Articolo metodologico

Realizzazione e di funzionamento dei dispositivi che supportano Acoustofluidic Bulk onde acustiche piedi per guaina di messa a fuoco di particelle

DOI:

10.3791/53861

⸱

6 marzo 2016

 ,  ,  ,  , 
1NSF Research Triangle Materials Research Science and Engineering Center, Duke University, 2Department of Biomedical Engineering, Duke University, 3Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Duke University

In questo articolo

Sommario

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

dispositivi Acoustofluidic utilizzano onde ultrasoniche all'interno di canali microfluidica per manipolare, concentrato e isolare micro sospeso e le entità nanoscopiche. Questo protocollo è descritta la realizzazione e il funzionamento di un tale dispositivo di supporto bulk onde stazionarie acustiche concentrarsi particelle in un snellire centrale, senza l'ausilio di fluidi guaina.

Abstract

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Acoustophoresis riferisce allo spostamento di oggetti sospesi in risposta alle forze direzionali da energia sonora. Dato che gli oggetti sospesi deve essere inferiore alla lunghezza d'onda incidente del suono e la larghezza dei canali fluidici sono tipicamente decine a centinaia di micrometri di diametro, dispositivi acoustofluidic tipicamente utilizzano onde ultrasoniche generate da un trasduttore piezoelettrico impulsi ad alte frequenze (nell'intervallo megahertz ). A frequenze caratteristiche che dipendono dalla geometria del dispositivo, è possibile indurre la formazione di onde stazionarie in grado di focalizzare le particelle lungo linee di corrente fluidici desiderati all'interno di un flusso di massa. Qui, descriviamo un metodo per la fabbricazione di dispositivi acoustophoretic da materiali comuni e le attrezzature clean room. Mostriamo risultati rappresentativi per la messa a fuoco di particelle con fattori di contrasto acustiche positivi o negativi, che si muovono verso i nodi di pressione o ventri delle onde stazionarie, respectively. Questi dispositivi offrono grande utilità pratica per posizionare con precisione un gran numero di entità microscopiche (ad esempio, cellule) in ferma o fluente fluidi per applicazioni che vanno dalla citometria di assemblaggio.

Introduzione

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Dispositivi Acoustofluidic vengono utilizzati per esercitare forze direzionali sul entità microscopiche (ad esempio, particelle o celle) per la loro concentrazione, l'allineamento, il montaggio, parto o separazione all'interno fluidi quiescenti o flowstreams laminari. 1 In questa ampia classe di dispositivi, le forze possono essere generati da massa onde stazionarie acustiche, superficie onde stazionarie acustiche (SSAWs) 2 o in viaggio acustico onde. 3 Mentre ci concentriamo sulla fabbricazione e il funzionamento dei dispositivi di supporto di massa onde stazionarie acustiche, dispositivi che supportano SSAWs hanno ricevuto molta attenzione recentemente a causa della loro capacità di manipolare con precisione le cellule lungo le superfici 4 e rapidamente ordinare celle a canali di flusso continuo. 5 Devices supporto bulk onde stazionarie acustiche, tuttavia, ridisporre particelle sulla base delle vibrazioni meccaniche delle pareti del dispositivo generato da un trasduttore piezoelettrico, che eccita le onde stazionarie in microfluidicacavità risonanti a frequenze geometricamente definiti. Ciò consente la possibilità di generare ampiezze di pressione più elevati rispetto ai dispositivi SSAW e trasporti pertanto, più veloce acoustophoretic di entità microscopiche. 6

Queste onde stazionarie costituiti da un insieme spazialmente periodica di nodi pressione e ventri, che sono fissati in posizione, come la pressione oscilla nel tempo. Particelle rispondono alle onde stazionarie migrando ai nodi pressione o ventri, a seconda delle proprietà meccaniche delle particelle relative al fluido, e che sono descritte per il fattore di contrasto acustica:

