Wytwarzanie, eksploatacja i wizualizacja przepływu w mikrofluidyce akustyczno-przeciwprądowej opartej na powierzchniowych falach akustycznych

Summary

W tym filmie najpierw opisujemy procedury produkcji i obsługi akustycznego urządzenia przeciwprądowego powierzchniowej fali akustycznej (SAW). Następnie demonstrujemy eksperymentalną konfigurację, która pozwala zarówno na jakościową wizualizację przepływu, jak i analizę ilościową złożonych przepływów w urządzeniu pompującym SAW.

Abstract

Powierzchniowe fale akustyczne (SAWs) mogą być używane do napędzania cieczy w przenośnych układach mikroprzepływowych za pomocą akustycznego zjawiska przeciwprądowego. W tym filmie przedstawiamy protokół produkcyjny wielowarstwowego akustycznego urządzenia przeciwprądowego SAW. Urządzenie jest wytwarzane z podłoża z niobianu litu (LN), na którym wzorowane są dwa przetworniki międzypalcowe (IDT) i odpowiednie markery. Kanał z polidimetylosiloksanu (PDMS) odlewany na formie wzorcowej SU8 jest ostatecznie łączony z podłożem wzorzystym. Po procedurze produkcyjnej pokazujemy techniki, które pozwalają na charakterystykę i działanie akustycznego urządzenia przeciwprądowego w celu pompowania płynów przez siatkę kanałów PDMS. Na koniec przedstawiamy procedurę wizualizacji przepływu cieczy w kanałach. Protokół służy do pokazania pompowania płynów w układzie scalonym w różnych reżimach przepływu, takich jak przepływ laminarny i bardziej skomplikowana dynamika charakteryzująca się wirami i domenami akumulacji cząstek.

Introduction

Jednym z ciągłych wyzwań stojących przed społecznością mikroprzepływową jest potrzeba posiadania wydajnego mechanizmu pompowania, który można zminiaturyzować w celu integracji z prawdziwie przenośnymi systemami analizy mikro-całkowitej (μTAS). Standardowe makroskopowe systemy pompowe po prostu nie zapewniają przenośności wymaganej dla μTAS, ze względu na niekorzystne skalowanie objętościowych natężeń przepływu w miarę zmniejszania się rozmiaru kanału do zakresu mikronów lub poniżej. Wręcz przeciwnie, SAW zyskują coraz większe zainteresowanie jako mechanizmy aktywacji płynów i wydają się być obiecującą drogą do rozwiązania niektórych z tych problemów^1,2.

