Methodenartikel

Microparticle manipulatie door permanent oppervlakte akoestische golven met Dual-frequentie excitaties

DOI:

10.3791/58085

⸱

21 augustus 2018

 , 
1School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Een protocol voor het manipuleren van de deeltjes in een microfluidic-kanaal met de excitatie van een dual-frequentie wordt gepresenteerd.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We tonen een methode voor het vergroten van de tuning vermogen van een staande akoestische oppervlaktegolf (SSAW) voor microdeeltjes manipulatie in een lab-on-a-chip (LOC) systeem. De gelijktijdige excitatie van de fundamentele frequentie en de derde harmonische, die wordt genoemd als dual-frequentie excitatie, aan een paar interdigital omvormers (IDTs) kan het genereren van een nieuw soort permanent akoestische golven in een microfluidic-kanaal. Resultaten in een herconfigureerbare veld van de akoestische straling kracht uitgeoefend op de microdeeltjes in de microchannel variërend van de macht en de fase in de dual-frequentie excitatie signalen (bijvoorbeeldhet aantal en de locatie van de knooppunten van de druk en de microparticle concentraties op de bijbehorende druk knooppunten). Dit artikel toont aan dat de tijd van de beweging van de microparticle naar slechts één druk knooppunt kan worden verminderd ~ 2-fold op de vermogen verhouding van de fundamentele frequentie groter dan ~ 90%. Daarentegen zijn er drie knooppunten van de druk in de microchannel als minder dan deze drempel. Bovendien, het aanpassen van de eerste fase tussen de fundamentele frequentie en de derde harmonische resultaten in verschillende beweging tarieven van de drie SSAW druk knooppunten, alsook het percentage van microdeeltjes op elk knooppunt van de druk in de microchannel. Is er een grote overeenstemming tussen de experimentele observatie en de numerieke voorspellingen. Deze roman excitatie-methode kan gemakkelijk en niet-gebeurt integreren in het LOC-systeem, met een brede houdbaarheid en slechts een paar wijzigingen in de experimentele opstelling.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

LOC technologie integreert één of meerdere functies op een microchip voor biologie, chemie, biofysica en biomedische processen. LOC kunt een laboratorium-opstelling op een schaal kleiner dan sub millimeter snel reactiesnelheden, een korte reactietijd, een hoge procescontrole, een laag volume verbruik (minder reagentia van afval, lagere kosten en minder vereist monstervolume), een hoge doorvoersnelheid due paralellisatie, een lage kosten in de toekomst massaproductie en kosteneffectieve disposables, een hoge veiligheid voor chemische, radioactieve en biologische studies en de voordelen van een compact en draagbaar apparaat1,2. Precieze cel manipulatie (d.w.z., accumulatie en scheiding) is essentieel in een LOC gebaseerde analyse en diagnose3,4. De nauwkeurigheid en de reproduceerbaarheid van microparticle manipulatie hebben echter een aantal uitdagingen. Vele technieken, zoals electro-osmose5, diëlektroforese (DEP)6, magnetophoresis7, thermophoresis8,9, een optische aanpak10, een opto-elektronische aanpak11 , een hydrodynamische aanpak12en acoustophoresis13,14,15, zijn ontwikkeld. Ter vergelijking: akoestische benaderingen zijn geschikt is voor de toepassing van een LOC omdat, theoretisch, vele soorten microdeeltjes/cellen kunnen worden gemanipuleerd effectief en noninvasively met een voldoende hoog contrast (de dichtheid en de compressibiliteit) in vergelijking met de omliggende vloeistof. Daarom, ten opzichte van hun tegenhangers, akoestische benaderingen zijn inherent in aanmerking komen voor de meeste microdeeltjes en biologische objecten, ongeacht hun optische, elektrische en magnetische eigenschappen16.

