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

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest pokazanie działania urządzenia i późniejsza wizualizacja przepływu powierzchniowego akustycznego, napędzanego falami mikroprzepływowego urządzenia przeciwprądowego. Osiąga się to poprzez pierwsze wytworzenie dwuwarstwowego urządzenia składającego się ze złotej warstwy fali akustycznej z jajowatą powierzchnią litu i warstwy mikrokanalików z polimetyloksyny. W drugim kroku urządzenie jest testowane za pomocą analizatora sieci, aby zapewnić prawidłowe działanie przetwornika międzypalcowego, a także znaleźć częstotliwość rezonansową, przy której należy uruchomić urządzenie przeciwprądowe.

Następnie wlot urządzenia jest ładowany płynem zasianym mikrosferą, a sygnał RF jest podawany do przetwornika międzypalcowego na wylocie. Wynikowy przepływ kanałowy jest rejestrowany za pomocą mikroskopu o dużej prędkości w celu uzyskania wyników analizy w celu pokazania różnych schematów przepływu, które są przede wszystkim zależne od geometrii urządzenia i przyłożonej mocy. Chociaż metoda ta jest ukierunkowana na wytwarzanie i działanie akustycznych urządzeń sterujących przepływem, procedura opisana w tym filmie może być również stosowana do wytwarzania i obsługi innych urządzeń mikroprzepływowych napędzanych powierzchniowymi falami akustycznymi, takich jak mikroprzepływowe, pompy mieszające i optymalizatory.

Ogólnie rzecz biorąc, osoby nowe w tej metodzie mogą mieć trudności, ponieważ istnieje wiele różnych aspektów operacji produkcyjnych i analizy, które należy opanować podczas pracy z mikrofluidyką powierzchniowych fal akustycznych. Aby rozpocząć, stwórz urządzenie mikroprzepływowe zgodnie z opisem w dołączonym pisemnym protokole, używając dwóch oddzielnych masek fotograficznych, jednej dla powierzchniowej warstwy fali akustycznej pokazanej na różowo, a drugiej dla formy mikrokanałowej pokazanej na żółto. Po wyprodukowaniu podstawowego urządzenia dodaj negatyw fotorezystywny, taki jak ARN 43 40, i naświetl obszar mikrokanału za pomocą optycznych technik litograficznych.

Następnie aktywuj odsłoniętą powierzchnię próbki za pomocą dwuminutowej plazmy tlenowej o ciśnieniu 0,14 milibara i mocy 100 watów, aby uzyskać napięcie polaryzacji około 450 woltów. Następnie wymieszaj 35 mililitrów AEC, 15 mililitrów czterochlorku węgla i 20 mikrolitrów trichloroetylenu Okta desal w zlewce wewnątrz dygestorium. Umieść urządzenie w roztworze, aby zwilżyć powierzchnię i uczynić ją hydrofobową.

Pozostaw urządzenie w roztworze pod przykryciem na dwie godziny, a następnie spłucz je izopropanolem i wysusz pod azotem. Po wyschnięciu sprawdź, czy kąt zwilżania wody na powierzchni przekracza 90 stopni. Jeśli kąt zwilżania jest niewystarczający, oczyść próbkę i ponownie zmień rozmiar powierzchni.

W przeciwnym razie usuń resztki fotorezystu acetonem, a następnie spłucz izopropanolem i wysusz pistoletem do azotu. Następnie, po zamontowaniu próbki na płytce drukowanej z falowodami o częstotliwości radiowej i standardowymi złączami koncentrycznymi, umieść polimer absorbera akustycznego na krawędziach próbki i połącz przetworniki międzypalcowe za pomocą połączenia drutowego lub za pomocą złączy POGO, jak pokazano tutaj. Następnie należy przygotować wzorzystą warstwę PDMS zawierającą kanał o żądanych wymiarach zgodnie z opisem w dołączonym protokole tekstowym.

Po utwardzeniu przeciąć kanał za pomocą ostrza chirurgicznego, uważając, aby nie uszkodzić głównej formy i nie oderwać jej. Następnie dopracuj i wyprostuj krawędzie repliki za pomocą żyletki. Upewnij się, że pozostawiłeś co najmniej dwa milimetry wolnego miejsca po bocznej stronie kanału i brak odstępu na wylocie kanału, przecinając bezpośrednio próbkę.

Następnie wybij otwór w mikrokomorze za pomocą dziurkacza Harris unicorn, aby uformować wlot płynu ładującego i zdejmij cylinder. Następnie połącz kanał PDMS z podłożem jajowatym litu za pomocą prostego łączenia konforemnego za pomocą mikroskopu do wyrównania. W ten sposób wiązanie utrzyma się przez etap testowania płynu, pozostając odwracalne.

Przetestuj urządzenie RF, najpierw podłączając powierzchniową linię opóźniającą falę akustyczną do portów analizatora widma i zmierz macierz rozpraszania urządzenia. Transmisja dla pary przetworników jednoelektrodowych będzie przypominać wartość bezwzględną funkcji synchronizacji wyśrodkowanej na częstotliwości roboczej przetwornika międzypalcowego. Następnie obserwuj widmo odbicia.

Spadek widma odbicia występuje przy tej samej częstotliwości, co szczyt transmisji w urządzeniach pracujących z częstotliwością 100 megaherców wzdłuż osi głównej. Typowe wartości to minus osiem decybeli dla S 11 i S 22 oraz minus 20 decybeli dla S 12 bez kanałów PDMS. Aby jak najlepiej zobrazować dynamikę przepływu, należy umieścić próbkę pod mikroskopem.

