ 2 fois réduit le temps de mouvement à la pression nodale ligne ou au centre du MICROCANAL, le nombre varié et l’emplacement des lignes nodales pression et les concentrations de microparticules.

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Protocole

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

1. préparation du canal microfluidique

  1. Poly-diméthylsiloxane (PDMS) se mêlent un élastomère de base dans un rapport de 10:1.
  2. Dégazer le mélange dans une étuve à vide et versez-la sur une plaquette de silicium avec un motif de photorésine ton négatif sur le dessus.
  3. Dégazer la plaquette de silicium à motifs à nouveau et chauffer à 70 ° C pendant 3 h dans un incubateur pendant la solidification.

2. fabrication des transducteurs interdigitaux

  1. Dépôt de 20 nm de Cr et 400 nm de Al sur une tranche de3 LiNbO ; modèle de 20 bandes d’une largeur de 150 µm et une ouverture de 2 cm sur un masque en plastique pour photolithographie en déposant la résine photosensible positive sur le substrat.
  2. Retirer la couche de Cr-Al sur la zone non exposée à l’acétone.
  3. Traiter la surface d’eux avec le plasma d’oxygène (avec un taux d’azote et d’oxygène de 2:1) à la puissance de 30 W pour 60 s.
  4. Aligner le microcanaux PDMS et il lient au substrat LiNbO3 en appuyant dessus avec un pouce pendant quelques secondes.
  5. Placez le périphérique intégré dans la chambre de chauffage à 60 ° C pendant 3 h.

3. double-fréquence Excitation

  1. Appliquer simultanément les deux composantes de fréquence (f1 et f3, la fréquence fondamentale et sa troisième harmonique de l’IDT préfabriqué, respectivement) avec la différence de phase φ entre eux à la paire d’OID, afin que la scie produite peut être exprimée comme suit.
    figure-protocol-1
    Ici,
    figure-protocol-2et figure-protocol-3 = les pressions acoustiques.
  2. Synthétiser la forme d’onde double-fréquence à l’aide de l' éditeur d’équations du logiciel ArbExpress demande à la fréquence d’échantillonnage de 100 MÉCH. / s et le stocker ensuite dans le générateur de fonctions comme entrée arbitraire pour l’excitation de la scie dans l’expérience via un câble USB.
  3. Varier la puissance de la fréquence fondamentale de la puissance totale émise figure-protocol-4 de 100 % (excitation à la fréquence fondamentale purement) à 0 % (excitation à la purement troisième harmonique) ; pour une bonne comparaison, changer mais conserver la puissance totale même.
  4. Varier la différence de phase de l’excitation double fréquence de 0° à 360°.

4. numerical Simulation

  1. Décrire le mouvement de l’écoulement laminaire incompressible avec faibles Reynolds (c.-à-d., Re = 0,55) et Mach nombres comme suit35.
    figure-protocol-5
    figure-protocol-6
    Ici,
    figure-protocol-7= la vitesse du fluide,
    figure-protocol-8= la viscosité dynamique,
    figure-protocol-9= la densité du fluide,
    figure-protocol-10= la pression sur le fluide,
    figure-protocol-11= la matrice d’identité, et
    figure-protocol-12= une force extérieure.
  2. Décrire la force de traînée de Stoke produite sur l’objet comme suit36.
    figure-protocol-13
    Ici,
    figure-protocol-14= le rayon de la MICROPARTICULE,
    figure-protocol-15= la vitesse du fluide, et
    figure-protocol-16= la vitesse de la MICROPARTICULE.
  3. Calculer la force de rayonnement acoustique appliquée sur les microparticules dans le microcanaux le long du x-axe (sur la largeur de microcanaux) à une seule fréquence comme suit16 .
    figure-protocol-17
    Ici,
    figure-protocol-18= le volume de la MICROPARTICULE,
    figure-protocol-19= la masse volumique de la MICROPARTICULE,
    figure-protocol-20= la densité du milieu,
    figure-protocol-21= la compressibilité de la MICROPARTICULE, et
    figure-protocol-22= la compressibilité du milieu.
  4. Calculer la force de rayonnement acoustique qui en résulte de l’excitation de la double-fréquence comme suit.
    figure-protocol-23
  5. Exprimer le mouvement transversal sur toute la largeur du canal (le long de y-axe) sous la force de rayonnement acoustique et Stokes faites glisser vigueur régie par la seconde loi de Newton comme suit.
    figure-protocol-24
  6. Résoudre les équations différentielles ordinaires (ODEs) ci-dessus à l’aide de la méthode de Runge-Kutta de quatrième ordre sur un ordinateur personnel. Régler le pas de temps et durée totale comme 1 µs et 20 s, respectivement.

