Fabricage, bediening en Flow Visualization in Surface-akoestische-wave-driven Acoustic-tegenstroom Microfluidics
27 augustus 2013
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.
Het algemene doel van het volgende experiment is om de fabricage van het apparaat te tonen en de daaropvolgende stroomvisualisatie van een oppervlakteakoestisch, golfgedreven microfluïdisch tegenstromingsapparaat. Dit wordt bereikt door eerst het apparaat met twee lagen te fabriceren, bestaande uit een goud gepatteredde lithium ovate oppervlakteakoestische golflaag en een polymethyl xin microkanaallaag. Als tweede stap wordt het apparaat getest met een netwerkanalysator om de goede werking van de interdigitale transducer te garanderen, evenals om de resonantiefrequentie te vinden waarop het tegenstromingsapparaat moet worden uitgevoerd.
Vervolgens wordt de inlaat van het apparaat geladen met microsfeer gezaaid vloeistof en wordt een RF-signaal toegepast op de interdigitale transducer bij de uitlaat. De resulterende kanaalstroom wordt vastgelegd met een hogesnelheidsmicroscoop voor analyse. Resultaten worden verkregen om verschillende stromingsschema's te tonen, die voornamelijk afhankelijk zijn van de apparaatgeometrieën en toegepaste vermogen. Hoewel deze methode gericht is op de fabricage en werking van de akoestische stromingscontroleapparaten, kan de procedure uit deze video ook worden toegepast voor de fabricage en werking van andere door oppervlakteakoestische golven aangedreven microfluïdische apparaten, zoals microfluïdische mixerpompen en optimalisatoren.
Over het algemeen kunnen personen die nieuw zijn in deze methode worstelen, omdat er veel verschillende aspecten van fabricagebewerkingen en analyse zijn die allemaal moeten worden beheerst bij het werken met oppervlakteakoestische microfluïdica. Om te beginnen, creëer een microfluïdisch apparaat zoals beschreven in het bijbehorende schriftelijke protocol met behulp van twee afzonderlijke fotomaskers, één voor de oppervlakteakoestische golflaag weergegeven in roze en een tweede voor de microkanaalmatrij weergegeven in geel. Zodra het basisapparaat is gemaakt, voegt u een negatieve fotoresist toe, zoals ARN 43 40, en stelt u het microkanaalgebied bloot met behulp van optische lithografische technieken.
Activeer vervolgens het blootgestelde monsteroppervlak gedurende twee minuten met zuurstofplasma bij 0,14 mbar en 100 watt om een biasspanning van ongeveer 450 volt te geven. Meng vervolgens 35 milliliter he aec, 15 milliliter koolstoftetrachloride en 20 microliter Okta desal trichloorethyleen in een beker in een afzuigkap. Plaats het apparaat in de oplossing om het oppervlak te ioniseren en het hydrofoob te maken.
Laat het apparaat twee uur in de oplossing onder dekking en spoel het vervolgens af met isopropanol en droog het onder stikstof. Zodra het droog is, controleer dan dat de contacthoek van water op het oppervlak boven de 90 graden ligt. Als de contacthoek onvoldoende is, maak het monster schoon en schaal het oppervlak opnieuw.
Verwijder anders het resterende fotoresist met aceton, spoel het af in isopropanol en droog het af met een stikstofpistool. Plaats het monster vervolgens op een printplaat met radiofrequentiegolfgeleiders en standaard coaxiale connectoren, zet een akoestische absorberende polymeer op de monsterranden en verbind de interdigitale transducers met behulp van draadbonding of met behulp van POGO-connectoren zoals hier getoond. Bereid vervolgens de gepatroneerde PDMS-laag voor met een kanaal met de gewenste afmetingen zoals beschreven in het bijbehorende tekstprotocol.
Na het uitharden, snijd rond het kanaal met een chirurgisch mes, zorg ervoor dat u de mastermal niet beschadigt en trek deze eraf. Vervolgens verfijn en maak de replicaranden recht met behulp van een scheermesje. Zorg ervoor dat u minimaal twee millimeter ruimte laat aan de zijkant van het kanaal en geen ruimte bij de kanaaluitlaat door het monster helemaal door te snijden.
Boor vervolgens een gat in de microkamer met behulp van een Harris-eenhoornpuch om de vloeistofbelastingsinlaat te vormen en verwijder het cilinder. Verbind vervolgens het PDMS-kanaal met de lithium ovate substraat door middel van eenvoudige conformele binding met behulp van een microscoop voor uitlijning. Op deze manier zal de binding blijven bestaan tijdens de vloeistoftestfase, terwijl deze omkeerbaar blijft.
