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>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

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In questo video vengono descritti i processi di fabbricazione e di funzionamento delle onde acustiche di superficie (SAW), dispositivo controcorrente acustico. Abbiamo quindi dimostrare un apparato sperimentale che consente sia la visualizzazione del flusso analisi qualitativa e quantitativa dei flussi complessi all'interno del dispositivo di pompaggio SAW.

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

Cavitazione acustica in liquidi presentate alla potenza degli ultrasuoni crea condizioni estreme transitorie all'interno delle bolle che collassano, che sono l'origine della reattività chimica e di emissione di luce insolita, noto come sonoluminescenza. In presenza di gas nobili, plasma non-equilibrio è formato. Le particelle "caldi" e fotoni generati dal collasso bolle sono in grado di eccitare specie in soluzione.

Attivazione molecole, ioni e particelle solide con Acoustic Cavitazione

Questo protocollo descrive un'architettura di sistema per l'esecuzione di separazioni automatizzate di particelle di piccolo volume (0,15-1,5 ml) utilizzando un dispositivo microfluidico e discute i metodi per ottimizzare le prestazioni e il funzionamento del dispositivo acustofluidico.

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

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.

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

Dimostriamo la fabbricazione di canali nanoheight con l'integrazione di dispositivi di azionamento delle onde acustiche superficiali su niobate al litio per nanofluidici acustici tramite fotolitografia di decollo, incisione di ioni reattivi nano-profondità e plasma a temperatura ambiente l'incollaggio multistrato attivo dalla superficie del niobate di litio monocristallo, un processo altrettanto utile per l'associazione di niobate al litio agli ossidi.

Fabbricazione di canali Nanoheight che incorporano l'atuazione delle onde acustiche superficiali tramite Litio Niobate per la Nanofluidica acustica

Due tecniche di fabbricazione, il decollo e l'incisione a umido, sono descritte nella produzione di trasduttori di elettrodi interdigitali su un substrato piezoelettrico, il litio niobate, ampiamente usato per generare onde acustiche superficiali che ora trovano un'ampia utilità nei fluidici micro-nanoscala. Gli elettrodi prodotti sono mostrati per indurre in modo efficiente onde acustiche della superficie di Rayleigh ordine megahertz.

Fabbricazione di dispositivi a onde acustiche superficiali su Liithium Niobate

Viene descritta la fabbricazione di trasduttori in modalità spessore piezoelettrico tramite sputtering a corrente diretta di elettrodi a piastre su niobate al litio. Inoltre, un funzionamento affidabile è ottenuto con un supporto trasduttore e un sistema di alimentazione dei fluidi e la caratterizzazione è dimostrato tramite l'analisi dell'impedimento, la vibrometria del doppler laser, l'imaging ad alta velocità e la distribuzione delle dimensioni delle goccioline utilizzando la dispersione...

Fabbricazione e caratterizzazione dei dispositivi piezoelettrici della modalità Thickness per atomizzazione e acoustofluidica

Viene proposta una tecnica veloce e affidabile per controllare le oscillazioni di forma di una singola bolla acustica intrappolata che si basa sulla tecnica della coalescenza tra due bolle. Le oscillazioni della forma della bolla controllate da simmetria e allo stato stazionario consentono l'analisi del flusso di fluido generato in prossimità dell'interfaccia della bolla.

Induzione del microstreaming mediante oscillazioni di bolle non sferiche in un sistema di levitazione acustica

Il protocollo dimostra un metodo conveniente per produrre un flusso oscillatorio armonico da 10-1000 Hz in microcanali. Questo viene eseguito interfacciando un diaframma dell'altoparlante controllato dal computer al microcanale in modo modulare.

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

Phase-shift nanoemulsioni (PSNE) può essere vaporizzato con ultrasuoni focalizzati ad alta intensità per migliorare il riscaldamento localizzato e migliorare la termoablazione nei tumori. In questa relazione, la preparazione di PSNE stabile con una distribuzione di dimensione stretta è descritto. Inoltre, l'impatto di PSNE vaporizzato su ultrasuoni-mediata ablazione è in tessuti che imitano fantasmi.

Sintesi di fase-shift nanoemulsioni con distribuzioni di dimensioni strette per vaporizzazione Droplet acustico e Bubble-enhanced Ultrasound-mediata Ablazione

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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