Изготовление, эксплуатация и визуализация потока в поверхностных акустических волнах управляемой акустической противотоком Microfluidics

Summary

В этом видео мы сначала опишем изготовление и оперативных процедур на поверхностных акустических волнах (ПАВ) Устройство акустической противотоком. Затем мы продемонстрировать экспериментальную установку, которая позволяет как для качественной визуализации потока и количественного анализа сложных потоков внутри SAW насосного устройства.

Abstract

На поверхностных акустических волнах (ПАВ) может быть использован для жидкостей в портативном микрожидкостных чипов через акустический феномен противотоком. В этом видео мы представляем протокол для изготовления многослойных акустических устройств противотока видели. Устройство изготовлено начиная с ниобата лития (LN) подложки, на которой два штыревых преобразователей (ВШП) и соответствующие маркеры образцу. Полидиметилсилоксана (PDMS) канал наложено на SU8 мастер формы, наконец, связан на подложке узорные. После изготовления процедуру, показывают методы, которые позволяют характеристика и работа акустического устройства противотока для того, чтобы накачать жидкости через сетку PDMS канала. Мы, наконец, представить процедуру для визуализации течения жидкости в каналах. Протокол используется, чтобы показать, на-чипе нагнетания жидкости при различных режимах расход, например, ламинарного потока и более сложной динамикой характеризуется вихрями и доменов накопления частиц.

Introduction

Одна из задач, стоящих перед продолжением микрожидкостной сообщества является необходимость иметь эффективный механизм накачки, который может быть уменьшен для интеграции в действительно портативным микро-всего-системного анализа (μTAS'S). Стандартный макроскопических насосных систем просто не в состоянии обеспечить необходимый для портативности μTAS, в связи с неблагоприятными масштабирование объемного расхода, как размер канала уменьшается до микрона или ниже. Напротив, пилы пользуются все большей интерес как жидкость исполнительных устройств и появляются как перспективное направление для решения некоторых из этих ^1,2 проблемами.

ПАВ было показано, что обеспечивает очень эффективный механизм переноса энергии в жидкости ^3. Когда ПАВ распространяется на пьезоэлектрической подложке, например, ниобата лития (LN), волна будет излучаться в жидкость на своем пути под углом известный как Рэлея углом θ = _R грех722; 1 (с _{ж / б ы),} в связи с несоответствием скорости звука в субстратом, в _с, и жидкость _F C. Эта утечка излучения в жидкости вызывает волну давления, которая приводит акустического течения в жидкости. В зависимости от геометрии устройства и мощности, подаваемой на устройство, этот механизм был показан для приведения в самых разнообразных на чипе процессов, таких как перемешивание жидкости, частицы сортировки, распыление, и насосных ^1,4. Несмотря на простоту и эффективность исполнительных microfluids под флюсом, есть только небольшое количество ПАВ приводом микрожидкостной перекачивающих механизмов, которые были продемонстрированы на сегодняшний день. Первая демонстрация была простой перевод свободных капель размещены на пути распространения ПАВ на пьезоэлектрической подложке ^3. Этот новый метод вызвал большой интерес к использованию в качестве ПАВ микрофлюидном метод приведение в действие, однако, было еще существует потребность в жидкости, чтобымогут работать через закрытые каналы-более трудной задачей. Tan и соавт. Продемонстрировали насосной внутри микроканала, который был лазерной абляции непосредственно в пьезоэлектрической подложки. По геометрические модификации по отношению к каналу и IDT размеры, они смогли продемонстрировать как единый и смешивание потоков ^5. Стекло и соавт. Недавно продемонстрировали метод перемещения жидкости через микроканалов и микрожидкостной компонентов путем объединения SAW приводом вращения с центробежными микрофлюидики, как демонстрация истинных миниатюризации популярных Лаборатория на CD-концепции ^6,7. Тем не менее, только полностью закрытый SAW приводом насосный механизм, который был продемонстрирован остается Cecchini соавт. ПАВ с управляемой акустической противотоком ^8-в центре внимания этого видео. Она эксплуатирует атомизации и слияния жидкости и закачки ее в закрытый канал в направлении, противоположном направлению распространенияОА волны. Эта система может привести к удивительно сложные потоки внутри микроканала. Кроме того, в зависимости от геометрии прибора, он может предоставлять широкий спектр технологические схемы, от ламинарного потоков на более сложные режимы характеризуются вихрей и накопление частиц-доменов. Возможность легко влиять на характеристики потока внутри устройства показывает возможности для продвинутых на кристалле частицы манипуляции.

