Name: 立って二周波励起表面波による微小物体操作 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-21T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 51 s
Description: 学ぶ、二周波励起表面波を用いた微小粒子操作法。マイクロ流体チャネル内の粒子を精密に制御し、ラボオンチップの分選機能を向上させる。この技術は生物医学研究に応用可能です。

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この仕事は、学術研究基金 (AcRF) Tier 1 (RG171/15)、文部科学省のシンガポールが主催しました。

1. マイクロ チャネルの作製
<ol><li>10:1 の比率で基本エラストマーとポリ ジメチルシロキサン (PDMS) を混ぜます。</li>
	<li>ドガの混合物、真空オーブン、シリコンウエハ上に否定的なトーンのフォトレジスト パターンの上に注ぐ。</li>
	<li>パターン化されたシリコンウェハーを再びドガし、凝固過程のインキュベーターで 3 h の 70 ° C で加熱します。</li>
</ol>2. すだれ状トランスデューサーの作製
<ol><li>Cr と 400 のデポジット 20 nm; LiNbO3ウェーハ上の Al の nmパターン 20 はポジ型フォトレジストを基板に堆積することで 150 μ m 幅、写真平版用プラスチック マスクに 2 cm の開口部のストリップします。</li>
	<li>アセトンと非汚染地域の Cr-al レイヤーを削除します。</li>
	<li>60 の 30 W の消費電力で (2:1 の窒素と酸素の比) を酸素プラズマを用いた表面を扱う s。</li>
	<li>PDMS マイクロ チャンネルを合わせ、親指で押すと、数秒間で LiNbO3基板にそれを結合します。</li>
	<li>統合デバイス 3 h 60 ° C で加熱室に置きます。</li>
</ol>3. 二周波励起
<ol><li>同時に 2 つの周波数成分を適用 (f1とf3、基本周波数と捏造の IDT の 3 倍波それぞれ)、Idt のペア間位相差φ作り出された見たとおり表現されます。 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq1.jpg"> ここは <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq2.jpg"><img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq3.jpg"> = 音響圧力。</li>
	<li>100 MS/秒のサンプリング周波数であるアプリケーション ソフトウェアの数式エディターを使用してデュアル周波数波形を合成してから格納する関数発生器に SAW 励振実験ではの任意入力として経由でUSB ケーブル。</li>
	<li>出力電力の合計に基本周波数の電源を異なる<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq4.jpg">0% (純粋な第 3 高調波で励起); 100% (純粋な基本周波数で加振) から良い比較のため変更が、同じ電力を維持します。</li>
	<li>デュアル周波数振動を 0 ° から 360 ° の位相差が異なります。</li>
</ol>4. シミュレーション
<ol><li>低レイノルズと非圧縮性層流の運動を記述する (すなわち、 Re = 0.55) マッハ番号35では次のように。 <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq5.jpg"> <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq6.jpg"> ここは <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq7.jpg">流体の速度を = <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq8.jpg">= 動粘性係数 <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq9.jpg">= 流体の密度 <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq10.jpg">流体の圧力を = <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq11.jpg">恒等行列を = と <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq12.jpg">外部の力を = します。</li>
	<li>オブジェクトの次36として作り出されたストーク抵抗力を説明します。 <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq13.jpg"> ここは <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq14.jpg">微粒子、半径 = <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq15.jpg">= 流体の速度と <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq16.jpg">微粒子の速度を = します。</li>
	<li>Xマイクロ流路内の微粒子に適用される音響放射力を得る-と単一周波数で (マイクロ チャネル幅) を軸に続く16 。 <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq17.jpg"> ここは <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq18.jpg">各巻、微粒子の <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq19.jpg">微粒子の密度を = <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq20.jpg">媒体の密度を = <img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq21.jpg">=、微粒子の圧縮率と <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq22.jpg">メディアの圧縮を = します。</li>
	<li>とおり二周波励起の結果の音響放射力を派生します。 <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq23.jpg">
</li>
	<li>チャネル幅を横方向の動きを表現 (に沿ってy-軸) [音響放射力と、ストークス抗力次のようにニュートンの第 2 法則によって支配されます。 <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq24.jpg">
</li>
	<li>パソコンで 4 次ルンゲ ・ クッタ法を使用して、上の常微分方程式 (オード) を解決します。セット時間ステップと総期間は 1 μ s と 20 s、それぞれ。</li>
</ol>5. 実験的観察
<ol><li>ソリューションをスピン 5.9 x 10 の濃度で 4 μ m と7緑の蛍光のポリスチレン ビーズ約 2-3 分のための渦による 1 mL あたりと、それを没頭しての超音波の 10 分の超音波発生、各テストの前に任意の凝集を妨害する装置。</li>
	<li>3 mL 注射器に混合物を記入し、3-5 μ L/分の流量でシリンジ ポンプとそれを駆動します。</li>
	<li>IDT デュアル周波数信号の電力増幅器に続いて関数発生器から車で。</li>
	<li>40 倍の倍率での顕微鏡の下で下流のマイクロで安定した微粒子を観察し、デジタル カメラで画像を記録します。</li>
	<li>ImageJ と確立されたスケールを使用してキャプチャしたデジタル画像で蓄積された微粒子の位置を測定し、定量的で正規化された蛍光明るさで蓄積された微粒子の濃度を決定各圧力ノード。</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>den Toonder, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Circulating+tumor+cells%3A+the+Grand+Challenge%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Circulating tumor cells: the Grand Challenge.</a> Lab on a Chip. 11 (3), 375-377 (2011).</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>

