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Engineering

सतह ध्वनिक तरंग चालित ध्वनिक-counterflow Microfluidics में निर्माण, प्रचालन और फ्लो विज़ुअलाइज़ेशन

Published: August 27, 2013 doi: 10.3791/50524
Automatic Translation
1,2, 1, 2, 2
1NEST Center for Nanotechnology Innovation, Istituto Italiano di Tecnologia, 2NEST, Scuola Normale Superiore and Istituto Nanoscienze-CNR

Summary

इस वीडियो में हम पहले एक सतह ध्वनिक तरंग (देखा) ध्वनिक counterflow डिवाइस के निर्माण और संचालन प्रक्रियाओं का वर्णन है. हम तो देखा पंप डिवाइस भीतर गुणात्मक प्रवाह दृश्य और जटिल प्रवाह के मात्रात्मक विश्लेषण दोनों के लिए अनुमति देता है कि एक प्रयोगात्मक सेटअप प्रदर्शित करता है.

Abstract

सतह ध्वनिक तरंगों (आरी) ध्वनिक counterflow घटना के माध्यम से पोर्टेबल microfluidic चिप्स में तरल पदार्थ ड्राइव करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. इस वीडियो में हम एक multilayered देखा ध्वनिक counterflow डिवाइस के लिए निर्माण प्रोटोकॉल उपस्थित थे. डिवाइस दो interdigital ट्रांसड्यूसर (IDTs) और उचित मार्कर नमूनों हैं जो पर एक लिथियम niobate (एल.एन.) सब्सट्रेट से शुरू निर्मित है. एक SU8 मास्टर मोल्ड पर डाली एक polydimethylsiloxane (PDMS) चैनल अंततः नमूनों सब्सट्रेट पर बंधुआ है. निर्माण प्रक्रिया के बाद, हम PDMS चैनल ग्रिड के माध्यम से तरल पदार्थ पंप के क्रम में ध्वनिक counterflow डिवाइस के लक्षण वर्णन और संचालन की अनुमति है कि तकनीक दिखा. हम अंत में चैनल में तरल प्रवाह कल्पना करने के लिए प्रक्रिया मौजूद है. प्रोटोकॉल ऐसे भेंवर और कण संचय डोमेन की विशेषता लामिना का प्रवाह और अधिक जटिल गतिशीलता के रूप में विभिन्न प्रवाह व्यवस्थाओं के तहत पंप पर चिप तरल पदार्थ को दिखाने के लिए प्रयोग किया जाता है.

Introduction

Microfluidic समुदाय का सामना करना पड़ निरंतर चुनौतियों में से एक सच में पोर्टेबल माइक्रो कुल विश्लेषण प्रणाली (μTAS के) में एकीकरण के लिए छोटी की जा सकती है कि एक कुशल पंप तंत्र की जरूरत है. स्टैंडर्ड macroscopic के पम्पिंग सिस्टम बस चैनल आकार माइक्रोन श्रृंखला के लिए नीचे कम हो जाती है या नीचे के रूप में कारण बड़ा प्रवाह की दर के प्रतिकूल स्केलिंग के लिए, μTAS के लिए आवश्यक पोर्टेबिलिटी प्रदान करने में विफल. इसके विपरीत, आरी तरल पदार्थ प्रवर्तन तंत्र के रूप में बढ़ती ब्याज अर्जित किया है और इन समस्याओं 1,2 से कुछ के समाधान के लिए एक आशाजनक अवसर के रूप में दिखाई देते हैं.