SAW okazały się bardzo wydajnym mechanizmem transportu energii do płynów³. Kiedy SAW rozchodzi się na podłożu piezoelektrycznym, np. niobianie litu (LN), fala zostanie wypromieniowana do dowolnego płynu na swojej drodze pod kątem znanym jako kąt Rayleigha θ_R = sin⁻¹ (c_f /_{c s}), z powodu niedopasowania prędkości dźwięku w podłożu, c_s i płynu c_f. Ten wyciek promieniowania do płynu powoduje powstanie fali ciśnienia, która napędza strumień akustyczny w płynie. W zależności od geometrii urządzenia i mocy przyłożonej do urządzenia, wykazano, że mechanizm ten uruchamia szeroką gamę procesów w układzie scalonym, takich jak mieszanie płynów, sortowanie cząstek, atomizacja i pompowanie^1,4. Pomimo prostoty i skuteczności uruchamiania mikropłynów za pomocą SAW, do tej pory zademonstrowano tylko niewielką liczbę mechanizmów pompowania mikroprzepływowego napędzanych SAW. Pierwszą demonstracją była prosta translacja swobodnych kropel umieszczonych na ścieżce propagacji SAW na podłożu piezoelektrycznym³. Ta nowatorska metoda wzbudziła duże zainteresowanie wykorzystaniem SAW jako metody uruchamiania mikroprzepływowego, jednak nadal istniała potrzeba przepływu płynów przez zamknięte kanały, co było trudniejszym zadaniem. Tan i wsp. zademonstrowali pompowanie w mikrokanale, który został laserowo ablowany bezpośrednio do podłoża piezoelektrycznego. Dzięki modyfikacji geometrycznej w odniesieniu do wymiarów kanału i IDT byli w stanie wykazać zarówno jednorodne, jak i mieszające się przepływy⁵. Glass i wsp. zademonstrowali ostatnio metodę przemieszczania płynów przez mikrokanały i komponenty mikroprzepływowe poprzez połączenie obrotów uruchamianych przez SAW z mikrofluidyką odśrodkową, jako demonstracja prawdziwej miniaturyzacji popularnej koncepcji Lab-on-a-CD ^6,7. Jednak jedynym w pełni zamkniętym mechanizmem pompującym napędzanym SAW, który został zademonstrowany, pozostaje napędzany przez SAW akustyczny przeciwprąd⁸ firmy Cecchini et al. - na którym skupia się ten film. Wykorzystuje atomizację i koalescencję płynu do pompowania go przez zamknięty kanał w kierunku przeciwnym do kierunku propagacji fali akustycznej. System ten może powodować zaskakująco złożone przepływy w obrębie mikrokanału. Ponadto, w zależności od geometrii urządzenia, może ono zapewniać szereg schematów przepływu, od przepływów laminarnych po bardziej złożone reżimy charakteryzujące się wirami i domenami akumulacji cząstek. Możliwość łatwego wpływania na charakterystykę przepływu w urządzeniu stwarza możliwości zaawansowanej manipulacji cząstkami w układzie scalonym.

W tym protokole chcielibyśmy wyjaśnić główne aspekty praktycznej mikrofluidyki opartej na SAW: produkcję urządzeń, eksploatację eksperymentalną i wizualizację przepływu. Chociaż wyraźnie opisujemy te procedury wytwarzania i obsługi akustycznych urządzeń przeciwprądowych napędzanych SAW, sekcje te można łatwo zmodyfikować pod kątem ich zastosowania w szeregu reżimów mikroprzepływowych sterowanych przez SAW.

Protocol

1. Produkcja urządzeń

1. Zaprojektuj dwie fotomaski, pierwszą do modelowania warstwy powierzchniowej fali akustycznej (SAW), a drugą do formy mikrokanałowej z polidimetylosiloksanu (PDMS).
   1. Pierwsza fotomaska ma parę przeciwstawnych przetworników międzypalcowych (IDT) - znanych również jako linia opóźniająca SAW - oraz znaczniki do wyrównania kanałów i odniesienia przestrzennego podczas mikroskopii. W naszym standardowym urządzeniu mamy jednoelektrodowe IDT o szerokości palca p = 10 μm, aperturze 750 μm i 25 prostych parach palców. Powstały IDT generuje SAW o długości fali λ = 4p = 40 μm odpowiadającej częstotliwości roboczej f_o = c_SAW/λ ≈ 100 MHz na 128° YX niobianu litu (LN). Każda szerokość IDT powinna być większa niż dwukrotność szerokości mikrokanału, aby zmniejszyć wszelkie efekty niewspółosiowości podczas łączenia warstw. Parametry projektowe IDT są szczegółowo omówione w kilku książkach^9-11. Zwracamy uwagę, że tylko jeden IDT (umieszczony na wylocie kanału) jest niezbędny do wprowadzenia płynu do kanału w przeciwprądzie akustycznym, ale ułożenie pełnej linii opóźniającej pomaga w testowaniu urządzeń.
   2. Drugi ma prostą strukturę mikrokanałów, którą należy wyrównać wzdłuż linii opóźniającej SAW, z mikrokomorą tworzącą wlot kanału. W naszych typowych urządzeniach kanały mają szerokość w = 300 mm i długość 5 mm. Zgodnie z ogólną zasadą, szerokość kanału powinna wynosić co najmniej 10λ, aby uniknąć efektów dyfrakcyjnych podczas propagacji SAW w mikrokanale, jednak w naszych testach stwierdziliśmy, że szerokość ~7λ nie wpłynie znacząco na propagację SAW w kanale.
2. Zacznij od płytki LN i rozszczep próbkę o wymiarach 2 cm na 2 cm. W celu wykonania mikroskopii transmisyjnej konieczne jest użycie dwustronnie polerowanej płytki. Należy pamiętać, że LN jest standardem ze względu na jego biokompatybilność i polaryzację SAW oraz wysoki współczynnik sprzężenia piezoelektrycznego wzdłuż głównej osi, jednak inne materiały piezoelektryczne mogą być stosowane z odpowiednimi względami projektowymi.
3. Podłoże należy oczyścić, spłukując je w acetonie, 2-propanolu i susząc pistoletem do azotu.
4. Wiruj próbkę za pomocą Shipley S1818 z prędkością 4,000 obr./min przez 1 min.
5. Pieczenie na miękko w temperaturze 90 °C przez 1 minutę na gorącej płycie.
6. Wyrównaj próbkę z maską warstwową SAW za pomocą wyrównywacza maski i wystaw ją na działanie światła UV z prędkością 55 mJ/^cm2. Należy zwrócić uwagę na wyrównanie kierunku IDT wzdłuż głównej osi podłoża LN.
7. Przepłucz próbkę w wywoływaczu Microposit MF319 przez 30 sekund, aby usunąć nienaświetlony fotorezyst.
8. Zatrzymaj rozwój, przepłukując próbkę w wodzie dejonizowanej i wysuszając ją pistoletem do azotu.
9. Osadź tytanową warstwę adhezyjną o grubości 10 nm, a następnie warstwę złota o grubości 100 nm przez odparowanie termiczne.
10. Wykonać start poprzez sonikację próbki w acetonie, a następnie przepłukać ją w 2-propanolu i wysuszyć pistoletem do azotu.
11. Silanizuj powierzchnię urządzenia, aby była hydrofobowa w obszarze mikrokanalików¹².