Oppervlakte akoestische golven (zagen) van de IDTs propageren meestal op het oppervlak van een piëzo-elektrische substraat op de dikte van de verschillende golflengten en dan lek bij de Rayleigh hoek in de vloeistof in de microchannel, volgens de Snell de wet17, 18,19,20,21,22. Ze hebben de technische voordelen van een hoge energie-efficiëntie langs het oppervlak als gevolg van hun lokalisatie van de energie, een grote ontwerpflexibiliteit op hoge frequentie, een goed systeemintegratie met het microfluidic-kanaal en het gebruik van miniaturisatie micro-elektronische-mechanische (MEMS) systeemtechnologie, en een hoog potentieel van massaproductie23. In dit protocol, zijn zagen gegenereerd op basis van een paar identieke IDTs en doorgegeven in de tegenovergestelde richting voor het genereren van een staande golf of SSAW, in de microchannel, waar de zwevende deeltjes worden geduwd te druk knooppunten, meestal door de toegepaste akoestische 24van de kracht van straling. De amplitude van zo'n resulterende kracht wordt bepaald door de frequentie van excitatie, microparticle grootte en zijn akoestische contrast factor22,25.

Deze acoustophoresis heeft de beperking van vooraf bepaalde manipuleren patronen die niet gemakkelijk verstelbaar. De frequentie van de excitatie van de IDTs wordt bepaald door hun periodieke afstand, dus de bandbreedte vrij beperkt is. Verschillende strategieën hebben ontwikkeld om vergroting van het vermogen van tunability en manipulatie. De eerste en de tweede modus van akoestische staande golven toegepast in verschillende delen van de microchannel kon scheiden microdeeltjes effectiever volgens verschillende motion-snelheden naar de knooppunten lijnen26. Deze twee modi kunnen ook worden toegepast op het hele deel van de microchannel en overgeschakeld als alternatief27,28,29. Daarvoor is een groot aantal apparatuur (dwz, drie FUNCTIEGENERATOREN twee impedantieaanpassing eenheden en een elektromagnetische relay) echter vereist, met de grotere complexiteit van de kosten en de controle van de experimentele opstelling als gevolg van de verschillende elektrische impedances op de fundamentele frequentie en de derde harmonische van de piezoceramic plaat30. Bovendien, schuin-vinger interdigital omvormers (SFITs) kunnen worden toegepast om de cellen en de microdeeltjes patronen door het spannende van een periode van de schuine vingers voor een bepaalde resonantie20,31te passen. Echter is, de bandbreedte omgekeerd evenredig aan het aantal schuine vingers. Meerdere druk knooppunten lijnen hebben een hogere scheidend vermogen en de gevoeligheid in vergelijking met de knooppunten enkellijns in het conventionele SSAW gebaseerde microparticle scheidingsteken. Anderzijds kan ook de locatie van de knooppunten druk gewoon door aanpassing van het verschil van de fase toegepast op de twee IDTs in het ontwerp32,33te worden gewijzigd.

De fundamentele frequentie en de derde harmonische van IDTs hebben soortgelijke frequentie reacties zodat ze kunnen worden opgewonden tegelijk, die meer tunability de microdeeltjes manipulatie34 voorziet. In vergelijking met de conventionele IDT excitatie in een enkele frequentie, aanpassing van de akoestische druk van de dual-frequentie excitatie en de fase tussen hen biedt technische uniciteit, zoals de tot ~ 2-fold gereduceerd beweging tijd tot de knooppunten druk lijn of het midden van de microchannel, het gevarieerd aantal en de locatie van de knooppunten lijnen van de druk en de microparticle concentraties.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. bereiding van het Microfluidic-kanaal

  1. Meng poly-dimethylsiloxane (PDMS) met een elastomeer basis in een verhouding van 10:1.
  2. Ontgas het mengsel in een vacuüm oven en giet het op een silicium wafer met een negatieve Toon fotoresist patroon op de top.
  3. Ontgas van de patroonopvulling silicium wafer opnieuw en verwarm het bij 70 ° C gedurende 3 uur in een incubator voor de stolling.

2. de fabricage van de Interdigital omvormers

  1. Storting 20 nm van Cr en 400 nm Al op een LiNbO3 wafer; patroon 20 strips met een breedte van 150 µm en een maaswijdte van 2 cm op een kunststof masker voor fotolithografie door nederlegging van de positieve fotoresist op de drager vervagen.
  2. De Cr-Al laag op de niet-blootgestelde gebied met aceton verwijderen.
  3. Behandelen van de oppervlakte van hen met zuurstof plasma (met een stikstof en zuurstof verhouding van 2:1) op de kracht van 30 W voor 60 s.
  4. Aanpassing van het PDMS microchannel en bond het aan de LiNbO3 ondergrond door het met een duim voor een paar seconden te drukken.
  5. Plaats het geïntegreerde apparaat in de kamer Verwarming op 60 ° C gedurende 3 uur.

