Fabricage, bediening en Flow Visualization in Surface-akoestische-wave-driven Acoustic-tegenstroom Microfluidics

Summary

In deze video beschrijven we eerst de fabricage en de werking procedures van een surface acoustic wave (SAW) akoestische tegenstroom apparaat. Vervolgens tonen een experimentele situatie dat zowel stromingsvisualisatie kwalitatieve en kwantitatieve analyse van complexe stromen binnen de SAW pompinrichting.

Abstract

Oppervlak akoestische golven (zagen) kan worden gebruikt om vloeistoffen in draagbare microfluïdische chips stimuleren via het akoestische verschijnsel tegenstroom. In deze video presenteren we de fabricage protocol voor een meerlaags SAW akoestische tegenstroom apparaat. Het apparaat is vervaardigd uitgaande van een lithiumniobaat (LN) substraat waarop twee interdigitale omvormers (IDT) en geschikte merkers zijn patroon. Een polydimethylsiloxaan (PDMS) kanaal werpen op een SU8 meester mal is tenslotte gebonden aan het patroon substraat. Na de fabricage procedure, tonen we de technieken die de karakterisering en de werking van de akoestische tegenstroom apparaat toestaan ​​om vloeistoffen te pompen door de PDMS zenderoverzicht. We eindelijk presenteren de procedure om vloeistofstroom te visualiseren in de kanalen. Het protocol wordt gebruikt voor on-chip vloeistof verpompen onder verschillende stroomsnelheden regimes als laminaire stroming ingewikkelder dynamiek gekenmerkt door draaikolken en partikels domeinen tonen.

Introduction

Een van de voortdurende uitdagingen de microfluïdische gemeenschap is de noodzaak om een ​​efficiënt pompende werking kan worden verkleind is om in echt draagbare micro-total-analysesystemen (μTAS's) hebben. Standard macroscopische pompsystemen enkel nalaat de draagbaarheid vereist μTAS's bieden, wegens de ongunstige schaling van het debiet als kanaal verkleint naar de micron of lager. Integendeel, zagen hebben opgedaan toenemende belang fluïdum bedieningsmechanismen en verschijnen als een veelbelovende mogelijkheid voor de oplossing van een aantal van deze problemen ^1,2.

Zagen werden getoond aan een zeer efficiënt mechanisme van energietransport in vloeistoffen ³ bieden. Wanneer een SAW propageert op een piëzo-elektrisch substraat, zoals lithiumniobaat (LN), de golf wordt schuin bekend als de Rayleigh hoek θ = _R sin uitgestraald in een vloeistof in zijn pad722, 1 (c _f / c _s), vanwege de mismatch van geluid snelheden in het substraat, c _s en de vloeistof _f c. Deze lekkage van straling in de vloeistof leidt tot een drukgolf die de akoestische streaming drijft in het fluïdum. Afhankelijk van het apparaat geometrie en aangelegd op de inrichting, werd dit mechanisme aangetoond dat een grote verscheidenheid van on-chip processen, zoals vloeistofmenging deeltje sorteren, verneveling en pompen ^1,4 bedienen. Ondanks de eenvoud en effectiviteit van het bedienen van microfluids met SAW, zijn er slechts een klein aantal van de SAW gereden microfluïdische pompen mechanismen die zijn aangetoond tot op heden. De eerste demonstratie was de simpele vertaling van vrije druppeltjes geplaatst in de SAW propagatiepad op een piëzo-elektrisch substraat ^3. Deze nieuwe methode gegenereerd veel belangstelling voor het gebruik zagen als microfluidic bediening methode, maar er was nog steeds behoefte aan vloeistoffenworden aangedreven door middel van bijgevoegde kanalen-een moeilijke taak. Tan et al.. Aangetoond pompen binnen een microchannel dat is laser ablatie direct in het piëzo-elektrische substraat. Door geometrische modificatie met betrekking tot het kanaal en IDT afmetingen, konden zij zowel uniform mengen stromen tonen ^5. Glas et al.. Onlangs aangetoond een methode van het verplaatsen van vloeistoffen door microkanalen en microfluïdische onderdelen door het combineren van SAW bediend rotaties met centrifugale microfluidics, als een demonstratie van ware miniaturisatie van de populaire Lab-on-a-cd concept van ^6,7. De enige volledig gesloten SAW gedreven pompmechanisme dat is aangetoond nog worden Cecchini et al.. 'S SAW-driven akoestische ^{tegenstroom-8} de focus van deze video. Dit systeem benut de verneveling en coalescentie van een fluïdum te pompen door een gesloten kanaal in de richting tegen de voortplantingsrichting van eencoustic wave. Dit systeem kan leiden tot verrassend complex stromen in een microkanaal. Bovendien, afhankelijk van het apparaat geometrie kan hiermee een reeks stroom regelingen van laminaire stromen naar complexere regimes gekenmerkt door draaikolken en deeltjes-accumulatie domeinen. De mogelijkheid om eenvoudig te beïnvloeden de stroming kenmerken binnen de inrichting toont mogelijkheden voor geavanceerde on-chip deeltje manipulatie.