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二周波励起で SSAW によるマイクロ流路内微粒子の運動をこの研究で調べた広範囲および二周波励起信号を変化させることにより効果的に可変パターン形成技術が開発され、テストします。このような波形の生産はほとんどの関数発生器によって簡単に実現、調整のアプローチは非常に便利です。S12- と S11-捏造 Idt の周波数応答を示すいくつかの共鳴モード34。6.1 MHz の測定の基本周波数と 17.8 MHz の第 3 高調波対-8.340 dB と同様の透過係数の設計値 (6.2 と 18.6 MHz) 近くにあります-9.750 dB、それぞれ。したがって、単一の IDT を用いた二周波励起でこれらの 2 つのコンポーネントの出力と同様の音響エネルギーが期待されます。このような成分の組み合わせではないf1とf3に限定。その他、 f1 、 f5, とf<su...

LOC 技術は、生物学、化学、生物物理学、生体プロセスのマイクロ チップの 1 つまたは複数の機能を統合します。LOC 規模で研究室のセットアップを可能、サブ ミリメートル、高速反応速度、短い応答時間、高いプロセス制御、少量消費 (以下の廃棄物は、低い試薬コストと必要なサンプル ボリューム少ない)、高いスループットのためにより小さい並列化、低コスト、将来的に大量生産とコスト効果の高い消耗品、化学、放射性、または生物学的研究、安全性の高い、コンパクトでポータブル デバイス1,2の利点。正確なセルの操作 (すなわち、蓄積および分離) は、LOC に基づく分析と診断3,の4が重要です。ただし、精度と再現性微小物体操作のさまざまな課題があります。電気浸透5、誘電泳動 (DEP)6magnetophoresis7働く8,910光学的アプローチなど、多くの技術、オプトエレクトロニクス アプローチ11、流体力学的アプローチ12と acoustophoresis13,14,15、開発されています。比較では、音響のアプローチは、LOC のアプリケーションに適して、微粒子/セルの多くの種類の効果的に操作方法と非侵襲的コントラストが十分に高い (密度と圧縮率) と比較して、理論的に周囲の流体。したがって、相手と比較して、音響のアプローチは本質的にほとんどの微粒子と関係なく、光、電気、磁気的特性16の生物学的オブジェクトの対象となります。
表面弾性波 (鋸)、Idt からはスネルの法則17によるといくつかの波長の厚さで圧電体基板のマイクロ流体にレイリーの角度でリークの表面主に伝達します。 18,19,20,21,22。エネルギー、高周波での素晴らしい設計の柔軟性、良いシステム統合マイクロ流路と小型化を使用しての彼らのローカリゼーションに伴う表面に沿って高エネルギー効率の技術的な利点があります。マイクロ電子機械システム (MEMS) 技術と量産23の可能性が高い。このプロトコルではのこぎりを同一 Idt のペアから生成され、中断された微粒子が応用音響によって大抵圧力ノードにプッシュされます、マイクロで定在波または SSAW、生成する反対の方向で反映放射力24。このような結果として生じる力の振幅は、その音響コントラスト率22,25微粒子サイズ、励起周波数によって決定されます。
このような acoustophoresis が簡単に調節可能な所定の操作パターンの制限があります。Idt の励起周波数は、帯域幅がかなり限られているので、彼らの定期的な距離によって決まります。いくつかの戦略は、可変特性と操作の機能を高めるために開発されています。マイクロのさまざまな部分に適用される音響定在波の最初と 2 番目のモード節線26に向かって異なるモーション速度によるとより効果的に微粒子の分離可能性があります。これらの 2 つのモードはマイクロの全体の部分にも適用できるし、切り替えてまた27,28,29。ただし、このため、装置 (すなわち、3 つの関数発生器、2 つのインピー ダンス マッチング ユニット、電磁リレー) の数が多い必要がのおかげで、別の実験の設定のコストと制御の複雑さ基本周波数と、圧電セラミックの第 3 高調波で電気インピー ダンスはプレート30です。さらに、傾斜指用すだれ状トランスデューサー (SFITs) は、セルと特定共鳴20,31の斜指の励磁によるパターニング微粒子調整に適用でした。しかし、その後、帯域幅は斜指の数に反比例します。複数の圧力節線従来 SSAW ベース微粒子区切り記号で分離効率が高く、単一の節線と比較して感度があります。また、圧力のノードの場所は設計32,332 Idt に適用の位相差を調整することによって単にまた変更でした。
彼らを励起できること同時に、微粒子操作34より多くの可変性を提供するので、基本周波数と Idt の第 3 高調波と同様の周波数応答があります。単一周波数で従来の IDT 励振と比較して二周波励起とそれらの間の位相の音響の圧力を調整するまでなどの技術的な一意性を提供 〜 倍節圧力に運動時間を短縮ラインまたはマイクロ、様々 な数と圧力の節線と微粒子濃度の場所の中心。