figure-introduction-1

dove le variabili ρ e β rappresentano densità e compressibilità e pedici p e ƒ rappresentano l'oggetto sospeso (ad esempio, particelle o cella) e il fluido, rispettivamente.7 entità che possiedono un fattore positivo contrasto acustico (cioè, ɸ> 0) migrano al nodo pressione (s); considerando che, le entità che possiedono un fattore di contrasto acustica negativo (vale a dire, ɸ <0) migrare verso i ventri di pressione. 7 Mentre la maggior parte dei materiali sintetici (ad esempio, polistirolo perline) e le cellule mostrano contrasto acustica positivo, particelle elastomerici a base di silicone-based materiali, 8 molecole di grasso 9 o altri costituenti altamente elastici presentano contrasto acustica negativo in acqua. Particelle elastomerici in dispositivi acoustofluidic possono essere utilizzati per isolare piccole molecole 10 e come mezzi per confinare le particelle sintetiche o 11 celle 12 ai fini di smistamento discriminate. 13

Dispositivi Acoustofluidic sono solitamente realizzati con materiali standard (ad esempio, silicio e vetro) che hanno rigidità sufficiente suPPort un onda stazionaria acustica. In molti dispositivi acoustofluidic (compreso il dispositivo illustrato), le onde meccaniche sono progettate per risuonare alla modalità armonica più bassa, che consiste di una mezza lunghezza d'onda delle onde stazionarie che attraversa la larghezza della microcanali. Questa configurazione ha un nodo di pressione al centro dei ventri dei canali e pressione lungo le periferie del canale. È stato precedentemente dimostrato che questi sistemi possono essere utilizzati per applicazioni citometria basati su chip 14-16 e applicazioni che vanno dalla cattura delle cellule alla concentrazione di cellule. 17,18

Descriviamo il processo di fabbricazione, i metodi per l'uso e la capacità di rappresentanza delle prestazioni di un dispositivo che supporta acoustofluidic rinfusa onde stazionarie acustiche. Questo dispositivo richiede un passo fotolitografia, una fase di attacco ed un passo di fusione per legare stabilmente un bicchiere "coperchio" al substrato di silicio attaccato. Notiamo che altro acoustofluididispositivi che supportano c rinfusa onde stazionarie acustiche possono essere fabbricati da capillari di vetro o quarzo legati ai trasduttori piezoelettrici, che viene descritto altrove. 19,20 dispositivi siliconici offrono i vantaggi di robustezza e di controllo sulla geometria canale di flusso, che insieme consentono numerosi tipi di elaborazione per campioni contenenti sospensioni di particelle e cellule. I dispositivi sono riutilizzabili a condizione che siano adeguatamente puliti tra usi (ad esempio, irrigando il dispositivo con tamponi e detergenti).

Protocollo

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1. fotolitografia

  1. Progettare il photomask utilizzando un pacchetto software appropriato e inviare il disegno a una stampante fotomaschere qualificato. 21
  2. In un impianto di stanza pulita, sciacquare un "single-side 6 lucidato Si wafer con un flusso costante di acetone (≥99.5%; vedi tabella 1) seguito da un flusso costante di metanolo (99,8%; vedi tabella 1). Asciugare il wafer spruzzando con N 2 gas e ponendo il wafer su una piastra calda a 95 ° C per 2 min.
    NOTA: Il profilo di drogaggio e l'orientamento di cristallo dei wafer non influiscono le seguenti procedure.
  3. Proteggere il trogolo di fuori della coater rotazione (in un cappuccio cappotto centrifuga standard) coprendo con un foglio di foglio di alluminio e posizionare il pulito Si wafer sul centro del mandrino vuoto nella spalmatrice rotazione per fissare il wafer.
  4. Deposito fotoresist positivo direttamente sul centro della fetta con attenzione versando fino fotoresist copre piùdel wafer. Fare attenzione a garantire che non vi siano bolle nella resina fotosensibile.
    NOTA: Le procedure esatte in passaggi 1,5-1,10 corrispondono al photoresist indicato nella tabella 1; Possono essere necessarie diverse procedure per diversi fotoresist.
  5. Avviare la centrifuga eseguendo le seguenti procedure:
    1. Programmare una velocità di 300 rpm, una rampa di 100 giri / sec, e un tempo di rotazione di 5 secondi per iniziare la centrifuga.
    2. Programma per una velocità di 1800 giri al minuto, una rampa di 1.000 giri / sec, e un tempo di rotazione di 60 sec per diffondere uniformemente il photoresist.
    3. Programma per una velocità di 0 rpm, una rampa di 1.000 giri / sec, e un tempo di rotazione di 0 sec a concludere la centrifuga.
  6. Rilasciare il vuoto sul mandrino e usare pinzette wafer per recuperare il wafer dal mandrino. Poi posizionare il wafer su una piastra calda per cuocere in forno a 110 ° C per 165 sec.
    NOTA: Questo passaggio è denominato "bake soft".
  7. Caricare il fotomaschera nel supporto di una mascheraallineatore / macchina di fotolitografia.
  8. Modificare i parametri della macchina fotolitografia per fornire un dosaggio di energia di 1.400 mJ / cm 2 (ad esempio, per l'intensità di uscita di 13,5 mW / cm 2, utilizzare un tempo di esposizione di ~103.7 sec).
  9. Rimuovere il wafer photopatterned dal supporto e posizionarlo in una soluzione di suo sviluppatore corrispondente (vedi tabella 1) per 5 min.
  10. Rimuovere il wafer da parte dello sviluppatore, lavare il wafer con un flusso costante di H 2 O deionizzata e asciugare con N 2 gas.
    NOTA: Over-in via di sviluppo può causare modelli a gonfiarsi, mentre sotto-sviluppo può causare la rimozione incompleta del fotoresist lungo le caratteristiche foto-fantasia.
  11. Controllare il wafer al microscopio per confermare i motivi stampati sulla fotomaschera sono stati trasferiti al photoresist.

