作製とAcoustofluidicのデバイスの動作は、粒子のフォーカシングSheathlessためのバルク弾性定在波を支援

この作製アプローチの全体的な目的は、バルク音響定在波を用いて、ミクロンサイズのコロイド粒子を非接触で操作できる、汎用性と堅牢性を兼ね備えた音響流体デバイスを作成することです。私たちの目的は、標準的な装置と手順を用いてバルク音響定在波をサポートする音響流体ツールを作製する方法を示すことで、簡便なアプローチを実証し、この有用な技術をより普及しやすくすることです。音響流体学の大きな利点は、微小な実体を迅速に集光または分離させる簡単な方法を提供できることであり、これはオンチップサイトメトリーや細胞ソーティングにおいて幅広い応用が期待されます。

この技術により、小型で便利なプラットフォーム上で、さまざまな流速で粒子を緩やかに、かつ識別的に配列させることが可能になります。クリーンルーム施設において、クリーンな6インチの片面研磨シリコンウェハーを、研磨面を上にしてスピンコーターの上に配置します。ウェハーの大部分が覆われるまで慎重に注ぎ、ポジ型フォトレジストをウェハーの中央に直接塗布します。

次に、サンプルを回転させ、フォトレジストを均一な層に形成させます。終了後、チャックの真空を解除し、ウェハピンセットを使用してウェハを取り出します。続いて、ウェハをホットプレートに載せ、フォトレジストサプライヤーが指定する時間でソフトベークを行います。

フォトレジストをベイクしている間に、ここに示すようなフォトマスクをマスクアライナーのホルダーにロードします。次に、ウェハーをロードし、フォトレジストサプライヤーが指定するエネルギー量でUV光を照射します。その後、フォトリソグラフィ処理を施したウェハーをホルダーから取り出し、対応する現像液の中に浸します。

終了後、ウェハーを現像液から取り出し、脱イオン水の定常流で洗浄し、窒素で乾燥させます。フォトリソグラフィ処理を施したウェハーを深反応性イオンエッチング装置のチャンバーにロードし、標準的なエッチング手順に従って、所定の深さまでウェハーに流体チャネルをエッチングします。エッチングプロセスが完了したら、サンプルをチャンバーからアンロードし、フォトレジスト剥離液が入った大きなビーカーに入れます。

ウェハーを溶液に完全に浸し、65 °Cで1時間浸漬させます。ウェハーをビーカーから取り出し、アセトンとイソプロピルアルコールを交互に流して洗浄します。その後、窒素を用いてウェハーを乾燥させます。

酸の使用が承認された換気効率の良いフード内で、30% 過酸化水素を硫酸に1:3の比率で加えて、大きな洗浄済みビーカーにピラニア溶液を調製します。イオンエッチングを施したウェハーを、エッチング面を上にしてピラニア溶液に浸漬し、5分間放置します。その後、ウェハーを取り出し、脱イオン水で十分に洗浄します。

ウェハーを再びピラニア溶液に浸し、さらに2分間保持した後、多量の脱イオン水で再度洗浄します。溶剤専用の別の換気フード内で、ウェハーにアセトンを、次いでメタノールを絶え間なく流して洗浄し、窒素ガスで乾燥させます。スクライバーを使用して、マイクロ流体チップの周囲に直線状の切り込みを入れ、あらかじめ穴が開いた長方形のガラスセグメントの寸法よりも小さくなるようにします。

エッチング線に沿ってウェハーを慎重に折断します。シリコンセグメントをアセトンの定常流で洗浄し、続いてメタノールの定常流で洗浄します。その後、ウェハーを95 °Cのホットプレート上に2分間置き、乾燥させます。

次に、エッチングされた構造面を上に向けた状態で、シリコンセグメントの上に洗浄済みのガラスを慎重に載せます。このとき、穴の位置が正しく揃っていることを確認してください。その後、穴の整合性を維持したまま、セグメントを慎重に反転させます。

両面導電性テープを用いて2つのセグメントを固定します。テープの半分でシリコンセグメントの垂直方向のエッジを固定し、もう半分でオーバーハングしたガラスを固定します。その後、ガラスセグメントが上になるようにセグメントを再度反転させます。これらのセグメントを、450 °Cに設定したホットプレート上のスチールスラブの上に置きます。