In dit protocol willen we de belangrijkste aspecten van de praktische SAW-gebaseerde microfluidics verduidelijken: apparaat fabricage, experimentele operatie, en de stroom visualisatie. Hoewel we deze expliciet beschreven procedures voor de fabricage en werking van SAW-driven tegenstroom akoestische apparaten, kunnen deze secties gemakkelijk worden aangepast voor de toepassing van een aantal SAW-driven microfluidic regimes.

Protocol

1. Apparaat Fabrication

1. Ontwerp twee fotomaskers, de eerste voor patroonvorming de surface acoustic wave (SAW) laag, en de tweede voor het polydimethylsiloxaan (PDMS) microchannel schimmel.
   1. De eerste fotomasker heeft een paar tegenover elkaar interdigital transducers (IDP's)-ook wel bekend als een SAW delay lijn-en markers voor kanaal uitlijning en ruimtelijke referentie tijdens de microscopie. In onze standaard inrichting hebben wij enkele elektrode IDP's met een vinger breedte p = 10 micrometer, opening van 750 pm en 25 rechte vinger paren. De resulterende IDT genereert Zagen met een golflengte λ = 4 p = 40 micrometer overeenkomt met een frequentie f _o = c _SAW / λ ≈ 100 MHz op 128 ° YX lithiumniobaat (LN). Elke IDT breedte moet boven tweemaal de breedte van het microkanaal om eventuele foutieve uitlijning te verminderen terwijl het verlijmen van de lagen. IDT ontwerp parameters worden besproken comprehensively in verschillende boeken ^9-11. We merken op dat slechts een IDT (geplaatst op het kanaal uitlaat) is nodig om de vloeistof drijven in het kanaal in akoestische-tegenstroom, maar patroonvorming een volledige vertraging lijn helpt bij het testen apparaat.
   2. De tweede heeft een eenvoudige microchannel structuur worden uitgelijnd langs de SAW delay lijn, met een microkamer om het kanaal inlaat te vormen. In onze typische inrichtingen, de kanalen een breedte w = 300 mm en een lengte van 5 mm. Als algemene regel geldt dat de kanaalbreedte minstens 10 λ zijn om diffractie effecten tijdens SAW voortplanting in de microchannel voorkomen, maar in onze tests vonden we dat een breedte van ~ 7 λ geen significante invloed zou SAW voortplanting binnen het kanaal.
2. Beginnen met een LN wafer en klieven een 2 cm bij 2 cm monster. Om transmissie microscopie moet een dubbelzijdig gepolijste wafer gebruiken. Merk op dat LN is een standaard voor de biocompatibiliteit en de SAWpolarisatie en hoge piëzoelektrische koppelcoëfficiënt langs de hoofdas, maar andere piëzo-elektrische materialen kunnen worden gebruikt met geschikte ontwerp overwegingen.
3. Reinig het substraat door te spoelen in aceton, 2-propanol en gedroogd met stikstof pistool.
4. Spin jas van het monster met Shipley S1818 bij 4.000 tpm gedurende 1 minuut.
5. Zacht bakken bij 90 ° C gedurende 1 minuut op een hete plaat.
6. Lijn het monster met de SAW laagmasker met een masker aligner en het blootstellen aan UV-licht met een 55 mJ / cm ^2. Zorg moet worden genomen om de IDT richting lijn langs de hoofdas van de LN substraat.
7. Spoel het monster in Microposit MF319 ontwikkelaar voor 30 seconden naar de onbelichte fotolak verwijderen.
8. Stoppen met de ontwikkeling door het spoelen van het monster in gedeïoniseerd water en droog het met een stikstof pistool.
9. Deponeren van een 10-nm-dikke titanium hechtlaag gevolgd door 100-nm-dikke goudlaag door thermische verdamping.
10. Voer lift-off door sonicating de svolop in aceton, spoel het in 2-propanol en droog met een stikstof pistool.
11. Silaniseren het oppervlak van het apparaat om het hydrofoob maken in het microkanaal gebied ^12.
