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

Общая цель данного эксперимента состоит в том, чтобы продемонстрировать работу изготовления устройства и последующую визуализацию потока поверхностного акустического микрофлюидного противоточного устройства, управляемого волнами. Это достигается путем изготовления двухслойного устройства, состоящего из слоя акустической волны с золотым узором из лития яйцевидной поверхности и микроканального слоя полиметилксина. В качестве второго шага устройство тестируется с помощью анализатора цепей, чтобы убедиться в правильном функционировании межцифрового преобразователя, а также найти резонансную частоту, на которой будет работать противоточное устройство.

Затем входное отверстие устройства загружается микросферической затравленной жидкостью и радиочастотный сигнал подается на межцифровой преобразователь на выходе. Полученный поток в канале регистрируется с помощью высокоскоростного микроскопа для получения результатов анализа, показывающих различные схемы течения, которые в первую очередь зависят от геометрии прибора и приложенной мощности. В то время как этот метод предназначен для изготовления и эксплуатации устройств акустического управления потоком, процедура, описанная в этом видео, также может быть применена для изготовления и эксплуатации других микрофлюидных устройств, управляемых поверхностными акустическими волнами, таких как микрофлюидные, смесительные насосы и оптимизаторы.

Как правило, люди, плохо знакомые с этим методом, могут испытывать трудности, поскольку существует множество различных аспектов производства, эксплуатации и анализа, которые необходимо освоить при работе с микрофлюидикой поверхностных акустических волн. Для начала создайте микрофлюидное устройство, как описано в прилагаемом письменном протоколе, используя две отдельные фотомаски, одну для поверхностного слоя акустической волны, показанную розовым цветом, а вторую для микроканальной формы, показанную желтым. После того, как основное устройство будет изготовлено, добавьте негативный фоторезист, такой как ARN 43 40, и экспонируйте область микроканала с помощью методов оптической литографии.

Затем активируйте открытую поверхность образца с помощью двухминутной кислородной плазмы при давлении 0,14 мБар и мощности 100 Вт, чтобы получить напряжение смещения примерно 450 вольт. Затем смешайте 35 миллилитров гена aec, 15 миллилитров четыреххлористого углерода и 20 микролитров трихлорэтилена Okta desal в стакан внутри вытяжного шкафа. Поместите устройство в раствор, чтобы придать поверхности гидрофобность и сделать его гидрофобным.

Оставьте прибор в закрытом растворе на два часа, а затем промойте его изопропанолом и просушите под азотом. После высыхания убедитесь, что угол контакта воды с поверхностью превышает 90 градусов. Если угол контакта недостаточен, очистите образец и снова измените размер поверхности.

В противном случае удалите остатки фоторезиста с помощью ацетона, затем промойте в изопропаноле и обсушите азотным пистолетом. Далее, после монтажа образца на печатной плате с радиочастотными волноводами и стандартными коаксиальными разъемами, на края образца наносят полимер звукопоглощающего материала и подключают межпальцевые преобразователи с помощью проволочного соединения или с помощью разъемов POGO, как показано здесь. Затем подготовьте структурированный слой PDMS, содержащий канал с нужными размерами, как описано в сопроводительном текстовом протоколе.

После отверждения разрежьте вокруг канала с помощью хирургического лезвия, стараясь не повредить главную форму и не отклеить ее. Затем уточните и выровняйте края реплики с помощью лезвия бритвы. Убедитесь, что зазор не менее двух миллиметров на боковой стороне канала и не должен превышать зазор на выходе из канала, разрезая образец насквозь.

Затем проделайте отверстие в микрокамере с помощью перфоратора Harris для единорога, чтобы сформировать входное отверстие для загрузки жидкости и снять цилиндр. Затем соедините канал PDMS с литиевой оватной подложкой путем простого конформного соединения с помощью микроскопа для выравнивания. Таким образом, соединение будет держаться на протяжении всей стадии испытания жидкости, оставаясь при этом обратимым.

Протестируйте радиочастотное устройство, сначала подключив линию задержки поверхностной акустической волны к портам анализатора спектра, и измерьте матрицу рассеяния устройства. Передача для пары одноэлектродных преобразователей будет напоминать абсолютное значение функции синхронизации, центрированной на рабочей частоте межпальцевого преобразователя. Далее наблюдайте за спектром отражения.

Провал спектра отражения происходит на той же частоте, что и пик пропускания в устройствах, работающих на частоте 100 мегагерц вдоль большой оси. Типичные значения составляют минус восемь децибел для S 11 и S 22 и минус 20 децибел для S 12 без каналов PDMS. Для того чтобы наилучшим образом визуализировать динамику потока, поместите образец под микроскоп.

