Summary
في هذا الفيديو وصفنا الأول إجراءات تصنيع وتشغيل سطح الموجة الصوتية (SAW) جهاز معاكس الصوتية. نحن ثم إثبات وجود الإعداد التجريبية التي تسمح لكلا التصور تدفق النوعي والتحليل الكمي من التدفقات المعقدة داخل الجهاز ضخ SAW.
Abstract
الموجات الصوتية السطحية (مناشير) يمكن استخدامها لدفع السوائل في رقائق ميكروفلويديك المحمولة عبر ظاهرة معاكس الصوتية. في هذا الفيديو نقدم بروتوكول تلفيق لSAW متعدد الطبقات الصوتية جهاز معاكس. وملفقة الجهاز بدءا من الليثيوم نيوبات (LN) الركيزة التي هي منقوشة على اثنين من محولات الطاقة بين الأصابع (أهداف الاستثمار الإنمائية) وعلامات المناسبة. A polydimethylsiloxane (PDMS) قناة يلقي على القالب الرئيسي SU8 والمستعبدين أخيرا على الركيزة منقوشة. باتباع الإجراء تلفيق، نقدم لك مجموعة من التقنيات التي تسمح للتوصيف وتشغيل الجهاز معاكس الصوتية من أجل ضخ السوائل من خلال قناة شبكة PDMS. نقدم أخيرا الإجراء إلى تصور تدفق السائل في القنوات. يتم استخدام بروتوكول لإظهار السائل على رقاقة ضخ في ظل أنظمة تدفق مختلفة مثل تدفق الصفحي وديناميكية أكثر تعقيدا تتميز الدوامات والمجالات تراكم الجسيمات.
Introduction
واحدة من التحديات المستمرة التي تواجه المجتمع ميكروفلويديك هو الحاجة إلى وجود آلية الضخ كفاءة التي يمكن المنمنمة من أجل التكامل في نظم إجمالي الصغرى تحليل المحمولة حقا (في μTAS). نظم ضخ العيانية القياسية ببساطة تفشل في توفير قابلية اللازمة لفي μTAS، بسبب التوسع غير المواتية لمعدلات التدفق الحجمي ويبلغ حجم قناة يقلل صولا الى نطاق ميكرون أو أقل. على العكس من ذلك، اكتسبت اهتماما متزايدا مناشير كآليات يشتغل السوائل وتبدو وكأنها وسيلة واعدة من أجل حل بعض هذه المشاكل 1،2.
عرضت مناشير لتوفير آلية فعالة جدا من نقل الطاقة إلى سوائل 3. عندما ينتشر SAW على ركيزة كهرضغطية، على سبيل المثال نيوبات الليثيوم (LN)، موجة سوف يشع في أي السوائل في مساره بزاوية تعرف باسم زاوية θ رايلي R = الخطيئة722؛ 1 (ج و / ج ق)، نظرا لعدم تطابق السرعات الصوت في الركيزة، ج ق، وج و السوائل. هذا تسرب الإشعاع في السوائل يؤدي إلى الضغط الذي يدفع موجة تدفق الصوتية في السوائل. اعتمادا على هندسة الجهاز والقوة المطبقة على الجهاز، وقد أظهرت هذه الآلية لتحفيز مجموعة متنوعة واسعة من العمليات على الرقاقة، مثل خلط السوائل، والفرز الجسيمات، الانحلال، و1،4 الضخ. على الرغم من بساطة وفعالية من المشغلات microfluids مع SAW، لا يوجد سوى عدد قليل من SAW مدفوعة آليات ضخ ميكروفلويديك التي أثبتت حتى الآن. كانت أول مظاهرة في ترجمة بسيطة من قطرات حرة وضعها في مسار الانتشار SAW على الركيزة كهرضغطية 3. هذا الأسلوب رواية ولدت الكثير من الاهتمام في استخدام مناشير كوسيلة يشتغل ميكروفلويديك، ومع ذلك لا تزال هناك حاجة إلى السوائل لأن تكون مدفوعة من خلال قنوات-A المغلقة المهمة أكثر صعوبة. أظهرت تان وآخرون. ضخ داخل متناهية التي تم الليزر ذاب مباشرة إلى الركيزة كهرضغطية. بواسطة التعديل الهندسي فيما يتعلق القناة والأبعاد IDT، أنهم كانوا قادرين على إثبات التدفقات كلا موحدة وخلط 5. الزجاج وآخرون. الآونة الأخيرة أظهرت وسيلة لنقل السوائل من خلال microchannels ومكونات الموائع الدقيقة من خلال الجمع بين SAW تناوب دفعتها مع على microfluidics الطرد المركزي، كدليل على التصغير الحقيقية للشعبية مفهوم المختبر على-A-CD 6،7. ومع ذلك، فإن الوحيد مغلق تماما SAW مدفوعة ضخ الآلية التي ثبت يبقى أن سيتشيني وآخرون. 'ق يحركها SAW معاكس الصوتية 8 التركيز من هذا الفيديو. أنه استغل الانحلال والتحام من السوائل لضخه عبر قناة مغلقة في الاتجاه معارضة اتجاه الانتشار من أحدموجة coustic. وهذا النظام يمكن أن تؤدي إلى تدفقات معقدة من المستغرب ضمن متناهية. وعلاوة على ذلك، اعتمادا على هندسة الجهاز، يمكن أن توفر مجموعة من مخططات تدفق، من التدفقات الصفحي إلى أنظمة أكثر تعقيدا تتميز الدوامات والمجالات الجسيمات التراكم. القدرة على التأثير بسهولة على خصائص التدفقات داخل الجهاز يظهر فرص متقدمة على رقاقة التلاعب الجسيمات.