    1. Maskeren de microkamer met AR-N-4340 negatieve toon fotolak door optische lithografie volgens de datasheet van de fabrikant.
    2. Activeert het monster oppervlak met een 2 min zuurstof plasma (Gambetti Kenologia Srl, Colibri) van 0,14 mbar en 100 W vermogen geven een voorspanning van ongeveer 450 V.
    3. Meng 35 ml hexadecaan, 15 ml tetrachloorkoolstof (CCl _4), en 20 pi octadecyltrichloorsilaan (OTS) in een bekerglas in een zuurkast. Het apparaat in de oplossing en laat afgedekt twee uur.
    4. Spoel het apparaat met 2-propanol en droog het met een stikstof pistool.
    5. Controleer dat de contacthoek van water op het oppervlak hoger is dan 90 °. Als de contacthoek is onvoldoende, het reinigen van de steekproef en het opnieuw uitvoeren van de stappen in 1.11.
    6. Verwijderende resterende resist op het monster door spoelen in aceton, 2-propanol en gedroogd met stikstof pistool.
12. Monteer het monster op een printplaat met radiofrequentie golfgeleiders en standaard coaxiale connectoren (RF-PCB's), en zet dan akoestische absorber (First Contact polymeer) op het monster randen en sluit het IDT met draad of met behulp van pogo-connectoren.
13. Een meester mal van het kanaal laag is gevormd met SU-8 op een klein stukje silicium (Si) wafer met behulp van standaard optische fotolithografie. SU-8 type en fotolithografie recept zal afhankelijk zijn van de uiteindelijke PDMS interne kanaal hoogte vereist.
14. Wierp PDMS op de mal
    1. Meng PDMS met een hardingsmiddel in een verhouding van 10:01.
    2. Centrifugeer de PDMS gedurende 2 min bij 1.320 x g ontgassing.
    3. Giet de PDMS voorzichtig op de SU-8 schimmel in een petrischaal tot een totaal PDMS hoogte in de orde van 1 mm. De open petrischaal kan in een vacuümexsiccator geplaatst gedurende ongeveer 30 min in order aan ontgassen de PDMS verder.
    4. Eenmaal ontgast, behandeling PDMS door verhitting tot 80 ° C gedurende een uur in een oven. Merk op dat de baktijd en temperatuur kan de mechanische eigenschappen van PDMS.
15. Bereid de vaste PDMS-laag
    1. Snijd rond het kanaal met behulp van een chirurgisch mes, zorg dat u de SU8 meester beschadigen, en afschilferen.
    2. Replica randen worden vervolgens verfijnd en rechtgetrokken met behulp van een scheermesje verlaten ten minste 2 mm speling aan de zij kant van het kanaal en geen speling (dwars door) op het kanaal uitlaat.
    3. Sla een gat in de microkamer met een Harris Unicore perforator de fluïdum-loading inlaat vormen.
16. Bond de PDMS-kanaal met de LN substraat door eenvoudige conforme bonding. Op deze manier zal de band gedurende de vloeistof testfase houden terwijl de resterende omkeerbaar.
    1. Beide oppervlakken worden gereinigd voorafgaand aan toetreding door het blazen van de overtollige restanten weg met samengeperste stikstof lucht. Het critical bij de toetreding tot de stukken naar het kanaal met de hoofdas van de LN lijn volgens het patroon uitlijningstekens.
17. De volledige inrichting is schematisch weergegeven in figuur 1. WINKEL voltooid apparaten in een schone omgeving tot gebruik.

Opmerking: Het is belangrijk dat alle fabricagestappen uitgevoerd in een clean room worden uitgevoerd om besmetting van het hulpmiddel voor gebruik.

Opmerking: Een van de fotolithografische stappen kunnen worden vervangen door de gebruiker voorkeur.

Opmerking: De silanisatie procedure kan worden vervangen door een voorkeurs hydrofobe bekledingswerkwijze ^13.

