Name: Manipulacja mikrocząstkami poprzez powierzchniowe fale akustyczne z wzbudzeniami o podwójnej częstotliwości (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-21T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 51 s
Description: Poznaj metodę manipulacji mikrocząstkami w kanałach mikrofluidycznych przy użyciu powierzchniowych fal akustycznych z wzbudzeniami o podwójnej częstotliwości. Technika ta poprawia sortowanie w układach lab-on-a-chip.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Ta praca była sponsorowana przez Fundusz Badań Akademickich (AcRF) Tier 1 (RG171/15), Ministerstwo Edukacji, Singapur.

1. Przygotowanie kanału mikrofluidycznego
<ol>
	<li>Wymieszać polidimetylosiloksan (PDMS) z bazą elastomerową w stosunku 10:1.</li>
	<li>Odgazować mieszaninę w piecu próżniowym, a następnie wylać ją na wafelek krzemowy z naniesionym na wierzch wzorem z fotorezystu negatywowego.</li>
	<li>Ponownie odgazować wzorowany wafelek krzemowy i ogrzewać go w temperaturze 70 °C przez 3 h w inkubatorze w celu utwardzenia.</li>
</ol>
2. Wykonanie przetworników intercyfrowych
<ol>
	<li>Nanieś 20 nm Cr i 400 nm Al na wafer LiNbO3; przygotuj wzór składający się z 20 pasków o szerokości 150 µm i aperturze 2 cm na plastikowej masce do fotolitografii poprzez naniesienie pozytywnego fotorezystu na podłoże.</li>
	<li>Usuń warstwę Cr-Al z obszarów nienaświetlonych za pomocą acetonu.</li>
	<li>Potraktuj ich powierzchnię plazmą tlenową (przy stosunku azotu do tlenu 2:1) przy mocy 30 W przez 60 s.</li>
	<li>Wyrównaj mikrokanał PDMS i przytwierdź go do podłoża LiNbO3, dociskając kciukiem przez kilka sekund.</li>
	<li>Umieść zintegrowane urządzenie w komorze grzewczej w temperaturze 60 °C na 3 h.</li>
</ol>
3. Podwójna częstotliwość wzbudzenia
<ol>
	<li>Symultanicznie przyłóż do pary IDT dwie składowe częstotliwości (f1 oraz f3, odpowiednio częstotliwość podstawową i trzecią harmoniczną wykonanego IDT) z różnicą faz φ pomiędzy nimi, tak aby wygenerowana fala SAW mogła być wyrażona w następujący sposób. 
	<img alt="Równanie superpozycji matematycznej: schemat formuły analizy harmonicznej dla składowych częstotliwości." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1"> 
	Gdzie 
	<img alt="Równania równowagi statycznej, ΣFx=0, ΣFy=0, schemat ilustrujący zasadę równowagi sił." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2"> oraz <img alt="Równanie równowagi statycznej, ΣFx=0, schemat; ilustruje równowagę sił, do celów edukacyjnych" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> = ciśnienia akustyczne.</li>
	<li>Zsyntetyzuj dwuczęstotliwościowy przebieg za pomocą Equation Editor (edytora równań) w oprogramowaniu aplikacyjnym ArbExpress przy częstotliwości próbkowania 100 MS/s, a następnie zapisz go w generatorze funkcji jako wejście dowolne dla wzbudzenia SAW w eksperymencie za pomocą kabla USB.</li>
	<li>Zmieniaj moc częstotliwości podstawowej względem całkowitej mocy emitowanej <img alt="Równanie prawdopodobieństwa P1, analiza statyczna, schemat ilustrujący formułę matematyczną." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4"> od 100% (wzbudzenie przy czystej częstotliwości podstawowej) do 0% (wzbudzenie przy czystej trzeciej harmonicznej); dla rzetelnego porównania zmieniaj parametry, utrzymując całkowitą moc na tym samym poziomie.</li>
	<li>Zmieniaj różnicę faz wzbudzenia dwuczęstotliwościowego w zakresie od 0° do 360°.</li>
</ol>
4. Symulacja numeryczna
<ol>
	<li>Opisz ruch nieściśliwego przepływu laminarnego przy niskiej liczbie Reynoldsa (t. j., Re = 0,55) oraz liczby Macha następujące35. 
	<img alt="równanie Naviera-Stokesa, dynamika płynów, równanie, modelowanie matematyczne przepływu płynów" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5"> 
	<img alt="Zasada równowagi statycznej, równanie ρ₀∇·(u̅)=0, dywergencja pola wektorowego, równanie ciągłości." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 6"> 
	Tutaj, 
	<img alt="Równowaga statyczna ΣFx=0 ΣFy=0 Στ=0, diagram wektorowy, analiza mechaniczna, zasada fizyki." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 7"> = prędkość płynu, 
	<img alt="Równowaga statyczna, schemat ΣFx=0, ilustrujący równowagę sił w mechanice, do użytku edukacyjnego." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 8"> = lepkość dynamiczna, 
	<img alt="Równowaga statyczna, wzór ρ₀, schemat równania, edukacyjny koncept fizyczny, analiza gęstości." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 9"> = gęstość cieczy, 
	<img alt="Równanie ruchu pocisku, wykres p(t)=mv; analiza trajektorii, prędkość, badanie kąta uderzenia." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 10"> = ciśnienie wywierane na ciecz, 
	<img alt="Układ spektroskopowy; metoda wzbudzenia optycznego; równanie: I(λ); schemat wyników analizy emisji." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq11.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 11"> = macierz jednostkowa, a 