3. dual-frequentie excitatie

  1. Gelijktijdig van toepassing zijn twee componenten van de frequentie (f1 en f3, de fundamentele frequentie en de derde harmonische van de gefabriceerde IDT, respectievelijk) met de fase verschil φ tussen hen op twee IDTs, zodat de geproduceerde zaag kan als volgt worden uitgedrukt.
    figure-protocol-1
    Hier,
    figure-protocol-2en figure-protocol-3 = van de akoestische druk.
  2. De golfvorm van de dual-frequentie met de Vergelijkingseditor voor de toepassingssoftware van de ArbExpress op de bemonsteringsfrequentie van 100 MS/s synthetiseren en sla het op de functiegenerator als willekeurige input voor de excitatie van de zaag in de experiment via een USB-kabel.
  3. De kracht van de fundamentele frequentie tot het totaal uitgezonden vermogen variëren figure-protocol-4 van 100% (excitatie op de zuiver fundamentele frequentie) tot 0% (excitatie op de zuiver derde harmonische); voor een goede vergelijking, veranderen, maar het totale vermogen hetzelfde.
  4. Variëren van het verschil van de fase van de excitatie van de dual-frequentie van 0° tot 360°.

4. numerieke simulatie

  1. Beschrijven van de motie van de incompressibele laminaire flow met lage Reynolds (d.w.z., Re = 0,55) en Mach nummers als volgt35.
    figure-protocol-5
    figure-protocol-6
    Hier,
    figure-protocol-7de vloeiende snelheid =
    figure-protocol-8de dynamische viscositeit =
    figure-protocol-9= dichtheid van de vloeistof
    figure-protocol-10de druk op de vloeistof =
    figure-protocol-11de eenheidsmatrix, = en
    figure-protocol-12= een externe kracht.
  2. Beschrijven de geproduceerde Stoke slepen kracht op het object als volgt36.
    figure-protocol-13
    Hier,
    figure-protocol-14de straal van de microparticle =
    figure-protocol-15de snelheid van de vloeistof, = en
    figure-protocol-16= de snelheid van de microparticle.
  3. Afleiden van de akoestische straling kracht uitgeoefend op de microparticle in de microchannel langs de x-as (over de microchannel-breedte) op een enkele frequentie als volgt16 .
    figure-protocol-17
    Hier,
    figure-protocol-18= het volume van de microparticle,
    figure-protocol-19de dichtheid van de microparticle =
    figure-protocol-20de dichtheid van het medium =
    figure-protocol-21= de samendrukbaarheid van de microparticle, en
    figure-protocol-22= de samendrukbaarheid van het medium.
  4. De kracht van de resulterende akoestische straling van de dual-frequentie excitatie als volgt worden afgeleid.
    figure-protocol-23
  5. De dwarse motie uitspreken over de breedte van het kanaal (langs de y-as) Sleep onder zowel de akoestische straling force en de Stokes kracht beheerst door de wet van Newton tweede als volgt.
    figure-protocol-24
  6. Los de gewone differentiaalvergelijkingen (ODEs) boven het gebruik van de vierde orde Runge-Kutta methode op een personal computer. Instellen van de tijd stap en de totale duur als 1 µs en 20 s, respectievelijk.

