Fabricage en werking van Acoustofluidic Devices Ondersteunend Bulk Acoustic Staande golven voor Sheathless scherpstellen van Deeltjes

Het algemene doel van deze fabricagebenadering is om een veelzijdig en robuust acoustofluidisch apparaat te creëren om micron-grote colloïdale deeltjes contactvrij te manipuleren met behulp van bulk-akoestische staande golven. Ons doel is om een eenvoudige benadering te demonstreren door te laten zien hoe acoustofluidische instrumenten die bulk-akoestische staande golven ondersteunen gefabriceerd kunnen worden met behulp van standaardapparatuur en procedures, in de hoop deze nuttige technologie toegankelijker te maken. Een groot voordeel van acoustofluidica is dat het een eenvoudige manier biedt om microscopische entiteiten snel te focussen of te scheiden, wat brede implicaties heeft voor on-chip cytometrie en cel sortering.

Deze technologie biedt de mogelijkheid om deeltjes bij diverse stroomsnelheden op een milde en selectieve wijze te ordenen, en dat alles in een praktisch geminiaturiseerd platform. Plaats in een cleanroomeenheid een schone, zes-inch, enkelzijdig gepolijste siliciumwafer met de gepolijste zijde naar boven op een spincoater. Breng een positieve fotolak direct aan op het centrum van de wafer door deze voorzichtig te gieten totdat de fotolak het grootste deel van de wafer bedekt.

Centrifuge vervolgens het monster om een gelijkmatige laag fotolak te verkrijgen. Wanneer dit voltooid is, laat dan het vacuüm op de houder los en gebruik wafer-pincetten om de wafer te verwijderen. Plaats de wafer vervolgens op een warmteplaat en voer een soft bake uit gedurende de door de leverancier van de fotolak opgegeven tijd.

Terwijl de fotoresist bakt, plaatst u een fotomasker, zoals hier getoond, in de houder van een masker-aligner. Plaats vervolgens de wafer en exposeer deze met UV-licht tot een energiedosis zoals gespecificeerd door de leverancier van de fotoresist. Verwijder daarna de fotopatterned wafer uit de houder en plaats deze in een oplossing van de bijbehorende developer.

Verwijder de wafer na voltooiing uit de ontwikkelaar, spoel deze af met een constante stroom gedeïoniseerd water en droog deze met stikstof. Plaats de fotopatterned wafer in de kamer van een instrument voor diep reactief ionenetsen en ets de fluidische kanalen tot de gewenste diepte in de wafer volgens standaard etsprocedures. Wanneer het etsproces is voltooid, haal je het monster uit de kamer en plaats je het in een groot bekerglas met een fotoresists verwijderingsoplossing.

Zorg dat de wafer volledig is ondergedompeld in de oplossing en laat deze één uur weken bij 65 °C. Verwijder de wafer uit het bekerglas en spoel deze af met afwisselende stromen aceton en isopropylalcohol. Droog de wafer vervolgens met stikstof.

Bereid in een goed geventileerde zuurbestendige zuurkast een Piranha-oplossing voor in een grote schone beker door 30% waterstofperoxide aan zwavelzuur toe te voegen in een verhouding van één op drie. Dompel de ion-geëtste wafer onder in de Piranha-oplossing met de geëtste kenmerken naar boven gericht en laat deze vijf minuten weken. Verwijder vervolgens de wafer en spoel deze grondig af met gedeïoniseerd water.

Dompel de wafer opnieuw twee minuten onder in de Piranha-oplossing en spoel deze vervolgens opnieuw grondig af met gedeïoniseerd water. Was de wafer in een aparte, goed geventileerde zuurkast die speciaal is ingericht voor het gebruik van solventen, met een gestage stroom aceton, gevolgd door een gestage stroom methanol, en droog de wafer daarna met stikstofgas. Ets met een kraspen rechte lijnen in de wafer rondom de omtrek van de microfluïdische chip, zodat deze kleiner is dan de afmetingen van het rechthoekige glassegment met voorgeboorde gaten.

Breek de wafer voorzichtig langs de geëtste lijnen. Spoel het siliciumsegment af met een gestage stroom aceton, gevolgd door een gestage stroom methanol. Plaats de wafer vervolgens twee minuten op een warmteplaat bij 95 °C om deze te laten drogen.

Voeg vervolgens voorzichtig het schone glas toe bovenop het siliconensegment, met de geëtste kenmerken naar boven gericht. Zorg ervoor dat de gaten correct zijn uitgelijnd. Draai daarna voorzichtig de segmenten om, terwijl u ervoor zorgt dat de gaten uitgelijnd blijven.

Bevestig de twee segmenten met dubbelzijdige geleidende tape, waarbij de ene helft van de tape de verticale randen van het siliconensegment vastzet en de andere helft van de tape het overstekende glas bevestigt. Draai de segmenten vervolgens opnieuw om, zodat het glassegment bovenop ligt. Plaats de segmenten op een stalen plaat op een warmteplaat bij 450 °C.