<table><tbody><tr><td>ポリジメチルシロキサン</td><td>ダウコーニングシル</td><td>ガード184</td><td></td></tr><tr><td>ポリジメチルシロキサンエラストマーベース</td><td>ダウコーニング</td><td>シルガード184</td><td></td></tr><tr><td>シリコンウェーハ</td><td>ボンダ</td>技術 <td>SI8PSPD</td><td></td></tr><tr><td>ネガトーンフォトレジスト</td><td>マイクロケム</td><td>SU-8</td><td></td></tr><tr><td>両面研磨LiNbO3ウェーハ</td><td>大学ウェーハ</td><td>Y-128&deg;</td><td></td></tr><tr><td>ポジ型フォトレジスト</td><td>Nicolaus-Otto-Stra&szlig;e</td><td>AZ 9260</td><td></td></tr><tr><td>酸素プラズマ</td><td>ハリック プラズマ</td><td></td><td></td></tr><tr><td>プラスチック マスク</td><td>インフィニット グラフィックス</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

立って二周波励起表面波による微小物体操作

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

ラボ-オン-チップ (LOC) システムの微粒子操作のため立っている表面音響波 (SSAW) のチューニング能力を高めるための方法を示します。基本周波数とすだれ状トランスデューサー (Idt) のペアの二周波励起と呼ばれるその第 3 調波の同時励起マイクロ流路における弾性波の立っての新しい型を生成でした。力および二周波励起位相の異なる信号をマイクロ微粒子に適用されます音響放射力の再構成可能なフィールドの結果 (例えば数、圧力ノードの位置と、対応する微粒子濃度圧力ノード)。1 つだけ圧力ノードに微粒子の運動時間を削減できると説明 〜 2 倍 ~ 90% 以上基本周波数の電力比で。対照的に、ノードがある 3 つの圧力のマイクロより小さい場合このしきい値。さらに、基本周波数と第 3 高調波結果 SSAW 圧力ノードが 3 つの異なる運動率だけでなく、マイクロ チャネル内の各圧力ノードで微粒子の割合、間最初の段階を調整します。実験観察と数値予測との良い一致があります。この小説の励振法簡単かつ非侵襲的に統合できます LOC システム全体の耐久性と実験のセットアップにいくつかの変更のみ。

音圧の分布と周波励起 (6.2 と 18.6 MHz) で SSAW の音響放射力は図 1のとおりです。146 の音響パワーで 300 μ m の幅を持つマイクロ チャンネル内二周波励起がポリスチレン微粒子 (直径 4 μ m) で発生しますここで、mW。結果として音圧は、 P1 &gt; 90% 圧力ノードを 1 つだけであるyの段階で常に = 150 μ m です。対照的に、3 つの圧力ノードがyの存在 = 75、150、およびP 1 225 μ m = 90% とy = 150、50、 P1で 250 μ m = 0%。P1のしきい値 = 4-10 μ m の微粒子径、73-648 mW の合計音響パワーと 6.2 18.6 MHz の駆動周波数は 90% はすべてのテスト条件をとおしてほぼ一定...

二周波励起マイクロ流路における微粒子を操作するためのプロトコルが表示されます。

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 ...

この方法は、マイクロ粒子の操作や、ラボオンチップのマイクロ流体チャネルでの選別など、生物医学分野の重要な問題に対処するのに役立ちます。この技術の主な利点は、立っている表面弾性波の委員会の調整性を高めることができることです。その手順を実演するのは、私のグループの大学院生であるヤンナポールです。マイクロ流体チャネルの金型から始めます。シリコンウェーハ上にネガトーンフォトレジストパターンを塗布したものです。より詳細な情報は、それを作成するために使用されるフォトリソグラフィーパターンによって提供されます。PDMS10部とエラストマーベース体積比1部を混合します。混合物を真空オーブンで約15分間脱気します。脱気後、混合物を型に取ります。そこで、シリコンウェーハ上のフォトレジストに注ぎます。次に、覆われたシリコンウェーハをさらに15分間脱気します。その後、インキュベーター内でウェーハを加熱してPDSMを固めます。PDMSが冷却されたら、ウェーハから取り出します。マイクロ流体チャネルは、プロトコルの次のステップに進む準備ができています。トランスデューサーを作製するための基板を準備します。この場合、直径4インチのニオブ酸リチウムウェーハを使用してください。スピンコーターでは、ウェーハにポジ型フォトレジストをスピンコートします。次に、フォトリソグラフィーを使用して、2cmの開口部に20 150ナノメートルのストリップでフォトレジストをパターニングします。フォトリソグラフィー後、基板の断面積の変化を模式的に示したものです。フォトレジストが現像されたら、20ナノメートルのクロムを基板上にスパッタリングし、続いて400ナノメートルのアルミニウムをスパッタリングします。アセトンを使用して、露出していない領域のクロムとアルミニウムの層を取り除きます。酸素プラズマでの表面処理のために基板を取ります。窒素と酸素の比率が2対1で、30ワットの電力で60秒間使用します。完了したら、基板とマイクロチャネルの両方で作業します。PDMSマイクロチャネルを位置合わせし、ニオブ酸リチウム基板に結合します。2つを数秒間押し合わせて接着します。統合されたデバイスを60度の加熱チャンバーに3時間置きます。チャンバーを加熱した後、デバイスは定在表面音波の二重周波数励起を使用した研究の準備が整います。観察には、デバイスをステージに置いた倒立顕微鏡を使用します。デジタル間トランスデューサーを備えたウェーハをステージに接触させ、マイクロチャネルを上にします。トランスデューサをファンクションジェネレータの増幅信号に接続します。シリンジポンプからの液体がマグネチックスターラーを通過するように手配します。実験用の溶液を準備します。4マイクロメートルのポリスチレンビーズを脱イオン水に混合します。混合物を渦中で2〜3分間回転させます。これに続いて、混合物を超音波超音波装置に10分間置きます。混合物を3ミリリットルの注射器に移します。また、シリンジにスターラーバーを追加します。次に、シリンジをシリンジポンプに置きます。シリンジがマグネチックスターラーの上にあり、デバイスの入口に接続されていることを確認します。シリンジポンプの流量を毎分数マイクロリットルに設定します。次に、デジタル間トランスデューサの基本高調波と第3高調波でデバイスを駆動します。安定化された微粒子を顕微鏡で観察し、デジタルカメラで画像を記録します。励起なしから始めて、2つの周波数間の位相差を変化させます。記録された画像を使用して、各圧力ノードでの微粒子濃度を決定します。これは、6.2メガヘルツと18.6メガヘルツの励起周波数における定在表面弾性波の圧力波形のプロットです。縦軸は、幅300マイクロメートルのマイクロチャネルに沿った位置です。曲線は、基本モードの電力と総電力の146ミリワットの割合であるさまざまな電力比を表しています。これは、同じ電力条件下で同じチャネル内の4マイクロメートルの微小球に加えられる音響放射力です。90%を超える電力比では、力は常に同相であり、チャネル内の150マイクロメートルの位置に単一の圧力ノードを生成します。90%未満の電力比で追加のノードが表示されます4つのマイクロメートルのポリスチレンマイクロスフィアが最初にチャネルの壁に配置されると、それらの動きは電力比によって決定されます。注:電力比が90%を超える場合、パーティクルは中央ノードに送られます。電力比が90%以下の場合、サイドノードに移動します。シンボルを使用してプロットされた実験データと破線でプロットされたシミュレーションを、パワー比の関数としての粒子の位置について比較すると、良好な一致が得られます。このプロットには、上側のノードと下側のノードの両方が表示されています。同様の一致は、パワー比の関数としての粒子濃度のプロットでも明らかです。この手順を試みる際には、デュアル周波数励起の電力比を調整することにより、マイクロ流体チャネルの定在音波を調整することを忘れないでください。その開発後、この技術は、生物医学工学の分野の研究者が、ラボオンチップでマイクロ粒子の迅速、効果的かつ柔軟な操作を探求する道を開きました。電気器具の取り扱いは非常に危険であり、この手順を実行するときは常に感電を防ぐための予防措置を講じる必要があることを忘れないでください。

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

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立って二周波励起表面波による微小物体操作

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