5. experimentele observatie

  1. Draai de oplossing in de concentratie van 5,9 x 107 met 4 µm groen fluorescent polystyreen kralen per 1 mL door vortex voor ongeveer 2-3 min en laat het vervolgens onderdompelen in een echografie ultrasoonapparaat voor 10 min te verstoren van iedere agglomeratie voordat u elke test.
  2. Vul het mengsel in een spuit met 3 mL en dan rijden met een spuitpomp op een debiet van 3-5 µL/min.
  3. Rijden de IDT met het dual-frequentie signaal van een functiegenerator gevolgd door een eindversterker.
  4. De gestabiliseerde microdeeltjes in de stroomafwaartse microchannel onder een lichte Microscoop bij een 40 X vergroting observeren en registreren van de afbeelding met een digitale camera.
  5. Meten van de locatie van de geaccumuleerde deeltjes in de digitale opnames via ImageJ en de vastgestelde omvang en vervolgens kwantitatief het bepalen van de concentratie van de geaccumuleerde microparticle met de helderheid van de genormaliseerde fluorescentie op elk knooppunt van de druk.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De verdelingen van de akoestische druk en de kracht van de akoestische straling van een SSAW op de dual-frequentie excitatie (6.2 en 18,6 MHz) worden weergegeven in Figuur 1. Hier, de dual-frequentie excitatie treedt op op polystyreen microdeeltjes (4 µm in diameter) in een microchannel met een breedte van 300 µm op een akoestische kracht van 146 mW. De resulterende akoestische druk is altijd in fase wanneer P1 > 90% dus dat slechts één k...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De microparticle beweging in de microchannel door een SSAW op de dual-frequentie excitatie werd uitgebreid onderzocht in deze studie, en een effectief afstembare patronen techniek door het variëren van de dual-frequentie excitatie-signalen is ontwikkeld en getest. De productie van dergelijke een golfvorm is gemakkelijk gerealiseerd door meeste FUNCTIEGENERATOREN, en de aanpak van de aanpassing is erg handig. Zowel de S12- en de S11-frequentie respons van de gefabriceerde IDTs illustreren verscheiden...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd gesponsord door de academische onderzoeksfonds (AcRF)-fase 1 (RG171/15), ministerie van onderwijs, Singapore.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
poly-dimethylsiloxaneDow CorningSylgard 184
poly-dimethylsiloxane elastomer baseDow CorningSylgard 184
silicon waferBonda TechnologySI8PSPD
negative tone photoresistMicrochemSU-8
double-side polished LiNbO3 waferUniversity WaferY-128°
positive photoresistNicolaus-Otto-StraßeAZ 9260
oxygen plasmaHarrick Plasma
plastic maskInfinite Graphics

