제조 및 Acoustofluidic 장치의 작동은 입자의 초점 쉬스에 대한 대량 음향 서 파도 지원

본 제작 방식의 전반적인 목표는 벌크 음향 정상파를 이용하여 마이크론 크기의 콜로이드 입자를 비접촉 방식으로 조작할 수 있는 다목적의 견고한 음향유체 장치를 제작하는 것입니다. 본 연구의 목적은 표준 장비와 절차를 사용하여 벌크 음향 정상파를 지원하는 음향유체 도구의 제작 방법을 제시함으로써, 이 유용한 기술에 대한 접근성을 높이기 위한 간단한 접근 방식을 입증하는 것입니다. 음향유체학의 주요 장점은 미세 개체를 신속하게 집중시키거나 분리할 수 있는 간단한 방법을 제공한다는 점이며, 이는 온칩 세포 분석 및 세포 분류 분야에 광범위한 시사점을 가집니다.

이 기술은 편리한 소형 플랫폼 내에서 다양한 유속으로 입자들을 온화하고 정밀하게 배열할 수 있는 능력을 제공합니다. 클린룸 시설에서 깨끗한 6인치 단면 연마 실리콘 웨이퍼를 연마된 면이 위로 오도록 스핀 코터 위에 놓습니다. 포토레지스트가 웨이퍼의 대부분을 덮을 때까지 조심스럽게 부어 웨이퍼 중앙에 양성 포토레지스트를 도포합니다.

그 다음, 샘플을 회전시켜 감광제(photoresist)가 균일한 층을 이루도록 합니다. 완료되면 척(chuck)의 진공을 해제하고 웨이퍼 트위저를 사용하여 웨이퍼를 회수합니다. 이어서 웨이퍼를 핫 플레이트에 올리고 감광제 공급업체가 지정한 시간 동안 소프트 베이크(soft bake)를 수행합니다.

포토레지스트를 베이킹하는 동안, 여기에 표시된 것과 같은 포토마스크를 마스크 정렬기의 홀더에 장착하십시오. 그다음, 웨이퍼를 장착하고 포토레지스트 공급업체에서 지정한 에너지 도즈의 UV 광선으로 노광하십시오. 이어서 포토패턴이 형성된 웨이퍼를 홀더에서 꺼내 해당 현상액 용액에 넣으십시오.

완료되면 웨이퍼를 현상액에서 꺼내어 탈이온수로 지속적으로 세척하고 질소 가스로 건조합니다. 포토패턴이 형성된 웨이퍼를 심해 반응성 이온 식각 장비의 챔버에 넣고 표준 식각 절차에 따라 원하는 깊이까지 웨이퍼에 유체 채널을 식각합니다. 식각 공정이 완료되면 챔버에서 샘플을 꺼내어 감광제 제거액이 담긴 큰 비커에 넣습니다.

웨이퍼가 용액에 완전히 잠겼는지 확인하고 65 °C에서 1시간 동안 담가 둡니다. 비커에서 웨이퍼를 꺼내 아세톤과 이소프로필 알코올을 번갈아 가며 헹굽니다. 그 후, 질소로 웨이퍼를 건조합니다.

산성 물질 사용 승인을 받은 환기가 잘 되는 후드 내에서, 30% 과산화수소와 황산을 1:3 비율로 섞어 커다란 깨끗한 비커에 피라냐 용액(Piranha solution)을 준비합니다. 이온 식각된 웨이퍼의 식각된 면이 위를 향하도록 하여 피라냐 용액에 담그고 5분 동안 유지합니다. 그 후 웨이퍼를 꺼내 탈이온수로 충분히 헹굽니다.

웨이퍼를 Piranha 용액에 2분 동안 다시 담근 후, 다량의 탈이온수로 다시 헹굽니다. 용매 전용 환기 후드에서 아세톤을 지속적으로 흘려 웨이퍼를 세척하고, 이어서 메탄올을 지속적으로 흘려 세척한 다음 질소 가스로 웨이퍼를 건조합니다. 스크라이버(scribe tool)를 사용하여 미세유체 칩의 외곽선을 따라 웨이퍼에 직선으로 흠집을 내어, 구멍이 미리 뚫린 직사각형 유리 세그먼트의 크기보다 작게 만듭니다.

식각된 선을 따라 웨이퍼를 조심스럽게 부러뜨립니다. 실리콘 조각을 아세톤으로 충분히 헹군 다음, 메탄올로 충분히 헹굽니다. 그런 다음, 웨이퍼를 95 °C의 핫플레이트 위에 2분 동안 올려두어 건조시킵니다.

다음으로, 식각된 패턴이 위를 향하도록 하여 실리콘 세그먼트 위에 깨끗한 유리를 조심스럽게 덮습니다. 이때 구멍들이 정확하게 정렬되었는지 확인하십시오. 그런 다음, 구멍의 정렬 상태를 유지하면서 세그먼트를 조심스럽게 뒤집습니다.

양면 전도성 테이프를 사용하여 두 세그먼트를 고정하는데, 테이프의 절반은 실리콘 세그먼트의 수직 가장자리를 고정하고 나머지 절반은 돌출된 유리를 고정합니다. 그 다음, 유리 세그먼트가 위로 오도록 세그먼트를 다시 뒤집습니다. 450 °C로 설정된 핫플레이트 위의 강철 슬래브 위에 세그먼트를 놓습니다.