	<img alt="Notacja wektorowa siły \( \vec{F} \) w równaniach równowagi statycznej." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq12.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 12"> = siła zewnętrzna.</li>
	<li>Opisz powstałą siłę oporu Stokesa działającą na obiekt w następujący sposób36. 
	<img alt="Równanie siły oporu, \( F_D=6\pi\mu r(v_{\text{fluid}}-v_{\text{particle}}) \), do analizy dynamiki płynów." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq13.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 13"> 
	Tutaj, 
	<img alt="Schemat chromatografii; rozdzielanie białek, chromatogram, analiza; metoda spektroskopowa." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq14.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 14"> = promień mikrocząstki, 
	<img alt="Symbol prędkości płynu \(v_{fluid}\) w równaniu dynamiki płynów; zapis naukowy." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq15.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 15"> = prędkość płynu, a 
	<img alt="Prędkość cząsteczki, v_particle, równanie; wzór fizyczny; zastosowanie edukacyjne; studia naukowe." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq16.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 16"> = prędkość mikrocząsteczki.</li>
	<li>Wyprowadź siłę promieniowania akustycznego działającą na mikrocząstkę w mikrokanale wzdłuż Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia.oś (w poprzek szerokości mikrokanału) przy pojedynczej częstotliwości w następujący sposób16 . 
	<img alt="Równanie równowagi statycznej; Frad ze zmiennymi, funkcja sinus; wzór fizyczny." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq17.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 17"> 
	Tutaj, 
	<img alt="Symbol Vp, równanie stanu równowagi statycznej na schemacie fizycznym, ilustracja zasady ΣF=0." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq18.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 18"> = objętość mikrocząstki, 
	<img alt="symbol ρ&lt;sub&gt;p&lt;/sub&gt;, zapis równania dla dynamiki płynów lub obliczeń gęstości w analizie." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq19.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 19"> = gęstość mikrocząstki, 
	<img alt="Równowaga statyczna, symbol ρ_m, równanie fizyczne, analiza bilansu." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq20.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 20"> = gęstość ośrodka, 
	<img alt="symbol β_p w równaniach równowagi statycznej, schemat koncepcyjny dla badań i edukacji w zakresie fizyki." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq21.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 21"> = ściśliwość mikrocząsteczki, a 
	<img alt="równanie z symbolem beta βm, koncepcja równowagi statycznej, schemat edukacyjny" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq22.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 22"> = ściśliwość ośrodka.</li>
	<li>Wyprowadź wypadkową siłę promieniowania akustycznego przy wzbudzeniu dwuczęstotliwościowym w następujący sposób. 
	<img alt="Wzór na siłę promieniowania; równanie; analiza stanu równowagi statycznej; równanie fizyki matematycznej." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq23.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 23"></li>
	<li>Wyraź ruch poprzeczny w poprzek szerokości kanału (wzdłuż y-oś) pod wpływem zarówno siły promieniowania akustycznego, jak i siły oporu Stokesa, zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona, w następujący sposób. 
	<img alt="Wzór dla układu masa-sprężyna, m(d²y/dt²)=Fr(y,t)+FD(y,t), równanie różniczkowe, dynamika." src="/files/ftp_upload/58085/58085eq24.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 24"></li>
	<li>Rozwiąż powyższe równania różniczkowe zwyczajne (ODE) na komputerze osobistym, stosując metodę Rungego-Kutty czwartego rzędu. Ustaw krok czasowy oraz całkowity czas trwania jako 1 µs i odpowiednio 20 s.</li>
</ol>
5. Obserwacje eksperymentalne
<ol>
	<li>Przed każdym testem wymieszaj roztwór o stężeniu 5,9 x 107 zielonych fluorescencyjnych kulek polistyrenowych o średnicy 4 µm na 1 mL za pomocą wortexa przez około 2 - 3 min, a następnie poddaj go działaniu sonikatora ultradźwiękowego przez 10 min w celu rozbicia wszelkich aglomeratów.</li>
	<li>Napełnij strzykawkę o pojemności 3 mL mieszaniną, a następnie wprowadź ją przy użyciu pompy strzykawkowej z szybkością przepływu 3 - 5 µL/min.</li>
	<li>Wzbudź IDT sygnałem o podwójnej częstotliwości z generatora funkcji, przekierowanym przez wzmacniacz mocy.</li>
	<li>Obserwuj ustabilizowane mikrocząsteczki w mikrokanale za pomocą mikroskopu świetlnego przy powiększeniu 40X i zarejestruj obraz za pomocą kamery cyfrowej.</li>
	<li>Zmierz położenie nagromadzonych mikrocząsteczek na zarejestrowanych obrazach cyfrowych przy użyciu programu ImageJ i ustalonej skali, a następnie ilościowo określ stężenie nagromadzonych mikrocząsteczek na podstawie znormalizowanej jasności fluorescencji w każdym węźle ciśnienia.</li>
</ol>