5. expérimentale Observation

  1. Faites tourner la solution dans la concentration de 5,9 x 107 4 µm vert fluorescents billes de polystyrène pour 1 mL de vortex pendant environ 2-3 min et puis plongez-le dans un sonicateur échographie pendant 10 min pour perturber toute agglomération avant chaque test.
  2. Verser le mélange dans une seringue de 3 mL et continuez avec un pousse-seringue à un débit de 3 à 5 µL/min.
  3. Conduire l’IDT avec le double-fréquence signal provenant d’un générateur de fonction suivi d’un amplificateur de puissance.
  4. Observez les microparticules stabilisées dans le microcanaux en aval sous un microscope optique avec un grossissement X 40 et l’image avec un appareil photo numérique.
  5. Mesurer l’emplacement des microparticules accumulés dans les images numériques capturées à l’aide de ImageJ et l’échelle établie et ensuite déterminer quantitativement la concentration de la MICROPARTICULE accumulé avec la luminosité de fluorescence normalisée à chaque nœud de pression.

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Résultats

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

La répartition de la pression acoustique et la force de rayonnement acoustique d’un SSAW à l’excitation bi-fréquence (6,2 et 18,6 MHz) sont indiquées dans la Figure 1. Ici, l’excitation bi-fréquence se produit sur les microparticules en polystyrène (4 µm de diamètre) dans un microchannel avec une largeur de 300 µm à une puissance acoustique de 146 mW. La pression acoustique qui en résulte est toujours en phase quand P1 > 90 % alors qu’...

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Discussion

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

La motion de microparticules dans le microcanaux par un SSAW à l’excitation de la double-fréquence a été étudiée dans cette étude, et une technique effectivement syntonisable patterning en faisant varier les signaux de l’excitation de la double-fréquence a été développée et testée. La production d’une telle forme d’onde est facilement réalisée par la plupart des générateurs de fonctions, et l’approche de réglage est très pratique. S12- tant S11-réponses en fréquence de l’OID fabriqué illustrent plus...

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Déclarations de divulgation

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

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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

Ce travail a été parrainé par le Fonds de la recherche universitaire (AcRF) niveau 1 (RG171/15), ministère de l’éducation, Singapour.

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
poly-diméthylsiloxaneDow CorningSylgard 184
poly-diméthylsiloxane base élastomèreDow CorningSylgard 184
plaquette de siliciumTechnologie Bonda SI8PSPD
photorésine à tons négatifsMicrochemSU-8
poli double face LiNbO3 plaquetteUniversity WaferY-128° ;
photorésine positiveNicolaus-Otto-Straß ; eAZ 9260
plasma d’oxygèneHarrick Masque
Infinite Graphics
en plastique plasma