Test het RF-apparaat door eerst de oppervlakteakoestische vertragingslijn aan te sluiten op de poorten van een spectrumanalysator en de verstrooiingsmatrix van het apparaat te meten. De transmissie voor een paar enkele elektrode transducers zal lijken op de absolute waarde van een sync-functie gecentreerd op de werkfrequentie van de interdigitale transducer. Sir. Observeer vervolgens het reflectiespectrum.
Een dip in het reflectiespectrum vindt plaats op dezelfde frequentie als de piek in de transmissie in apparaten die werken op 100 megahertz langs de hoofdas. Typische waarden zijn minus acht decibel voor S 11 en S 22 en minus 20 decibel voor S 12 zonder PDMS-kanalen. Om de stromingsdynamiek het beste te visualiseren, plaatst u het monster onder een microscoop.
De specifieke optische opstelling hangt af van de oppervlakteakoestische microfluïdische fenomenen die moeten worden waargenomen. Gebruik een eenvoudige omgekeerde microscoop uitgerust met een Forex-objectief en een videocamera met 30 frames per seconde om de stromingsdynamiek van de vloeistof te bestuderen. Gebruik echter een objectief van 20 x en een videocamera van 100 FPS of hoger om complexere microdeeltjesdynamiek te onderzoeken.
Het is belangrijk dat zowel het objectief als de framesnelheid hoog genoeg zijn om alle ruimtelijk en tijdelijk belangrijke stromingskenmerken vast te leggen. Verbind vervolgens de interdigitale transducers voor de kanaaluitlaat met een RF-signaalgenerator en versterker en bediend op de resonante frequentie die is waargenomen in de verstrooiingsmatrixmetingen. Gebruik indien nodig een krachtige UHF-versterker.
Hier gebruiken we een minicircuits zw vijf versterker met een maximale uitgang van 37 DBM en een versterking van 40 decibel. Het is belangrijk dat het totale uitgangsvermogen minimaal 25 DBM kan bereiken voor het onderzoeken van akoestische tegenstroming. Observeer akoestische stroming en verdampingsverschijnselen zonder akoestische tegenstroming tijden
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze video demonstreert de fabricage en werking van een microfluïdisch tegenstroomapparaat aangestuurd door oppervlakte-akoestische golven (SAW). Het omvat kwalitatieve flow-visualisatie en kwantitatieve analyse van complexe stromingen binnen het apparaat.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Microfluïdica
- Akoestische golftechnologie
- Stromingsvisualisatie
Achtergrond
- Oppervlakkegolf-apparaten (surface acoustic wave devices) worden gebruikt voor het manipuleren van vloeistofstromen.
- Het apparaat bestaat uit een goudgepatroneerde lithiumniobaatlaag en een polymethylmethacrylaat-microkanaallaag.
- Het begrijpen van de stromingsdynamica in microfluïdische apparaten is cruciaal voor diverse toepassingen.
- Eerdere studies hebben verschillende configuraties en hun effecten op het stromingsgedrag onderzocht.
Doel van de studie
- Het vervaardigen van een twee-laags SAW-apparaat voor gecontroleerde vloeistofstroom.
- Het visualiseren en analyseren van stroompatronen die door het apparaat worden gegenereerd.
- Het aantonen van de veelzijdigheid van de fabricagemethode voor andere microfluïdische toepassingen.
Gebruikte methoden
- Fabricage van een tweelaags apparaat met specifieke materialen.
- Testen van het apparaat met een netwerkanalyzer om de juiste werking te garanderen.
- Toepassen van een RF-signaal op de interdigitale transducer om de stroming te initiëren.
- Registreren van stroompatronen met een hogesnelheidsmicroscoop voor analyse.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle fabricage en werking van het SAW-tegenstroomapparaat.
- Stroompatronen werden gevisualiseerd en geanalyseerd, waarbij een afhankelijkheid van de geometrie van het apparaat en het vermogen werd aangetoond.
- De resultaten wijzen op het potentieel voor diverse stroomschema's in microfluïdische toepassingen.
- De methode kan worden aangepast voor andere apparaten die worden aangedreven door oppervlakte-akoestische golven.
Conclusies
- Het SAW-apparaat manipuleert vloeistofstromen effectief voor onderzoeksapplicaties.
- Stromingsvisualisatietechnieken bieden inzicht in complexe stromingsdynamica.