2. profonda Reactive Ion Etching

  1. Caricare il foto-modellata Si cialda nella camera di una profondareattivi strumento di attacco con ioni e incidere i canali fluidici nel wafer di Si alla profondità desiderata seguenti procedure di incisione standard. 22
  2. scarico con cura il campione dalla camera dopo il processo di incisione è completo.
  3. Per rimuovere l'eccesso photoresist dal wafer, preparare un grande bicchiere con una soluzione di rimozione fotoresist (vedi Tabella 1) in una cappa ben ventilata dedicato al solvente uso e posizionarlo su una piastra calda a 65 ° C.
  4. Immergere il wafer nella soluzione di rimozione di photoresist e lasciare in ammollo per 1 ora.
    NOTA: Different soluzioni possono essere utilizzati per rimuovere photoresist (ad esempio, una soluzione di acetone (≥99.5%, vedi Tabella 1) può rimuovere il photoresist impregnando durante la notte).
  5. Rimuovere il wafer dal bicchiere e sciacquarlo con flussi alternati di acetone (≥99.5%; vedere Tabella 1) e alcool isopropilico (≥99.7%, vedi Tabella 1). Asciugare il wafer wesimo N 2 gas.

3. Piranha Pulizia

  1. In una cappa ben ventilata (dedicato all'uso di acidi), preparare una soluzione Piranha aggiungendo H 2 O 2 (30,0% in peso in acqua;. Tabella 1) per H 2 SO 4 (95,0-98,0%; vedere Tabella 1) in un rapporto 1: 3 in una grande, becher pulito.
    ATTENZIONE: Le soluzioni Piranha sono altamente corrosivi, sono un forte ossidante e sono altamente pericoloso. Prestare la massima attenzione nella gestione di soluzioni di Piranha e indossare l'equipaggiamento di sicurezza adeguato.
  2. Immergere lo ione inciso cialda con le caratteristiche-incise rivolto verso l'alto e lasciare per 5 min. Rimuovere con attenzione il wafer e completamente sciacquare con H 2 O. deionizzata
  3. Re-immergere il wafer nella soluzione piranha per 2 min. Rimuovere con attenzione il wafer e completamente sciacquare con abbondante H 2 O. deionizzata
  4. In un cappuccio separato ben ventilato dedicato al solvente uso, lavare il wafer con un flusso costante diacetone (≥99.5%, vedi Tabella 1) seguito da un flusso costante di metanolo (99,8%; vedere Tabella 1) e asciugare il wafer con N 2 gas. Smaltire la soluzione piranha seguendo le procedure di sicurezza appropriate.