في هذا البروتوكول ونود أن نوضح الجوانب الرئيسية للعملية على microfluidics المستندة إلى SAW: تصنيع الجهاز، التشغيل التجريبي، وتدفق التصور. بينما نحن تصف صراحة هذه الإجراءات لتصنيع وتشغيل يحركها SAW الأجهزة الصوتية معاكس، ويمكن بسهولة أن يتم تعديل هذه المقاطع لتطبيقها على مجموعة من الأنظمة ميكروفلويديك يحركها SAW.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. تصنيع جهاز
- تصميم اثنين photomasks، أول لتنميط الموجة الصوتية السطحية (SAW) طبقة، والثانية لpolydimethylsiloxane (PDMS) القالب متناهية.
- والضوئية الأولى لديها زوج من معارضة محولات بين الأصابع (أهداف الاستثمار الإنمائية)، أيضا يعرف باسم SAW تأخير خط وعلامات للمحاذاة قناة والمراجع المكانية خلال الفحص المجهري. في الجهاز لدينا معيار لدينا أهداف الاستثمار الإنمائية قطب كهربائي واحد مع عرض إصبع P = 10 ميكرون، والفتحة من 750 ميكرون، و 25 زوجا الإصبع على التوالي. وIDT مما أدى يولد مناشير مع الطول الموجي λ = 4 ص = 40 ميكرون المقابلة لتردد التشغيل و س = ج ص / λ ≈ 100 ميغاهيرتز على 128 ° YX الليثيوم نيوبات (LN). يجب أن يكون كل عرض IDT أعلاه مرتين عرض متناهية للحد من أي آثار اختلال في حين تربط طبقات. وتناقش المعلمات تصميم IDT comprehensively في العديد من الكتب 9-11. نحن الملاحظة أن IDT واحد فقط (وضعت في قناة منفذ) ضروري لدفع السائل إلى القناة في الصوتية معاكس، ولكن الزخرفة يساعد خط تأخير الكاملة في اختبار الجهاز.
- والثانية لديها بنية متناهية بسيطة لتكون محاذاة على طول خط SAW تأخير، مع microchamber لتشكيل مدخل القناة. في الأجهزة نموذجي لدينا، وقنوات لديها عرض ث = 300 ملم وبطول 5 مم. كقاعدة عامة، يجب أن يكون عرض القناة لا يقل عن 10 λ لتجنب الآثار الحيود خلال نشر SAW في متناهية، ولكن في تجاربنا وجدنا أن يبلغ عرضه ~ 7 λ لن يؤثر بشكل كبير SAW الانتشار داخل القناة.
- تبدأ مع رقاقة LN ويلتصق (أ) 2 سم في 2 سم عينة. من أجل أداء المجهري انتقال فمن الضروري استخدام مزدوج الجانب رقاقة مصقول. لاحظ أن LN هو معيار لتوافق مع الحياة والمنشارالاستقطاب وارتفاع معامل اقتران كهرضغطية على طول المحور الرئيسي، ومع ذلك يمكن استخدام مواد كهرضغطية أخرى مع اعتبارات التصميم المناسب.
- تنظيف الركيزة قبل الشطف في الأسيتون، 2 بروبانول وتجفيف بمسدس النيتروجين.