आरी तरल पदार्थ 3 में ऊर्जा परिवहन की एक बहुत ही कुशल व्यवस्था प्रदान करने के लिए दिखाया गया. एक piezoelectric सब्सट्रेट, जैसे लिथियम niobate (एल.एन.) पर एक देखा propagates, लहर रेले कोण θ आर = पाप के रूप में जाना एक कोण पर अपने रास्ते में किसी भी तरल पदार्थ में निकलने किया जाएगा722, 1 (ग च / सी एस), कारण सब्सट्रेट, ग है, और तरल पदार्थ ग च में ध्वनि के वेग से बेमेल है. तरल पदार्थ में विकिरण का यह रिसाव तरल पदार्थ में ध्वनिक स्ट्रीमिंग ड्राइव जो एक दबाव लहर को जन्म देता है. डिवाइस के लिए लागू डिवाइस ज्यामिति और शक्ति पर निर्भर करता है, इस तंत्र के ऐसे मिश्रण तरल पदार्थ, कण छँटाई, atomization और पम्पिंग 1,4 के रूप में पर चिप प्रक्रियाओं की एक व्यापक विविधता उकसाना को दिखाया गया था. देखा साथ microfluids actuating की सादगी और प्रभाव के बावजूद, तिथि करने के लिए प्रदर्शन किया गया है कि microfluidic पंप तंत्र संचालित देखा की केवल एक छोटी संख्या में हैं. पहला प्रदर्शन एक piezoelectric सब्सट्रेट 3 पर देखा प्रचार रास्ते में रखा मुक्त बूंदों का सरल अनुवाद किया गया था. इस उपन्यास विधि एक microfluidic actuation के तरीके के रूप में आरी का प्रयोग करने में ज्यादा रुचि उत्पन्न की, लेकिन करने के लिए तरल पदार्थ के लिए एक की जरूरत अभी भी वहाँ थासंलग्न चैनल एक और अधिक कठिन काम के माध्यम से संचालित किया. टैन एट अल. लेजर पीजोइलेक्ट्रिक सब्सट्रेट में सीधे ablated गया था कि एक microchannel भीतर पंप का प्रदर्शन किया. चैनल और IDT आयामों के संबंध में ज्यामितीय संशोधन करके, वे वर्दी और मिश्रण दोनों बहती 5 प्रदर्शित करने में सक्षम थे. ग्लास एट अल. हाल ही में लोकप्रिय लैब पर एक सीडी अवधारणा 6,7 के सच्चे miniaturization की एक प्रदर्शन के रूप में, केन्द्रापसारक microfluidics के साथ देखा actuated घुमाव के संयोजन से microchannels और microfluidic घटकों के माध्यम से तरल पदार्थ हिलाने की एक विधि का प्रदर्शन किया. हालांकि, केवल पूरी तरह से बंद का प्रदर्शन किया गया है कि तंत्र पंप Cecchini एट अल हो रहता है. की देखा संचालित ध्वनिक counterflow 8 इस वीडियो का फोकस संचालित देखा. यह एक तरल पदार्थ की atomization और संघीकरण एक के प्रसार दिशा विरोध दिशा में एक बंद चैनल के माध्यम से यह पंप करने के लिए कारनामेcoustic लहर. यह प्रणाली एक microchannel भीतर आश्चर्यजनक जटिल प्रवाह को जन्म दे सकता है. इसके अलावा, इस उपकरण ज्यामिति पर निर्भर करता है, यह लामिना का प्रवाह से भेंवर और कण संचय डोमेन की विशेषता अधिक जटिल व्यवस्थाओं के लिए, प्रवाह योजनाओं की एक श्रृंखला प्रदान कर सकते हैं. आसानी से डिवाइस के भीतर प्रवाह विशेषताओं को प्रभावित करने की क्षमता उन्नत पर चिप कण हेरफेर के लिए अवसरों का पता चलता है.

निर्माण उपकरण, प्रयोगात्मक आपरेशन, और प्रवाह दृश्य: इस प्रोटोकॉल में हम व्यावहारिक देखा आधारित microfluidics के मुख्य पहलुओं को स्पष्ट करना चाहते हैं. हम स्पष्ट रूप से देखा संचालित ध्वनिक counterflow उपकरणों के निर्माण और संचालन के लिए इन प्रक्रियाओं का वर्णन कर रहे हैं, इन वर्गों को आसानी से देखा संचालित microfluidic व्यवस्थाओं की एक श्रृंखला के लिए अपने आवेदन के लिए संशोधित किया जा सकता है.

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Protocol

1. डिवाइस निर्माण

  1. डिजाइन दो photomasks, patterning के लिए पहली बार सतह ध्वनिक तरंग (देखा) परत, और polydimethylsiloxane (PDMS) microchannel के आचारण के लिए दूसरा.
    1. पहले photomask interdigital ट्रांसड्यूसर विरोध की एक जोड़ी (IDTs) भी एक देखा देरी लाइन और माइक्रोस्कोपी के दौरान चैनल संरेखण और स्थानिक संदर्भ के लिए मार्कर के रूप में जाना जाता है. हमारे मानक उपकरण में हम एक उंगली की चौड़ाई के साथ एकल इलेक्ट्रोड IDTs है = पी 10 माइक्रोन, 750 माइक्रोन, और 25 सीधे उंगली जोड़े की एपर्चर. परिणामस्वरूप IDT तरंग दैर्ध्य के साथ आरी उत्पन्न λ = 4 पी एक ऑपरेटिंग आवृत्ति को इसी = 40 माइक्रोन च ओ = ग देखा / λ 128 पर ≈ 100 मेगाहर्ट्ज ° YX लिथियम niobate (एल.एन.). प्रत्येक IDT चौड़ाई परतों संबंध है, जबकि किसी भी misalignment के प्रभाव को कम करने के microchannel की दो बार चौड़ाई से ऊपर होना चाहिए. IDT डिजाइन मानकों compr चर्चा कर रहे हैंehensively कई पुस्तकों में 9-11. हम केवल एक IDT (चैनल दुकान पर रखा) ध्वनिक counterflow में चैनल में तरल पदार्थ ड्राइव करने के लिए आवश्यक है कि टिप्पणी, लेकिन patterning के एक पूर्ण विलंब लाइन डिवाइस परीक्षण में मदद करता है.
    2. दूसरे चैनल प्रवेश के लिए फार्म एक microchamber साथ, देखा देरी रेखा के साथ गठबंधन करने के लिए एक सरल संरचना microchannel है. हमारे विशिष्ट उपकरणों में, चैनल एक चौड़ाई w = 300 मिमी और 5 मिमी की लंबाई है. एक सामान्य नियम के रूप में, चैनल चौड़ाई microchannel में देखा प्रचार के दौरान विवर्तन प्रभाव से बचने के लिए कम से कम 10 λ होना चाहिए, लेकिन हमारे परीक्षण में हम ~ 7 λ की चौड़ाई काफी चैनल के भीतर देखा प्रचार प्रभावित नहीं होता पाया.
  2. एक एलएन वेफर और फोड़ना 2 सेमी नमूना द्वारा एक 2 सेमी के साथ शुरू करो. प्रसारण माइक्रोस्कोपी प्रदर्शन करने के लिए आदेश में यह एक दो पक्ष पॉलिश वेफर उपयोग करने के लिए आवश्यक है. एलएन अपनी biocompatibility के लिए एक मानक है और देखा कि नोटप्रमुख धुरी के साथ ध्रुवीकरण और उच्च पीजोइलेक्ट्रिक युग्मन गुणांक, लेकिन अन्य piezoelectric सामग्री उचित डिजाइन विचारों के साथ प्रयोग किया जा सकता है.
  3. , एसीटोन में यह rinsing 2-propanol और एक नाइट्रोजन बंदूक के साथ सुखाने से सब्सट्रेट साफ करें.
  4. 1 मिनट के लिए 4000 rpm पर शिप्ले S1818 के साथ कोट नमूना स्पिन.
  5. 90 में शीतल सेंकना डिग्री सेल्सियस गर्म थाली पर 1 मिनट के लिए.
  6. एक मुखौटा aligner का उपयोग कर देखा परत मुखौटा के साथ नमूना संरेखित करें और एक 55 MJ / 2 सेमी के साथ यूवी प्रकाश को बेनकाब. केयर एलएन सब्सट्रेट की प्रमुख धुरी के साथ IDT दिशा संरेखित करने के लिए लिया जाना चाहिए.
  7. Unexposed photoresist को दूर करने के लिए 30 सेकंड के लिए Microposit MF319 डेवलपर में नमूना कुल्ला.
  8. विआयनीकृत पानी में नमूना rinsing द्वारा विकास करना बंद करो और एक नाइट्रोजन बंदूक के साथ इसे सूखा.
  9. थर्मल वाष्पीकरण द्वारा 100 एनएम मोटी सोने की परत के बाद एक 10 एनएम मोटी टाइटेनियम आसंजन परत जमा.
  10. एस sonicating से लिफ्ट बंद प्रदर्शन करनाएसीटोन में पर्याप्त है, तो एक नाइट्रोजन बंदूक के साथ 2-propanol और शुष्क में यह कुल्ला.
  11. Microchannel के क्षेत्र 12 में यह हाइड्रोफोबिक बनाने के लिए डिवाइस सतह Silanize.
    1. निर्माता के डेटा पत्रक के अनुसार ऑप्टिकल लिथोग्राफी द्वारा ए आर एन 4340 नकारात्मक स्वर photoresist के साथ microchamber क्षेत्र मास्क.
    2. 0.14 मिलीबार दबाव और लगभग 450 के एक पूर्वाग्रह वोल्टेज देने डब्ल्यू 100 शक्ति का एक 2 मिनट ऑक्सीजन प्लाज्मा (Gambetti Kenologia Srl, Colibri) के साथ नमूना सतह सक्रिय वी.
    3. 35 मिलीलीटर hexadecane, 15 मिलीग्राम कार्बन टेट्राक्लोराइड (सीसीएल 4), और एक धूआं हुड के अंदर एक बीकर में 20 μl octadecyltrichlorosilane (ओटीएस) मिलाएं. समाधान में डिवाइस प्लेस, और दो घंटे के लिए कवर छोड़ दें.
    4. 2-propanol साथ युक्ति कुल्ला और एक नाइट्रोजन बंदूक के साथ इसे सूखा.
    5. सतह पर पानी के संपर्क कोण 90 डिग्री के ऊपर है कि जाँच करें. संपर्क कोण अपर्याप्त है, नमूना साफ और 1.11 में कदम फिर से प्रदर्शन करते हैं.
    6. हटानाअवशिष्ट, एसीटोन में 2-propanol rinsing और एक नाइट्रोजन बंदूक के साथ सुखाने से नमूना पर विरोध.
  12. रेडियो आवृत्ति waveguides और मानक समाक्षीय connectors (आरएफ पीसीबी) के साथ एक मुद्रित सर्किट बोर्ड पर नमूना माउंट, और तब नमूना किनारों पर ध्वनिक अवशोषक (प्रथम संपर्क बहुलक) रख दिया और तार संबंध या पोगो कनेक्टर्स का उपयोग करके IDT कनेक्ट.
  13. चैनल परत का एक मास्टर मोल्ड मानक ऑप्टिकल फोटोलिथोग्राफी उपयोग कर सिलिकॉन (सी) वेफर के एक छोटे से टुकड़े पर SU-8 के साथ नमूनों है. SU 8 प्रकार और फोटोलिथोग्राफी नुस्खा आवश्यक अंतिम PDMS आंतरिक चैनल ऊंचाई पर निर्भर हो जाएगा.
  14. मोल्ड पर PDMS कास्ट
    1. 10:1 अनुपात में एक इलाज एजेंट के साथ PDMS मिलाएं.
    2. Degassing के लिए 1,320 XG पर 2 मिनट के लिए PDMS अपकेंद्रित्र.
    3. 1 मिमी के आदेश पर एक कुल PDMS ऊंचाई को एक पेट्री डिश में SU-8 ढालना पर धीरे PDMS डालो. खुला पेट्री डिश ord में लगभग 30 मिनट के लिए एक निर्वात desiccator में रखा जा सकता हैआगे degas PDMS के लिए एर.
    4. एक बार degassed, डिग्री सेल्सियस एक ओवन में एक घंटे के लिए 80 से हीटिंग द्वारा PDMS इलाज. पाक के समय और तापमान PDMS के यांत्रिक गुणों को प्रभावित कर सकते हैं नोट.
  15. ठोस PDMS परत तैयार
    1. , एक सर्जिकल ब्लेड का उपयोग चैनल के आसपास कट SU8 मास्टर नुकसान नहीं सावधान किया जा रहा है, और इसे दूर छील.
    2. प्रतिकृति किनारों फिर परिष्कृत और कम से कम 2 मिमी चैनल के पार्श्व पक्ष पर मंजूरी और चैनल दुकान पर कोई निकासी (अधिकार के माध्यम से कटौती) छोड़ने के एक रेजर ब्लेड का उपयोग कर सीधा कर रहे हैं.
    3. द्रव लोडिंग प्रवेश के लिए फार्म एक हैरिस UNICORE छेदने का उपयोग कर microchamber में एक छेद मुक्का.
  16. सरल conformal के संबंध से एलएन सब्सट्रेट के साथ PDMS चैनल बॉण्ड. प्रतिवर्ती जबकि शेष इस तरह बंधन तरल पदार्थ परीक्षण के चरण में आयोजित करेगा.
    1. दोनों सतहों संकुचित नाइट्रोजन हवा के साथ किसी भी अतिरिक्त मलबे दूर उड़ाने से शामिल होने से पहले साफ कर रहे हैं. यह सी हैनमूनों संरेखण के निशान के अनुसार एलएन की प्रमुख धुरी के साथ चैनल के लिए पंक्ति में टुकड़ों में शामिल होने जब ritical.
  17. पूरा डिवाइस योजनाबद्ध चित्र 1 में दिखाया गया है. स्टोर उपयोग करें जब तक एक स्वच्छ वातावरण में उपकरणों पूरा किया.

नोट: सभी निर्माण चरणों का उपयोग करने से पहले इस उपकरण के संक्रमण से बचने के लिए एक साफ कमरे के वातावरण में किया जाता है कि यह महत्वपूर्ण है.

नोट: ऑप्टिकल लिथोग्राफी कदम का कोई भी उपयोगकर्ता पसंदीदा तरीके से प्रतिस्थापित किया जा सकता है.

नोट: silanization प्रक्रिया एक पसंदीदा हाइड्रोफोबिक कोटिंग विधि 13 के लिए प्रतिस्थापित किया जा सकता है.

2. आरएफ डिवाइस परीक्षण

  1. अपने आरएफ पीसीबी पर एक छोटी खुला / waveguide के साथ नेटवर्क या स्पेक्ट्रम विश्लेषक जांचना.
  2. एक स्पेक्ट्रम विश्लेषक के बंदरगाहों को देखा विलंब लाइन कनेक्ट और बिखरने मैट्रिक्स उपायडिवाइस. एकल इलेक्ट्रोड ट्रांसड्यूसर की एक जोड़ी के लिए प्रसारण IDT के ऑपरेटिंग आवृत्ति पर केंद्रित एक sinc समारोह का निरपेक्ष मान समान होगा. प्रतिबिंब स्पेक्ट्रम में एक डुबकी (न्यूनतम) एक ही आवृत्ति 9-11 में मनाया जाता है. प्रमुख धुरी ठेठ मूल्यों के साथ 100 मेगाहर्ट्ज ऑपरेटिंग आवृत्ति में हमारे उपकरणों में -15 S11 और S22 के लिए डीबी और एस 12 के लिए -10 DB (PDMS चैनलों के बिना) हैं.

3. Microfluidics और कण प्रवाह डायनेमिक्स विज़ुअलाइज़ेशन प्रयोग और विश्लेषण

  1. एक खुर्दबीन के नीचे नमूना रखें. विशिष्ट ऑप्टिकल सेटअप मनाया जा देखा microfluidics घटना पर निर्भर करता है. उदाहरण के लिए, एक 4X उद्देश्य और एक 30 एफपीएस वीडियो कैमरे से लैस एक सरल प्रतिबिंब खुर्दबीन तरल पदार्थ भरने गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए उपयुक्त हो जाएगा. अधिक जटिल microparticle गतिशीलता की जांच करने के लिए, यह एक 20X उद्देश्य और एक 100 एफपीएस या उच्चतर वीडियो कैमरे से लैस एक माइक्रोस्कोप का उपयोग करने के लिए आवश्यक हो सकता है. यह importan हैउद्देश्य और फ्रेम दर दोनों किसी भी स्थानिक और अस्थायी महत्वपूर्ण प्रवाह सुविधाओं पर कब्जा करने के लिए पर्याप्त उच्च रहे हैं कि टी.
  2. एक आरएफ संकेत जनरेटर के लिए चैनल दुकान के सामने IDT कनेक्ट और बिखरने मैट्रिक्स माप में मनाया गुंजयमान आवृत्ति पर यह कार्य करते हैं. ध्वनिक counterflow प्रयोगों में विशिष्ट ऑपरेटिंग बिजली 20 dBm है. यदि आवश्यक हो, एक उच्च शक्ति यूएचएफ एम्पलीफायर का उपयोग करें. कम बिजली पर डिवाइस चल रहा है जबकि ध्वनिक स्ट्रीमिंग और atomization घटना ध्वनिक counterflow बिना मनाया जाता है: आम तौर पर ध्वनिक स्ट्रीमिंग पुनःपरिसंचरण 0 dBm पर शुरू होता है और atomization के ऊपर 14 dBm होता है.
  3. एक micropipette साथ microchamber में तरल पदार्थ के 60 μl लोड. द्रव निष्क्रिय microchamber में फैलाना होगा. यदि आवश्यक हो, धीरे microchamber भरने के पक्ष में आदेश microchamber सतह पर धक्का.
    1. प्रवाह कल्पना करने के लिए आदेश में यह तरल पदार्थ को microbeads जोड़ने के लिए आवश्यक है. कण Clust से बचने के लिए ध्यान दें किering, पूर्व प्रयोगों के कण निलंबन sonicate. लोड करते समय सब्सट्रेट उपकरण के लिए एक 0 dBm संकेत लागू पर कण आसंजन से बचने के लिए.
  4. माइक्रोस्कोप के माध्यम से वीडियो रिकॉर्डिंग शुरू करें और ध्वनिक counterflow का निरीक्षण करने के क्रम में ऑपरेटिंग शक्ति में वृद्धि. विभिन्न प्रवाह योजनाओं इनपुट शक्ति, चिप डिजाइन और कण व्यास द्वारा निर्धारित किया जाएगा.
    1. गुणात्मक गतिशीलता पर कब्जा करने के लिए, द्रव का प्रवाह एक स्थानिक संदर्भ के रूप में मार्कर का उपयोग कर भरने चैनल के विभिन्न चरणों में meniscus और प्रवेश की निकटता में दर्ज हो गया है.
    2. सूक्ष्म कण छवि velocimetry (μPIV) 14,15 या स्थानिक लौकिक छवि सहसंबंध स्पेक्ट्रोस्कोपी (stics) 16,17 से कण गतिशीलता के मात्रात्मक माप प्रदर्शन करने के लिए आदेश में, द्रव का प्रवाह देखने का एक निश्चित क्षेत्र के साथ ब्याज की बात में दर्ज हो गया है कण गतिशीलता द्वारा लगाए गए एक फ्रेम दर पर कम से कम 100 फ्रेम के लिए.
  5. इमेज प्रोसेसिंग सॉफ्टवेयर के साथ वीडियो का विश्लेषण करें. प्रयोग की जाने वाली सॉफ्टवेयर का विकल्प ब्याज की घटना पर निर्भर करता है. उदाहरण के लिए, बूंदों atomized, कण संचय के स्थानिक दौरा, या पतला कण, जैसे कि फिजी में सरल फ्रीवेयर छवि विश्लेषण सॉफ्टवेयर के मैनुअल ट्रैकिंग के आकार के वितरण यों तो 18 उपयुक्त है, आदेश में प्राप्त करने के लिए जबकि सुव्यवस्थित और वेग क्षेत्र मापन, mPIV अनुकूलित 19 या stics 20 कोड की आवश्यकता है. हमारे विश्लेषण में अनुकूलित stics कोड MATLAB में लिखा है, लेकिन भाषा कोडिंग के एक पसंदीदा विकल्प समान रूप से स्वीकार्य हो सकता है.