4. Preparare il coperchio in vetro borosilicato

  1. Utilizzando uno strumento scriba incidere linee rette in vetro borosilicato per creare segmenti rettangolari (ad esempio, 8 x 4 cm 2). Cautela scatto il vetro di recuperare i segmenti rettangolari.
  2. Prendete uno di questi segmenti di vetro e posizionarlo in cima ad una copia stampata del disegno desiderato (con le dimensioni effettive) per contrassegnare la posizione delle ingressi e le uscite sul vetro con un pennarello nero.
  3. Praticare i fori di entrata e di uscita nel vetro borosilicato.
    NOTA: i dispositivi di sicurezza adeguata deve essere indossato in ogni momento.
    1. Fissare un "bit 1/8 trapano in bocca di trapano. Posizionare il segmento rettangolare in vetro in cimauna piastra di Al con fori in modo che i segni sul vetro sono sopra i fori della piastra di Al. Fissare il vetro sulla piastra di Al con nastro adesivo.
    2. cura il manico di alimentazione per iniziare foratura piccoli fori nel vetro e continuare ad abbassare la maniglia fino al foro viene effettuato attraverso il vetro. Una volta che il foro, rimuovere il nastro e sollevare lentamente il vetro per rimuovere la polvere di vetro. Posizionare la polvere di vetro in un bicchiere con acqua e scartare utilizzando le procedure di sicurezza adeguate.
    3. asciugare con cura il vetro con un panno assorbente non-lint-produrre e seguire le stesse procedure (Steps 4.3.1-4.3.2) per praticare gli altri fori di entrata e uscita.
  4. Seguire la stessa procedura (sezione 3, sopra) per pulire il segmento vetro rettangolare con soluzione piranha.
    ATTENZIONE: Le soluzioni Piranha sono altamente corrosivi, sono un forte ossidante e sono altamente pericoloso. Prestare la massima attenzione nella gestione di soluzioni di Piranha e indossare l'equipaggiamento di sicurezza adeguato.

5. anodica Bonding

  1. Utilizzando uno strumento scrivano, etch linee rette nella Si wafer intorno al perimetro del chip microfluidico tale che è leggermente più piccolo del segmento di vetro rettangolare (ad esempio, 7 x 3 cm 2). Attenzione a scatto il wafer lungo le linee incise.
  2. Risciacquare il segmento Si con un flusso costante di acetone (≥99.5%, vedi Tabella 1) seguito da un flusso costante di metanolo (99,8%; vedere Tabella 1). Posizionare il wafer su una piastra calda a 95 ° C per 2 min a secco.
  3. Con le caratteristiche-incisi sul segmento Si rivolto verso l'alto, aggiungere con cautela il vetro pulito sulla parte superiore del segmento Si e assicurarsi che i fori siano allineati correttamente.
  4. capovolgere con cautela i segmenti, garantendo nel contempo i fori sono tenuti allineati. Poiché il segmento vetro è maggiore del segmento Si, fissare i due segmenti con nastro biadesivo dove la metà del nastro protegge i bordi verticali del segmento Si e l'altra metàdel nastro protegge il vetro sovrastante. Poi capovolgere i segmenti di nuovo tali che il segmento vetro è in cima, e posizionare i segmenti in cima ad una lastra di metallo su un piatto caldo.
  5. Aggiungere con cautela una seconda lastra metallica (ad esempio, acciaio) di peso sufficientemente pesante (cioè, almeno 5 kg) direttamente alla parte superiore del vetro assemblato e segmenti di Si.
    NOTA: Questa lastra metallica non deve essere in contatto con il segmento Si o il nastro conduttivo.
  6. Utilizzando un alimentatore ad alta tensione, collegare un cavo (alimentazione) per la lastra metallica sulla parte superiore del vetro assemblato e segmenti Si e l'altro conduttore (terra) alla lastra metallica inferiore.
  7. Ruotare la tensione sulla piastra sottostante a 1.000 V. Controllare la tensione applicata utilizzando multimetro; premere una sonda contro la piastra inferiore e l'altra sonda contro la piastra superiore.
    ATTENZIONE: L'alta tensione è estremamente pericoloso; fare attenzione a non toccare le lastre metalliche o cavi di collegamento.
  8. Lasciare il caldopiastra a 450 ° C per 2 ore per consentire il vetro "coperchio" per anodicamente legame al substrato di Si. Ritorno dopo 2 ore per spegnere la piastra calda, spegnere l'alimentazione DC e rimuovere il dispositivo da lastre metalliche.
    ATTENZIONE: Le lastre metalliche saranno estremamente calde durante e dopo il processo di incollaggio, in modo da consentire i materiali raffreddare per almeno 1 ora dopo aver spento il piatto caldo.

6. Completamento del dispositivo Acoustofluidic

  1. Raschiare la superficie del vetro con un rasoio per rimuovere lo sporco prodotto dalla bonding anodico e pulire la superficie del vetro con acetone.
  2. Preparare un foglio di polidimetilsilossano (PDMS) spessore di circa 5 mm e tagliare diversi piccoli quadretti di circa 10 x 10 mm 2 (vedi Tabella 1). 23
  3. Utilizzare una biopsia del punzone 3 mm a tagliare un foro al centro di ogni lastra PDMS in modo da inserire il tubo in silicone attraverso di essa. Collocare le lastre direttamente sulla parte superiore del foros sul substrato di vetro e incollare le lastre con resina epossidica.
    NOTA: Fare attenzione a non usare troppo colla come sarà occludere i fori del dispositivo.
  4. incollate le trasduttore titanato zirconato di piombo (PZT) al segmento Si sul lato posteriore del dispositivo, centrato sotto il microcanali.
  5. Saldare due fili per le due aree conduttive sul trasduttore PZT. Fare attenzione che i conduttori siano ben fissati al trasduttore PZT. Inserire il tubo in silicone attraverso i fori nelle lastre di PDMS e aggiungere la colla supplementare intorno lastre e il tubo per assicurare il loro attaccamento.

7. Utilizzo dei dispositivi di Acoustofluidic

  1. Montare saldamente il dispositivo su un palco microscopio con il microcanali direttamente sotto l'obiettivo.
    NOTA: Assicurarsi che il trasduttore PZT non entrare in contatto con il palcoscenico mettendo un piccolo inserto sotto il dispositivo.
  2. Utilizzando i connettori standardizzati, collegare i tubi in silicone dal outlETS del dispositivo di siringhe garantiti sulle pompe siringa.
    NOTA: Questa configurazione è destinato per "Modalità di ritiro"; pompe a siringa possono inoltre essere usati per iniettare il campione nel dispositivo.
  3. Posizionare il tubo di silicone che porta all'ingresso del dispositivo in una fiala contenente il campione di fluido (ad esempio, una sospensione di perle di polistirene o cellule).
  4. Posizionare la fiala contenente il campione di fluido ad un piatto mescolare per miscelare continuamente il campione e assicurarsi che una costante concentrazione di particelle o cellule viene mantenuta per tutto il corso dell'esperimento.
  5. Collegare i fili del trasduttore PZT per l'uscita di un amplificatore di potenza in serie con un generatore di funzione. Programmare le impostazioni del generatore di funzioni (ad esempio, picco-picco di tensione e frequenza) e monitorare il segnale di uscita dall'amplificatore utilizzando un oscilloscopio. Accendere il generatore di funzioni e amplificatore di potenza per iniziare azionando il trasduttore PZT. 6
    1. Per stimare la frequenza di risonanza del dispositivo, seguire l'equazione c = λ * ƒ, dove c è la velocità del suono del mezzo (ad esempio, acqua), λ è la lunghezza d'onda acustica e ƒ è la frequenza del trasduttore PZT. Nel caso di una mezza lunghezza d'onda armonica (che illustra la sezione Risultati rappresentativi), la larghezza dei microcanali dovrebbe essere metà della lunghezza dell'onda stazionaria.
    2. Utilizzare un'impostazione tensione picco-picco nella gamma di 0-50 V.
      NOTA: Un aumento nei risultati di tensione applicata in ampiezze di pressione superiori, e, quindi, più rapido acoustophoresis.
  6. Accendere il microscopio e verificare il canale microfluidica è chiaramente a fuoco.
  7. Accendere la pompa a siringa per applicare flusso ed introdurre il campione nel dispositivo. Monitorare le entità che scorre attraverso il dispositivo con il microscopio in modalità fluorescenza.
  8. Assicurarsi che il dispositivo si concentra in modo efficiente particles regolando la tensione picco-picco fornito al trasduttore PZT per modificare l'ampiezza della pressione ed effettuando una scansione di frequenza vicina alla frequenza di risonanza dovrebbe identificare la frequenza di risonanza empirica.