<ol><li>Chin, C. D., Linder, V., Sia, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Commercialization+of+microfluidic+point-of-care+diagnostic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Commercialization of microfluidic point-of-care diagnostic devices.</a> Lab on a Chip. 12 (12), 2118-2134 (2012).</li>
<li>Figeys, D., Pinto, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lab-on-a-chip%3A+a+revolution+in+biological+and+medical+sciences%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Lab-on-a-chip: a revolution in biological and medical sciences.</a> Analytical Chemistry. 72 (9), 330 A-335 A (2000).</li>
<li>den Toonder, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Circulating+tumor+cells%3A+the+Grand+Challenge%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Circulating tumor cells: the Grand Challenge.</a> Lab on a Chip. 11 (3), 375-377 (2011).</li>
<li>Yu, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+of+lab-on-a-chip+in+isolation%2C+detection+and+post-processing+of+circulating+tumour+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Advances of lab-on-a-chip in isolation, detection and post-processing of circulating tumour cells.</a> Lab on a Chip. 13 (16), 3163-3182 (2013).</li>
<li>Jorgenson, J. W., Lukacs, K. D. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021967300820579">High-resolution separations based on electrophoresis and electroosmosis.</a> Journal of Chromatography A. 218, 209-216 (1981).</li>
<li>Gascoyne, P. R., Vykoukal, J. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2726256/">Particle separation by dielectrophoresis.</a> Electrophoresis. 23 (13), 1973(1973).</li>
<li>Xia, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+microfluidic-micromagnetic+separation+of+living+cells+in+continuous+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Microdevices%22%5BJournal%5D)">Combined microfluidic-micromagnetic separation of living cells in continuous flow.</a> Biomedical Microdevices. 8 (4), 299-308 (2006).</li>
<li>Garcés-Chávez, V., et al. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.73.085417">Extended organization of colloidal microparticles by surface plasmon polariton excitation.</a> Physical Review B. 73 (8), 085417(2006).</li>
<li>Zhu, T., Ye, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Origin+of+Knudsen+forces+on+heated+microbeams%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Origin of Knudsen forces on heated microbeams.</a> Physical Review E. 82 (3), 036308(2010).</li>
<li>Ashkin, A., Dziedzic, J., Yamane, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+and+manipulation+of+single+cells+using+infrared+laser+beams%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams.</a> Nature. 330 (6150), 769-771 (1987).</li>
<li>Chiou, P. Y., Ohta, A. T., Wu, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Massively+parallel+manipulation+of+single+cells+and+microparticles+using+optical+images%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images.</a> Nature. 436 (7049), 370-372 (2005).</li>
<li>Yamada, M., Seki, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrodynamic+filtration+for+on-chip+particle+concentration+and+classification+utilizing+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Hydrodynamic filtration for on-chip particle concentration and classification utilizing microfluidics.</a> Lab on a Chip. 5 (11), 1233-1239 (2005).</li>
<li>Burguillos, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microchannel+acoustophoresis+does+not+impact+survival+or+function+of+microglia%2C+leukocytes+or+tumor+cells%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Microchannel acoustophoresis does not impact survival or function of microglia, leukocytes or tumor cells.</a> PLoS One. 8 (5), e64233(2013).</li>
<li>Lin, S. -C. S., Mao, X., Huang, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+acoustic+wave+%28SAW%29+acoustophoresis%3A+now+and+beyond%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Surface acoustic wave (SAW) acoustophoresis: now and beyond.</a> Lab on a Chip. 12 (16), 2766-2770 (2012).</li>
<li>Petersson, F., Åberg, L., Swärd-Nilsson, A. -M., Laurell, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Free+flow+acoustophoresis%3A+microfluidic-based+mode+of+particle+and+cell+separation%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Free flow acoustophoresis: microfluidic-based mode of particle and cell separation.</a> Analytical Chemistry. 79 (14), 5117-5123 (2007).</li>
<li>Ding, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On-chip+manipulation+of+single+microparticles%2C+cells%2C+and+organisms+using+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">On-chip manipulation of single microparticles, cells, and organisms using surface acoustic waves.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (28), 11105-11109 (2012).</li>
<li>Friend, J., Yeo, L. Y. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.83.647">Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics.</a> Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647(2011).</li>
<li>Destgeer, G., Lee, K. H., Jung, J. H., Alazzam, A., Sung, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+separation+of+particles+in+a+PDMS+microfluidic+channel+via+travelling+surface+acoustic+waves+%28TSAW%29%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Continuous separation of particles in a PDMS microfluidic channel via travelling surface acoustic waves (TSAW).</a> Lab on a Chip. 13 (21), 4210-4216 (2013).</li>
<li>Guo, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlling+cell-cell+interactions+using+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (1), 43-48 (2015).</li>
<li>Ding, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cell+separation+using+tilted-angle+standing+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Cell separation using tilted-angle standing surface acoustic waves.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (36), 12992-12997 (2014).</li>
<li>Roshchupkin, D., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168583X9800278X">X-ray diffraction by standing surface acoustic waves.</a> Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 142 (3), 432-436 (1998).</li>
<li>Shi, J., Mao, X., Ahmed, D., Colletti, A., Huang, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Focusing+microparticles+in+a+microfluidic+channel+with+standing+surface+acoustic+waves+%28SSAW%29%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Focusing microparticles in a microfluidic channel with standing surface acoustic waves (SSAW).</a> Lab on a Chip. 8 (2), 221-223 (2008).</li>
<li>Ding, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+acoustic+wave+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Surface acoustic wave microfluidics.</a> Lab on a Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).</li>
<li>King, L. V. <a target="_blank" href="http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/147/861/212">On the acoustic radiation pressure on spheres.</a> Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. , The Royal Society. 212-240 (1934).</li>
<li>Yosioka, K., Kawasima, Y. <a target="_blank" href="http://www.ingentaconnect.com/content/dav/aaua/1955/00000005/00000003/art00004">Acoustic radiation pressure on a compressible sphere.</a> Acta Acustica United with Acustica. 5 (3), 167-173 (1955).</li>
<li>Ratier, C., Hoyos, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustic+programming+in+step-split-flow+lateral-transport+thin+fractionation%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Acoustic programming in step-split-flow lateral-transport thin fractionation.</a> Analytical Chemistry. 82 (4), 1318-1325 (2010).</li>
<li>Mandralis, Z., Feke, D., Bolek, W., Burger, W., Benes, E. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0041624X94900191">Enhanced synchronized ultrasonic and flow-field fractionation of suspensions.</a> Ultrasonics. 32 (2), 113-122 (1994).</li>
<li>Laurell, T., Petersson, F., Nilsson, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chip+integrated+strategies+for+acoustic+separation+and+manipulation+of+cells+and+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Reviews%22%5BJournal%5D)">Chip integrated strategies for acoustic separation and manipulation of cells and particles.</a> Chemical Society Reviews. 36 (3), 492-506 (2007).</li>
<li>Liu, Y., Lim, K. -M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Particle+separation+in+microfluidics+using+a+switching+ultrasonic+field%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Particle separation in microfluidics using a switching ultrasonic field.</a> Lab on a Chip. 11 (18), 3167-3173 (2011).</li>
<li>Brissaud, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+piezoceramics%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonics%2C+Ferroelectrics%2C+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">Characterization of piezoceramics.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 38 (6), 603-617 (1991).</li>