그런 다음, 조립된 유리 및 실리콘 세그먼트의 상단에 최소 5kg의 두 번째 강철 슬래브를 조심스럽게 올립니다. 이 슬래브가 실리콘 세그먼트나 전도성 테이프와 접촉해서는 안 됩니다. 고전압 전원 공급 장치를 사용하여, 활성 리드를 조립된 유리 및 실리콘 세그먼트 상단의 강철 슬래브에 연결하고 접지를 하단 강철 슬래브에 연결합니다.

하단 핫플레이트의 전압을 1,000 V로 설정하십시오. 한쪽 프로브를 하단 플레이트에, 다른 쪽 프로브를 상단 플레이트에 대고 멀티미터로 인가 전압을 확인하십시오. 2시간 후에 돌아와 핫플레이트와 DC 전원 공급 장치를 끄고 금속 슬래브에서 장치를 제거하십시오.

면도날로 유리의 표면을 긁어 양극 접합으로 인해 발생한 오염물을 제거한 다음, 아세톤으로 유리 표면을 세척합니다. 다음으로, 약 10 mm × 10 mm 크기의 작은 정사각형 슬랩 여러 개로 절단하여 두께가 약 5 mm인 폴리디메틸실록산 시트를 준비합니다. 3-mm 생검 펀치를 사용하여 각 슬랩의 중앙에 구멍을 하나씩 뚫습니다.

그 후, 에폭시를 사용하여 유리 기판의 구멍 위에 슬랩을 직접 접착합니다. 트랜스듀서의 두 전도성 영역에 두 개의 전선을 납땜합니다. 리드 지르코네이트 티타네이트(lead zirconate titanate) 트랜스듀서를 마이크로채널 아래 중앙의 장치 뒷면 실리콘 세그먼트에 조심스럽게 접착합니다.

마지막으로, polydimethylsiloxane 슬래브의 구멍을 통해 실리콘 튜브를 삽입하고, 슬래브와 튜브 주변에 접착제를 추가로 도포하여 고정합니다. 마이크로채널이 대물렌즈 바로 아래에 오도록 장치를 현미경 스테이지 위에 단단히 장착합니다. 이때 트랜스듀서가 스테이지에 닿지 않도록 주의하십시오.

다음으로, 장치의 배출구에서 실리콘 튜브를 연결하여 시린지 펌프에 고정된 시린지에 연결합니다. 장치의 유입구로 이어지는 실리콘 튜브를 폴리스티렌 비드 또는 대상 세포의 현탁액이 담긴 바이알에 넣습니다. 그 다음, 샘플이 담긴 바이알을 교반기에 올려놓고 지속적으로 혼합함으로써 실험 과정 전반에 걸쳐 일정한 농도가 유지되도록 합니다.

함수 발생기와 직렬로 연결된 전력 증폭기의 출력단에 트랜스듀서를 연결하십시오. 함수 발생기의 설정을 프로그래밍하고 오실로스코프로 출력을 모니터링하십시오. 그런 다음, 함수 발생기와 전력 증폭기를 켜서 트랜스듀서를 작동시키기 시작하십시오.

다음으로, 현미경을 켜고 미세유체 채널이 명확하게 초점에 맞았는지 확인하십시오. 또한, 시린지 펌프를 작동시켜 시료를 장치 내부로 주입하십시오. 실험 전반에 걸쳐 형광 현미경을 사용하여 장치를 통해 흐르는 개체들을 관찰하십시오.

여기서는 시린지 펌프를 사용하여 녹색 형광 폴리스티렌 비드 현탁액을 분당 100 µL의 속도로 마이크로유체 챔버에 주입하였습니다. 지르콘산 티탄산납 트랜스듀서를 활성화하여 2.366 MHz 주파수로 조정하면, 폭이 313 µm인 이 마이크로채널의 너비 방향으로 반파장의 정지파가 형성됩니다. 이를 통해 비드 스트림이 압력 마디를 따라 집중됩니다.

음의 음향 대조 인자를 가진 적색 형광 실리콘 입자를 장치에 주입했을 때, 입자들이 압력 배(antinodes)를 따라 집중되었습니다. 이 시스템의 입자 집중 능력은 유량과 인가 전압 모두에 의존합니다. 유량이 증가함에 따라 마이크로채널 내 입자 분포가 넓어집니다.

또한 인가 전압을 높이면 입자 집중의 정도가 증가합니다. 장치가 작동되면, 이를 통해 정밀한 공간적 또는 시간적 제어가 필요한 다양한 미세유체 기반 바이오어세이 및 실험에서 입자와 세포를 조작할 수 있습니다. 어느 단계에서든 서두르면 최종 장치에 결함이 생길 수 있으므로, 각 단계를 천천히 주의 깊게 수행하는 것이 중요합니다.

장치가 완성되면, 사용 간에 적절한 세제와 세척 완충액으로 장치를 깨끗이 세척하는 등 적절한 관리를 하는 한 여러 번 사용할 수 있습니다. 이 영상을 시청한 후에는 벌크 음향 정상파를 지원하는 실리콘 및 유리로 구성된 음향 유체 장치를 제작하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. Piranha 혼합액과 같이 취급 시 매우 위험할 수 있는 강한 화학 물질을 다루고 있음을 항상 유의하십시오.

모든 제작 작업 시 안전한 화학적 관행을 위해 이러한 액체를 취급할 때 적절한 주의를 기울이시기 바랍니다.