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Representative Results

चित्रा 2 microchannel परत को एलएन परत संबंध से पहले लिया गया था जो डिवाइस आरएफ परीक्षण के प्रतिनिधि परिणामों से पता चलता है: ठेठ एस 11 और एस 12 स्पेक्ट्रा क्रमशः पैनल एक) और ख) में रिपोर्ट कर रहे हैं. एस 11 स्पेक्ट्रम में केंद्रीय आवृत्ति पर घाटी की गहराई में आरएफ शक्ति के रूपांतरण की क्षमता से संबंधित है यांत्रिक शक्ति देखा. इसलिए, IDT उंगली जोड़े की एक निश्चित संख्या के लिए, घाटी न्यूनतम में कमी डिवाइस संचालित करने के लिए आवश्यक बिजली की कमी का परिणाम देगा. यह कम से कम की आवृत्ति में, डिवाइस सबसे अधिक कुशलता से पंप तरल पदार्थ अत्यधिक ध्वनिक लहर उत्पन्न होगा, और इसलिए हम डिवाइस संचालित करने के लिए चुनते हैं, पर जो बात है. साथ 100 मेगाहर्ट्ज ऑपरेटिंग आवृत्ति में हमारे उपकरणों में प्रमुख धुरी ठेठ मूल्यों नीचे एस 11 के लिए -10 DB हैं. -10 DBm ऊपर मान एक क्षतिग्रस्त या शॉर्ट ट्रांसड्यूसर, जो काम तो सूचित कर सकते हैंआईएनजी, बढ़ इनपुट बिजली की आवश्यकता होगी. यह मान, IDT प्रतिबाधा मिलान एक बाहरी मेल नेटवर्क का उपयोग कर, या IDT डिजाइन 9-11 से कम किया जा सकता. एस 12 स्पेक्ट्रम का अधिकतम आरएफ शक्ति के रूपांतरण की क्षमता से संबंधित दोनों और देरी रेखा के साथ IDTs और देखा की क्षीणन द्वारा यांत्रिक शक्ति देखा. इस मूल्य में कमी (आमतौर पर हमारे उपकरणों में -10 dBm के आसपास) IDTs में दोष (S11 के स्पेक्ट्रम में डुबकी परिमाण की कमी से भी देखा), देखा विलंब लाइन के misalignment, या दरारों से स्टेम कर सकते हैं.

चित्रा 3 चार अलग विशेषता प्रवाह पैटर्न 500 एनएम लेटेक्स मोती का उपयोग कर मनाया पता चलता है. प्रत्येक पैनल कण stics से उत्पन्न सुव्यवस्थित पता चलता है. विश्लेषण ऑप्टिकल ट्रांसमिशन माइक्रोस्कोपी द्वारा प्राप्त 100 एफपीएस पर एक 2 सेकंड रिकॉर्डिंग पर प्रदर्शन किया गया था. कणों पर अभिनय दो प्रमुख शक्तियों के बीच संतुलन से विस्तृत गतिशीलता परिणाम: खींचें बल और ध्वनिक आरadiation बल 21,22. खींचें बल ध्वनिक counterflow में दो घटक होते हैं:, ध्वनिक स्ट्रीमिंग के रूप में जाना एक पुनःपरिसंचरण में उत्पन्न होने वाले द्रव में ध्वनिक ऊर्जा के अपव्यय से अन्य परिणाम भरने चैनल के कारण बड़े पैमाने पर परिवहन से एक परिणाम है. ध्वनिक स्ट्रीमिंग और पानी में दबाव की लहर के रूप में ध्वनिक विकिरण बल क्षय दोनों attenuates. पैनलों एक) और ख) चैनल के प्रवेश पर दो अलग परिणाम दिखाते हैं. पैनल में एक) दो सममित भेंवर भरने ध्वनिक counterflow चैनल की शुरुआत में ध्वनिक स्ट्रीमिंग घटना की वजह से मनाया जाता है. चैनल आंशिक रूप से भर जाता है जब कुछ समय के बाद, पैनल ख) आगे बढ़ द्रव सामने से प्रवेश पर acoustofluidic प्रभाव के दमन के कारण लामिना का प्रवाह से पता चलता है. पैनल ग) और पैनल घ) चैनल आंशिक रूप से भर जाता है जब meniscus के निकटता में दो अलग अलग स्थितियों दिखा. पैनल ग में)कणों लाइनों में जमते और meniscus के रूप में एक ही गति से बढ़ मनाया जाता है. इस कण गतिशीलता ध्वनिक विकिरण बल का प्रभुत्व है जिसमें प्रतिनिधि मामला है. खींचें बल और ध्वनिक स्ट्रीमिंग प्रभाव के प्रभुत्व के प्रतिनिधि गतिशीलता कणों दो भेंवर का पालन करें और meniscus से 300 मिमी के भीतर ही बैंड में जमा है) पैनल डी में दिखाया गया है, सब्सट्रेट सतह के करीब है.

चित्रा 1
चित्रा 1. शीर्ष दृश्य (एक) और सममितीय दृश्य (ख) पूरा counterflow डिवाइस (नहीं पैमाने पर करने के लिए) की युक्ति दो परतों से निर्माण किया है,. कम एलएन पर सोने के नमूनों IDTs के शामिल, और PDMS microchannel के ऊपरी. आरएफ संकेत बाएं IDT को लागू किया जाता है, और इसी देखा सही करने के लिए प्रचार करेंगे. तरल पदार्थ पर परिपत्र द्रव इनलेट से बहेगाबाएं IDT की दिशा में सही. ठेठ चिप आयामों PDMS परत के लिए एक्स देखा परत के लिए 10 मिमी x 0.5 मिमी और 10 मिमी एक्स 5 मिमी x 4 मिमी 25 मिमी हैं. फ़ीचर आयाम प्रोटोकॉल के चरण 1 में दिया जाता है.