<li>Ding, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+patterning+of+microparticles+and+cells+using+standing+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Tunable patterning of microparticles and cells using standing surface acoustic waves.</a> Lab on a Chip. 12 (14), 2491-2497 (2012).</li>
<li>Jo, M. C., Guldiken, R. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424713006110">Particle manipulation by phase-shifting of surface acoustic waves.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 207, 39-42 (2014).</li>
<li>Meng, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transportation+of+single+cell+and+microbubbles+by+phase-shift+introduced+to+standing+leaky+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">Transportation of single cell and microbubbles by phase-shift introduced to standing leaky surface acoustic waves.</a> Biomicrofluidics. 5 (4), 044104(2011).</li>
<li>Sriphutkiat, Y., Zhou, Y. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/318382102_Particle_manipulation_using_standing_acoustic_waves_in_the_microchannel_at_dual-frequency_excitation_Effect_of_power_ratio">Particle manipulation using standing surface acoustic waves (SSAW) at dual frequency excitation: effect of power ratio.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 263, 521-529 (2017).</li>
<li>Batchelor, G. K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBatchelor%2C+GK+%22An+Introduction+to+Fluid+Dynamics%22">An Introduction to Fluid Dynamics</a>. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2000).</li>
<li>Glynne-Jones, P., Hill, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustofluidics+23%3A+acoustic+manipulation+combined+with+other+force+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Acoustofluidics 23: acoustic manipulation combined with other force fields.</a> Lab on a Chip. 13 (6), 1003-1010 (2013).</li>
<li>Winkler, A., Brünig, R., Faust, C., Weser, R., Schmidt, H. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424716302916">Towards efficient surface acoustic wave (SAW)-based microfluidic actuators.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 247, 259-268 (2016).</li>
<li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standing+surface+acoustic+wave+%28SSAW%29-based+microfluidic+cytometer%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Standing surface acoustic wave (SSAW)-based microfluidic cytometer.</a> Lab on a Chip. 14, 916-923 (2014).</li>
<li>Devendran, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+importance+of+travelling+wave+components+in+standing+surface+acoustic+wave+%28SSAW%29+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">The importance of travelling wave components in standing surface acoustic wave (SSAW) systems.</a> Lab on a Chip. 16, 3756-3766 (2016).</li>
<li>Destgeer, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Submicron+separation+of+microspheres+via+travelling+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Submicron separation of microspheres via travelling surface acoustic waves.</a> Lab on a Chip. 14, 4665-4672 (2014).</li>
<li>Ding, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standing+surface+acoustic+wave+%28SSAW%29+based+multichannel+cell+sorting%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting.</a> Lab on a Chip. 12, 4228-4231 (2012).</li>
<li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+enrichment+of+low-abundance+cell+samples+using+standing+surface+acoustic+waves+%28SSAW%29%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Continuous enrichment of low-abundance cell samples using standing surface acoustic waves (SSAW).</a> Lab on a Chip. 14, 924-930 (2014).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>poli-dimetylosiloksan</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td>baza elastomeru poli-dimetylosiloksanowego</td><td>Wafel krzemowy Dow</td><td>Corning Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Bonda Technology</td><td>SI8PSPD</td><td></td></tr><tr><td>fotorezystuł o ujemnym tonie</td><td>Microchem</td><td>SU-8</td><td></td></tr><tr><td>dwustronnie polerowany LiNbO3 wafel</td><td>uniwersytecki</td><td>Y-128&deg;</td><td></td></tr><tr><td>fotorezystor dodatni</td><td>Nicolaus-Otto-Stra&szlig; e</td><td>AZ 9260</td><td></td></tr><tr><td>plazma tlenowa</td><td>Plastikowa maska Harrick Plasma</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Nieskończona grafika</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