- تدور معطف العينة مع شيبلي S1818 في 4،000 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة.
- تخبز لينة عند 90 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة على طبق ساخن.
- محاذاة عينة مع قناع طبقة SAW باستخدام قناع اليجنر وتعريضها لضوء الأشعة فوق البنفسجية مع 55 ميغا جول / سم 2. وينبغي الحرص على محاذاة اتجاه IDT على طول المحور الرئيسي للالركيزة LN.
- شطف العينة في Microposit MF319 المطور لمدة 30 ثانية لإزالة مقاومة للضوء غير مصورة.
- وقف التنمية من خلال الشطف العينة في الماء منزوع الأيونات وجففها بمسدس النيتروجين.
- إيداع التيتانيوم طبقة التصاق 10 نانومتر سميكة تليها طبقة الذهب 100 نانومتر سميكة عن طريق التبخر الحراري.
- أداء انطلاقه من قبل sonicating لياليوافرة في الأسيتون، ثم شطفه في 2 بروبانول والجافة بمسدس النيتروجين.
- Silanize سطح الجهاز لجعله مسعور في منطقة متناهية 12.
- قناع منطقة microchamber مع AR-N-4340 مقاومة للضوء لهجة سلبية من قبل الطباعة الحجرية الضوئية وفقا لورقة البيانات الخاص بالشركة المصنعة.
- تنشيط سطح العينة مع 2 دقيقة البلازما الأكسجين (Gambetti Kenologia SRL، كوليبري) من 0.14 م بار الضغط و100 القوة W إعطاء الجهد التحيز من حوالي 450 V.
- خلط 35 مل سداسي، 15 مل رابع كلوريد الكربون (لجنة علم المناخ 4)، و 20 ميكرولتر octadecyltrichlorosilane (OTS) في دورق داخل غطاء الدخان. وضع الجهاز في الحل، وترك مغطاة لمدة ساعتين.
- شطف الجهاز مع 2 بروبانول وجففها بمسدس النيتروجين.
- تحقق من أن زاوية الاتصال من الماء على السطح هو فوق 90 درجة. إذا كانت زاوية الاتصال غير كافية، وتنظيف عينة وإعادة تنفيذ الخطوات الموجودة في 1.11.
- نزعالمتبقي مقاومة على عينة من قبل الشطف في الأسيتون، 2 بروبانول وتجفيف بمسدس النيتروجين.
- تحميل العينة على لوحة الدوائر المطبوعة مع الدليل الموجي الترددات الراديوية والموصلات المحورية القياسية (RF-PCB)، ثم وضعت لامتصاص الصوتية (أول اتصال البوليمر) على حواف عينة وربط IDT من قبل الرابطة سلك أو باستخدام موصلات بوجو.
- هو نمط A القالب الرئيسي للطبقة قناة مع SU-8 على قطعة صغيرة من السيليكون (سي) الرقاقة باستخدام ضوئيه الضوئية القياسية. سوف SU-8 نوع وصفة ضوئيه تعتمد على النهائي PDMS الداخلية ارتفاع قناة المطلوبة.
- يلقي PDMS على القالب
- مزيج PDMS مع وكيل علاج في نسبة 10:1.
- أجهزة الطرد المركزي في PDMS لمدة 2 دقيقة في 1،320 x ج لمدة التفريغ.
- صب PDMS بلطف على SU-8 العفن في طبق بتري إلى ارتفاع إجمالي PDMS بناء على أمر من 1 ملم. طبق بيتري المفتوحة يمكن وضعها في مجفف فراغ لحوالي 30 دقيقة في ORDإيه لديغا في PDMS أخرى.
- مرة واحدة degassed، وعلاج عن طريق تسخين PDMS إلى 80 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة في الفرن. لاحظ أن وقت الخبز ودرجة الحرارة يمكن أن يؤثر على الخواص الميكانيكية للPDMS.
- إعداد طبقة PDMS الصلبة
- خفض حول قناة باستخدام شفرة جراحية، والحرص على عدم الاضرار سيد SU8، وقشر تشغيله.
- ثم يتم صقل حواف طبق الاصل وتقويمها باستخدام شفرة حلاقة وترك ما لا يقل عن 2 ملم التخليص على الجانب الوحشي من القناة وأي عملية لإزالة (قص الحق من خلال) عند مخرج القناة.
- لكمة ثقب في microchamber باستخدام هاريس Unicore الناخس لتشكيل مدخل السوائل التحميل.