- Deze fabricagemethode kan worden toegepast op een reeks microfluïdische apparaten.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de industrie
Microfluidische apparaten op basis van oppervlakte-akoestische golven (SAW) maken precieze vloeistofmanipulatie mogelijk in lab-on-a-chip-platforms, ter ondersteuning van workflows voor vroege ontdekkingen waarbij gecontroleerde microstroming en partikeldynamica cruciaal zijn voor assay-ontwikkeling en targetvalidatie. De mogelijkheid om stromingsregimes te visualiseren en te kwantificeren — waaronder laminaire stroming, vortices en partikelaccumulatie — biedt mechanistische inzichten die biologische hypothesen minder risicovol maken door fysieke stimuli te koppelen aan cellulaire of moleculaire responsen. Deze technologie vergroot het voorspellende vertrouwen in preklinische modellen door een instelbaar, reproduceerbaar systeem te bieden voor het bestuderen van vloeistof-gemedieerde biologische effecten onder gedefinieerde fysieke omstandigheden.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door gecontroleerde akoestische krachten toe te passen om cellulaire micro-omgevingen te moduleren en de daaropvolgende biologische responsen te observeren.
- Operationele waarde: Ondersteunt functionele targetvalidatie via reproduceerbare fluïdumdynamica die mechanische variabelen isoleren in mechanotransductiestudies.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Bereidt gevalideerde microfluïdische systemen voor op downstream screening door het vestigen van stabiele, kwantificeerbare stroomcondities die noodzakelijk zijn voor een betrouwbare blootstelling aan verbindingen.
- Operationele waarde: Verbetert de standaardisatie van assays door nauwkeurige controle over de stroomsnelheid, schuifspanning en het transport van deeltjes, wat de consistentie van gegevens over replicaten ter plaatse verbetert.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Maakt ziekterelevante modellering mogelijk van fluïdische schuifspanningsomgevingen die worden aangetroffen in het vasculair systeem of secretorische weefsels, wat de translationele ontdekking van biomarkers ondersteunt.
- Operationele waarde: Faciliteert preklinische continuïteit door een afstelbaar platform voor fysieke stimuli te bieden dat de brug slaat tussen in vitro ontdekking en in vivo fysiologische omstandigheden.
Integratie van Pipeline & Workflow
Het SAW-microfluïdische platform wordt geïntegreerd in vroege discovery-workflows door hypothese-gestuurde studies naar vloeistofdynamica mogelijk te maken, die leiden tot lead-identificatie en preklinische risicobeoordeling via mechanistische risicoreductie van stroomafhankelijke biologische processen.
- Discovery Biology: Ondersteunt mechanistische analyse van hoe vloeistofkrachten signaalpaden, cellulaire adhesie en fenotypische resultaten beïnvloeden bij targetvalidatie.
- Screening: Levert assay-klare microfluïdische systemen met reproduceerbare stroomprofielen die een consistente toediening van verbindingen en responsmeting waarborgen.
- Analytics: Biedt kwantitatieve output zoals partikelsnelheid, vortexvorming en accumulatiedomeinen die een objectieve vergelijking van experimentele condities mogelijk maken.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt in vitro vloeistofdynamica met pathofysiologische stroomomgevingen, wat de afstemming van biomarkers in preklinische modellen ondersteunt.
- Bedrijfsbrede Hergebruik: Vertegenwoordigt een herbruikbare microfluïdische capaciteit die toepasbaar is op meerdere projecten waarbij nauwkeurige vloeistofcontrole en visualisatie vereist zijn.
Operationele en ondernemingsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen door ambiguïteit in mechanobiologische assays te verminderen via gecontroleerde, observeerbare vloeistofdynamica.
- Operationele waarde: Waarborgt standaardisatie en reproduceerbaarheid via definieerbare stromingsregimes die gekoppeld zijn aan ingangvermogen, geometrie en partikelkenmerken.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door vroege detectie van stroomafhankelijke artefacten of fout-positieven in screeningcampagnes mogelijk te maken.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde vooruitgang door mechanistisch gevalideerde targets te identificeren met verminderde biologische ruis door ongecontroleerde vloeistofvariabelen.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in microfabricage, RF-elektronica en de integratie van microfluïdische systemen.
- Is afhankelijk van toegang tot lithografiegereedschappen, RF-signaalgeneratoren, versterkers en hogesnelheidsmicroscopie.
- Maakt cross-team standaardisatie tussen de fabricage-, operationele- en imagingteams noodzakelijk voor consistente resultaten.
- Omvat overwegingen voor aanpassingen bij het opschalen naar verschillende kanaalgeometrieën of partikeltypen.
- Wordt beperkt door de noodzaak van cleanroom-omgevingen en zorgvuldige oppervlaktebehandeling om betrouwbare bonding en hydrofobe eigenschappen te waarborgen.