manipulacja mikrocząstkami poprzez powierzchniowe fale akustyczne z wzbudzeniami o podwójnej częstotliwości

Microparticle Manipulation by Standing Surface Acoustic Waves with Dual-frequency Excitations

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.

Rozkłady ciśnienia akustycznego i siły promieniowania akustycznego SSAW przy dwuczęstotliwościowym wzbudzeniu (6,2 i 18,6 MHz) przedstawiono na Rysunku 1. W tym przypadku dwuczęstotliwościowe wzbudzenie oddziałuje na mikrocząstki polistyrenowe (o średnicy 4 µm) w mikrokanale o szerokości 300 µm przy mocy akustycznej 146 mW. Wynikowe ciśnienie akustyczne jest zawsze w fazie, gdy P1 &gt; 90%, tak że tylko jeden węzeł ciśnienia występuje przy...

Przedstawiono protokół manipulowania mikrocząstkami w kanale mikroprzepływowym z wzbudzeniem o podwójnej częstotliwości.

Manipulacja mikrocząstkami poprzez powierzchniowe fale akustyczne z wzbudzeniami o podwójnej częstotliwości

We demonstrate a method for increasing the tuning ability of a standing surface acoustic wave (SSAW) for microparticles manipulation in a lab-on-a-chip ...

Metoda ta może pomóc w rozwiązaniu kluczowych problemów w dziedzinie biomedycyny, takich jak manipulowanie mikrocząstkami i pomóc w sortowaniu w kanale mikroprzepływowym dla laboratoriów na chipie. Główną zaletą tej techniki jest to, że może ona zwiększyć dostrajalność komisji stojącej powierzchniowej fali akustycznej. Procedurę zademonstruje Yannapol, doktorant z mojej grupy.Zacznij od formy do kanału mikroprzepływowego. Ten jest wzorem fotorezystu o ujemnym tonie na płytce krzemowej. Więcej szczegółów dostarcza wzór fotolitograficzny użyty do jego stworzenia.Wymieszać 10 części PDMS z jedną częścią stosunku objętościowego bazy elastomerowej. Odgazuj mieszaninę w piecu próżniowym przez około 15 minut. Po odgazowaniu przenieś mieszaninę do formy.Tam wylej go na fotorezystor na płytce krzemowej. Teraz odgazowuj pokrytą płytkę krzemową przez kolejne 15 minut. Następnie podgrzej wafel w inkubatorze, aby zestalić PDSM.Gdy PDMS ostygnie, wyjmij go z płytki. Kanał mikroprzepływowy jest gotowy do kolejnych kroków w protokole. Przygotuj podłoże do produkcji przetworników.W takim przypadku użyj płytki niobianu litu o średnicy czterech cali. W powlekarce wirowej obtocz płytkę za pomocą dodat

microparticle-manipulation-standing-surface-acoustic-waves-with-dual

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

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.

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

Kawitacja akustyczna w cieczach poddanych działaniu ultradźwięków tworzy przejściowe ekstremalne warunki wewnątrz zapadających się pęcherzyków, które są źródłem niezwykłej reaktywności chemicznej i emisji światła, znanej jako sonoluminescencja. W obecności gazów szlachetnych powstaje plazma nierównowagowa. "Gorące" cząstki i fotony generowane przez zapadające się pęcherzyki są w stanie wzbudzić gatunki w roztworze.

Aktywacja cząsteczek, jonów i cząstek stałych za pomocą kawitacji akustycznej

Ten protokół opisuje architekturę systemu do wykonywania automatycznych separacji cząstek o małej objętości (0,15–1,5 ml) za pomocą urządzenia mikroprzepływowego i omawia metody optymalizacji wydajności i działania urządzenia akustycznego.

Platforma mikroprzepływowa do precyzyjnego przetwarzania próbek o małej objętości i jej wykorzystanie do wymiarowania oddzielnych cząstek biologicznych za pomocą mikrourządzenia akustycznego

Urządzenia akustofluidyczne wykorzystują fale ultradźwiękowe w kanałach mikroprzepływowych do manipulowania, koncentracji i izolowania zawieszonych mikro i nanoskopowych jednostek. Protokół ten opisuje produkcję i działanie takiego urządzenia obsługującego masowe akustyczne fale stojące w celu skupienia cząstek w centralnym strumieniu bez pomocy płynów osłonowych.

