Name: Manipolazione di microparticelle levandosi in piedi le onde acustiche superficiali con doppia frequenza eccitazioni (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-21T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 51 s
Description: Impara a manipolare microparticelle in canali microfluidici utilizzando onde acustiche superficiali con eccitazione a doppia frequenza. Questo metodo migliora la sintonizzabilità e le capacità di smistamento per applicazioni biomedicali.

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Questo lavoro è stato sponsorizzato dal fondo di ricerca accademica (AcRF) livello 1 (RG171/15), Ministero dell'istruzione, Singapore.

1. preparazione del canale microfluidico
<ol><li>Mescolare poli-dimetilsiloxano (PDMS) con un elastomero di base in un rapporto di 10:1.</li>
	<li>Degassare la miscela in un forno sottovuoto e versarlo su un wafer di silicio con un modello di photoresist tono negativo sulla parte superiore.</li>
	<li>Degassare il wafer di silicio a motivi nuovamente e scaldarlo a 70 ° C per 3 h in un'incubatrice per solidificazione.</li>
</ol>2. montaggio dei trasduttori Interdigital
<ol><li>Deposito 20 nm di Cr e 400 nm di su un wafer di3 LiNbO; modello 20 strisce con una larghezza di 150 µm e un'apertura di 2 cm su una maschera di plastica per fotolitografia depositando il photoresist positivo sul substrato.</li>
	<li>Rimuovere lo strato di Cr-sulla zona non esposte con acetone.</li>
	<li>Trattare la superficie del loro con plasma ad ossigeno (con un rapporto di azoto e ossigeno di 2:1) la potenza di 30 W per 60 s.</li>
	<li>Allineare il microchannel PDMS e legame al substrato3 LiNbO premendo con il pollice per pochi secondi.</li>
	<li>Posizionare il dispositivo integrato nella camera di riscaldamento a 60 ° C per 3 h.</li>
</ol>3. dual-frequenza eccitazione
<ol><li>Applicare contemporaneamente due componenti di frequenza (f1 e f3, la frequenza fondamentale e la terza armonica del fabbricato IDT, rispettivamente) con la differenza di fase φ tra di loro per la coppia di IDTs, affinché la sega prodotta può essere espressa come segue. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq1.jpg"> Qui, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq2.jpg">e <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq3.jpg"> = le pressioni acustiche.</li>
	<li>Sintetizzare la forma d'onda doppia frequenza utilizzando l' Equation Editor del software applicativo di ArbExpress alla frequenza di campionamento di 100 MS/s e poi memorizzarlo per il generatore di funzioni come ingresso arbitrario per l'eccitazione di sega nell'esperimento via un cavo USB.</li>
	<li>Variare la potenza della frequenza fondamentale per la totale potenza emessa <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq4.jpg"> da 100% (eccitazione alla frequenza puramente fondamentale) a 0% (eccitazione a puramente terza armonica); per un buon confronto, cambiare ma mantenere la potenza totale lo stesso.</li>
	<li>Variare la differenza di fase di eccitazione doppia frequenza da 0° a 360°.</li>
</ol>4. simulazione
<ol><li>Descrivere il moto del flusso incomprimibile laminare con basso Reynolds (cioè, Re = 0,55) e Mach i seguenti numeri35. <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq5.jpg"> <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq6.jpg"> Qui, <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq7.jpg">= la velocità del fluido, <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq8.jpg">= viscosità dinamica, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq9.jpg">= la densità del fluido, <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq10.jpg">= la pressione del fluido, <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq11.jpg">= la matrice di identità, e <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq12.jpg">= una forza esterna.</li>
	<li>Descrivere la forza di trascinamento di Stoke prodotta sull'oggetto come segue36. <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq13.jpg"> Qui, <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq14.jpg">= il raggio della microparticella, <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq15.jpg">= velocità del fluido, e <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq16.jpg">= la velocità delle microparticelle.</li>
	<li>Derivare la forza di radiazione acustica applicata alla microparticella in microchannel lungo la x-asse (su tutta la larghezza di microchannel) presso una singola frequenza come segue16 . <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq17.jpg"> Qui, <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq18.jpg">= volume della microparticella, <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq19.jpg">= la densità della microparticella, <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq20.jpg">= la densità del mezzo, <img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq21.jpg">= la compressibilità della microparticella, e <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq22.jpg">= la comprimibilità del mezzo.</li>
	<li>Derivare la forza risultante radiazione acustica dell'eccitazione doppia frequenza come segue. <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq23.jpg">
</li>
	<li>Esprimere il movimento trasversa su tutta la larghezza del canale (lungo il y-axis) sotto la forza di radiazione acustica sia il Stokes trascinare forza disciplinato dalla seconda legge di Newton come segue. <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq24.jpg">
</li>
	<li>Risolvere le equazioni differenziali ordinarie (ODEs) sopra utilizzando il metodo di Runge-Kutta di quarto ordine su un personal computer. Impostare il passo temporale e la durata totale come 1 µs e 20 s, rispettivamente.</li>
</ol>5. osservazione sperimentale
<ol><li>Girare la soluzione nella concentrazione di 5,9 x 107 con 4 µm verde fluorescente perle di polistirolo / 1 mL Vortex per circa 2-3 min e poi immergerlo in un sonicatore ultrasuoni per 10 minuti per distruggere qualsiasi agglomerazione prima di ogni test.</li>
	<li>Versare la miscela in una siringa da 3 mL e quindi guidare con una pompa a siringa ad una portata di 3-5 µ l/min.</li>
	<li>Guidare la IDT con il segnale di doppia frequenza da un generatore di funzione seguito da un amplificatore di potenza.</li>
	<li>Osservare le microparticelle stabilizzate nel microchannel a valle sotto un microscopio chiaro a un ingrandimento 40x e registrare l'immagine con una fotocamera digitale.</li>
	<li>Misurare la posizione delle microparticelle accumulate nelle immagini digitali acquisite utilizzando ImageJ e la scala stabilita e quindi determinare quantitativamente la concentrazione della microparticella accumulato con la luminosità di fluorescenza normalizzata a ogni nodo di pressione.</li>
</ol>