Specyficzny układ optyczny zależy od obserwowanych zjawisk mikrofluidycznych powierzchniowych fal akustycznych. Aby zbadać dynamikę napełniania płynem, użyj prostego mikroskopu odwróconego wyposażonego w obiektyw Forex i kamerę wideo o prędkości 30 klatek na sekundę. Jednak, aby zbadać bardziej złożoną dynamikę mikrocząstek, użyj obiektywu 20x i kamery wideo o szybkości 100 FPS 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. Następnie podłącz przetworniki międzypalcowe przed wyjściem kanału do generatora i wzmacniacza sygnału RF i działaj z częstotliwością rezonansową obserwowaną w pomiarach matrycy rozpraszania. W razie potrzeby użyj wzmacniacza UHF o dużej mocy.

Tutaj używamy wzmacniacza mini circuits zw five o maksymalnej mocy wyjściowej 37 DBM i wzmocnieniu 40 decybeli. Ważne jest, aby całkowita moc wyjściowa mogła osiągnąć co najmniej 25 DBM do badania przeciwprądu akustycznego. Obserwuj zjawiska strumieniowania akustycznego i atomizacji bez przeciwprądu akustycznego podczas pracy urządzenia.

Przy niższej mocy typowa recyrkulacja strumienia akustycznego rozpoczyna się przy zerowym DBM, a atomizacja zachodzi powyżej 14 DBM. Następnie przygotuj płyn ładujący mikrokulki do wizualizacji, dodając 500 nanometrowych mikrokulek o wielkości od 10 do 10 cząstek na mililitr i wirując roztwór przez 15 sekund przed eksperymentami. Następnie załaduj 60 mikrolitrów zawiesiny mikrokulek do komory.

Powolne używanie płynu z mikropipet będzie pasywnie dyfundować do mikrokomory, aby uniknąć ewentualnego przylegania cząstek do podłoża, należy zastosować zerowy sygnał DBM do urządzenia podczas ładowania. Rozpocznij nagrywanie wideo przez mikroskop i zwiększ moc roboczą, aby zaobserwować akustyczny przeciwprąd. Różne schematy przepływu będą określane na podstawie mocy wejściowej, konstrukcji chipa i średnicy cząstek.

Aby jakościowo uchwycić dynamikę, należy zarejestrować przepływ płynu w pobliżu łąkotki i wlotu na różnych etapach wypełniania kanału, używając znaczników jako odniesienia przestrzennego. Następnie ilościowo zmierz dynamikę cząstek za pomocą obrazu mikrocząstek, asymetrii VE lub spektroskopii korelacji obrazu przestrzennego w czasie, zgodnie z odniesieniem do dołączonego protokołu tekstowego, aby uzyskać dokładne wyniki. Rejestruj przepływ płynu w punkcie zainteresowania ze stałym polem widzenia przez co najmniej 100 klatek z szybkością klatek narzuconą przez dynamikę cząstek.

W przypadku bardziej skomplikowanej analizy w celu uzyskania pomiarów strumieni i pola prędkości, należy użyć niestandardowego kodu spektroskopii korelacji obrazu mikrocząstek lub przestrzennej korelacji obrazu czasowego. Oto typowe widma S 11 i S 12 wykonane przed związaniem warstwy litu. Częstotliwość rezonansowa w dwóch widmach jest widoczna na poziomie 95 megaherców.

Głębokość doliny przy częstotliwości centralnej w widmie S 11 jest związana ze sprawnością konwersji mocy RF na powierzchniową moc mechaniczną fali akustycznej. Stąd też zmniejszenie minimum kosza będzie skutkowało zmniejszeniem mocy potrzebnej do obsługi urządzenia. Maksimum widma S 12 jest związane z wydajnością konwersji mocy RF i mocy mechanicznej powierzchniowej fali akustycznej oraz tłumieniem fali wzdłuż linii opóźniającej.

Zmniejszenie tej wartości może wynikać z wad, takich jak niewspółosiowość linii opóźnienia fali lub pęknięcia. Pokazano. Oto cztery różne charakterystyczne wzorce przepływu zaobserwowane przy użyciu prędkości lateksu 500 nanometrów. Dwa górne obrazy pokazują różne wyniki na wlocie kanału.

Po lewej stronie obserwuje się dwa symetryczne wiry spowodowane zjawiskiem strumieniowania akustycznego na początku napełniania kanału, po pewnym czasie, gdy kanał jest częściowo wypełniony, uzyskuje się przepływ laminarny. Pokazane tutaj obrazy pochodzą z okolic łąkotki. Gdy kanał jest częściowo wypełniony po lewej stronie, obserwuje się, jak cząstki gromadzą się w liniach i poruszają się z tą samą prędkością co łąkotka.

Dzieje się tak, gdy dynamika cząstek jest zdominowana przez siłę promieniowania akustycznego po prawej stronie. Obserwuje się tu dominację siły oporu i strumienia akustycznego. Cząstki połykają dwa wiry i gromadzą się tylko w pasmach w promieniu 300 mikronów od menisku i znajdują się blisko powierzchni podłoża.

Uczestnicząc w tych procedurach, bardzo ważne jest, aby pamiętać o utrzymywaniu urządzenia w czystości na wszystkich etapach eksperymentu, od produkcji do eksploatacji. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wytwarzać i testować powierzchniowe urządzenia wykorzystujące fale akustyczne. Praca z mikrofluidyką PDMS oraz wizualizacja i analiza przepływów makrofluidycznych.I.