2. RF Device Testing

1. Kalibreren het netwerk of spectrum analyzer met een open / short golfgeleider op uw RF-PCB.
2. Sluit de SAW vertraging lijn naar de havens van een spectrum analyzer en meet de verstrooiing matrix van deapparaat. De transmissie voor een paar enkele elektrode transducers wordt de absolute waarde van een sinc functie gecentreerd op de werkfrequentie van de IDT lijken. In het reflectiespectrum een dip (minimum) wordt waargenomen met dezelfde frequentie ^9-11. In onze apparaten op 100 MHz frequentie langs de hoofdas typische waarden zijn -15 dB voor de S11 en de S22 en -10 dB voor de S ₁₂ (zonder PDMS kanalen).

3. Microfluidics en Particle Flow Dynamics Visualisatie Experiment en Analyse

1. Plaats het monster onder een microscoop. De specifieke optische opstelling is afhankelijk van de SAW microfluidics verschijnselen worden waargenomen. Bijvoorbeeld, een eenvoudige reflectie microscoop uitgerust met een 4x objectief en een 30 fps videocamera geschikt om vloeistof vullen dynamica. Voor meer complexe microdeeltjes dynamica, kan het nodig zijn een microscoop met een 20X objectief en 100 fps of meer video camera. Het is important dat zowel de objectieve en frame rate hoog genoeg zijn om elke ruimte en tijd belangrijke stroming functies vast te leggen.
2. Sluit de IDT voor de kanaaluitlaat een RF signaal generator en met de in de resonantiefrequentie waargenomen in de verstrooiing matrix metingen. De typische operationele kracht in de akoestische-tegenstroom experimenten is 20 dBm. Indien nodig, gebruik maken van een high-power UHF versterker. Akoestisch-streaming en atomisering verschijnselen worden waargenomen zonder akoestische tegenstroom tijdens het uitvoeren van het apparaat op een lager vermogen: meestal akoestisch-streaming recirculatiesysteem begint bij 0 dBm en verneveling optreedt boven 14 dBm.
3. Plaats 60 gl van vocht in de microkamer een micropipet. Vloeistof zal passief diffunderen in de microkamer. Eventueel duw op de microkamer aanraken om de microkamer vulling bevorderen.
   1. Om de stroming te visualiseren moet microbolletjes toe te voegen aan de vloeistof. Merk op dat om te voorkomen dat deeltjes clustering, ultrasone trillingen de deeltjessuspensie voorafgaand aan de experimenten. Om deeltjes hechting op de ondergrond een 0 dBm signaal aan het apparaat tijdens het laden te voorkomen.
4. Beginnen met het opnemen van de video door de microscoop en het verhogen van de operationele vermogen om de akoestische tegenstroom te observeren. Verschillende stroomsnelheden's wordt bepaald door ingangsvermogen, chip ontwerp en deeltjesdiameter.
   1. Om kwalitatief vastleggen van de dynamiek fluïdumstroming moet worden geregistreerd in de nabijheid van de meniscus en de inlaat in verschillende stadia van het kanaal vullen met behulp van merkers als ruimtelijk referentie.
   2. Om de kwantitatieve meting van deeltjes dynamiek uitvoeren door micro particle image velocimetry (μPIV) ^14,15 of ruimtelijke temporeel beeldcorrelatie spectroscopie (PEN) ^16,17, vloeistofstroom moet worden opgenomen in de bezienswaardigheid met een vaste gezichtsveld gedurende ten minste 100 frames met een beeldsnelheid opgelegd door het deeltje dynamiek.
5. Analyseer de video met beeldbewerkingssoftware. De keuze van de software te gebruiken hangt af van de verschijnselen plaats. Bijvoorbeeld, om de grootteverdeling van vernevelde druppeltjes, ruimtelijke periodiciteit van accumulatie deeltje, of handmatig bijhouden van verdunde deeltjes, eenvoudig freeware software voor beeldanalyse, zoals Fiji kwantificeren geschikt is ¹⁸ en dat met het oog op het verkrijgen stroomlijnt en snelheid veldmetingen, aangepaste mPIV ¹⁹ of ²⁰ TIEKEN code vereist. In onze analyse aangepast PEN code is geschreven in MATLAB echter een voorkeursalternatief codeertaal kunnen eveneens aanvaardbaar.