<ol><li>Chin, C. D., Linder, V., Sia, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Commercialization+of+microfluidic+point-of-care+diagnostic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Commercialization of microfluidic point-of-care diagnostic devices.</a> Lab on a Chip. 12 (12), 2118-2134 (2012).</li>
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<li>Lin, S. -C. S., Mao, X., Huang, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+acoustic+wave+%28SAW%29+acoustophoresis%3A+now+and+beyond%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Surface acoustic wave (SAW) acoustophoresis: now and beyond.</a> Lab on a Chip. 12 (16), 2766-2770 (2012).</li>
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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>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Il movimento della microparticella in microchannel di un SSAW presso la doppia frequenza di eccitazione è stato studiato estesamente in questo studio, e una tecnica di campitura efficacemente sintonizzabile variando i segnali di due frequenze di eccitazione è stata sviluppata e testata. La produzione di tali una forma d'onda è facilmente realizzata dalla maggior parte dei generatori di funzione, e l'approccio di regolazione è molto conveniente. S12- sia S11-risposte in frequenza del fabbricato IDTs ...

LOC la tecnologia integra una o diverse funzioni su un microchip per biologia, chimica, biofisica e processi biomedici. LOC permette un setup del laboratorio su scala più piccola di Sub-millimetri, velocità di reazione veloce, un tempo di risposta breve, un controllo di processo ad alta, un consumo basso volume (meno costo reagenti dei rifiuti, più basso e meno volume di campione richiesto), un throughput elevato dovuto parallelizzazione, a basso costo in futuro la produzione di massa e conveniente monouso, un'elevata sicurezza per gli studi chimici, radioattivi o biologici e i vantaggi di un dispositivo compatto e portatile1,2. Manipolazione cellulare preciso (cioè, accumulo e separazione) è fondamentale in un basato su LOC analisi e diagnosi3,4. Tuttavia, l'accuratezza e la riproducibilità della microparticella manipolazione hanno una varietà di sfide. Molte tecniche, come elettro-osmosi5, dielettroforesi (DEP)6, magnetophoresis7, submicronica8,9, un approccio ottico10, un optoelettronici approccio11 , un approccio idrodinamico12e acoustophoresis13,14,15, sono stati sviluppati. In confronto, approcci acustici sono appropriati per un'applicazione di LOC perché, teoricamente, molti tipi di cellule e di microparticelle possono essere manipolati in modo efficace e non invadente con un sufficientemente elevato contrasto (densità e compressibilità) rispetto con il fluido circostante. Pertanto, rispetto ai loro omologhi, approcci acustici sono intrinsecamente idonei per la maggior parte delle microparticelle e oggetti biologici, non importa di loro proprietà ottiche, elettriche e magnetiche16.
Onde acustiche superficiali (Seghe) dal IDTs propagano per lo più sulla superficie di un substrato piezoelettrico allo spessore di diverse lunghezze d'onda e quindi perdita l'angolazione di Rayleigh nel fluido nel microchannel, secondo legge17, di Snell 18,19,20,21,22. Hanno i vantaggi tecnici di un'elevata efficienza energetica lungo la superficie a causa della loro localizzazione dell'energia, una grande flessibilità progettuale ad alta frequenza, un'integrazione di buon sistema con il canale di microfluidica e miniaturizzazione utilizzando tecnologia del sistema di micro-elettronici-meccanici (MEMS) e un elevato potenziale di produzione di massa23. In questo protocollo, seghe vengono generati da una coppia di identico IDTs e propagati in direzione opposta per generare un'onda stazionaria o SSAW, in microchannel, dove le microparticelle sospese sono spinti ai nodi di pressione, per lo più da acustica applicata forza di radiazione24. L'ampiezza di tale forza risultante è determinata dalla frequenza di eccitazione, microparticella dimensioni e relativo contrasto acustico fattore22,25.
Tale acoustophoresis ha la limitazione dei motivi di manipolazione predeterminati che non sono facilmente regolabili. La frequenza di eccitazione del IDTs è determinata dalla loro distanza periodica, quindi la larghezza di banda è piuttosto limitata. Diverse strategie sono state sviluppate per migliorare la funzionalità di accordabilità e manipolazione. La prima e la seconda modalità di onde stazionarie acustiche applicate in diverse parti del microchannel potrebbe separare microparticelle in modo più efficace in funzione delle velocità differenti di movimento verso le linee nodali26. Queste due modalità potrebbe essere applicata anche alla parte intera del microchannel e commutato in alternativa27,28,29. Tuttavia, per questo, un gran numero di attrezzature (cioè, tre generatori di funzione, due unità di adattamento di impedenza e un relè elettromagnetico) è richiesto, con la maggiore complessità di costo e controllo della disposizione sperimentale a causa del diverso impedenze elettriche presso la frequenza fondamentale e la terza armonica del piezoceramico piastra30. Inoltre, potrebbero essere applicati dito inclinato interdigital trasduttori (SFITs) per regolare le cellule e microparticelle patterning eccitando un periodo delle dita inclinate per una certa risonanza20,31. Tuttavia, allora, la larghezza di banda è inversamente proporzionale al numero di dita inclinate. Più linee nodali di pressione hanno una maggiore efficienza di separazione e la sensibilità rispetto alla singola linea nodale nel separatore convenzionale basato su SSAW microparticella. In alternativa, la posizione dei nodi pressione potrebbe anche essere cambiata semplicemente regolando la differenza di fase applicata alle due IDTs in progettazione32,33.
La frequenza fondamentale e la terza armonica del IDTs avere simili risposte in frequenza, in modo che essi possono essere eccitati simultaneamente, che fornisce ulteriori accordabilità per la manipolazione di microparticelle34. In confronto l'eccitazione di IDT convenzionale a una singola frequenza, regolazione pressioni acustiche di eccitazione doppia frequenza e la fase tra di loro fornisce tecniche unicità, come fino a ~ 2 volte ridotto tempo di movimento alla pressione nodale linea o il centro della microchannel, il vario numero e posizione delle linee nodali di pressione e le concentrazioni di microparticelle.

<table><tbody><tr><td>poli-dimetilsilossano</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td>base di elastomero di poli-dimetilsilossano</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td>wafer di silicio</td><td>Bonda Technology</td><td>SI8PSPD</td><td></td></tr><tr><td>fotoresist a tono negativo</td><td>Microchem</td><td>SU-8</td><td></td></tr><tr><td>bilaterale lucidato su entrambi i lati LiNbO3 wafer</td><td>University Wafer</td><td>Y-128&deg;</td><td></td></tr><tr><td>fotoresist positivo</td><td>Nicolaus-Otto-Stra&szlig; e</td><td>AZ 9260</td><td></td></tr><tr><td>ossigeno plasma</td><td>Harrick Plasma</td><td></td><td></td></tr><tr><td>maschera di plastica</td><td>Infinite Graphics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

manipolazione di microparticelle levandosi in piedi le onde acustiche superficiali con doppia frequenza eccitazioni

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

Dimostriamo un metodo per aumentare la capacità aggiuntiva di un'onda acustica di superficie in piedi (SSAW) per la manipolazione delle microparticelle in un sistema di lab-on-a-chip (LOC). L'eccitazione simultanea della frequenza fondamentale e la terza armonica, che è definito come doppia frequenza di eccitazione, a una coppia di trasduttori interdigital (IDTs) potrebbe generare un nuovo tipo di permanente onde acustiche in un canale di microfluidica. Variando la potenza e la fase di eccitazione doppia frequenza segnali risultati in un campo riconfigurabile della forza di radiazione acustica applicata a microparticelle attraverso il microchannel (ad esempio, il numero e la posizione dei nodi pressione e la concentrazioni di microparticelle ai corrispondenti nodi di pressione). Questo articolo viene illustrato che può essere ridotto il tempo di movimento della microparticella nodo sola pressione ~ 2 volte presso il rapporto di potenza della frequenza fondamentale maggiore di ~ 90%. Al contrario, ci sono tre nodi di pressione nel microchannel se inferiore a questa soglia. Inoltre, regolando la fase iniziale tra la frequenza fondamentale e risultati del terzo armonici nei tassi di moto diversi i tre nodi di pressione SSAW, nonché della percentuale di microparticelle in ciascun nodo di pressione nel microchannel. C'è un buon accordo tra l'osservazione sperimentale e le previsioni numeriche. Questo metodo di eccitazione romanzo può in modo non invasivo e facilmente integrare nel sistema LOC, con un ampia sostenibilità e solo poche modifiche alla disposizione sperimentale.

Le distribuzioni di pressione acustica e la forza di radiazione acustica di un SSAW presso la doppia frequenza di eccitazione (6,2 e 18,6 MHz) sono mostrati nella Figura 1. Qui, la doppia frequenza di eccitazione si verifica su microparticelle polistirolo (4 µm di diametro) in un microchannel con una larghezza di 300 µm ad una potenza acustica di 146 mW. La pressione acustica risultante è sempre in fase quando P1 &gt; 90%, così che una so...

Un protocollo per manipolare le microparticelle in un canale di microfluidica con una doppia frequenza di eccitazione è presentato.

Manipolazione di microparticelle levandosi in piedi le onde acustiche superficiali con doppia frequenza eccitazioni

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 ...

Questo metodo può aiutare ad affrontare problemi chiave nel campo biomedico, come la manipolazione di microparticelle e assistere nello smistamento in un canale microfluidico per labs-on-a-chip. Il vantaggio principale di questa tecnica è che può migliorare la sintonizzabilità della commissione di un'onda acustica di superficie stazionaria. A dimostrare la procedura sarà Yannapol, una studentessa laureata del mio gruppo.Inizia con uno stampo per il canale microfluidico. Questo è un modello di fotoresist a tono negativo su un wafer di silicio. Maggiori dettagli sono forniti dal modello di fotolitografia utilizzato per crearlo.Mescolare 10 parti di PDMS con una parte di rapporto in volume di base in elastomero. Degasare il composto in forno sottovuoto per circa 15 minuti. Dopo il degasaggio, portare il composto nello stampo.Lì, versalo sul fotoresist sul wafer di silicio. Ora, degassare il wafer di silicone coperto per altri 15 minuti. Successivamente, riscalda il wafer in un'incubatrice per solidificare il PDSM.Quando il PDMS si è raffreddato, rimuoverlo dal wafer. Il canale microfluidico è pronto per le fasi successive del protocollo. Preparare un substrato per la fabbricazione dei trasduttori.In questo caso, utilizzare un wafer di niobato di litio di quattro pollici di diametro. In una centrifuga, rivestire il wafer con fotoresist positivo. Quindi, utilizzare la fotolitografia per modellare il fotoresist con 20 strisce da 150 nanometri in un'apertura di due centimetri.Dopo la fotolitografia, questa è la rappresentazione schematica del cambiamento nella sezione trasversale del substrato. Una volta sviluppato il fotoresist, spruzzare 20 nanometri di cromo sul substrato seguiti da 400 nanometri di alluminio. Utilizzare l'acetone per rimuovere lo strato di cromo e alluminio sulle aree non esposte.Prendere il substrato per il trattamento superficiale in plasma di ossigeno. Utilizzare un rapporto azoto/ossigeno di due a uno con 30 watt di potenza per 60 secondi. Al termine, lavorare sia con il substrato che con il microcanale.Allineare il microcanale PDMS e legarlo con il substrato di niobato di litio. Premi i due insieme per alcuni secondi per unirli. Posizionare il dispositivo integrato nella camera di riscaldamento a 60 gradi per tre ore.Dopo aver riscaldato la camera, il dispositivo è pronto per gli studi utilizzando eccitazioni a doppia frequenza di onde acustiche di superficie stazionaria. Per le osservazioni, utilizzare un microscopio invertito con il dispositivo sul tavolino. Avere il wafer con i trasduttori interdigitali a contatto con il tavolino e avere il microcanale in cima.Collegare i trasduttori al segnale amplificato di un generatore di funzioni. Organizzare il passaggio dei fluidi da una pompa a siringa su un agitatore magnetico. Prepara la soluzione per gli esperimenti.Mescolare quattro micrometri di perle di polistirene in acqua deionizzata. Centrifugare il composto in un vortice per due o tre minuti. Successivamente mettendo la miscela in un sonicatore a ultrasuoni per 10 minuti.Trasferire il composto in una siringa da tre millilitri. Aggiungere anche una barra di agitazione alla siringa. Quindi, posizionare la siringa sulla pompa a siringa.Assicurarsi che la siringa sia sopra l'agitatore magnetico e sia collegata all'ingresso del dispositivo. Impostare la portata della pompa a siringa a pochi microlitri al minuto. Ora, pilotare il dispositivo con la fondamentale e la terza armonica dei trasduttori interdigitali.Osservare le microparticelle stabilizzate al microscopio e registrare le immagini con la fotocamera digitale. Inizia senza eccitazione e varia la differenza di fase tra le due frequenze. Utilizzare le immagini registrate per determinare la concentrazione di microparticelle in ciascun nodo di pressione.Questo è un grafico delle forme d'onda di pressione di un'onda acustica di superficie stazionaria alle frequenze di eccitazione di 6,2 e 18,6 megahertz. L'asse verticale è la posizione lungo un microcanale largo 300 micrometri. Le curve rappresentano diversi rapporti di potenza, la percentuale di potenza nella modalità fondamentale rispetto alla potenza totale di 146 milliwatt.Ecco la forza di radiazione acustica applicata a quattro microsfere micrometriche nello stesso canale nelle stesse condizioni di potenza. Con un rapporto di potenza superiore al 90% la forza è sempre in fase e produce un singolo nodo di pressione nella posizione di 150 micrometri nel canale. Appaiono nodi aggiuntivi per un rapporto di potenza inferiore al 90%Quando quattro microsfere di polistirene micrometriche vengono inizialmente posizionate su una parete del canale, il loro movimento è determinato dal rapporto di potenza.Nota: per rapporti di potenza superiori al 90% le particelle vanno al nodo centrale. Per rapporti di potenza del 90% e inferiori, vanno ai nodi laterali. Il confronto dei dati sperimentali, tracciati utilizzando simboli, con simulazioni tracciate con linee tratteggiate, per la posizione delle particelle in funzione del rapporto di potenza produce un buon accordo.Si noti che questo grafico mostra sia i nodi laterali superiore che quello inferiore. Un accordo simile è evidente in un grafico della concentrazione di particelle in funzione del rapporto di potenza. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare di sintonizzare l'onda acustica stazionaria nel canale microfluidico regolando il rapporto di potenza dell'eccitazione a doppia frequenza.Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dell'ingegneria biomedica per esplorare la manipolazione rapida, efficace e flessibile delle microparticelle nei laboratori su chip. Non dimenticare che lavorare con strumenti elettrici può essere estremamente pericoloso e che è necessario prendere sempre precauzioni per prevenire scosse elettriche durante l'esecuzione di questa procedura.

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

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Una piattaforma per l&#39;elaborazione di precisione Microfluidic piccola Volume del campione e il suo uso per Dimensione particelle biologiche separate con un Microdevice Acoustic

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Nucleazione controllabile di cavitazione da nanoparticelle plasmoniche d'oro per l'aumento ad alta intensità focalizzato applicazioni ad ultrasuoni

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Assemblaggio e caratterizzazione di un driver esterno per la generazione di flussi oscillatori sub-kilohertz in microcanali

Impara a manipolare microparticelle in canali microfluidici utilizzando onde acustiche superficiali con eccitazione a doppia frequenza. Questo metodo migliora la sintonizzabilità e le capacità di smistamento per applicazioni biomedicali.

Manipolazione di microparticelle levandosi in piedi le onde acustiche superficiali con doppia frequenza eccitazioni

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