ייצור והפעלה של Acoustofluidic התקנים התומכים גלים אקוסטיים המתמדת בכמות גדולה עבור Sheathless התמקדות של חלקיקים

המטרה הכללית של גישת הייצור הזו היא ליצור התקן אקוסטו-פלואידי ורסטילי ועמיד למניפולציה של חלקיקים קולואידליים בגודל מיקרוני באופן נטול מגע, באמצעות גלי עמידה אקוסטיים בנפח (bulk acoustic standing waves). מטרתנו היא להדגים גישה פשוטה על ידי הצגת האופן שבו ניתן לייצר כלים אקוסטו-פלואידיים התומכים בגלי עמידה אקוסטיים בנפח באמצעות ציוד והליכים סטנדרטיים, בתקווה להפוך טכנולוגיה שימושית זו לנגישה יותר. יתרון מרכזי של אקוסטו-פלואידיקה הוא שהיא מציעה דרך פשוטה למיקוד מהיר או להפרדה של ישויות מיקרוסקופיות, מה שיש לו השלכות רחבות על ציטומטריה על שבב ומיון תאים.

טכנולוגיה זו מאפשרת לסדר חלקיקים במגוון קצבי זרימה באופן עדין ומובחן, וכל זאת בפלטפורמה ממוזערת ונוחה. במתקן חדר נקי, הניחו פרוסת סיליקון נקייה בגודל שישה אינצ'ים, מלוטשת מצד אחד, על גבי spin coater כאשר הצד המלוטש פונה כלפי מעלה. שפכו בזהירות photoresist חיובי ישירות למרכז הפרוסה עד שה-photoresist יכסה את רוב שטח הפרוסה.

לאחר מכן, סובב את הדגימה כדי ליצור שכבה אחידה של פוטורזיסט. בסיום, שחרר את הוואקום מהצ'אק והשתמש בפינצטה לוופרים כדי להוציא את הוופר. לאחר מכן, הנח את הוופר על פלטה חמה ובצע אפייה רכה (soft bake) למשך הזמן שציין ספק הפוטורזיסט.

בזמן אפיית הפוטורזיסט, טען מסיכה פוטוגרפית, כזו המוצגת כאן, לתוך התומך של מכשיר להלימה של מסיכות (mask aligner). לאחר מכן, טען את הפרוסה וחשף אותה לאור UV במינון אנרגיה שצוין על ידי ספק הפוטורזיסט. לאחר מכן, הוצא את הפרוסה בעלת התבנית הפוטוגרפית מהתומך והנח אותה בתמיסת המפתח המתאימה לה.

עם סיום התהליך, הוצא את הפרוסה מהמפתח, שטוף אותה בזרם קבוע של מים דה-יוניים וייבש אותה באמצעות חנקן. העמס את הפרוסה בעלת התבנית הפוטוגרפית לתוך תא של מכשיר תסס יוני עמוק (deep reactive ion etching) וחרוץ את התעלים הפלואידיים לתוך הפרוסה לעומק הרצוי, בהתאם לנהלי התסס סטנדרטיים. כאשר תהליך התסס הושלם, פריק את הדגימה מהתא והנח אותה בתוך כוס כימית גדולה המכילה תמיסה להסרת פוטורזיסט.

ודאו שהוופר (wafer) טבול בתמיסה והשאירו אותו להשריה למשך שעה אחת בטמפרטורה של 65 degrees Celsius. הוציאו את הוופר מהכלי ושטפו אותו בזרמים לסיגומים של אצטון ואיסופרופיל אלכוהול. לאחר מכן, ייבשו את הוופר בעזרת חנקן.

בתוך מ 빠르게 תא מ hút (hood) מאוורר המאושר לשימוש בחומצות, הכינו תמיסת Piranha בתוך כוס כימית גדולה ונקייה על ידי הוספת 30% hydrogen peroxide לחומצה גופרית ביחס של אחד לשלוש. טבלו את הפרוסה (wafer) שעברה חריטה יונית בתוך תמיסת ה-Piranha כאשר התכונות החרוטות פונות כלפי מעלה, והשאירו אותה למשך חמש דקות. לאחר מכן, הוציאו את הפרוסה ושטפו אותה היטב במים דאיוניים.