- السندات قناة PDMS مع الركيزة LN من قبل الرابطة امتثالي بسيطة. وبهذه الطريقة سوف تعقد الرابطة طوال مرحلة الاختبار السوائل في حين تبقى عكسها.
- يتم تنظيف الأسطح سواء قبل انضمامه إلى التي تهب بعيدا أي حطام الزائدة مع النيتروجين المضغوط الهواء. ومن جritical عند الانضمام القطع لمحاذاة قناة مع المحور الرئيسي للLN وفقا لعلامات المحاذاة منقوشة.
- يظهر الجهاز التخطيطي كاملة في الشكل 1. الانتهاء متجر الأجهزة في بيئة نظيفة حتى الاستخدام.
ملاحظة: من المهم أن يتم تنفيذ جميع الخطوات تلفيق في بيئة غرفة نظيفة لتجنب التلوث من الجهاز قبل الاستخدام.
ملاحظة: أي من الخطوات الطباعة الحجرية الضوئية يمكن الاستعاضة عن الأساليب المفضلة للمستخدم.
ملاحظة: قد تكون بديلا عن الإجراء silanization مسعور المفضل طريقة طلاء 13.
2. RF اختبار جهاز
- معايرة الشبكة أو محلل الطيف مع الدليل الموجي فتح / قصيرة على هاتفك RF-PCB.
- ربط SAW خط تأخير إلى موانئ محلل الطيف وقياس مصفوفة نثر منالجهاز. ونقل عن زوج من محولات قطب كهربائي واحد يشابه القيمة المطلقة للدالة سينك تركزت على التردد التشغيلية للIDT. في الطيف انعكاس لوحظ تراجع (الحد الأدنى) في نفس التردد 9-11. في أجهزتنا في 100 ميغاهيرتز تردد التشغيل على طول محور القيم الرئيسية هي نموذجية -15 ديسيبل لS11 S22 وو -10 DB ل S 12 (بدون قنوات PDMS).
3. الموائع الدقيقة والجسيمات تدفق حيوية التجربة التصور والتحليل
- ضع العينة تحت المجهر. الإعداد بصري محدد يعتمد على SAW على microfluidics الظواهر التي يتعين مراعاتها. على سبيل المثال، سوف المجهر انعكاس بسيط مجهزة الهدف 4X و30 إطارا في الثانية كاميرا الفيديو تكون مناسبة لدراسة ديناميات تعبئة السوائل. للتحقيق في ديناميات microparticle أكثر تعقيدا، فإنه قد يكون من الضروري استخدام المجهر مجهزة الهدف 20X و100 إطارا في الثانية أو أعلى كاميرا الفيديو. فمن مهمر أن كلا من الهدف ومعدل الإطار مرتفعة بما يكفي لالتقاط أي ميزات تدفق مهم مكانيا وزمانيا.
- ربط IDT أمام مخرج القناة إلى مولد إشارة الترددات اللاسلكية وتشغيلها في تردد الرنين لوحظ في قياسات مصفوفة نثر. قوة التشغيل نموذجي في التجارب الصوتية معاكس هو 20 ديسيبل. إذا لزم الأمر، واستخدام UHF مكبر للصوت عالية الطاقة. ويلاحظ الصوتية الجري والظواهر الانحلال دون معاكس الصوتية أثناء تشغيل الجهاز على خفض استهلاك الطاقة: عادة ما يبدأ إعادة تدوير الصوتية يتدفقون في 0 ديسيبل ويحدث الانحلال فوق 14 ديسيبل.
- تحميل 60 ميكرولتر من السائل إلى microchamber مع micropipette. سوف السوائل منتشر بشكل سلبي في microchamber. إذا لزم الأمر، ودفع برفق على سطح microchamber من أجل صالح الحشوة microchamber.
- من أجل تصور تدفق فمن الضروري إضافة بلي إلى السائل. لاحظ أنه من أجل تجنب clust الجسيماتتعافي، يصوتن تعليق الجسيمات قبل التجارب. لتجنب التصاق الجسيمات على الركيزة تطبيق 0 ديسيبل إشارة إلى الجهاز أثناء التحميل.
- بدء تسجيل الفيديو من خلال المجهر وزيادة القوة العاملة من أجل مراقبة معاكس الصوتية. وسيتم تحديد مخططات تدفق مختلفة عن طريق مدخلات الطاقة، وتصميم رقاقة وقطر الجسيمات.
- من أجل التقاط نوعيا ديناميات، وتدفق السوائل لديها ليتم تسجيلها في القرب من الغضروف المفصلي ومدخل في مراحل مختلفة من قناة ملء باستخدام علامات كمرجع المكانية.
- من أجل أداء القياس الكمي لديناميات الجسيمات عن طريق صورة الجسيمات الدقيقة velocimetry (μPIV) 14،15 أو المكانية الزمانية صورة الطيفي الارتباط (عصي) 16،17، تدفق السوائل يجب أن تكون مسجلة في نقطة اهتمام مع حقل ثابت من عرض لا يقل عن 100 لقطة في معدل الإطار الذي فرضته ديناميات الجسيمات.
- تحليل الفيديو مع برامج معالجة الصور. اختيار البرامج لاستخدامها يعتمد على الظواهر المثيرة للاهتمام. على سبيل المثال، لتحديد حجم التوزيع من قطرات صغار وتواترها المكانية من تراكم الجسيمات، أو تتبع الخط من الجسيمات الواحد، بسيطة مجانية برمجيات تحليل الصور مثل فيجي هو مناسبة 18، في حين من أجل الحصول يبسط والقياسات الميدانية سرعة، وتطويعه mPIV 19 أو عصي كود 20 مطلوب. في تحليلنا هو مكتوب تخصيص رمز عصي في MATLAB، ومع ذلك بديلا المفضل لغة الترميز قد يكون مقبولا على حد سواء.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ويبين الشكل 2 نتائج ممثل اختبار RF الجهاز الذي تم اتخاذها قبل تربط طبقة LN إلى طبقة متناهية: يتم الإبلاغ عن نموذجي S 11 و S 12 الأطياف في لوحة أ) و ب) على التوالي. ويرتبط عمق الوادي في تواتر المركزية في سبت 11 الطيف لكفاءة تحويل الطاقة RF في SAW الطاقة الميكانيكية. وبالتالي، لعدد محدد من IDT أزواج إصبع، وانخفاض في الحد الأدنى وادي يؤدي إلى خفض الطاقة المطلوبة لتشغيل الجهاز. على التردد هذا الحد الأدنى، سيقوم الجهاز توليد بأكبر قدر من الكفاءة الموجة الصوتية لتحفيز ضخ السائل، وبالتالي هي النقطة التي نختار لتشغيل الجهاز. في أجهزتنا في 100 ميغاهيرتز تردد التشغيل على طول محور القيم الكبرى النموذجية هي أقل من -10 ديسيبل لS 11. القيم أعلاه -10 ديسيبل قد دلالة على محول التالفة أو التي قلل، إذا كان العملجي، سيتطلب زيادة مدخلات الطاقة. ويمكن تخفيض هذه القيمة عن طريق مطابقة مقاومة IDT، وذلك باستخدام شبكة مطابقة خارجي، أو عن طريق IDT تصميم 9-11. الحد الأقصى للS 12 الطيف على حد سواء ذات الصلة إلى كفاءة تحويل الطاقة RF وSAW الطاقة الميكانيكية من أهداف الاستثمار الإنمائية والتوهين من SAW على طول خط تأخير. تخفيض هذه القيمة (عادة حوالي -10 ديسيبل في أجهزتنا) يمكن أن تنبع من عيوب في أهداف الاستثمار الإنمائية (لاحظ أيضا تخفيض حجم مجمع دبي للاستثمار في الطيف S11)، اختلالها من SAW خط تأخير، أو الشقوق.
ويبين الشكل 3 لاحظ أربعة أنماط تدفق سمة مختلفة باستخدام الخرز اللاتكس 500 نانومتر. يظهر كل لوحة الجسيمات يبسط الناتجة عن عصي. تم إجراء التحليل على تسجيل 2-ثانية في 100 إطارا في الثانية التي تم الحصول عليها بواسطة المجهر انتقال البصرية. ديناميات النتائج التفصيلية من التوازن بين اثنين من القوى المهيمنة تعمل على الجزيئات: قوة السحب والصوتية Rقوة adiation 21،22. قوة السحب من عنصرين في معاكس الصوتية: واحدة من نتائج النقل الجماعي ويعود لقناة التعبئة، والنتائج الأخرى من تبديد الطاقة الصوتية في السوائل الناشئة في إعادة تدوير المعروفة باسم يتدفقون الصوتية. كلا تدفق الصوتية والأشعة الصوتية تسوس النفاذ في موجة الضغط في الماء خفف. لوحات أ) و ب) تظهر اثنين من نتائج مختلفة عند مدخل القناة. في لوحة ويلاحظ أ) اثنين من الدوامات متناظرة بسبب الظواهر الصوتية الجري في بداية القناة الصوتية معاكس ملء. بعد مرور بعض الوقت عندما يتم تعبئة قناة جزئيا، لوحة ب) يبين تدفق الصفحي بسبب قمع آثار acoustofluidic في مدخل للجبهة السائل المتقدمة. لوحة ج) ولوحة د) تظهر حالتين مختلفتين في القرب من الغضروف المفصلي عندما يتم تعبئة قناة جزئيا. في لوحة ج)ويلاحظ الجزيئات تتراكم في الخطوط وتتحرك بنفس السرعة كما في الغضروف المفصلي. هذا هو الحال ممثل في الذي يهيمن ديناميات الجسيمات من قبل قوة الإشعاع الصوتية. ويرد ديناميات ممثل هيمنة قوة السحب وآثار تدفق الصوتية في لوحة د) في الجسيمات التي تتبع اثنين من الدوامات وتتراكم فقط في نطاقات مسافة 300 مم من الغضروف المفصلي، على مقربة من سطح الركيزة.
