Fabbricazione, il funzionamento e la visualizzazione del flusso in superficiali acustiche onda-driven Microfluidics Acoustic-controcorrente

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di mostrare il funzionamento della fabbricazione del dispositivo e la successiva visualizzazione del flusso di un dispositivo di controflusso microfluidico acustico di superficie, guidato da onde. Ciò si ottiene fabbricando prima il dispositivo a due strati composto da uno strato di onde acustiche di superficie ovata di litio modellato in oro e uno strato di microcanali in polimetilxina. In una seconda fase, il dispositivo viene testato con un analizzatore di rete per garantire il corretto funzionamento del trasduttore interdigitale, nonché per trovare la frequenza di risonanza alla quale far funzionare il dispositivo in controcorrente.

Successivamente, l'ingresso del dispositivo viene caricato con fluido seminato in microsfere e un segnale RF viene applicato al trasduttore interdigitale all'uscita. Il flusso del canale risultante viene registrato con un microscopio ad alta velocità per ottenere risultati di analisi che mostrano vari schemi di flusso, che dipendono principalmente dalle geometrie del dispositivo e dalla potenza applicata. Sebbene questo metodo sia mirato alla fabbricazione e al funzionamento dei dispositivi di flusso di controllo acustico, la procedura di questo video può essere applicata anche per la fabbricazione e il funzionamento di altri dispositivi microfluidici guidati da onde acustiche superficiali come microfluidici, pompe miscelatrici e ottimizzatori.

In generale, le persone che non conoscono questo metodo possono avere difficoltà in quanto ci sono molti aspetti diversi del funzionamento e dell'analisi della fabbricazione che devono essere padroneggiati quando si lavora con la microfluidica delle onde acustiche di superficie. Per iniziare, creare un dispositivo microfluidico come descritto nel protocollo scritto allegato utilizzando due maschere fotografiche separate, una per lo strato di onde acustiche superficiali mostrato in rosa e una seconda per lo stampo a microcanali mostrato in giallo. Una volta che il dispositivo di base è stato fabbricato, aggiungere un fotoresist negativo, come ARN 43 40, ed esporre l'area del microcanale utilizzando tecniche litografiche ottiche.

Quindi attivare la superficie del campione esposta utilizzando due minuti di plasma di ossigeno a 0,14 millibar e 100 watt per fornire una tensione di polarizzazione di circa 450 volt. Successivamente miscelare, 35 millilitri di he aec, 15 millilitri di tetracloruro di carbonio e 20 microlitri di tricloroetilene dessale Okta in un becher all'interno di una cappa aspirante. Posizionare il dispositivo nella soluzione per igienizzare la superficie e renderla idrofoba.

Lasciare il dispositivo nella soluzione coperta per due ore, quindi sciacquarlo con isopropanolo e asciugarlo sotto azoto. Una volta asciugata, verificare che l'angolo di contatto dell'acqua sulla superficie sia superiore a 90 gradi. Se l'angolo di contatto è insufficiente, pulire il campione e ridimensionare nuovamente la superficie.

In caso contrario, rimuovere il fotoresist residuo con acetone, quindi risciacquare con isopropanolo e asciugare con una pistola ad azoto. Successivamente, dopo aver montato il campione su un circuito stampato con guide d'onda a radiofrequenza e connettori coassiali standard, posizionare un polimero fonoassorbente sui bordi del campione e collegare i trasduttori interdigitali tramite wire bonding o utilizzando connettori POGO come mostrato qui. Quindi, preparare il livello PDMS modellato contenente un canale con le dimensioni desiderate come descritto nel protocollo di testo allegato.

Una volta indurito, tagliare intorno al canale utilizzando una lama chirurgica, facendo attenzione a non danneggiare lo stampo master e staccarlo. Quindi rifinisci e raddrizza i bordi della replica usando una lama di rasoio. Assicurarsi di lasciare almeno due millimetri di spazio libero sul lato laterale del canale e nessuno spazio libero all'uscita del canale tagliando il campione.

Quindi, praticare un foro nella microcamera utilizzando un perforatore a unicorno Harris per formare l'ingresso di caricamento del fluido e rimuovere il cilindro. Quindi incollare il canale PDMS con il substrato ovato di litio mediante un semplice legame conforme utilizzando un microscopio per l'allineamento. In questo modo, il legame resisterà durante la fase di test del fluido pur rimanendo reversibile.

Testare il dispositivo RF collegando prima la linea di ritardo dell'onda acustica di superficie alle porte di un analizzatore di spettro e misurare la matrice di dispersione del dispositivo. La trasmissione per una coppia di trasduttori a elettrodo singolo sarà simile al valore assoluto di una funzione di sincronizzazione centrata sulla frequenza operativa del trasduttore interdigitale. Quindi, osserva lo spettro di riflessione.

Un calo dello spettro di riflessione si verifica alla stessa frequenza del picco di trasmissione nei dispositivi che operano a 100 megahertz lungo l'asse maggiore. I valori tipici sono meno otto decibel per S 11 e S 22 e meno 20 decibel per S 12 senza canali PDMS. Per visualizzare al meglio la dinamica del flusso, posizionare il campione al microscopio.