Wytwarzanie i eksploatacja urządzeń akustyczno-przepływowych wspomagających masowe akustyczne fale stojące do bezosłonowego ogniskowania cząstek

Pokazujemy wytwarzanie kanałów o nanowysokości z integracją urządzeń do aktywacji powierzchniowej fali akustycznej na niobianie litu dla nanofluidyki akustycznej za pomocą fotolitografii liftoff, nano-głębokiego reaktywnego trawienia jonowego i plazmowego aktywowanego powierzchniowo wielowarstwowego wiązania monokryształowego niobianu litu w temperaturze pokojowej, procesu podobnie użytecznego do wiązania niobianu litu z tlenkami.

Wytwarzanie kanałów o nanowysokości wykorzystujących aktywację powierzchniowej fali akustycznej za pomocą niobianu litu w nanofluidyce akustycznej

Dwie techniki wytwarzania, lift-off i trawienie na mokro, są opisane w produkcji międzypalcowych przetworników elektrod na podłożu piezoelektrycznym, niobianie litu, szeroko stosowanym do generowania powierzchniowych fal akustycznych, obecnie znajdującym szerokie zastosowanie w mikro i nanoskalowej fluidyce. Wykazano, że wyprodukowane elektrody skutecznie indukują powierzchniowe fale akustyczne Rayleigha rzędu megahercowego.

Wytwarzanie powierzchniowych urządzeń fal akustycznych na niobianie litu

Opisano wytwarzanie piezoelektrycznych przetworników grubości poprzez rozpylanie elektrod płytkowych prądem stałym na niobianie litu. Dodatkowo, niezawodna praca jest osiągana dzięki uchwytowi przetwornika i systemowi zasilania płynem, a charakteryzacja jest demonstrowana za pomocą analizy impedancji, laserowej wibrometrii dopplerowskiej, szybkiego obrazowania i rozkładu wielkości kropel za pomocą rozpraszania laserowego.

Wytwarzanie i charakterystyka urządzeń piezoelektrycznych w trybie grubości do atomizacji i akustofluidyki

Zaproponowano szybką i niezawodną technikę kontrolowania oscylacji kształtu pojedynczej, uwięzionej bańki akustycznej, która opiera się na technice koalescencji między dwoma bąbelkami. Oscylacje kształtu pęcherzyków w stanie ustalonym, kontrolowane symetrią umożliwiają analizę przepływu płynu generowanego w pobliżu granicy faz pęcherzyków.

Indukcja mikrostrumieniowania przez niesferyczne oscylacje pęcherzykowe w systemie lewitacji akustycznej

Protokół demonstruje wygodną metodę wytwarzania harmonicznego przepływu oscylacyjnego od 10 do 1000 Hz w mikrokanałach. Odbywa się to poprzez połączenie sterowanej komputerowo membrany głośnika z mikrokanałem w sposób modułowy.

Montaż i charakterystyka zewnętrznego sterownika do generowania subkilohercowego przepływu oscylacyjnego w mikrokanałach

Nanoemulsje przesunięcia fazowego (PSNE) mogą być waporyzowane przy użyciu wysokointensywnego skupionego ultradźwięku w celu wzmocnienia lokalnego ogrzewania i poprawy ablacji termicznej w guzach. W niniejszym raporcie opisano przygotowanie stabilnych PSNE o wąskim rozkładzie wielkości. Ponadto zademonstrowano wpływ waporyzowanych PSNE na ablację indukowaną ultradźwiękami w fantomach imitujących tkankę.

Synteza nanoemulsji przesunięcia fazowego o wąskim rozkładzie wielkości do akustycznej waporyzacji kropli i ablacji wspomaganej ultradźwiękami z wykorzystaniem pęcherzyków

Poznaj metodę manipulacji mikrocząstkami w kanałach mikrofluidycznych przy użyciu powierzchniowych fal akustycznych z wzbudzeniami o podwójnej częstotliwości. Technika ta poprawia sortowanie w układach lab-on-a-chip.

Manipulacja mikrocząstkami poprzez powierzchniowe fale akustyczne z wzbudzeniami o podwójnej częstotliwości

Przeglądaj więcej filmów