    1. Zamaskuj obszar mikrokomory fotorezystem AR-N-4340 o tonie ujemnym za pomocą litografii optycznej zgodnie z kartą katalogową producenta.
    2. Aktywuj powierzchnię próbki za pomocą 2-minutowej plazmy tlenowej (Gambetti Kenologia Srl, Colibri) o ciśnieniu 0,14 mbar i mocy 100 W, dającej napięcie polaryzacji około 450 V.
    3. Wymieszać 35 ml heksadekanu, 15 ml czterochlorku węgla (_{CCl 4}) i 20 μl oktadecylotrichlorosilanu (OTS) w zlewce pod wyciągiem. Umieść urządzenie w roztworze i pozostaw pod przykryciem na dwie godziny.
    4. Wypłucz urządzenie 2-propanolem i osusz pistoletem do azotu.
    5. Sprawdź, czy kąt zwilżania wody na powierzchni przekracza 90°. Jeżeli kąt zwilżania jest niewystarczający, oczyścić próbkę i ponownie wykonać czynności opisane w ppkt 1.11.
    6. Usunąć resztkowy rezystant z próbki poprzez przepłukanie w acetonie, 2-propanolu i wysuszenie za pomocą pistoletu do azotu.
12. Zamontuj próbkę na płytce drukowanej z falowodami o częstotliwości radiowej i standardowymi złączami koncentrycznymi (RF-PCB), a następnie umieść absorber akustyczny (polimer pierwszego kontaktu) na krawędziach próbki i połącz IDT za pomocą połączenia drutowego lub za pomocą złączy pogo.
13. Forma wzorcowa warstwy kanałowej jest wzorowana za pomocą SU-8 na małym kawałku płytki krzemowej (Si) przy użyciu standardowej fotolitografii optycznej. Typ SU-8 i receptura fotolitografii będą zależały od wymaganej ostatecznej wewnętrznej wysokości kanału PDMS.
14. Odlew PDMS na formie
    1. Wymieszaj PDMS z utwardzaczem w stosunku 10:1.
    2. Odwirować PDMS przez 2 minuty przy 1,320 x g w celu odgazowania.
    3. Delikatnie wylać PDMS na formę SU-8 na szalce Petriego do całkowitej wysokości PDMS rzędu 1 mm. Otwartą szalkę Petriego można umieścić w eksykatorze próżniowym na około 30 minut w celu dalszego odgazowania PDMS.
    4. Po odgazowaniu utwardzić PDMS przez podgrzanie do 80 °C przez godzinę w piecu. Należy pamiętać, że czas i temperatura pieczenia mogą wpływać na właściwości mechaniczne PDMS.
15. Przygotuj stałą warstwę PDMS
    1. Przeciąć kanał za pomocą ostrza chirurgicznego, uważając, aby nie uszkodzić mastera SU8, i oderwij go.
    2. Krawędzie repliki są następnie udoskonalane i prostowane za pomocą żyletki, pozostawiając co najmniej 2 mm luzu po bocznej stronie kanału i brak luzu (przeciętego na wylot) na wylocie kanału.
    3. Wybij otwór w mikrokomorze za pomocą dziurkacza Harris Unicore, aby utworzyć wlot ładujący płyn.
16. Połącz kanał PDMS z substratem LN za pomocą prostego łączenia konforemnego. W ten sposób wiązanie utrzyma się przez cały etap testowania płynu, pozostając odwracalne.
    1. Obie powierzchnie są czyszczone przed połączeniem poprzez zdmuchnięcie nadmiaru zanieczyszczeń sprężonym powietrzem azotowym. Podczas łączenia elementów bardzo ważne jest, aby wyrównać kanał z główną osią LN zgodnie z wzorzystymi znakami wyrównania.
17. Pełny schemat urządzenia pokazano na rysunku 1. Gotowe urządzenia należy przechowywać w czystym środowisku do czasu użycia.