La specifica configurazione ottica dipende dai fenomeni microfluidici delle onde acustiche superficiali da osservare. Per studiare la dinamica del riempimento dei fluidi, utilizzare un semplice microscopio invertito dotato di un obiettivo Forex e di una videocamera a 30 fotogrammi al secondo. Tuttavia, per studiare la dinamica delle microparticelle più complessa, utilizzare un obiettivo 20x e una videocamera da 100 FPS o superiore.

È importante che sia l'obiettivo che la frequenza dei fotogrammi siano sufficientemente elevati da catturare qualsiasi caratteristica di flusso importante dal punto di vista spaziale e temporale. Quindi, collegare i trasduttori interdigitali davanti all'uscita del canale a un generatore di segnale RF e a un amplificatore e azionarli alla frequenza di risonanza osservata nelle misure della matrice di scattering. Se necessario, utilizzare un amplificatore UHF ad alta potenza.

Qui stiamo usando un amplificatore zw five a mini circuiti con una potenza massima di 37 DBM e un guadagno di 40 decibel. È importante che la potenza di uscita totale possa raggiungere almeno 25 DBM per l'analisi del controcorrente acustico. Osservare i fenomeni di flusso acustico e atomizzazione senza controcorrente acustico durante il funzionamento del dispositivo.

A potenza inferiore, in genere il ricircolo del flusso acustico inizia a zero DBM e l'atomizzazione avviene sopra i 14 DBM. Successivamente, preparare il fluido di caricamento delle microsfere per la visualizzazione aggiungendo microsfere da 500 nanometri a 10 particelle per millilitro e facendo vorticare la soluzione per 15 secondi prima degli esperimenti. Quindi caricare 60 microlitri della sospensione di microsfere nella camera.

Utilizzando lentamente una micropipetta, il fluido si diffonderà passivamente nella microcamera per evitare la possibile adesione di particelle sul substrato, applicare un segnale DBM zero al dispositivo durante il caricamento. Iniziare a registrare il video attraverso il microscopio e aumentare la potenza operativa per osservare il controflusso acustico. I diversi schemi di flusso saranno determinati dalla potenza in ingresso, dal design del chip e dal diametro delle particelle.

Al fine di catturare qualitativamente la dinamica, registrare il flusso del fluido in prossimità del menisco e dell'ingresso in diverse fasi del riempimento del canale, utilizzando i marcatori come riferimento spaziale. Quindi, quantitativamente, misurare la dinamica delle particelle mediante immagine di microparticelle, assimetria VE o spettroscopia di correlazione di immagini temporali spaziali come indicato nel protocollo di testo allegato per ottenere risultati accurati. Registra il flusso del fluido nel punto di interesse con un campo visivo fisso per almeno 100 fotogrammi a una frequenza di fotogrammi imposta dalla dinamica delle particelle.

Per analisi più complicate per ottenere linee di flusso e misure del campo di velocità, utilizzare la simmetria errata dell'immagine di microparticelle personalizzata o il codice di spettroscopia di correlazione dell'immagine temporale spaziale mostrato. Qui sono i tipici spettri S 11 e S 12 presi prima dell'incollaggio dello strato di litio ato. La frequenza di risonanza nei due spettri può essere vista a 95 megahertz.

La profondità della valle alla frequenza centrale nello spettro S 11 è correlata all'efficienza della conversione della potenza RF in potenza meccanica delle onde acustiche superficiali. Pertanto, una riduzione del minimo della valle comporterà una riduzione della potenza richiesta per il funzionamento del dispositivo. Il massimo dello spettro S 12 è correlato all'efficienza della conversione della potenza RF e della potenza meccanica dell'onda acustica superficiale e all'attenuazione dell'onda lungo la linea di ritardo.

La riduzione di questo valore può derivare da difetti come il disallineamento della linea di ritardo dell'onda o crepe. Mostrato. Ecco quattro diversi modelli di flusso caratteristici osservati utilizzando velocità di lattice di 500 nanometri. Le prime due immagini mostrano risultati diversi all'ingresso del canale.

A sinistra, si osservano due vortici simmetrici dovuti ai fenomeni di flusso acustico all'inizio del riempimento del canale dopo un certo tempo in cui il canale è parzialmente riempito, si ottiene il flusso laminare. Le immagini mostrate qui sono dalla vicinanza del menisco. Quando il canale è parzialmente riempito sulla sinistra, si osservano particelle che si accumulano in linee e si muovono alla stessa velocità del menisco.

Ciò si verifica quando la dinamica delle particelle è dominata dalla forza di radiazione acustica sulla destra. Qui si osserva il predominio della forza di trascinamento e del flusso acustico. Le particelle inghiottono due vortici e si accumulano solo in bande entro 300 micron dal menisco e si trovano vicino alla superficie del substrato.

Durante queste procedure, è molto importante ricordare di mantenere il dispositivo molto pulito in tutte le fasi dell'esperimento, dalla fabbricazione al funzionamento. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come fabbricare e testare i dispositivi a onde acustiche di superficie. Lavora con la microfluidica PDMS e visualizza e analizza i flussi macrofluidici.