Przedstawiono protokół manipulowania mikrocząstkami w kanale mikroprzepływowym z wzbudzeniem o podwójnej częstotliwości.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiono protokół manipulowania mikrocząstkami w kanale mikroprzepływowym z wzbudzeniem o podwójnej częstotliwości.
Pokazujemy metodę zwiększania zdolności strojenia fali akustycznej na powierzchni stojącej (SSAW) do manipulacji mikrocząstkami w systemie lab-on-a-chip (LOC). Jednoczesne wzbudzenie częstotliwości podstawowej i jej trzeciej harmonicznej, które określa się jako wzbudzenie dwuczęstotliwościowe, do pary przetworników międzypalcowych (IDT) może wygenerować nowy rodzaj stojących fal akustycznych w kanale mikroprzepływowym. Zmiana mocy i fazy w sygnałach wzbudzenia o podwójnej częstotliwości powoduje powstanie rekonfigurowalnego pola siły promieniowania akustycznego przyłożonej do mikrocząstek w poprzek mikrokanału (np. liczba i lokalizacja węzłów ciśnieniowych oraz stężenia mikrocząstek w odpowiednich węzłach ciśnienia). W artykule tym pokazano, że czas ruchu mikrocząstki do tylko jednego węzła ciśnienia może być skrócony ~2-krotnie przy stosunku mocy częstotliwości podstawowej większym niż ~90%. Natomiast w mikrokanale znajdują się trzy węzły ciśnienia, jeśli są mniejsze niż ten próg. Co więcej, dostosowanie początkowej fazy między częstotliwością podstawową a trzecią harmoniczną skutkuje różnymi szybkościami ruchu trzech węzłów ciśnieniowych SSAW, a także procentową zawartością mikrocząstek w każdym węźle ciśnieniowym w mikrokanale. Istnieje dobra zgodność między obserwacją eksperymentalną a przewidywaniami numerycznymi. Ta nowatorska metoda wzbudzania może być łatwo i nieinwazyjnie zintegrowana z systemem LOC, z szerokim zakresem możliwości i tylko kilkoma zmianami w konfiguracji eksperymentalnej.
Technologia LOC integruje jedną lub kilka funkcji na mikrochipie dla biologii, chemii, biofizyki i procesów biomedycznych. LOC umożliwia konfigurację laboratorium w skali mniejszej niż submilimetry, szybkie tempo reakcji, krótki czas reakcji, wysoką kontrolę procesu, niskie zużycie objętości (mniej odpadów, niższy koszt odczynników i mniejsza wymagana objętość próbki), wysoką przepustowość dzięki zrównolegleniu, niski koszt przyszłej produkcji masowej i opłacalne materiały jednorazowego użytku, wysokie bezpieczeństwo dla chemikaliów, badania radioaktywne lub biologiczne oraz zalety kompaktowego i przenośnego urządzenia1,2. Precyzyjna manipulacja komórkami (tj. akumulacja i separacja) ma kluczowe znaczenie w analizie i diagnostyce opartej na LOC3,4. Jednak dokładność i powtarzalność manipulacji mikrocząstkami wiąże się z wieloma wyzwaniami. Wiele technik, takich jak elektroosmoza5, dielektroforeza (DEP)6, magnetoforeza7, termoforeza8,9, podejście optyczne10, podejście optoelektroniczne11, podejście hydrodynamiczne12 i akustoforeza13,14,15, zostały opracowane. Dla porównania, podejścia akustyczne są odpowiednie dla aplikacji LOC, ponieważ teoretycznie wieloma rodzajami mikrocząstek/komórek można skutecznie i nieinwazyjnie manipulować z wystarczająco wysokim kontrastem (gęstością i ściśliwością) w porównaniu z otaczającym płynem. W związku z tym, w porównaniu do swoich odpowiedników, podejścia akustyczne są z natury odpowiednie dla większości mikrocząstek i obiektów biologicznych, bez względu na ich właściwości optyczne, elektryczne i magnetyczne16.
Powierzchniowe fale akustyczne (SAW) z IDT rozchodzą się głównie na powierzchni podłoża piezoelektrycznego o grubości kilku długości fal, a następnie przeciekają pod kątem Rayleigha do płynu w mikrokanale, zgodnie z prawem Snella17,18,19,20,21,22. Mają one zalety techniczne, takie jak wysoka efektywność energetyczna wzdłuż powierzchni dzięki lokalizacji energii, duża elastyczność projektowania przy wysokiej częstotliwości, dobra integracja systemu z kanałem mikroprzepływowym i miniaturyzacja za pomocą technologii systemów mikroelektroniczno-mechanicznych (MEMS) oraz wysoki potencjał masowej produkcji23. W tym protokole SAW są generowane z pary identycznych IDT i propagowane w przeciwnym kierunku w celu wygenerowania fali stojącej lub SSAW w mikrokanale, gdzie zawieszone mikrocząstki są popychane do węzłów ciśnieniowych, głównie przez przyłożoną siłę promieniowania akustycznego24. Amplituda takiej wypadkowej siły zależy od częstotliwości wzbudzenia, wielkości mikrocząstek i ich akustycznego współczynnika kontrastu22,25.
Takie akustoforeza ma ograniczenie do z góry określonych wzorców manipulacyjnych, które nie są łatwe do regulacji. Częstotliwość wzbudzenia IDT zależy od ich okresowej odległości, więc szerokość pasma jest dość ograniczona. Opracowano kilka strategii mających na celu zwiększenie możliwości przestrajania i manipulacji. Pierwszy i drugi tryb akustycznych fal stojących zastosowanych w różnych częściach mikrokanału może skuteczniej rozdzielać mikrocząstki w zależności od różnych prędkości ruchu w kierunku linii węzłowych26. Te dwa tryby można również zastosować do całej części mikrokanału i przełączać naprzemiennie27,28,29. Jednak do tego celu potrzebna jest duża liczba urządzeń (tj. trzy generatory funkcyjne, dwie jednostki dopasowujące impedancję i przekaźnik elektromagnetyczny), przy zwiększonych kosztach i złożoności sterowania zestawu eksperymentalnego ze względu na różne impedancje elektryczne przy częstotliwości podstawowej i trzeciej harmonicznej płytki piezoceramicznej30. Co więcej, przetworniki międzypalcowe z ukośnymi palcami (SFIT) mogą być stosowane do regulacji komórek i wzoru mikrocząstek poprzez wzbudzanie okresu skośnych palców dla określonego rezonansu20,31. Jednak wtedy szerokość pasma jest odwrotnie proporcjonalna do liczby skośnych palców. Wielociśnieniowe linie węzłowe mają wyższą skuteczność separacji i czułość w porównaniu z pojedynczą linią węzłową w konwencjonalnym separatorze mikrocząstek opartym na SSAW. Alternatywnie, położenie węzłów ciśnienia można również zmienić, po prostu dostosowując różnicę faz zastosowaną do dwóch IDT w design32,33.
Podstawowa częstotliwość i trzecia harmoniczna IDT mają podobne odpowiedzi częstotliwościowe, dzięki czemu mogą być wzbudzane jednocześnie, co zapewnia większą możliwość dostrajania mikrocząstek manipulacji34. W porównaniu z konwencjonalnym wzbudzeniem IDT przy pojedynczej częstotliwości, regulacja ciśnień akustycznych wzbudzenia dwuczęstotliwościowego i fazy między nimi zapewnia wyjątkowość techniczną, taką jak do ~2-krotnie skrócony czas ruchu do linii węzła ciśnieniowego lub środka mikrokanału, zróżnicowana liczba i lokalizacja linii węzłowych ciśnienia, i stężenia mikrocząstek.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie kanału mikroprzepływowego
2. Produkcja przetworników międzypalcowych
3. Wzbudzenie o podwójnej częstotliwości