Risultati

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Abbiamo progettato il dispositivo acoustofluidic contenere una entrata triforcazione, un canale principale con una larghezza di 300 micron e una presa triforcazione (Figura 1A - B). Notiamo che abbiamo usato solo un ingresso per tutti gli esperimenti in questo studio (ad esempio, per raggiungere senza guaina focalizzazione di particelle tramite forze di radiazioni acustiche) bloccando le altre insenature con tappi asportabili. Seguendo le procedure descritte sopra, abbiamo costruito un chip che possiede una larghezza di canale di 313 micron, con un errore di ~4% a causa delle imperfezioni durante il processo di microfabbricazione (Figura 1C - D). Abbiamo operato il dispositivo ad una frequenza di guida di 2.366 MHz per indurre una mezza lunghezza d'onda onda stazionaria armonica.

Abbiamo utilizzato un generatore di segnale collegato ad un amplificatore di potenza per generare l'alta frequenza della forma d'onda sinusoidale per azionare il PZT transducer. Abbiamo utilizzato un oscilloscopio per misurare la tensione picco-picco di uscita (V pp) generato dall'amplificatore di potenza per verificare la fedeltà della forma del segnale e l'ampiezza. Utilizzando una pompa a siringa, abbiamo prima iniettato una sospensione di perle di polistirene verdi fluorescenti ad una velocità di 100 ml / min, senza azionamento del trasduttore PZT come controllo negativo (Figura 2A). Successivamente, azionato il dispositivo a 2.366 MHz per formare una mezza lunghezza d'onda dell'onda stazionaria attraverso la larghezza del microcanale (Vpp = 40 V; Figura 2B). Abbiamo trovato che queste particelle, che hanno un fattore positivo contrasto acustica, focalizzati lungo il nodo di pressione come previsto. 6 Inoltre iniettato particelle fluorescenti rossi con un fattore di contrasto acustica negativo (cioè, ɸ ≈ -0.88, sintetizzato da un processo descritto in precedenza) 8 per verificare che il nostro dispositivo potrebbe indurre la loro concentrazione lungo i ventri di pressione ( Figura 2C).

Infine, abbiamo esplorato il grado di focalizzazione di particelle con un fattore positivo contrasto acustica in una gamma di portate (cioè, da 0 a 1.000 ml / min come regolati da una pompa a siringa) e il voltaggio (cioè, da 0 a 50 Vpp). Video composto da 15 fotogrammi sono stati raccolti per ogni condizione. software ImageJ è stato usato per campionare cinque del profilo di intensità di fluorescenza per tutta la larghezza del microcanale. Un programma di calcolo numerico è stato utilizzato per la media dei profili di intensità per ogni condizione e per lisciare i dati medi usando un programma di filtro in linea. Come previsto, la portata di particelle focalizzazione (cioè, come definito dalla larghezza del picco di fluorescenza, corrispondente alla larghezza del flusso di particelle) è diminuita con portate crescenti (Figura 3A). Abbiamo anche trovato che l'entità della particella messa a fuoco è aumentato con l'aumentare tensioni applicate (Fifigura 3B).

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Figura 1:. Dispositivo Acoustofluidic supporto bulk onde stazionarie acustiche viste schematiche della parte superiore (A) e inferiore (B) di un dispositivo costituito da un substrato di silicio attaccato fuso ad un vetro borosilicato "coperchio", polidimetilsilossano (PDMS) blocchi collegata al silicone tubo e un trasduttore piezoelettrico saldato ai fili incollati alla parte inferiore del dispositivo. Fotografie della parte superiore (C) e inferiore (D) del dispositivo vengono visualizzati anche. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 2: focalizzazione acusticaparticelle con fattori positivi e negativi di contrasto acustiche. (A) prima attivazione del trasduttore titanato zirconato di piombo (PZT), particelle con un fattore positivo acustica contrasto (10 micron, perle di polistirene di colore giallo-verde) che scorre a 100 l / min occupato la larghezza del microcanale. (B) Dopo il trasduttore PZT viene azionato (V pp = 40 V e ƒ = 2.366 MHz), le particelle in (A) sono indicati per mettere a fuoco lungo il nodo di pressione dell'onda stazionaria. (C) Le particelle con un fattore di contrasto acustico negativo concentrati lungo i ventri di pressione dell'onda stazionaria in assenza di flusso applicata (V pp = 40 V e ƒ = 2.366 MHz). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 3:. Focalizzazione prestazioni di un dispositivo acoustofluidic trame intensità di fluorescenza delle perle di polistirene (mostrati nella Figura 2A - B) sono presenti in (A) varie portate (da 0 a 1.000 ml / min) con una costante di picco-to tensione di picco di 40 V e (B) diverse tensioni applicate (che vanno da 0 a 50 Vpp) con una portata costante di 100 l / min. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Discussione

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Acoustophoresis offre un approccio semplice e rapido per organizzare il proprio entità microscopiche all'interno di microcanali fluidici, senza la necessità di fluidi guaina utilizzati negli approcci incentrati idrodinamici. 24 Questi dispositivi offrono diversi vantaggi rispetto ad altri metodi di manipolazione di particelle o di cellule (ad esempio, magnetophoresis, 25,26 dielettroforesi 27 o inerziale forzatura 28) a causa della loro capacità di elaborare le entità senza suscettibilità magnetici elevati, polarizzabilità elettriche o un dispersity dimensione ristretta. Inoltre, i nodi di focalizzazione di un un'onda stazionaria acustica possono essere posizionati lontano dalla sorgente di eccitazione, che è qualcosa che non è possibile con campi magnetici ed elettrici statici secondo teorema di Earnshaw. 29 Un ulteriore vantaggio è che i dispositivi acustici possono concentrarsi particelle di tutti una vasta gamma di portate applicate e indipendenti dalla direzione del flusso, che non è possibile in dispositivi that contare su forze inerziali per la focalizzazione, 28 fornendo i mezzi per trasportare efficientemente particelle o cellule di ispezione particelle migliorato per applicazioni quali citofluorimetria e particelle dimensionamento. 30,31 La facilità di fabbricazione di dispositivi e il funzionamento può direttamente consentire l'attuazione simile dispositivi per la messa a fuoco, di concentrazione, di frazionamento e l'ordinamento oggetti sospesi in fluidi. 32

Abbiamo dimostrato che le forze di radiazione primari, che sono le forze forti prodotti dalle onde stazionarie acustiche, 1 possono concentrarsi microparticelle che scorre attraverso un canale microfluidico a portate superiori a 10 ml / h per un unico disegno orifizio. Per un flusso fisso di 100 microlitri / min, mostriamo che il nostro dispositivo può concentrarsi particelle in un snellire stretta (cioè, 50 micron di diametro) senza fluidi guaina a tensioni di 20 V picco-picco, consentendo un basso metodo -potenza per la discontinuo focalizzazione di 10 milioni partiCicli / min quando elabora soluzioni densamente concentrati (ad esempio, 6 x 10 8 particelle / ml), come esempio. Inoltre, questo il throughput può essere notevolmente aumentata di fabbricare multi-orifizio chip acoustofluidic o canali che vengono azionati con armoniche superiori per la produzione di serie di nodi paralleli. 33

Mentre il dispositivo qui mostrata solo richiede materiali ei metodi microfabbricazione convenzionali, si sottolinea che ci sono una manciata di altre tecniche che possono essere utilizzate per la costruzione di dispositivi simili. 19,34,35 I vantaggi di questo approccio includono la sua semplicità e la durata del dispositivo finale.

I passaggi critici per la fabbricazione di questi dispositivi includono fotolitografia per definire la geometria del microcanale, attacco con ioni reattivi per formare il canale nella bonding anodico silicio e per fondere il silicio per un "coperchio" trasparente per osservazione da fluorescence la microscopia. Tutti questi passaggi richiedono i servizi in camera pulita per evitare la raccolta di polvere e detriti all'interno del dispositivo. Una volta che questi passaggi sono complete, tuttavia, il legame di un trasduttore PZT e porti fluidici sono relativamente semplici e possono essere eseguite al di fuori di una camera pulita.