Uwaga: Ważne jest, aby wszystkie etapy produkcji były przeprowadzane w czystym pomieszczeniu, aby uniknąć zanieczyszczenia urządzenia przed użyciem.

Uwaga: Każdy z etapów litografii optycznej może zostać zastąpiony przez preferowane przez użytkownika metody.

Uwaga: Procedura silanizacji może być zastąpiona preferowaną metodą powlekania hydrofobowego¹³.

2. Testowanie urządzeń RF

1. Skalibruj sieć lub analizator widma za pomocą otwartego/krótkiego falowodu na płytce RF-PCB.
2. Podłącz linię opóźniającą SAW do portów analizatora widma i zmierz matrycę rozpraszania urządzenia. Transmisja dla pary przetworników jednoelektrodowych będzie przypominać wartość bezwzględną funkcji sinc wyśrodkowanej na częstotliwości roboczej IDT. W widmie odbicia obserwuje się spadek (minimum) przy tej samej częstotliwości^9-11. W naszych urządzeniach na częstotliwości pracy 100 MHz wzdłuż osi głównej typowe wartości to -15 dB dla S11 i S22 oraz -10 dB dla S₁₂ (bez kanałów PDMS).

3. Eksperyment i analiza wizualizacji mikrofluidyki i dynamiki przepływu cząstek

1. Umieść próbkę pod mikroskopem. Specyficzny układ optyczny zależy od obserwowanych zjawisk mikroprzepływowych SAW. Na przykład prosty mikroskop refleksyjny wyposażony w obiektyw 4X i kamerę wideo 30 kl./s będzie odpowiedni do badania dynamiki napełniania płynem. Aby zbadać bardziej złożoną dynamikę mikrocząstek, może być konieczne użycie mikroskopu wyposażonego w obiektyw 20X i kamerę wideo o szybkości 100 kl./s lub wyższej. Ważne jest, aby zarówno obiektyw, jak i liczba klatek na sekundę były wystarczająco wysokie, aby uchwycić wszelkie ważne przestrzennie i czasowo cechy przepływu.
2. Podłącz IDT przed wyjściem kanału do generatora sygnału RF i pracuj z częstotliwością rezonansową obserwowaną w pomiarach matrycy rozpraszania. Typowa moc robocza w eksperymentach akustyczno-przeciwprądowych wynosi 20 dBm. W razie potrzeby użyj wzmacniacza UHF o dużej mocy. Zjawiska strumieniowania akustycznego i atomizacji są obserwowane bez przeciwprądu akustycznego podczas pracy urządzenia z niższą mocą: zazwyczaj recyrkulacja strumienia akustycznego rozpoczyna się od 0 dBm, a atomizacja następuje powyżej 14 dBm.
3. Załaduj 60 μl płynu do mikrokomory za pomocą mikropipety. Płyn będzie pasywnie dyfundował do mikrokomory. W razie potrzeby delikatnie dociśnij powierzchnię mikrokomory, aby sprzyjać wypełnieniu mikrokomory.
   1. Aby zobrazować przepływ, konieczne jest dodanie mikrogranulek do płynu. Należy pamiętać, że w celu uniknięcia grupowania się cząstek, przed eksperymentami należy poddać sonikę zawiesiny cząstek. Aby uniknąć przywierania cząstek do podłoża, podczas załadunku należy przyłożyć do urządzenia sygnał 0 dBm.
4. Rozpocznij nagrywanie obrazu przez mikroskop i zwiększ moc roboczą, aby zaobserwować akustyczny przeciwprąd. Różne schematy przepływu będą określane na podstawie mocy wejściowej, konstrukcji chipa i średnicy cząstek.
   1. Aby jakościowo uchwycić dynamikę, przepływ płynu musi być rejestrowany w pobliżu menisku i wlotu na różnych etapach napełniania kanału przy użyciu znaczników jako odniesienia przestrzennego.
   2. W celu przeprowadzenia ilościowego pomiaru dynamiki cząstek za pomocą prędkości obrazowania mikrocząstek (μPIV) ^14,15 lub przestrzennej czasowej spektroskopii korelacji obrazów (STICS) ^16,17, przepływ płynu musi być rejestrowany w punkcie zainteresowania o ustalonym polu widzenia przez co najmniej 100 klatek na sekundę z częstotliwością klatek narzuconą przez dynamikę cząstek.
5. Przeanalizuj wideo za pomocą oprogramowania do przetwarzania obrazu. Wybór oprogramowania, które ma być używane, zależy od interesujących nas zjawisk. Na przykład, aby określić ilościowo rozkład wielkości rozpylonych kropel, okresowość przestrzenną akumulacji cząstek lub ręczne śledzenie rozcieńczonych cząstek, odpowiednie jest proste, darmowe oprogramowanie do analizy obrazu, takie jak Fidżi¹⁸; natomiast w celu uzyskania usprawnień i pomiarów pola prędkości wymagany jest niestandardowy kod mPIV¹⁹ lub STICS²⁰. W naszej analizie niestandardowy kod STICS jest napisany w MATLAB, jednak preferowany alternatywny język kodowania może być równie akceptowalny.

Results

Rysunek 2 pokazuje reprezentatywne wyniki testów RF urządzenia, które zostały wykonane przed połączeniem warstwy LN z warstwą mikrokanałową: typowe widma S₁₁ i S₁₂ są przedstawione odpowiednio w panelu a) i b). Głębokość doliny przy częstotliwości centralnej w widmie S₁₁ jest związana ze sprawnością konwersji mocy RF na moc mechaniczną SAW. W związku z tym dla ustalonej liczby par palców IDT zmniejszenie minimum doliny spowoduje zmniejsze...