טבול שוב את הפרוסה בתמיסת הפיראנה למשך שתי דקות נוספות ולאחר מכן שטוף אותה שוב בכמות נדיבה של מים דאיוניים. במכסה מuws פנימי נפרד ומאוורר המוקדש לשימוש בממיסים, שטוף את הפרוסה בזרם רציף של אצטון, ולאחריו בזרם רציף של מתנול, ולאחר מכן ייבש את הפרוסה בעזרת גז חנקן. בעזרת כלי חריטה, חרוץ קווים ישרים בפרוסה מסביב להיקף של השבב המיקרופלואידי, כך שיהיה קטן יותר מממדיו של מקטע הזכוכית המלבני בעל החורים שנקדחו מראש.

שברו בזהירות את הפרוסה לאורך הקווים החרוטים. שטפו את מקטע הסיליקון בזרם רציף של acetone ולאחריו בזרם רציף של methanol. לאחר מכן, הניחו את הפרוסה על פלטה חמה בטמפרטורה של 95 degrees Celsius למשך שתי דקות לייבוש.

בשלב הבא, הנח בזהירות את הזכוכית הנקייה מעל למקטע הסיליקון, כאשר התכונות החרוטות פונות כלפי מעלה. וודא שהחורים מיושרים כראוי. לאחר מכן, הפוך בזהירות את המקטעים תוך שמירה על יישור החורים.

הדביקו את שני המקטעים באמצעות סרט הספגניל מוליך דו-צדדי, כך שחצי מהסרט מקבע את הקצוות האנכיים של מקטע הסיליקון והחצי השני מקבע את הזכוכית הבולטת. לאחר מכן, הפכו את המקטעים שוב כך שמקטע הזכוכית יהיה למעלה. הניחו את המקטעים על גבי לוח פלדה המונח על פלטה מחממת בטמפרטורה של 450 °C.

לאחר מכן, הוסיפו בזהירות לוח פלדה שני במשקל של חמישה קילוגרמים לפחות, ישירות על גבי מקטעי הזכוכית והסיליקון המורכבים. לוח זה לא יעמוד במגע עם מקטע הסיליקון או עם הסרט המוליך. באמצעות ספק כוח למתח גבוה, חברו את המוליך החי ללוח הפלדה שמעל מקטעי הזכוכית והסיליקון המורכבים ואת ההארקה ללוח הפלדה התחתון.

כוון את המתח בלוח החימום שמתחת ל-1,000 volts. בדוק את המתח המופעל באמצעות מולטימטר על ידי הצמדת Probe אחת ללוח התחתון וה-Probe השנייה ללוח העליון. חזור לאחר שעתיים כדי לכבות את לוח החימום ואת ספק כוח ה-DC, והסר את המכשיר מהלוחות המתכתיים.

גרדו את פני הזכוכית בעזרת תער כדי להסיר לכלוך שנוצר כתוצאה מההדבקה האנודית, ולאחר מכן נקו את פני הזכוכית באמצעות אצטון. לאחר מכן, הכינו יריעת פולידימيثילסילוקסאן בעובי של כ-5 מילימטרים על ידי חיתוכה למספר לוחות ריבועיים קטנים במידות של כ-10 מילימטרים על 10 מילימטרים. השתמשו במנקב ביופסיה של 3 מ"מ כדי לחתוך חור אחד במרכז כל לוח.

לאחר מכן, הדביקו את הפלטות ישירות מעל החורים שבתשתית הזכוכית באמצעות אפוקסי. הלחימו שני חוטים לשני האזורים המוליכים במתמר. הדביקו בזהירות את מתמר ה-lead zirconate titanate למקטע הסיליקון בצדו האחורי של ההתקן, במרכז מתחת למיקרו-תעלה.

