Fabricage, bediening en Flow Visualization in Surface-akoestische-wave-driven Acoustic-tegenstroom Microfluidics
August 27th, 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
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Deze video demonstreert de fabricage en werking van een door een oppervlakteakoestische golf (SAW) aangedreven microfluïdische tegenstromingsapparaat. Het bevat kwalitatieve stromingsvisualisatie en kwantitatieve analyse van complexe stromingen in het apparaat.
Belangrijke onderzoekscomponenten
Wetenschapsgebied
- Microfluïdica
- Akoestischegolftechnologie
- Stromingsvisualisatie
Achtergrond
- Oppervlakteakoestischegolfapparaten worden gebruikt voor het manipuleren van vloeistofstromingen.
- Het apparaat bestaat uit een met goud gepatroneerde lithiumniobaatlaag en een polymethylmethacrylaatmicrokanaallaag.
- Begrip van stromingsdynamica in microfluïdische apparaten is cruciaal voor verschillende toepassingen.
- Eerdere studies hebben verschillende configuraties en hun effecten op stromingsgedrag onderzocht.
Doel van het onderzoek
- Om een SAW-apparaat met twee lagen te fabriceren voor gecontroleerde vloeistofstroming.
- Om stromingspatronen die door het apparaat worden gegenereerd te visualiseren en te analyseren.
- Om de veelzijdigheid van de fabricagemethode voor andere microfluïdische toepassingen te demonstreren.
Gebruikte methoden
- Fabricage van een tweeduchtig apparaat met specifieke materialen.
- Testen van het apparaat met een netwerkanalyser om een goede werking te garanderen.
- Toepassen van een RF-signaal op de interdigitale transducer om stroming te initiëren.
- Opnemen van stromingspatronen met behulp van een hogesnelheidsmicroscoop voor analyse.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle fabricage en werking van het SAW-tegenstromingsapparaat.
- Stromingspatronen werden gevisualiseerd en geanalyseerd, wat afhankelijkheid van apparaatgeometrie en vermogen toonde.
- De resultaten wijzen op het potentieel voor verschillende stromingsschema's in microfluïdische toepassingen.
- De methode kan worden aangepast voor andere door oppervlakteakoestische golven aangedreven apparaten.
Conclusies
- Het SAW-apparaat manipuleert effectief vloeistofstromingen voor onderzoekstoepassingen.
- Stromingsvisualisatietechnieken geven inzicht in complexe stromingsdynamica.
- Deze fabricagemethode kan worden toegepast op een reeks microfluïdische apparaten.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Surface acoustic wave (SAW) microfluidic devices enable precise fluid manipulation in lab-on-a-chip platforms, supporting early-stage discovery workflows where controlled microflow and particle dynamics are critical for assay development and target validation. The ability to visualize and quantify flow regimes—including laminar flow, vortices, and particle accumulation—provides mechanistic insights that de-risk biological hypotheses by linking physical stimuli to cellular or molecular responses. This technology enhances predictive confidence in preclinical models by offering a tunable, reproducible system for studying fluid-mediated biological effects under defined physical conditions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by applying controlled acoustic forces to modulate cellular microenvironments and observe downstream biological responses.
- Operational Value: Supports functional target validation through reproducible fluid dynamics that isolate mechanical variables in mechanotransduction studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated microfluidic systems for downstream screening by establishing stable, quantifiable flow conditions necessary for reliable compound exposure.
- Operational Value: Enhances assay standardization through precise control of flow rate, shear stress, and particle trafficking, improving data consistency across replicates.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables disease-relevant modeling of fluidic shear environments found in vasculature or secretory tissues, supporting translational biomarker discovery.
- Operational Value: Facilitates preclinical continuity by providing a tunable physical stimulus platform that bridges in vitro discovery and in vivo physiological conditions.
Pipeline & Workflow Integration
The SAW microfluidic platform integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis-driven fluid dynamics studies that inform lead identification and preclinical risk assessment through mechanistic de-risking of flow-dependent biological processes.
- Discovery Biology: Supports mechanistic interrogation of how fluid forces influence signaling pathways, cellular adhesion, and phenotypic outcomes in target validation.
- Screening: Delivers assay-ready microfluidic systems with reproducible flow profiles that ensure consistent compound delivery and response measurement.
- Analytics: Provides quantitative outputs such as particle velocity, vortex formation, and accumulation domains that enable objective comparison of experimental conditions.
- Translational Research: Connects in vitro fluid dynamics to pathophysiological flow environments, supporting biomarker alignment in preclinical models.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable microfluidic capability applicable across multiple projects requiring precise fluid control and visualization.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing ambiguity in mechanobiological assays through controlled, observable fluid dynamics.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility via definable flow regimes tied to input power, geometry, and particle characteristics.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling early detection of flow-dependent artifacts or false positives in screening campaigns.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by identifying mechanistically validated targets with reduced biological noise from uncontrolled fluid variables.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, RF electronics, and microfluidic system integration.
- Depends on access to lithography tools, RF signal generators, amplifiers, and high-speed microscopy.
- Necessitates cross-team standardization between fabrication, operation, and imaging teams for consistent results.
- Involves adaptation considerations when scaling to different channel geometries or particle types.
- Limited by the need for cleanroom environments and careful surface treatment to ensure reliable bonding and hydrophobic properties.