Конкретная оптическая установка зависит от наблюдаемых явлений микрофлюидики поверхностных акустических волн. Для изучения динамики наполнения жидкости используется простой инвертированный микроскоп, оснащенный объективом Forex и видеокамерой с частотой 30 кадров в секунду. Однако для исследования более сложной динамики микрочастиц используйте объектив с 20-кратным увеличением и видеокамеру со скоростью 100 кадров в секунду или выше.

Важно, чтобы объектив и частота кадров были достаточно высокими, чтобы захватить любые пространственно и временно важные особенности потока. Затем подключите межцифровые преобразователи, расположенные перед выходом канала, к генератору и усилителю радиочастотных сигналов и работающие на резонансной частоте, наблюдаемой при измерениях матрицы рассеяния. При необходимости используйте усилитель УВЧ высокой мощности.

Здесь мы используем мини-схемы zw five усилителя с максимальной выходной мощностью 37 дБм и коэффициентом усиления 40 децибел. Важно, чтобы общая выходная мощность могла достигать не менее 25 дБм для исследования акустического противотока. Наблюдайте за явлениями акустического потока и распыления без акустического противотока во время работы устройства.

При более низкой мощности, как правило, рециркуляция акустического потока начинается при нулевом уровне ДБМ, а распыление происходит при температуре выше 14 ДБМ. Затем подготовьте жидкость для загрузки микрогранул для визуализации, добавив 500 нанометровых микрогранул в соотношении 10 к 10-й части на миллилитр и перемешав раствор в течение 15 секунд перед экспериментами. Затем загрузите в камеру 60 микролитров микрогранулированной суспензии.

Медленно используя микропипетку, жидкость будет пассивно диффундировать в микрокамеру, чтобы избежать возможного прилипания частиц к подложке, подавать нулевой сигнал DBM на устройство во время загрузки. Начните запись видео через микроскоп и увеличьте рабочую мощность, чтобы наблюдать за акустическим встречным потоком. Различные схемы потока будут определяться входной мощностью, конструкцией чипа и диаметром частиц.

Для того чтобы качественно зафиксировать динамику, зафиксируйте расход жидкости в непосредственной близости от мениска и входа на разных этапах наполнения канала, используя маркеры в качестве пространственной привязки. Затем количественно измерьте динамику частиц с помощью изображения микрочастиц, асимметрии VE или спектроскопии корреляции пространственных временных изображений, как указано в сопроводительном текстовом протоколе для получения точных результатов. Записывайте поток жидкости в интересующей точке с фиксированным полем зрения в течение не менее 100 кадров с частотой кадров, определяемой динамикой частиц.

Для более сложного анализа с целью получения измерений линий тока и поля скоростей используйте специализированный код спектроскопии для искажения изображений микрочастиц или пространственно-временной корреляции изображений. Вот типичные спектры S 11 и S 12, полученные до склеивания литиевого слоя. Резонансная частота в двух спектрах может наблюдаться на частоте 95 мегагерц.

Глубина впадины на центральной частоте в спектре S 11 связана с эффективностью преобразования радиочастотной мощности в механическую мощность поверхностных акустических волн. Следовательно, уменьшение минимума долины приведет к уменьшению мощности, необходимой для работы устройства. Максимум спектра S 12 связан с эффективностью преобразования мощности радиочастот и механической мощности поверхностных акустических волн, а также с затуханием волны вдоль линии задержки.

Снижение этого значения может быть связано с такими дефектами, как смещение линии волновой задержки или трещины. Показывать. Вот четыре различных характеристических паттерна потока, наблюдаемых с использованием 500-нанометровых скоростей латекса. На двух верхних изображениях показаны разные результаты на входе в канал.

Слева наблюдаются два симметричных вихря из-за явлений акустического течения в начале заполнения канала, через некоторое время, когда канал частично заполнен, достигается ламинарное течение. Изображения, показанные здесь, сделаны в непосредственной близости от мениска. Когда канал частично заполнен слева, наблюдаются частицы, скапливающиеся в линии и движущиеся с той же скоростью, что и мениск.

Это происходит, когда в динамике частиц доминирует сила акустического излучения справа. Здесь наблюдается доминирование силы лобового сопротивления и акустического течения. Частицы поглощают два вихря и накапливаются только полосами в пределах 300 мкм от мениска и располагаются близко к поверхности субстрата.

Во время этих процедур очень важно помнить о том, что устройство должно быть очень чистым на всех этапах эксперимента от изготовления до эксплуатации. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как изготавливать и испытывать устройства с поверхностными акустическими волнами. Работа с микрофлюидикой PDMS и визуализация и анализ макрофлюидных течений.