לבסוף, הכניסו את צינור הסיליקון דרך החורים בלוחות ה-polydimethylsiloxane והוסיפו דבק נוסף מסביב ללוחות ולצינור כדי לקבע אותם במקומם. התקינו את המכשיר בצורה יציבה על במה של מיקרוסקופ, כאשר המיקרו-ערוץ נמצא ישירות מתחת לעדשה. וודאו שהמתמר אינו נוגע בבמה.

בשלב הבא, חברו את צינורות הסיליקון מיציאות המכשיר למזרקים המקובעים על משאבות מזרקים. מקמו את צינור הסיליקון המוביל לכניסת המכשיר בתוך מבחנה (vial) המכילה תרחיף של חרוזי פוליסטירן או תאים רלוונטיים. לאחר מכן, מקמו את המבחנה המכילה את הדגימה על פלטת ערבוב כדי לערבב אותה באופן רציף, ובכך להבטיח שמירה על ריכוז קבוע לאורך כל מהלך הניסוי.

חבר את המתמר למוצא של מגבר הספק המחובר בטור למחולל פונקציות. הגדר את ההגדרות במחולל הפונקציות ועקב אחר המוצא באמצעות אוסצילוסקופ. לאחר מכן, הפעל את מחולל הפונקציות ואת מגבר ההספק כדי להתחיל להפעיל את המתמר.

בשלב הבא, הדלק את המיקרוסקופ וודא שהתעלה המיקרופלואידית נמצאת במיקוד ברור. כמו כן, הדלק את משאבת המזרק כדי להחדיר את הדגימה אל תוך ההתקן. עקב אחר הישויות הזורמות דרך ההתקן באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנציה לאורך כל הניסוי.

בשלב זה, נעשה שימוש במשאבת מזרק כדי להזרים לתא המיקרופלואידי תוךית של חלקיקי פוליסטירן פלואורסצנטיים ירוקים בקצב של 100 µL לדקה. עם הפעלת המתמר של lead zirconate titanate וכיוונו לתדר של 2.366 MHz, נוצר גל עומד של חצי אורך גל לרוחב מיקרו-עתב זה, שרוחבו 313 µm. פעולה זו מרכזת את זרם החלקיקים לאורך צומת הלחץ.

כאשר חלקיקי הסיליקון הפלואורסצנטיים האדומים, להם מקדם ניגודיות אקוסטית שלילי, הוזנו אל המכשיר, הם התרכזו לאורך צמתי העמידה של הלחץ (pressure antinodes). יכולתו של מערכת זו למקד חלקיקים תלויה הן בקצב הזרימה והן במתחים המופעלים. ככל שהזרימה עולה, התפלגות החלקיקים לאורך המיקרו-תעלה מתרחבת.

כמו כן, הגדלת המתחים המופעלים מגבירה את מידת מיקוד החלקיקים. ברגע שהמכשיר פעיל, ניתן להשתמש בו למניפולציה של חלקיקים ותאים עבור מגוון של בדיקות ביולוגיות וניסויים מבוססי מיקרופלואידיקה הדורשים בקרה מרחבית או זמנית מדויקת. חשוב לזכור לפעול בנינוחות ולהיות זהירים בכל שלב, שכן חישרונות בכל שלב עלולים להוביל לפגמים במכשיר הסופי.

לאחר השלמת בניית המכשיר, ניתן להשתמש בו פעמים רבות, בתנאי שיינתן טיפול נאות לניקוי המכשיר בין שימוש לשימוש באמצעות דטרגנטים ובופרי שטיפה מתאימים. לאחר צפייה בסרטון זה, אמורה להיות לכם הבנה טובה לגבי אופן הייצור של מכשיר אקוסטו-פלואידי המורכב מסיליקון וזכוכית התומכים בגלי עמידה אקוסטיים בנפח (bulk acoustic standing waves). אנא זכרו כי אתם עובדים עם כימיקלים חזקים, כגון תערובת פירנה (Piranha mixture), שעלולים להיות מסוכנים ביותר אם לא מטפלים בהם כראוי.

אנא הפקידו משנה זהירות בעת הטיפול בנוזלים אלה כדי להבטיח פרקטיקה כימית בטוחה בכל עבודות הייצור שלכם.