चित्रा 2
चित्रा 2. एक देखा-counterflow डिवाइस के लिए एस मापदंडों ठेठ. स्पेक्ट्रा में अनुनाद आवृत्ति (एक) एस 11 और (ख) एस 12 95 मेगाहर्ट्ज पर देखा जा सकता है. बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 3
चित्रा 3. चार अलग विशेषता प्रवाह पैटर्न ध्वनिक counterflow चैनल के भीतर 500 एनएम लेटेक्स मोती का उपयोग कर मनाया. प्रत्येक देहात में दिखाया सुव्यवस्थित2 सेकंड ऑप्टिकल ट्रांसमिशन माइक्रोस्कोपी के साथ 100 एफपीएस पर रिकॉर्डिंग, और के stics विश्लेषण से नेल परिणाम प्रत्येक वीडियो के अंतिम फ्रेम पर मढ़ा जाता है. चैनल इनलेट (एक) समय चैनल को भरने के लिए शुरू होता है, और चैनल के बाद एक (ख) के बाद के समय में जब टी = 0, आंशिक रूप से भर जाता है पर देखा जा सकता है. meniscus के अग्रणी धार कण संचय लाइनों के साथ (ग) लामिना का प्रवाह, और (घ) और अधिक जटिल फेरने का प्रवाह के मामले के लिए देखा जा सकता है, योजना डिवाइस ज्यामिति द्वारा निर्धारित किया जा रहा है. प्रवाह पैटर्न 20 dBm पर संचालित एक विशिष्ट उपकरण पर प्राप्त किया गया. इन प्रयोगों के लिए प्रवाह दर 1 के आदेश पर थे - 10 चैनल के माध्यम nl / एस, भेंवर में मतलब प्रवाह वेग 1 मिमी / सेकंड के रूप में उच्च किया जा सकता है.

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Discussion

Microfluidic के समुदाय को पेश आ रही सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक सच में पोर्टेबल बिंदु की देखभाल उपकरणों के लिए एक प्रवर्तन मंच का अहसास है. प्रस्तावित एकीकृत micropumps 23 में, सतह ध्वनिक तरंगों (आरी) पर आधारित उन लोगों की वजह से तरल पदार्थ मिश्रण, atomization और कण एकाग्रता और जुदाई 4 में उनके संबद्ध क्षमताओं के लिए विशेष रूप से आकर्षक हैं. इस पत्र में हम पहले Cecchini एट अल द्वारा वर्णित के रूप में एक्युएटर्स देखा. 8 तरल पदार्थ से चिप पर एकीकृत करके एक बंद PDMS microchannel में चलाया जाता है, जिसमें एक प्रयोगशाला-on-चिप डिवाइस बनाना और संचालित करने के लिए प्रदर्शन किया है.

उपरोक्त प्रक्रिया में सचित्र के रूप में उपकरण निर्माण के संबंध में, यह अन्यथा IDTs में खामियों, microchannel के आकार, और सतह wettability उत्पन्न हो सकती है, निर्माण प्रोटोकॉल के हर बिंदु पर सफाई बनाए रखने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है. IDTs में खामियों वीं की वृद्धि करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैंई ऑपरेटिंग शक्ति या देखा की भी अप्रभावी पारगमन की आवश्यकता है. ध्यान microchannel के निर्माण के लिए दिया जाना चाहिए. एक फ्लैट साफ सतह माइक्रोस्कोपी के लिए आवश्यक है. Microchannel के किनारों में दोष meniscus के लगाए कारण और चैनल भरने वेग और चिप विश्वसनीयता दोनों को कम कर सकते हैं. इन दोषों को भी प्रवाह विशेषताओं को बदलने और जो नाभिक बुलबुले पूरी तरह पंप तरल पदार्थ को निष्क्रिय कर सकते हैं कर सकते हैं. सावधानी सतह functionalization में लिया जाना चाहिए. सब्सट्रेट नीचे इंटरफेस और PDMS पार्श्व और शीर्ष सतहों से मिलकर चैनल दीवारों समग्र हाइड्रोफिलिक हैं, केशिका संचालित भरने पंप सक्रिय देखा रोकता है. इसके विपरीत, सब्सट्रेट सतह भी हाइड्रोफोबिक है अगर, बूंदों meniscus के बाहर atomized चैनल भरने को रोकने, प्रभावी ढंग से संगठित होना नहीं होता. सब्सट्रेट functionalization में inhomogeneity इसलिए अंक और कपिलैरिटि संचालित क्षेत्रों लगाए साथ गतिशीलता भरने अविश्वसनीय चैनल की ओर जाता है.