次に、組み立てたガラスおよびシリコンセグメントの最上部に、5 kg以上の2枚目のスチールプレートを慎重に直接載せます。このプレートがシリコンセグメントまたは導電性テープに接触しないようにしてください。高電圧電源を使用し、正極リードを組み立てたガラスおよびシリコンセグメント上の最上部のスチールプレートに、接地リードを下部のスチールプレートにそれぞれ接続します。

下部のホットプレートの電圧を1,000 Vに設定します。1本のプローブを下底板に、もう1本のプローブを上底板に当て、マルチメーターを用いて印加電圧を確認します。2時間後に戻り、ホットプレートとDC電源を切り、金属プレートから装置を取り出します。

カミソリでガラス表面を削り、アノード接合によって生じた汚れを取り除いた後、アセトンでガラス表面を洗浄します。次に、ポリジメチルシロキサンを約10 mm × 10 mmの小さな正方形の平板に数枚切り出し、厚さが約5 mmのシートを用意します。3 mmの生検パンチを使用して、各平板の中心に1つの穴を開けます。

次に、エポキシ樹脂を用いて、ガラス基板上の穴の直上にスラブを接着します。トランスデューサの2つの導電領域に2本のワイヤを半田付けします。その後、マイクロチャネルの下側中央にあるデバイス裏面のシリコンセグメントに、チタン酸ジルコン酸鉛トランスデューサを慎重に接着します。

最後に、ポリジメチルシロキサンのスラブにある穴にシリコンチューブを挿入し、スラブとチューブの周囲にさらに接着剤を塗布して固定します。マイクロチャネルが対物レンズの直下にくるように、デバイスを顕微鏡ステージにしっかりと固定します。この際、トランスデューサーがステージに接触しないように注意してください。

次に、デバイスの出口から、シリンジポンプに固定したシリンジへシリコンチューブを接続します。デバイスの入口へと続くシリコンチューブを、ポリスチレンビーズまたは目的の細胞の懸濁液が入ったバイアルに入れます。その後、サンプルが入ったバイアルをスターラーの上に置き、実験期間中に一定の濃度が維持されるよう、継続的に撹拌します。

ファンクションジェネレーターと直列に接続されたパワーアンプの出力にトランスデューサーを接続します。ファンクションジェネレーターの設定を行い、オシロスコープで出力をモニターします。その後、ファンクションジェネレーターとパワーアンプの電源を入れ、トランスデューサーを駆動させます。

次に、顕微鏡の電源を入れ、マイクロ流体チャネルがはっきりと合焦していることを確認します。また、シリンジポンプを起動して、デバイスにサンプルを導入します。実験全体を通して、蛍光顕微鏡を用いてデバイス内を流れるエンティティを観察してください。

ここでは、シリンジポンプを用いて、100 µL/minの速度で緑色蛍光ポリスチレンビーズの懸濁液をマイクロ流路チャンバーに注入しました。チタン酸ジルコン酸鉛 transducerを起動させ、周波数を2.366 MHzに調整すると、幅313 µmのこのマイクロチャネルの幅方向に半波長の定在波が形成されます。これにより、ビーズの流れが圧力ノードに沿って集束されます。

負の音響コントラスト因子を持つ赤色蛍光シリコン粒子をデバイス内に注入すると、粒子は圧力節（アンチノード）に沿って濃縮されました。このシステムによる粒子の集束能は、流速と印加電圧の両方に依存します。流速が増加するにつれて、マイクロチャネル内における粒子の分布は広がります。

また、印加電圧を高くすると、粒子のフォーカシングの程度が高まります。動作後、このデバイスは、微細な空間的または時間的制御を必要とするさまざまなマイクロ流体ベースのバイオアッセイや実験において、粒子や細胞を操作するために使用できます。どのステップにおいても、急ぐことで最終的なデバイスに不完全さが生じる可能性があるため、時間をかけて慎重に作業することが重要です。

デバイスが完成すれば、使用ごとに適切な洗剤や洗浄バッファーを用いて適切に洗浄することで、繰り返し使用することが可能です。このビデオを視聴することで、バルク音響定在波を支持するシリコンとガラスで構成されたアコーストフルイディックデバイスの作製方法について、十分に理解できたことでしょう。ピラーニャ溶液などの強力な化学薬品は、不適切に取り扱うと極めて危険であることに十分注意してください。

すべての作製工程において安全な化学的取り扱いを徹底するため、これらの液体の取り扱いには十分に注意してください。