В этом протоколе мы хотим прояснить основные аспекты практического на ПАВ микрофлюидики: изготовление устройства, опытная эксплуатация и визуализация потока. Пока мы явного описания этих процедур для изготовления и эксплуатации SAW устройствами, управляемыми акустических противотоком, эти участки могут быть легко изменены для их применения к ряду ПАВ управляемой микрожидкостной режимов.

Protocol

1. Изготовление устройства

1. Дизайн две фотошаблонов, первое для структурирования на поверхностных акустических волнах (ПАВ) слой, а второе для полидиметилсилоксана (ПДМС) микроканальной формы.
   1. Первый фотошаблон имеет пару противоположных штыревых преобразователей (ВШП), также известные как линии задержки ПАВ и маркеры для выравнивания канала и пространственной привязки во время микроскопии. В нашем стандартном аппарата мы имеем одноэлектродной ВШП пальцем Ширина P = 10 мкм, отверстия 750 мкм, и 25 пар прямых пальца. Полученные IDT генерирует пил с длиной волны λ = 4 р = 40 мкм и соответствует рабочей частоте F _O = C _пила / λ ≈ 100 МГц на 128 ° ух ниобата лития (LN). Каждый ширина IDT должна быть выше два раза больше ширины микроканала с целью уменьшения смещения эффекты при соединении слоев. Параметры IDT дизайна обсуждаются компрессорehensively в нескольких книгах ^9-11. Отметим, что только один IDT (помещены в выходной канал) необходимо проехать жидкости в канал акустической противотоком, но структурирование полную линию задержки помогает в устройстве тестирования.
   2. Второй имеет простую структуру микроканальной быть выровнены вдоль линии задержки ПАВ с Микрокамера для формирования входного канала. В нашем типичных устройств, каналы имеют ширину W = 300 мм и длиной 5 мм. Как правило, ширина канала должна быть не менее 10 λ чтобы избежать дифракционных эффектов во время распространения ПАВ в микроканала, однако во время тестирования мы обнаружили, что ширина ~ 7 λ не будет существенно влиять на распространение ПАВ в канале.
2. Начните с пластины LN и прилепится 2 см на 2 см образца. Для того, чтобы выполнять передачу микроскопии необходимо использовать двойной стороны полированной пластине. Обратите внимание, что LN является стандартом для своей биосовместимости и ПАВполяризации и высокий пьезоэлектрический коэффициент связи вдоль главной оси, однако другие пьезоэлектрические материалы могут быть использованы с соответствующим конструктивных соображений.
3. Очистка подложки путем промывки ее в ацетон, 2-пропанол и сушка с помощью азота пистолета.
4. Спин слой образца с Шипли S1818 при 4000 оборотах в минуту в течение 1 мин.
5. Мягкие выпекать при температуре 90 ° С в течение 1 мин на горячей плите.
6. Выравнивание образца с маской ПАВ слой с помощью маски выравниватель и подвергать его воздействию ультрафиолетового света с длиной 55 мДж / см ^2. Следует соблюдать осторожность, чтобы выровнять направление IDT вдоль главной оси LN подложки.
7. Промыть образца в Microposit MF319 разработчика в течение 30 секунд для удаления фоторезиста неэкспонированная.
8. Остановить развитие путем промывки образца в деионизированной воде и высушить его с азотом пистолет.
9. Депозит 10 нм толщины адгезионного слоя титана, а затем 100 нм толстый слой золота термическим испарением.
10. Выполните отрыва от ультразвуком сдостаточно в ацетоне, затем промыть его в 2-пропанола и сухим азотом пистолет.
11. Silanize поверхности устройства, чтобы сделать его гидрофобным в микроканале области ^12.
    1. Маска Микрокамера области с AR-N-4340 негативного фоторезиста тон оптической литографии согласно таблице производителя.
    2. Активация поверхности образца 2 мин кислородной плазмы (Gambetti Kenologia Srl, колибри) 0,14 мбар давления и 100 Вт дает напряжение смещения примерно 450 В.
    3. Смешайте 35 мл гексадекан, 15 мл четыреххлористого углерода (CCl _4), и 20 мкл octadecyltrichlorosilane (OTS) в химическом стакане в вытяжном шкафу. Поместите устройство в раствор и оставить покрыты в течение двух часов.
    4. Промойте устройство с 2-пропанола и высушить его с азотом пистолет.
    5. Убедитесь, что угол контакта с водой на поверхности выше 90 °. Если угол контакта недостаточно, очистите образца и повторно выполнить действия, описанные в 1.11.
    6. Удалениеостаточное сопротивление на образце путем промывки в ацетон, 2-пропанол и сушка с помощью азота пистолета.
12. Установить образец на печатную плату с радиочастотным волноводов и стандартные коаксиальные разъемы (RF-PCB), а затем положить акустический поглотитель (Первый контакт полимера) на краях образца и подключите IDT путем соединения проводов или с помощью разъемов Pogo.
13. Мастер форм канального слоя с узором SU-8 на небольшой кусок кремния (Si) пластины с использованием стандартных оптических фотолитографии. SU-8 типа и фотолитографии рецепт будет зависеть от конечного PDMS внутренний канал требуемую высоту.
14. Литые PDMS на форму
    1. Смешайте PDMS с отвердителем в соотношении 10:1.
    2. Центрифуга PDMS течение 2 мин при 1320 мкг в течение дегазации.
    3. Вылейте PDMS мягко на СУ-8 плесень в чашке Петри, чтобы общая высота PDMS порядка 1 мм. Открытой чашке Петри может быть помещен в вакуум-эксикаторе в течение приблизительно 30 мин в аоER для дегазации PDMS дальше.
    4. После дегазации, вылечить PDMS при нагревании до 80 ° С в течение одного часа в печи. Следует отметить, что время выпечки и температура могут влиять на механические свойства PDMS.
15. Подготовьте твердый слой PDMS
    1. Сокращение вокруг канала с помощью хирургического лезвия, соблюдая осторожность, чтобы не повредить SU8 мастера, и чистить его.
    2. Реплика края затем уточнена и выпрямляются с помощью лезвия бритвы оставляя не менее 2 мм зазор на боковой стороне канала и без зазора (прорваться прямо через) на выходе из канала.
    3. Пробить отверстие в микрокамере использованием перфоратор Harris Unicore чтобы сформировать жидкость загрузкой на входе.
16. Бонд канала PDMS с LN подложки простым конформной связи. Таким образом, связь будет проводить в течение жидкость стадии тестирования, оставаясь при этом обратимым.
    1. Обе поверхности очищают до прихода продувкой лишнего мусора с воздухом сжатым азотом. Это Critical при вступлении в части, чтобы выровнять канал с большой осью LN в соответствии с узорной знаков совмещения.
17. Полная схема устройства показана на рисунке 1. Магазин Устройства комплектные в чистой окружающей среде до использования.

Примечание: Очень важно, что все шаги изготовления осуществляется в условиях чистой комнаты, чтобы избежать загрязнения устройства перед использованием.

Примечание: Все оптической литографии шаги могут быть заменены пользователем предпочтительные способы.

Примечание: силанизацией процедуры могут быть заменены предпочтительными гидрофобными метод покрытия ^13.

2. РФ тестирования устройства

1. Калибровка сети или анализатор спектра с открытой / короткое волновода на RF-PCB.
2. Подключите линии задержки ПАВ к портам анализатора спектра и измерения матрицы рассеянияустройства. Передачи для пары одним электродом преобразователей будет напоминать абсолютное значение синк функции с центром в рабочей частоты IDT. В спектре отражения падения (минимум) наблюдается при той же частоте ^9-11. В нашем устройства 100 МГц рабочей частоты вдоль основной оси типичные значения -15 дБ для S11 и S22 и -10 дБ для S ₁₂ (без PDMS каналов).

3. Microfluidics и Particle Flow Dynamics Эксперимент визуализации и анализа

1. Поместите образец под микроскопом. Удельной оптической установки, зависит от ПАВ микрофлюидики явлений, которые должны соблюдаться. Например, простой микроскоп отражение оснащен 4X цель и 30 кадров в секунду видеокамеры будут пригодны для изучения жидкости, заполняющей динамики. Для исследования более сложной динамики микрочастицы, может возникнуть необходимость в использовании микроскопа, снабженного 20X цель и 100 кадров в секунду или более видеокамеру. Это важныет, что и цель и частота кадров достаточно высока, чтобы захватить любую пространственную и временную важных особенностей потока.
2. Подключите IDT перед выходом на канал генератор радиочастотного сигнала, и запустить его на резонансной частоте наблюдается при рассеянии измерений матрицы. Типичная рабочая мощность в акустических экспериментах противотоком составляет 20 дБм. Если необходимо, используйте мощных СВЧ усилителя. Акустическая потокового и атомизации явления наблюдаются без акустического противотоком во время работы устройства при низком энергопотреблении: Обычно акустические потоковое рециркуляции начинается при 0 дБм, а распыление происходит выше +14 дБм.
3. Загрузите 60 мкл жидкости в Микрокамера с помощью микропипетки. Жидкость будет пассивно диффундировать в микрокамере. При необходимости слегка надавите на поверхность микрокамеры, чтобы способствовать микрокамере заполнения.
   1. Для того чтобы визуализировать поток необходимо добавить микрошарики с жидкостью. Обратите внимание, что во избежание частицы Clustтив, разрушать ультразвуком суспензии частиц до экспериментов. Чтобы избежать прилипания частиц на подложке применяться 0 дБм сигнал на устройство в процессе загрузки.
4. Начать запись видео через микроскоп и увеличить рабочую мощность для наблюдения акустического противотоком. Различные схемы потока будет определяться мощность, микросхем и диаметра частиц.
   1. Для того, чтобы качественно уловить динамику, поток текучей среды должен быть записан в непосредственной близости от мениска и впускные на различных этапах канал наполнения с использованием маркеров, как пространственное ссылки.
   2. Для выполнения количественного измерения динамики частиц микро велосиметрии изображения частицы (μPIV) ^14,15 или пространственно-временной корреляционной спектроскопии изображения (Stics) ^16,17, жидкости должно быть записано в достопримечательность с фиксированным полем зрения по меньшей мере 100 кадров с частотой кадров введенные динамики частиц.
5. Анализ видео изображения с программным обеспечением. Выбор программного обеспечения для использования зависит от явлений, представляющих интерес. Например, для количественного определения распределения по размерам распыленные капельки, пространственной периодичности накопления частиц или ручного отслеживания разбавленного частиц, простой бесплатного программного обеспечения для анализа изображений, таких как Фиджи подходит ^18, в то время как для получения тока и поля скоростей измерений, настроить mPIV ¹⁹ или ²⁰ Stics кода не требуется. В нашем анализе настроены Stics код написан на языке MATLAB, однако предпочтительной альтернативой кодирования язык может быть одинаково приемлемы.

Results

На рисунке 2 показаны характерные результаты тестирования устройства РФ, которые были приняты перед склеиванием LN слоя к слою микроканальным: типичные S ₁₁ и S ₁₂ спектры представлены в панели) и б) соответственно. Глубина долины на центральной частоте ₁₁ S в спектре связано с эффективностью преобразования высокочастотной энергии в механическую энергию ПАВ. Следовательно, для фиксированного числа IDT пар пальцев, уменьшение минимальной ...

Discussion

Одна из самых больших проблем, стоящих перед сообществом микрожидкостной является реализация платформы для срабатывания действительно портативным точка-санитарной помощи устройств. Среди предлагаемой комплексной микронасосы ^23, те, которые основаны на поверхностных акустических волнах (ПАВ) являются особенно привлекательными из-за их возможности связаны в жидкости концентрации перемешивание, распыление и частиц и разделения ^4. В этой статье мы продемонстрировали, как в изготовлении и работают лабор...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Двойная боковая полировка 128° YX пластина из ниобата лития	Crystal Technology, LLC
Силиконовые пластины	Siegert Wafers		Мы используем < 100>
IDT Маска оптической литографии с юстировочными метками (положительная)	Любой производитель
Канальная маска оптической литографии (негатив)	Любой производитель
Позитивный фоторезист	Shipley	S1818
Проявитель позитивного фоторезиста	Microposit	MF319
Фоторезист отрицательного тона	Allresist	AR-N-4340
Проявитель негативного тона для фоторезиста	Allresist	AR 300-475
SU8 толстый негативный фоторезист	Microchem	SU-8 2000 Series
Проявитель фоторезиста для толстых отрицательных тонов SU8	Microchem	SU-8
Гексадекан	Sigma-Aldrich	H6703
Тетрахлорметан (CCl4)	Sigma-Aldrich	107344
Октадецилтрихлорсилан (ОТС)	Sigma-Aldrich	104817
Ацетон CMOS марки	Sigma-Aldrich	40289
2-пропанол КМОП марки	Sigma-Aldrich	40301
Титан	любого производителя	99,9% чистоты
Золото	любого производителя	99,9% чистоты
PDMS	Dow Corning	Sylgard 184 набор силиконовых эластомеров с отвердителем
Чашка Петри	любого производителя
5 мм ID Harris Uni-Core многоцелевой инструмент для отбора керна	Sigma-Aldrich	Z708895	Подойдет любой диаметр больше 2 мм
Акустический поглотитель	Фотонные технологии очистки	Первый контакт обычный комплект
RF-PCB	Любой поставщик
Вертушка	Laurell technologies corporation	WS-400-6NPP	Любая вертушка может быть использована
Ультрафиолетовая маска	Выравниватель Karl Suss	MJB 4	Любой элайнер может быть использован
Термический испаритель	Kurt J. Lesker	Nano 38	Любой тепловой, электронно-лучевой испаритель или система распыления может быть использован
Кислородный плазменный ассатор	Gambetti Kenologia Srl	Colibrì	Можно использовать любой плазменный ашер или аппарат RIE
Центрифуга	Eppendorf	5810 R	Можно использовать любую центрифугу
Проволочный соединитель	Kulicke Soffa	4523AD	Можно использовать любой соединитель проводов, если печатная плата используется без пого-разъемов
Измеритель контактного угла	KSV	CAM 101	Можно использовать любой измеритель угла контакта
Анализатор спектра	Anristu	56100A	Любой анализатор спектра или сети может быть использован
ВЧ сигнал генератор	Anristu	MG3694A	Любой генератор радиочастотных сигналов может быть использован
Радиочастотный усилитель высокой мощности	Мини схемы	ZHL-5W-1	Любой радиочастотный усилитель высокой мощности может быть использован
Микрошарики подвеса	Sigma-Aldrich	L3280	В зависимости от экспериментальной цели может быть использована различная подвеска разного диаметра и разных свойств материала
Оптический микроскоп	Nikon	Ti-Eclipse	Может быть использован любой оптический микроскоп с пространственным разрешением, удовлетворяющим экспериментальным целям
Видеокамера	Basler	A602-f	Может быть использована любая видеокамера, которая имеет достаточную частоту кадров и чувствительность, удовлетворяющие экспериментальным целям
Программное обеспечение для сбора данных с камеры	Передовые технологии	Motion Box	Можно использовать любое программное обеспечение, обеспечивающее высокую и контролируемую частоту кадров