الشكل 1. أعلى عرض (أ) وعرض متساوي القياس (ب) من جهاز معاكس الانتهاء (وليس إلى نطاق و) هي التي شيدت الجهاز من طبقتين؛ السفلي يتكون من الذهب أهداف الاستثمار الإنمائية منقوشة على LN، والعلوي من PDMS متناهية. يتم تطبيق إشارة الترددات اللاسلكية إلى IDT اليسار، وسوف SAW المقابلة نشر إلى الحق. فإن السائل يتدفق من مدخل السوائل التعميم علىالحق نحو IDT اليسار. الأبعاد رقاقة النموذجية هي 25 مم × 10 مم × 0.5 مم للطبقة SAW، و 10 مم × 5 مم × 4 ملم للطبقة PDMS. الأبعاد يتم تقديم ميزة في الخطوة 1 من البروتوكول.
الشكل 2. نموذجي S-المعلمات لجهاز SAW-معاكس. تردد صدى في أطياف (أ) S 11 و (ب) S 12 يمكن أن ينظر في 95 ميغاهيرتز. انقر هنا لعرض أكبر شخصية .
الشكل (3). لاحظ أربعة أنماط تدفق سمة مختلفة باستخدام الخرز اللاتكس 500 نانومتر داخل القناة الصوتية معاكس. ويبسط هو مبين في كل السلطة الفلسطينيةيتم مضافين نيل نتيجة من تحليل عصي من التسجيلات 2 الثانية في 100 إطارا في الثانية مع المجهري البث البصري، وعلى الإطار النهائي من كل فيديو. يمكن أن ينظر إلى مدخل القناة في (أ) T = 0، عندما تبدأ القناة لملء، وعلى (ب) وقت لاحق بعد القناة مرة يتم تعبئة جزئيا. يمكن أن ينظر إلى حافة الرائدة في الغضروف المفصلي لحالة (ج) تدفق الصفحي مع خطوط تراكم الجسيمات، و (د) تدفق دوامة أكثر تعقيدا، ومخطط يجري يحدده هندسة الجهاز. تم الحصول على أنماط تدفق على جهاز نموذجي تعمل في 20 ديسيبل. وكانت معدلات التدفق لهذه التجارب بناء على أمر من 1-10 NL / ثانية من خلال القناة، في حين أن سرعة تدفق يعني في الدوامات يمكن أن يكون مرتفعا كما 1 ملم / ثانية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
واحدة من أكبر التحديات التي يواجهها المجتمع ميكروفلويديك هو تحقيق منصة يشتغل لأجهزة نقطة من الرعاية المحمولة حقا. بين المقترحة متكاملة micropumps 23، تلك القائمة على الموجات الصوتية السطحية (مناشير) وجاذبية خاصة بسبب القدرات المرتبطة بها في الاختلاط، والانحلال والجسيمات تركيز السوائل وفصل 4. في هذه الورقة أثبتت أننا كيفية صنع وتشغيل جهاز مختبر على رقاقة التي قاد السوائل داخل سيارة مغلقة PDMS متناهية بواسطة متكاملة على رقاقة SAW المحركات كما هو موضح أول مرة من قبل سيتشيني وآخرون. 8.