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chin, C. D., Linder, V., Sia, S. K. Commercialization of microfluidic point-of-care diagnostic devices. Lab on a Chip. 12 (12), 2118-2134 (2012).
  2. Figeys, D., Pinto, D. Lab-on-a-chip: a revolution in biological and medical sciences. Analytical Chemistry. 72 (9), 330 A-335 A (2000).
  3. den Toonder, J. Circulating tumor cells: the Grand Challenge. Lab on a Chip. 11 (3), 375-377 (2011).
  4. Yu, L., et al. Advances of lab-on-a-chip in isolation, detection and post-processing of circulating tumour cells. Lab on a Chip. 13 (16), 3163-3182 (2013).
  5. Jorgenson, J. W., Lukacs, K. D. High-resolution separations based on electrophoresis and electroosmosis. Journal of Chromatography A. 218, 209-216 (1981).
  6. Gascoyne, P. R., Vykoukal, J. Particle separation by dielectrophoresis. Electrophoresis. 23 (13), 1973(1973).
  7. Xia, N., et al. Combined microfluidic-micromagnetic separation of living cells in continuous flow. Biomedical Microdevices. 8 (4), 299-308 (2006).
  8. Garcés-Chávez, V., et al. Extended organization of colloidal microparticles by surface plasmon polariton excitation. Physical Review B. 73 (8), 085417(2006).
  9. Zhu, T., Ye, W. Origin of Knudsen forces on heated microbeams. Physical Review E. 82 (3), 036308(2010).
  10. Ashkin, A., Dziedzic, J., Yamane, T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature. 330 (6150), 769-771 (1987).
  11. Chiou, P. Y., Ohta, A. T., Wu, M. C. Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images. Nature. 436 (7049), 370-372 (2005).
  12. Yamada, M., Seki, M. Hydrodynamic filtration for on-chip particle concentration and classification utilizing microfluidics. Lab on a Chip. 5 (11), 1233-1239 (2005).
  13. Burguillos, M. A., et al. Microchannel acoustophoresis does not impact survival or function of microglia, leukocytes or tumor cells. PLoS One. 8 (5), e64233(2013).
  14. Lin, S. -C. S., Mao, X., Huang, T. J. Surface acoustic wave (SAW) acoustophoresis: now and beyond. Lab on a Chip. 12 (16), 2766-2770 (2012).
  15. Petersson, F., Åberg, L., Swärd-Nilsson, A. -M., Laurell, T. Free flow acoustophoresis: microfluidic-based mode of particle and cell separation. Analytical Chemistry. 79 (14), 5117-5123 (2007).
  16. Ding, X., et al. On-chip manipulation of single microparticles, cells, and organisms using surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (28), 11105-11109 (2012).
  17. Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647(2011).
  18. Destgeer, G., Lee, K. H., Jung, J. H., Alazzam, A., Sung, H. J. Continuous separation of particles in a PDMS microfluidic channel via travelling surface acoustic waves (TSAW). Lab on a Chip. 13 (21), 4210-4216 (2013).
  19. Guo, F., et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (1), 43-48 (2015).
  20. Ding, X., et al. Cell separation using tilted-angle standing surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (36), 12992-12997 (2014).
  21. Roshchupkin, D., et al. X-ray diffraction by standing surface acoustic waves. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 142 (3), 432-436 (1998).
  22. Shi, J., Mao, X., Ahmed, D., Colletti, A., Huang, T. J. Focusing microparticles in a microfluidic channel with standing surface acoustic waves (SSAW). Lab on a Chip. 8 (2), 221-223 (2008).
  23. Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab on a Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
  24. King, L. V. On the acoustic radiation pressure on spheres. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. , The Royal Society. 212-240 (1934).
  25. Yosioka, K., Kawasima, Y. Acoustic radiation pressure on a compressible sphere. Acta Acustica United with Acustica. 5 (3), 167-173 (1955).
  26. Ratier, C., Hoyos, M. Acoustic programming in step-split-flow lateral-transport thin fractionation. Analytical Chemistry. 82 (4), 1318-1325 (2010).
  27. Mandralis, Z., Feke, D., Bolek, W., Burger, W., Benes, E. Enhanced synchronized ultrasonic and flow-field fractionation of suspensions. Ultrasonics. 32 (2), 113-122 (1994).
  28. Laurell, T., Petersson, F., Nilsson, A. Chip integrated strategies for acoustic separation and manipulation of cells and particles. Chemical Society Reviews. 36 (3), 492-506 (2007).
  29. Liu, Y., Lim, K. -M. Particle separation in microfluidics using a switching ultrasonic field. Lab on a Chip. 11 (18), 3167-3173 (2011).
  30. Brissaud, M. Characterization of piezoceramics. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 38 (6), 603-617 (1991).
  31. Ding, X., et al. Tunable patterning of microparticles and cells using standing surface acoustic waves. Lab on a Chip. 12 (14), 2491-2497 (2012).
  32. Jo, M. C., Guldiken, R. Particle manipulation by phase-shifting of surface acoustic waves. Sensors and Actuators A: Physical. 207, 39-42 (2014).
  33. Meng, L., et al. Transportation of single cell and microbubbles by phase-shift introduced to standing leaky surface acoustic waves. Biomicrofluidics. 5 (4), 044104(2011).
  34. Sriphutkiat, Y., Zhou, Y. Particle manipulation using standing surface acoustic waves (SSAW) at dual frequency excitation: effect of power ratio. Sensors and Actuators A: Physical. 263, 521-529 (2017).
  35. Batchelor, G. K. An Introduction to Fluid Dynamics. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2000).
  36. Glynne-Jones, P., Hill, M. Acoustofluidics 23: acoustic manipulation combined with other force fields. Lab on a Chip. 13 (6), 1003-1010 (2013).
  37. Winkler, A., Brünig, R., Faust, C., Weser, R., Schmidt, H. Towards efficient surface acoustic wave (SAW)-based microfluidic actuators. Sensors and Actuators A: Physical. 247, 259-268 (2016).
  38. Chen, Y., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW)-based microfluidic cytometer. Lab on a Chip. 14, 916-923 (2014).
  39. Devendran, C., et al. The importance of travelling wave components in standing surface acoustic wave (SSAW) systems. Lab on a Chip. 16, 3756-3766 (2016).
  40. Destgeer, G., et al. Submicron separation of microspheres via travelling surface acoustic waves. Lab on a Chip. 14, 4665-4672 (2014).
  41. Ding, X., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting. Lab on a Chip. 12, 4228-4231 (2012).
  42. Chen, Y., et al. Continuous enrichment of low-abundance cell samples using standing surface acoustic waves (SSAW). Lab on a Chip. 14, 924-930 (2014).

Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.

Réimpressions et autorisations

Demander l’autorisation de réutiliser le texte ou les figures de cet article JoVE

Demander une autorisation

Mots-clés

Excitation double fr quenceSyst me laboratoire sur puceTransducteurs interdigitauxForce de radiation acoustiqueN uds de pressionAjustement du rapport de puissanceR glage de la diff rence de phaseCanal microfluidique

Articles connexes