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chin, C. D., Linder, V., Sia, S. K. Commercialization of microfluidic point-of-care diagnostic devices. Lab on a Chip. 12 (12), 2118-2134 (2012).
  2. Figeys, D., Pinto, D. Lab-on-a-chip: a revolution in biological and medical sciences. Analytical Chemistry. 72 (9), 330 A-335 A (2000).
  3. den Toonder, J. Circulating tumor cells: the Grand Challenge. Lab on a Chip. 11 (3), 375-377 (2011).
  4. Yu, L., et al. Advances of lab-on-a-chip in isolation, detection and post-processing of circulating tumour cells. Lab on a Chip. 13 (16), 3163-3182 (2013).
  5. Jorgenson, J. W., Lukacs, K. D. High-resolution separations based on electrophoresis and electroosmosis. Journal of Chromatography A. 218, 209-216 (1981).
  6. Gascoyne, P. R., Vykoukal, J. Particle separation by dielectrophoresis. Electrophoresis. 23 (13), 1973(1973).
  7. Xia, N., et al. Combined microfluidic-micromagnetic separation of living cells in continuous flow. Biomedical Microdevices. 8 (4), 299-308 (2006).
  8. Garcés-Chávez, V., et al. Extended organization of colloidal microparticles by surface plasmon polariton excitation. Physical Review B. 73 (8), 085417(2006).
  9. Zhu, T., Ye, W. Origin of Knudsen forces on heated microbeams. Physical Review E. 82 (3), 036308(2010).
  10. Ashkin, A., Dziedzic, J., Yamane, T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature. 330 (6150), 769-771 (1987).
  11. Chiou, P. Y., Ohta, A. T., Wu, M. C. Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images. Nature. 436 (7049), 370-372 (2005).
  12. Yamada, M., Seki, M. Hydrodynamic filtration for on-chip particle concentration and classification utilizing microfluidics. Lab on a Chip. 5 (11), 1233-1239 (2005).
  13. Burguillos, M. A., et al. Microchannel acoustophoresis does not impact survival or function of microglia, leukocytes or tumor cells. PLoS One. 8 (5), e64233(2013).
  14. Lin, S. -C. S., Mao, X., Huang, T. J. Surface acoustic wave (SAW) acoustophoresis: now and beyond. Lab on a Chip. 12 (16), 2766-2770 (2012).
  15. Petersson, F., Åberg, L., Swärd-Nilsson, A. -M., Laurell, T. Free flow acoustophoresis: microfluidic-based mode of particle and cell separation. Analytical Chemistry. 79 (14), 5117-5123 (2007).
  16. Ding, X., et al. On-chip manipulation of single microparticles, cells, and organisms using surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (28), 11105-11109 (2012).
  17. Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647(2011).
  18. Destgeer, G., Lee, K. H., Jung, J. H., Alazzam, A., Sung, H. J. Continuous separation of particles in a PDMS microfluidic channel via travelling surface acoustic waves (TSAW). Lab on a Chip. 13 (21), 4210-4216 (2013).
  19. Guo, F., et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (1), 43-48 (2015).
  20. Ding, X., et al. Cell separation using tilted-angle standing surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (36), 12992-12997 (2014).
  21. Roshchupkin, D., et al. X-ray diffraction by standing surface acoustic waves. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 142 (3), 432-436 (1998).
  22. Shi, J., Mao, X., Ahmed, D., Colletti, A., Huang, T. J. Focusing microparticles in a microfluidic channel with standing surface acoustic waves (SSAW). Lab on a Chip. 8 (2), 221-223 (2008).
  23. Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab on a Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
  24. King, L. V. On the acoustic radiation pressure on spheres. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. , The Royal Society. 212-240 (1934).
  25. Yosioka, K., Kawasima, Y. Acoustic radiation pressure on a compressible sphere. Acta Acustica United with Acustica. 5 (3), 167-173 (1955).
  26. Ratier, C., Hoyos, M. Acoustic programming in step-split-flow lateral-transport thin fractionation. Analytical Chemistry. 82 (4), 1318-1325 (2010).
  27. Mandralis, Z., Feke, D., Bolek, W., Burger, W., Benes, E. Enhanced synchronized ultrasonic and flow-field fractionation of suspensions. Ultrasonics. 32 (2), 113-122 (1994).
  28. Laurell, T., Petersson, F., Nilsson, A. Chip integrated strategies for acoustic separation and manipulation of cells and particles. Chemical Society Reviews. 36 (3), 492-506 (2007).
  29. Liu, Y., Lim, K. -M. Particle separation in microfluidics using a switching ultrasonic field. Lab on a Chip. 11 (18), 3167-3173 (2011).
  30. Brissaud, M. Characterization of piezoceramics. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 38 (6), 603-617 (1991).
  31. Ding, X., et al. Tunable patterning of microparticles and cells using standing surface acoustic waves. Lab on a Chip. 12 (14), 2491-2497 (2012).
  32. Jo, M. C., Guldiken, R. Particle manipulation by phase-shifting of surface acoustic waves. Sensors and Actuators A: Physical. 207, 39-42 (2014).
  33. Meng, L., et al. Transportation of single cell and microbubbles by phase-shift introduced to standing leaky surface acoustic waves. Biomicrofluidics. 5 (4), 044104(2011).
  34. Sriphutkiat, Y., Zhou, Y. Particle manipulation using standing surface acoustic waves (SSAW) at dual frequency excitation: effect of power ratio. Sensors and Actuators A: Physical. 263, 521-529 (2017).
  35. Batchelor, G. K. An Introduction to Fluid Dynamics. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2000).
  36. Glynne-Jones, P., Hill, M. Acoustofluidics 23: acoustic manipulation combined with other force fields. Lab on a Chip. 13 (6), 1003-1010 (2013).
  37. Winkler, A., Brünig, R., Faust, C., Weser, R., Schmidt, H. Towards efficient surface acoustic wave (SAW)-based microfluidic actuators. Sensors and Actuators A: Physical. 247, 259-268 (2016).
  38. Chen, Y., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW)-based microfluidic cytometer. Lab on a Chip. 14, 916-923 (2014).
  39. Devendran, C., et al. The importance of travelling wave components in standing surface acoustic wave (SSAW) systems. Lab on a Chip. 16, 3756-3766 (2016).
  40. Destgeer, G., et al. Submicron separation of microspheres via travelling surface acoustic waves. Lab on a Chip. 14, 4665-4672 (2014).
  41. Ding, X., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting. Lab on a Chip. 12, 4228-4231 (2012).
  42. Chen, Y., et al. Continuous enrichment of low-abundance cell samples using standing surface acoustic waves (SSAW). Lab on a Chip. 14, 924-930 (2014).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Dual frequentie excitatieLab on a chip systeeminterdigitale transducersakoestische stralingskrachtdrukknopenaanpassing van de vermogensverhoudingafstelling van het faseverschilmicroflu disch kanaal

Gerelateerde artikelen