وفيما يتعلق تصنيع الجهاز كما هو موضح في الإجراء أعلاه، من المهم جدا للحفاظ على النظافة في كل نقطة من بروتوكول تلفيق، وعيوب خلاف ذلك في أهداف الاستثمار الإنمائية، شكل متناهية، ويمكن أن تنشأ قابلية ترطب السطح. عيوب في أهداف الاستثمار الإنمائية يمكن أن يؤدي إلى زيادة المطلوب E قوة التشغيل أو تنبيغ حتى غير فعالة من SAW. ويجب إيلاء الاهتمام لتلفيق متناهية. وهناك حاجة إلى سطح مستو ونظيف للفحص المجهري. عيوب في حواف متناهية يمكن أن يسبب الغضروف المفصلي تعلق والحد من كل قناة سرعة ملء والموثوقية رقاقة. هذه العيوب يمكن أيضا فقاعات nucleate الذي يغير خصائص تدفق وربما تعطيل ضخ السوائل تماما. ويجب اتخاذ الحذر في functionalization السطح. إذا ما كانت الجدران قناة تتكون من واجهة السفلي الركيزة PDMS والأسطح الجانبية والأعلى هي ماء الشاملة، الشعرية ملء مدفوعة يمنع SAW بالموقع الضخ. وعلى العكس، إذا كان سطح الركيزة هو مسعور جدا، فتت قطرات من الغضروف المفصلي لا تتجمع على نحو فعال، ومنع قناة الحشوة. التجانس في functionalization الركيزة بالتالي يؤدي إلى قناة غير موثوقة ملء ديناميات مع تعلق النقاط والمناطق مدفوعة الشعرية.
بشأن تدفق تجاهualization والدراسات ديناميات الجسيمات، وقطرها الجسيمات الناتجة أمر بالغ الأهمية لديناميات المرصودة. ويتعرض كل من الجزيئات لسحب القوة (بسبب تدفق السوائل) وقوة الإشعاع الصوتية (بسبب نقل الزخم مباشر من موجات الضغط في السوائل). بينما قوة السحب يتناسب مع دائرة نصف قطرها الجسيمات، وقوة الإشعاع الصوتية يتناسب مع حجم الجسيمات. فإن قوة السحب السيطرة على ديناميات الجسيمات كما يتم تقليل قطرها الجسيمات، وبالتالي فإن الجزيئات متابعة تدفق السوائل بشكل وثيق. وبهذه الطريقة يمكننا الحصول على تصور دقيق لتدفق السوائل عن طريق اختيار قطر الجسيمات الصغيرة بشكل مناسب فيما يتعلق تصميم الجهاز. لاحظ أن جسيمات من نفس القطر يمكن إما إعادة إنتاج السائل يبسط بدقة، أو على العكس أن تهيمن عليها قوة الإشعاع الصوتية، اعتمادا على هندسة الجهاز. اعتمادا على حجم من الخرز وتقنية التصور، قد البصريات التغيير مطلوب.تركيز الجسيمات يعتمد أيضا على الغرض التجريبية: في حالة تركيز الجسيمات منخفضة mPIV ويفضل 14،24، ولكن تركيز الجسيمات كبير يسمح للأفضل إحصائية وتصور نوعيا يبسط في الصور واحدة. ينبغي أن يكون الحل الجسيمات monodisperse وبدون كتل لفهم كلا نوعي وكمي من الحقول سرعة الجسيمات.
وكرس الكثير من الجهد أيضا لفهم سلوك الجسيمات الصغيرة الحجم 25 نظرا لفرز التطبيقات في العينات البيولوجية. من أجل أداء الفرز الأساسية، والدراسات مع الخرز، والجسيمات وقناة functionalization لهما أهمية قصوى من أجل تجنب التصاق الجسيمات وانسداد قناة.
في هذا الفيديو أظهرنا كيفية تلفيق وتعمل يحركها SAW الأجهزة معاكس الصوتية التي هي التي تحرك السوائل على رقاقة في مغلقة PDMS شبكات متناهية. كان اهتمام خاص DEVOتيد لتصور ديناميات الجسيمات التي هي في الأساس من التطبيقات الفرز acoustophoretic.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لديهم ما يكشف.
Acknowledgments
الكتاب ليس لديهم واحد على الاعتراف.
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 |
References
- Masini, L., Cecchini, M., Girardo, S., Cingolani, R., Pisignano, D., Beltram, F. Surface-acoustic-wave counterflow micropumps for on-chip liquid motion control in two-dimensional microchannel arrays. Lab on a Chip. 10 (15), 1997-2000 (2010).
- Travagliati, M., De Simoni, G., Lazzarini, C. M., Piazza, V., Beltram, F., Cecchini, M. Interaction-free, automatic, on-chip fluid routing by surface acoustic waves. Lab on a Chip. 12 (15), 2621-2624 (2012).