Tuttavia, il trattamento adeguato del dispositivo è essenziale per la sua longevità. Questo include (1) incubazione del dispositivo con reagenti passivanti (ad esempio, poli (etilene glicole) silano) prima di ogni esperimento per proteggere il canale da accumulo di residui e (2) lavaggio del dispositivo con detergenti dopo ogni esperimento. L'accumulo di detriti può compromettere la fedeltà dell'onda stazionaria acustica e può ridurre la capacità di concentrarsi in modo efficiente le particelle o cellule all'interno del dispositivo. Si segnala altresì che tali dispositivi non sono adatti per i campioni altamente polidispersi o campioni contenenti entità avvicina metà della dimensione dell'onda stazionaria.

Acoustofluidispositivi DIC forniscono enorme utilità per una varietà di applicazioni che vanno dalla assembly colloidale alla cella separazione e citometria a flusso. La capacità di elaborare campioni biologici con precisione ad alte portate può consentire la possibilità di un aumento dei throughput da questi dispositivi microfluidica, riducendo al contempo i costi di reagenti superflui, grandi volumi di campione o attrezzature ingombranti per l'erogazione di fluidi guaina. I metodi di fabbricazione necessari per rendere i dispositivi acoustofluidic sono semplici e le procedure necessarie per il loro funzionamento sono user-friendly. Ci auguriamo che queste procedure incoraggeranno lo sviluppo diffuso di dispositivi simili per catalizzare nuove aree di ricerca per le applicazioni in scienza dei materiali, delle biotecnologie e della medicina.

Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

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

Questo lavoro è stato supportato dalla National Science Foundation (attraverso sovvenzioni DMR-1121107, CMMI-1363483 e Graduate Research Fellowships (GRF-1106401) a C.W.S., D.F.C. e K.A.O.) e dal National Institutes of Health (R21GM111584). Gli autori non hanno conflitti di interesse.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Wafer di silicioAddison Engineering, Inc.3P16" wafer di silicio di grado meccanico < 111>
AZ 9260 fotoresistMicroChemicals GmbHAZ9260-QFotoresist positivo
AZ 400K sviluppatoreMicroChemicals GmbHAZ400K CONC-CSDiluire 1 parte AZ 400k in 4 parti deionizzato H2O
H2O2Sigma Aldrich, Co.21676330% in peso in H2O
H2SO4Sigma Aldrich, Co.320501Reagente ACS, 95,0-98,0%
1165 Photoresist RemoverDow Chemical, Co.DEM-10018073a base di 1-metil-2-pirrolidinone
SigmaAldrich, Co.320110Reagente ACS, ≥ 99,5%
di alcol isopropilicoSigma Aldrich, Co.W292907≥ 99,7%, FCC, FG
MetanoloSigma Aldrich, Co.322415Anidro, 99,8%
Vetro borosilicato  (Vetro Nexterion B)Schott AG2098576

Dimensioni: 120 x60 & plusmn; 0,1 mm Spessore: 1 ± 0,005 mm

Punta per vetro e ceramica...McMaster-Carr, Inc.2954A1Dimensione della punta: 1/8" Lunghezza totale: 2 3/16" Diametro gambo: 7/64"
Kit di polidimetilsilossano (PDMS)Sigma Aldrich, Co.761036Dow Corning, Co.; Sylgard 184®; Punzone per biopsia con clip da 10 g
   Ted Pella, Inc.15078Harris uni-core ID punta: 3,0 mm Diametro esterno della punta: 3,40 mm
Trasduttore in titanato di zirconato di piombo (PZT)APC International, Ltd.Ordine personalizzato, (841 WFB)Lunghezza: 30,0 mm, Larghezza: 5,0 mm, Freq.: 2,46 MHz, 2,0 mm avvolgimento terminale per cavi
Tubi in silicone Cole Parmer Strumento, Co.07625-22Diametro interno 0,6 mm
Perline di polistireneThermo Fischer Scientific, Inc.F-883610 µ m a fluorescenza giallo-verde
Acetone

Riferimenti

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