विज़ प्रवाह के संबंध मेंualization और कण गतिशीलता पढ़ाई, कण व्यास परिणामस्वरूप मनाया गतिशीलता के लिए महत्वपूर्ण है. कण (द्रव में दबाव तरंगों से प्रत्यक्ष गति हस्तांतरण के कारण) बल खींचें करने के लिए दोनों अधीन (द्रव प्रवाह के कारण) और ध्वनिक विकिरण बल कर रहे हैं. खींचें बल कण त्रिज्या के लिए आनुपातिक है, ध्वनिक विकिरण बल कण की मात्रा के लिए आनुपातिक है. कण व्यास कम हो जाता है के रूप में खींचें बल कण गतिशीलता पर हावी होगा, और कणों इसलिए और अधिक बारीकी से द्रव का प्रवाह का पालन करेंगे. हम इस तरह से डिजाइन उपकरण के संबंध में एक उचित रूप से छोटे कण व्यास का चयन करके तरल प्रवाह का सही दृश्य प्राप्त कर सकते हैं. एक ही व्यास के कण या तो तरल पदार्थ सही सुव्यवस्थित, या इसके विपरीत ध्वनिक विकिरण बल का बोलबाला हो, डिवाइस ज्यामिति के आधार पर पुन: पेश कर सकता है ध्यान दें. मोती और दृश्य तकनीक के आकार पर निर्भर करता है, आवश्यक प्रकाशिकी बदल सकते हैं.कण एकाग्रता प्रयोगात्मक उद्देश्य पर भी निर्भर करता है: mPIV कम कण एकाग्रता के मामले में 14,24 पसंद किया जाता है, लेकिन बड़े कण एकाग्रता बेहतर आँकड़ों के लिए अनुमति देता है और गुणात्मक कल्पना एकल छवियों में सुव्यवस्थित. कण समाधान monodisperse हो और कण वेग क्षेत्रों के गुणात्मक और मात्रात्मक दोनों को समझने के लिए समूहों के बिना चाहिए.

काफी प्रयास भी जैविक नमूने में आवेदन छँटाई के मद्देनजर 25 सूक्ष्म आकार के कणों के व्यवहार को समझने के लिए समर्पित था. मौलिक छँटाई, मोतियों के साथ अध्ययन करने के लिए आदेश में, कण और चैनल functionalization के कण आसंजन और चैनल clogging से बचने के लिए सर्वोपरि महत्व के हैं.

इस वीडियो में हम तरल पदार्थ बंद PDMS microchannel के ग्रिड में चिप पर संचालित कर रहे हैं जिसमें देखा संचालित ध्वनिक counterflow उपकरणों के निर्माण और संचालित करने के लिए कैसे पता चला. विशेष रूप से ध्यान देवो थाacoustophoretic छँटाई आवेदनों के आधार पर है कि कण गतिशीलता के दृश्य के लिए टेड.

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

लेखक स्वीकार करने के लिए कोई नहीं है.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Double side polished 128° YX lithium niobate wafer Crystal Technology, LLC  
Silicon wafer Siegert Wafers We use <100>
IDT Optical lithography mask with alignment marks (positive) Any vendor  
Channel Optical lithography mask (negative) Any vendor  
Positive photoresist Shipley S1818  
Positive photoresist developer Microposit MF319  
Negative tone photoresist Allresist AR-N-4340  
Negative tone photoresist developer Allresist AR 300-475  
SU8 thick negative tone photoresist Microchem SU-8 2000 Series  
SU8 thick negative tone photoresist developer Microchem SU-8 developer  
Hexadecane Sigma-Aldrich H6703  
Carbon tetrachloride (CCl4) Sigma-Aldrich 107344  
Octadecyltrichlorosilane (OTS) Sigma-Aldrich 104817  
Acetone CMOS grade Sigma-Aldrich 40289  
2-propanol CMOS grade Sigma-Aldrich 40301  
Titanium Any vendor 99.9% purity  
Gold Any vendor 99.9% purity  
PDMS Dow Corning Sylgard 184 silicone elastomer kit with curing agent  
Petri dish Any vendor  
5 mm ID Harris Uni-Core multi-purpose coring tool Sigma-Aldrich Z708895 Any diameter greater than 2 mm is suitable
Acoustic absorber Photonic Cleaning Technologies First Contact regular kit  
RF-PCB Any vendor  
Spinner Laurell technologies corporation WS-400-6NPP Any spinner can be used
UV Mask aligner Karl Suss MJB 4 Any aligner can be used
Thermal evaporator Kurt J. Lesker Nano 38 Any thermal, e-beam evaporator or sputtering system can be used
Oxygen plasma asher Gambetti Kenologia Srl Colibrì Any plasma asher or RIE machine can be used
Centrifuge Eppendorf 5810 R Any centrifuge can be used
Wire bonder Kulicke Soffa 4523AD Any wire bonder can be used if the PCB is used without pogo connectors
Contact Angle Meter KSV CAM 101 Any contact angle meter can be used
Spectrum analyzer Anristu 56100A Any spectrum or network analyzer can be used
RF signal generator Anristu MG3694A Any RF signal generator can be used
RF high power amplifier Mini Circuits ZHL-5W-1 Any RF high power amplifier can be used
Microbeads suspension Sigma-Aldrich L3280 Depending on the experimental purpose different suspension of different diameter and different material properties can be used
Optical microscope Nikon Ti-Eclipse Any optical microscope with spatial resolution satisfying experimental purposes can be used
Video camera Basler A602-f Any video camera that has enough frame rate and sensitivity satisfying experimental purposes can be used
Camera acquisition software Advanced technologies Motion Box Any software enabling high and controlled frame rate acquisition can be used

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References

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Travagliati, M., Shilton, R., Beltram, F., Cecchini, M. Fabrication, Operation and Flow Visualization in Surface-acoustic-wave-driven Acoustic-counterflow Microfluidics. J. Vis. Exp. (78), e50524, doi:10.3791/50524 (2013).

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