- Wixforth, A. Acoustically driven planar microfluidics. Superlattices and Microstructures. 33 (5), 389-396 (2003).
- Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647-64 (2011).
- Tan, M. K., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Rapid fluid flow and mixing induced in microchannels using surface acoustic waves. Europhysics Letters. 87, 47003 (2009).
- Glass, N., Shilton, R., Chan, P., Friend, J., Yeo, L. Miniaturised Lab-on-a-Disc (miniLOAD). SMALL, Small. 8 (12), 1880-1880 (2012).
- Madou, M. J., Kellogg, G. J. LabCD: a centrifuge-based microfluidic platform for diagnostics. Proceedings of SPIE. 3259, 80 (1998).
- Cecchini, M., Girardo, S., Pisignano, D., Cingolani, R., Beltram, F. Acoustic-counterflow microfluidics by surface acoustic waves. Applied Physics Letters. 92 (10), 104103 (2008).
- Campbell, C. Surface acoustic wave devices for mobile and wireless communications. 1, Academic Press. San Diego, Toronto. (1998).
- Hashimoto, K. Y. Surface acoustic wave devices in telecommunications: modelling and simulation. , Springer. (2000).
- Royer, D., Dieulesaint, E. Elastic Waves in Solids II. Generation, Acousto-Optic Interaction, Applications. 2, Springer. (2000).
- Renaudin, A., Sozanski, J. P., Verbeke, B., Zhang, V., Tabourier, P., Druon, C. Monitoring SAW-actuated microdroplets in view of biological applications. Sensors and Actuators B: Chemical. 138 (1), 374-382 (2009).
- Glass, N. R., Tjeung, R., Chan, P., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Organosilane deposition for microfluidic applications. Biomicrofluidics. 5 (3), 036501 (2011).
- Wereley, S. T., Meinhart, C. D. Recent advances in micro-particle image velocimetry. Annual Review of Fluid Mechanics. 42, 557-576 (2010).
- Augustsson, P., Barnkob, R., Wereley, S. T., Bruus, H., Laurell, T. Automated and temperature-controlled micro-PIV measurements enabling long-term-stable microchannel acoustophoresis characterization. Lab on a Chip. 11 (24), 4152-4164 (2011).
- Hebert, B., Costantino, S., Wiseman, P. W. Spatiotemporal image correlation spectroscopy (STICS) theory, verification, and application to protein velocity mapping in living CHO cells. Biophysical Journal. 88 (5), 3601 (2005).
- Rossow, M., Mantulin, W. W., Gratton, E. Spatiotemporal image correlation spectroscopy measurements of flow demonstrated in microfluidic channels. Journal of Biomedical Optics. 14 (2), 024014 (2009).
- Schindelin, J., Arganda-Carreras, I., Frise, E., Kaynig, V., Longair, M., Pietzsch, T., Preibisch, S., Rueden, C., Saalfeld, S., Schmid, B., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- mpiv - MATLAB PIV Toolbox. , Available from: http://www.oceanwave.jp/softwares/mpiv/ (2012).
- mpiv - MATLAB PIV Toolbox. , Available from: http://wiseman-group.mcgill.ca/software.php (2012).
- Rogers, P. R., Friend, J. R., Yeo, L. Y. Exploitation of surface acoustic waves to drive size-dependent microparticle concentration within a droplet. Lab on a Chip. 10 (21), 2979-2985 (2010).
- Muller, P. B., Barnkob, R., Jensen, M. J. H., Bruus, H. A numerical study of microparticle acoustophoresis driven by acoustic radiation forces and streaming-induced drag forces. Lab on a Chip. 12 (22), 4617-4627 (2012).
- Luo, J. K., Fu, Y. Q., Li, Y., Du, X. Y., Flewitt, A. J., Walton, A. J., Milne, W. I. Moving-part-free microfluidic systems for lab-on-a-chip. Journal of Micromechanics and Microengineering. 19 (5), 054001-05 (2009).
- Lindken, R., Rossi, M., Große, S., Westerweel, J. Micro-particle image velocimetry (μPIV): recent developments, applications, and guidelines. Lab on a Chip. 9 (17), 2551-2567 (2009).
- Gedge, M., Hill, M. Acoustofluidics 17: Theory and applications of surface acoustic wave devices for particle manipulation. Lab on a Chip. 12 (17), 2998-3007 (2012).