Discussion

Jednym z największych wyzwań, przed którymi stoi społeczność mikroprzepływowa, jest opracowanie platformy uruchamiającej dla prawdziwie przenośnych urządzeń przyłóżkowych. Spośród proponowanych zintegrowanych mikropomp²³ szczególnie atrakcyjne są mikropompy oparte na powierzchniowych falach akustycznych (SAW) ze względu na związane z nimi możliwości w zakresie mieszania, atomizacji oraz zagęszczania i separacji cząstek⁴. W tym artykule pokazaliśmy, jak wyprodukować i obsługiwać urządzenie typu lab-o...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dwustronnie polerowane 128° Wafel niobianu litu YX	Crystal Technology, LLC&		nbsp;
Wafle krzemowe	Wafle		Używamy < 100>
IDT Optyczna maska litograficzna ze znacznikami wyrównania (pozytywna)	Dowolny dostawca
Kanałowa maska litografii optycznej (negatywna)	Dowolny dostawca
Dodatni fotorezystor	Shipley	S1818
Dodatni wywoływacz fotorezystu	Microposit	MF319
Fotorezystor o ujemnym tonie	Allresist	AR-N-4340
Wywoływacz fotorezystu o ujemnym tonie	Allresist	AR 300-475
Fotorezystor o grubym odcieniu ujemnym SU8	Microchem	SU-8 2000 Series
SU8 gruby negatywny tonal wywoływacz fotorezystu	Microchem	SU-8 deweloper
Hexadecane	Sigma-Aldrich	H6703
Czterochlorek węgla (CCl4)	Sigma-Aldrich	107344
Oktadecylotrichlorosilan (OTS)	Sigma-Aldrich	104817
Aceton CMOS klasy	Sigma-Aldrich	40289
2-propanol CMOS gatunku	Sigma-Aldrich	40301
Tytan	Dowolny sprzedawca	Czystość 99,9%
	Złoto Dowolny sprzedawca	o czystości 99,9	%
PDMS	Dow	Corning Sylgard 184 zestaw elastomerów silikonowych z utwardzaczem
szalka Petriego	Dowolny sprzedawca
5 mm ID Harris Uni-Core wielofunkcyjne narzędzie do wiercenia	Sigma-Aldrich	Z708895	Każda średnica większa niż 2 mm jest odpowiednia
Absorber	akustyczny Technologie czyszczenia fotonicznego	Pierwszy kontakt regularny zestaw
RF-PCB	Dowolny dostawca
Spinner	Laurell technologies corporation	WS-400-6NPP	Można użyć dowolnego spinner
Mask aligner	Karl Suss	MJB 4	Można użyć dowolnego alignera
Parownik termiczny	Kurt J. Lesker	Nano 38	Można użyć dowolnego parownika termicznego, e-beam lub systemu rozpylania
Plazma tlenowa asher	Gambetti Kenologia Srl	Colibrì	Można użyć dowolnej maszyny do asherowania plazmowego lub RIE
Wirówka	Eppendorf	5810 R	Można użyć dowolnej wirówki
Spawarka drutowa	Kulicke Soffa	4523AD	Można użyć dowolnego łącznika drutowego, jeśli płytka drukowana jest używana bez złączy pogo
Miernik kąta zwilżania	KSV	CAM 101	Można użyć dowolnego miernika kąta zwilżania
Analizator widma	Anristu	56100A	Można użyć dowolnego analizatora widma lub sieci
Sygnał RF	generator Anristu	MG3694A	Można użyć dowolnego generatora sygnału RF
Wzmacniacz dużej mocy RF	Mini obwody	ZHL-5W-1	Można użyć dowolnego wzmacniacza dużej mocy RF
Zawieszenie mikrokulek	Sigma-Aldrich	L3280	W zależności od celu eksperymentalnego można zastosować różne zawieszenia o różnej średnicy i różnych właściwościach materiału
Mikroskop optyczny	Nikon	Ti-Eclipse	Można użyć dowolnego mikroskopu optycznego o rozdzielczości przestrzennej spełniającej cele eksperymentalne
Kamera wideo	Basler	A602-f	Można użyć dowolnej kamery wideo, która ma wystarczającą liczbę klatek na sekundę i czułość spełniającą cele eksperymentalne
Oprogramowanie do akwizycji kamer	Zaawansowane technologie	Motion Box	Można zastosować dowolne oprogramowanie umożliwiające akwizycję dużej i kontrolowanej liczby klatek na sekundę