Voeg vervolgens voorzichtig een tweede stalen plaat van ten minste vijf kilogram direct toe bovenop de geassembleerde glas- en siliciumsegmenten. Deze plaat mag geen contact hebben met het siliciumsegment of de geleidende tape. Sluit met behulp van een hoogspanningsvoeding de actieve leiding aan op de stalen plaat bovenop de geassembleerde glas- en siliciumsegmenten en de aarde op de onderste stalen plaat.

Stel de spanning op de onderliggende warmteplaat in op 1 000 volt. Controleer de aangelegde spanning met een multimeter door één probe tegen de bodemplaat en de andere probe tegen de bovenplaat te drukken. Keer na twee uur terug om de warmteplaat en de DC-voeding uit te schakelen en het apparaat van de metalen platen te verwijderen.

Schraap het glasoppervlak met een scheermesje om vuil dat is ontstaan door de anodische hechting te verwijderen en reinig vervolgens het glasoppervlak met aceton. Bereid daarna een vel polydimethylsiloxaan van ongeveer vijf millimeter dik voor door dit te snijden in verschillende kleine vierkante plaatjes van ongeveer 10 millimeter bij 10 millimeter. Gebruik een biopsietang van 3 mm om in het midden van elk plaatje één gat te maken.

Lijm vervolgens de platen met epoxy direct bovenop de gaten op het glazen substraat. Soldeer twee draden aan de twee geleidende gebieden op de transducer. Lijm de leadzirkonaattitanaat-transducer zorgvuldig vast aan het siliciumsegment aan de achterzijde van het apparaat, gecentreerd onder het microkanaal.

Steek tot slot de siliconen slang door de gaten in de platen polydimethylsiloxaan en breng extra lijm aan rond de platen en de slang om deze stevig te bevestigen. Monteer het apparaat stevig op een microscooptafel, waarbij het microkanaal zich direct onder het objectief bevindt. Let erop dat de transducer geen contact maakt met de tafel.

Sluit vervolgens de siliconen slangen vanaf de uitgangen van het apparaat aan op spuiten die in spuitpompen zijn bevestigd. Plaats de siliconen slang die naar de inlaat van het apparaat leidt in een vial met een suspensie van polystyreenkraaltjes of de betreffende cellen. Plaats daarna de vial met het monster op een roerplaat om deze continu te mengen, zodat gedurende het gehele experiment een constante concentratie wordt gehandhaafd.

Sluit de transducer aan op de uitgang van een vermogensversterker die in serie is geschakeld met een functiegenerator. Programmeer de instellingen op de functiegenerator en monitor de uitvoer op een oscilloscoop. Zet vervolgens de functiegenerator en de vermogensversterker aan om de transducer te gaan activeren.

Zet vervolgens de microscoop aan en zorg ervoor dat het microfluïdische kanaal scherp is gesteld. Zet daarnaast de spuitenpomp aan om de sample in het apparaat te introduceren. Monitor gedurende het hele experiment de entiteiten die door het apparaat stromen met een fluorescentiemicroscoop.

Hier werd een spuitpomp gebruikt om de microfluïdische kamer te vullen met een suspensie van groene fluorescerende polystyreenbolletjes met een snelheid van 100 µL per minuut. Zodra de loodzirkonaattitanaat-transducer wordt geactiveerd en is afgestemd op een frequentie van 2,366 MHz, vormt zich een staande golf van een halve golflengte over de breedte van dit microkanaal, dat 313 µm breed is. Hierdoor wordt de stroom bolletjes gefocust langs de druknoode.

Wanneer de rood fluorescerende siliconen deeltjes, die een negatieve akoestische contrastfactor hebben, in het apparaat werden geïnjecteerd, concentreerden ze zich langs de drukknopen. Het vermogen van dit systeem om deeltjes te focussen is afhankelijk van zowel de stroomsnelheid als de aangelegde spanningen. Naarmate de stroom toeneemt, spreidt de distributie van deeltjes over het microkanaal zich verder uit.

Het verhogen van de aangelegde spanningen vergroot bovendien de mate van partikelfocussering. Eenmaal operationeel kan dit apparaat worden gebruikt om partikels en cellen te manipuleren voor diverse op microfluidica gebaseerde bioassays en experimenten die een nauwkeurige ruimtelijke of temporele controle vereisen. Het is belangrijk om de tijd te nemen en voorzichtig te zijn bij elke stap, aangezien overhaaste handelingen in elke fase imperfecties in het uiteindelijke apparaat kunnen veroorzaken.

Zodra het apparaat voltooid is, kan het meerdere malen worden gebruikt, mits het apparaat tussen het gebruik door zorgvuldig wordt gereinigd met geschikte detergentia en wasbuffers. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht moeten hebben in hoe u een acoustofluidic apparaat kunt vervaardigen dat bestaat uit silicium en glas ter ondersteuning van bulk akoestische staande golven. Houd er rekening mee dat u werkt met sterke chemicaliën, zoals het Piranha-mengsel, die uiterst gevaarlijk kunnen zijn bij onjuist gebruik.

Hanteer deze vloeistoffen zorgvuldig om een veilige chemische praktijk te waarborgen bij al uw fabricagewerkzaamheden.