Results

Figuur 2 toont representatieve resultaten van apparaat RF testen die werden genomen voorafgaand aan het hechten van de laag aan de LN microkanaal laag: typisch S ₁₁ en S ₁₂ spectra worden respectievelijk vermeld in deel a) en b). De diepte van het dal aan centrale frequentie spectrum S ₁₁ is gerelateerd aan de efficiëntie van de omzetting van RF vermogen in SAW mechanische energie. Vandaar dat voor een vast aantal IDT vingerparen, een ve...

Discussion

Een van de grootste uitdagingen voor de microfluïdische gemeenschap is de realisatie van een bediening platform voor echt draagbare point-of-care apparatuur. Onder de voorgestelde geïntegreerde micropompen ^23, die op basis van oppervlakte akoestische golven (vzzmh) zijn bijzonder aantrekkelijk vanwege hun bijbehorende capaciteiten in vloeistof mengen, verneveling en deeltjes concentratie en scheiding ^4. In dit artikel hebben we aangetoond hoe te fabriceren en exploiteren van een lab-on-chip apparaa...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Double side polished 128° YX lithium niobate wafer	Crystal Technology, LLC
Silicon wafer	Siegert Wafers		We gebruiken <100>
IDT Optical lithography mask with alignment marks (positive)	Elke leverancier
Channel Optical lithography mask (negative)	Elke leverancier
Positive photoresist	Shipley	S1818
Positive photoresist developer	Microposit	MF319
Negative tone photoresist	Allresist	AR-N-4340
Negative tone photoresist developer	Allresist	AR 300-475
SU8 thick negative tone photoresist	Microchem	SU-8 2000 Series
SU8 thick negative tone photoresist developer	Microchem	SU-8 developer
Hexadecane	Sigma-Aldrich	H6703
Carbon tetrachloride (CCl4)	Sigma-Aldrich	107344
Octadecyltrichlorosilane (OTS)	Sigma-Aldrich	104817
Acetone CMOS grade	Sigma-Aldrich	40289
2-propanol CMOS grade	Sigma-Aldrich	40301
Titanium	Elke leverancier	99,9% puurheid
Goud	Elke leverancier	99,9% puurheid
PDMS	Dow Corning	Sylgard 184 silicone elastomeerkit met uitharder
Petrischaal	Elke leverancier
5 mm ID Harris Uni-Core multi-purpose coring tool	Sigma-Aldrich	Z708895	Elke diameter groter dan 2 mm is geschikt
Akoestische absorber	Photonic Cleaning Technologies	First Contact reguliere kit
RF-PCB	Elke leverancier
Spinner	Laurell Technologies Corporation	WS-400-6NPP	Elke spinner kan worden gebruikt
UV Mask aligner	Karl Suss	MJB 4	Elke aligner kan worden gebruikt
Thermische evaporator	Kurt J. Lesker	Nano 38	Elke thermische, e-beam evaporator of sputtering systeem kan worden gebruikt
Zuurstofplasmaa-asher	Gambetti Kenologia Srl	Colibrì	Elke plasma-asher of RIE-machine kan worden gebruikt
Centrifuge	Eppendorf	5810 R	Elke centrifuge kan worden gebruikt
Wire bonder	Kulicke Soffa	4523AD	Elke draadbonder kan worden gebruikt als de PCB wordt gebruikt zonder pogo-connectoren
Contacthoekmeter	KSV	CAM 101	Elke contacthoekmeter kan worden gebruikt
Spectrum analyzer	Anristu	56100A	Elke spectrum- of netwerkanalyzer kan worden gebruikt
RF-signaalgenerator	Anristu	MG3694A	Elke RF-signaalgenerator kan worden gebruikt
RF-hoogwaardige versterker	Mini Circuits	ZHL-5W-1	Elke RF-hoogwaardige versterker kan worden gebruikt
Microbead-suspensie	Sigma-Aldrich	L3280	Afhankelijk van het experimentele doel kunnen verschillende suspensies met verschillende diameter en verschillende materiaaleigenschappen worden gebruikt
Optische microscoop	Nikon	Ti-Eclipse	Elke optische microscoop met ruimtelijke resolutie die voldoet aan experimentele doeleinden kan worden gebruikt
Videocamera	Basler	A602-f	Elke videocamera die voldoende framesnelheid en gevoeligheid heeft die voldoet aan experimentele doeleinden, kan worden gebruikt
Camera-acquisitiesoftware	Advanced technologies	Motion Box	Elke software die hoge en gecontroleerde framesnelheid-acquisitie mogelijk maakt, kan worden gebruikt