i
= ciśnienia akustyczne.
od 100% (wzbudzenie przy częstotliwości czysto podstawowej) do 0% (wzbudzenie przy czysto trzeciej harmonicznej); dla dobrego porównania, zmień, ale zachowaj całkowitą moc na tym samym poziomie.4. Symulacja numeryczna


= prędkość płynu,
= lepkość dynamiczna,
= gęstość płynu,
= ciśnienie płynu,
= macierz jednostkowa, and
= siła zewnętrzna.
= promień mikrocząstki,
= prędkość płynu, i
= prędkość mikrocząstki.
= objętość mikrocząstki,
= gęstość mikrocząstki,
= gęstość podłoża,
= ściśliwość mikrocząstki, i
= ściśliwość nośnika.

5. Obserwacja eksperymentalna
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rozkłady ciśnienia akustycznego i siły promieniowania akustycznego SSAW przy wzbudzeniu dwuczęstotliwościowym (6,2 i 18,6 MHz) są pokazane w Rysunek 1. W tym przypadku wzbudzenie dwuczęstotliwościowe zachodzi na mikrocząstkach polistyrenu (o średnicy 4 μm) w mikrokanaliku o szerokości 300 μm przy mocy akustycznej 146 mW. Wynikowe ciśnienie akustyczne występuje zawsze w fazie, gdy P1 > 90%, tak że tylko jeden węzeł ciśnienia występuje pr...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Ruch mikrocząstek w mikrokanale przez SSAW przy wzbudzeniu o podwójnej częstotliwości został szeroko zbadany w tym badaniu, a także opracowano i przetestowano skutecznie dostrajalną technikę modelowania poprzez zmianę sygnałów wzbudzenia o podwójnej częstotliwości. Wytwarzanie takiego kształtu fali jest łatwo realizowane przez większość generatorów funkcyjnych, a podejście do regulacji jest bardzo wygodne. Zarówno pasma przenoszenia S12, jak i S11 sfabrykowanych IDT ilustrują kilka modów rezonansowy...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca była sponsorowana przez Fundusz Badań Akademickich (AcRF) Tier 1 (RG171/15), Ministerstwo Edukacji, Singapur.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| poli-dimetylosiloksan | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| baza elastomeru poli-dimetylosiloksanowego | Wafel krzemowy Dow | Corning Sylgard 184 | |
| Bonda Technology | SI8PSPD | ||
| fotorezystuł o ujemnym tonie | Microchem | SU-8 | |
| dwustronnie polerowany LiNbO3 wafel | uniwersytecki | Y-128° | |
| fotorezystor dodatni | Nicolaus-Otto-Straß e | AZ 9260 | |
| plazma tlenowa | Plastikowa maska Harrick Plasma | ||
| Nieskończona grafika |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie