Summary
In deze video beschrijven we eerst de fabricage en de werking procedures van een surface acoustic wave (SAW) akoestische tegenstroom apparaat. Vervolgens tonen een experimentele situatie dat zowel stromingsvisualisatie kwalitatieve en kwantitatieve analyse van complexe stromen binnen de SAW pompinrichting.
Abstract
Oppervlak akoestische golven (zagen) kan worden gebruikt om vloeistoffen in draagbare microfluïdische chips stimuleren via het akoestische verschijnsel tegenstroom. In deze video presenteren we de fabricage protocol voor een meerlaags SAW akoestische tegenstroom apparaat. Het apparaat is vervaardigd uitgaande van een lithiumniobaat (LN) substraat waarop twee interdigitale omvormers (IDT) en geschikte merkers zijn patroon. Een polydimethylsiloxaan (PDMS) kanaal werpen op een SU8 meester mal is tenslotte gebonden aan het patroon substraat. Na de fabricage procedure, tonen we de technieken die de karakterisering en de werking van de akoestische tegenstroom apparaat toestaan om vloeistoffen te pompen door de PDMS zenderoverzicht. We eindelijk presenteren de procedure om vloeistofstroom te visualiseren in de kanalen. Het protocol wordt gebruikt voor on-chip vloeistof verpompen onder verschillende stroomsnelheden regimes als laminaire stroming ingewikkelder dynamiek gekenmerkt door draaikolken en partikels domeinen tonen.
Introduction
Een van de voortdurende uitdagingen de microfluïdische gemeenschap is de noodzaak om een efficiënt pompende werking kan worden verkleind is om in echt draagbare micro-total-analysesystemen (μTAS's) hebben. Standard macroscopische pompsystemen enkel nalaat de draagbaarheid vereist μTAS's bieden, wegens de ongunstige schaling van het debiet als kanaal verkleint naar de micron of lager. Integendeel, zagen hebben opgedaan toenemende belang fluïdum bedieningsmechanismen en verschijnen als een veelbelovende mogelijkheid voor de oplossing van een aantal van deze problemen 1,2.
Zagen werden getoond aan een zeer efficiënt mechanisme van energietransport in vloeistoffen 3 bieden. Wanneer een SAW propageert op een piëzo-elektrisch substraat, zoals lithiumniobaat (LN), de golf wordt schuin bekend als de Rayleigh hoek θ = R sin uitgestraald in een vloeistof in zijn pad722, 1 (c f / c s), vanwege de mismatch van geluid snelheden in het substraat, c s en de vloeistof f c. Deze lekkage van straling in de vloeistof leidt tot een drukgolf die de akoestische streaming drijft in het fluïdum. Afhankelijk van het apparaat geometrie en aangelegd op de inrichting, werd dit mechanisme aangetoond dat een grote verscheidenheid van on-chip processen, zoals vloeistofmenging deeltje sorteren, verneveling en pompen 1,4 bedienen. Ondanks de eenvoud en effectiviteit van het bedienen van microfluids met SAW, zijn er slechts een klein aantal van de SAW gereden microfluïdische pompen mechanismen die zijn aangetoond tot op heden. De eerste demonstratie was de simpele vertaling van vrije druppeltjes geplaatst in de SAW propagatiepad op een piëzo-elektrisch substraat 3. Deze nieuwe methode gegenereerd veel belangstelling voor het gebruik zagen als microfluidic bediening methode, maar er was nog steeds behoefte aan vloeistoffenworden aangedreven door middel van bijgevoegde kanalen-een moeilijke taak. Tan et al.. Aangetoond pompen binnen een microchannel dat is laser ablatie direct in het piëzo-elektrische substraat. Door geometrische modificatie met betrekking tot het kanaal en IDT afmetingen, konden zij zowel uniform mengen stromen tonen 5. Glas et al.. Onlangs aangetoond een methode van het verplaatsen van vloeistoffen door microkanalen en microfluïdische onderdelen door het combineren van SAW bediend rotaties met centrifugale microfluidics, als een demonstratie van ware miniaturisatie van de populaire Lab-on-a-cd concept van 6,7. De enige volledig gesloten SAW gedreven pompmechanisme dat is aangetoond nog worden Cecchini et al.. 'S SAW-driven akoestische tegenstroom-8 de focus van deze video. Dit systeem benut de verneveling en coalescentie van een fluïdum te pompen door een gesloten kanaal in de richting tegen de voortplantingsrichting van eencoustic wave. Dit systeem kan leiden tot verrassend complex stromen in een microkanaal. Bovendien, afhankelijk van het apparaat geometrie kan hiermee een reeks stroom regelingen van laminaire stromen naar complexere regimes gekenmerkt door draaikolken en deeltjes-accumulatie domeinen. De mogelijkheid om eenvoudig te beïnvloeden de stroming kenmerken binnen de inrichting toont mogelijkheden voor geavanceerde on-chip deeltje manipulatie.
In dit protocol willen we de belangrijkste aspecten van de praktische SAW-gebaseerde microfluidics verduidelijken: apparaat fabricage, experimentele operatie, en de stroom visualisatie. Hoewel we deze expliciet beschreven procedures voor de fabricage en werking van SAW-driven tegenstroom akoestische apparaten, kunnen deze secties gemakkelijk worden aangepast voor de toepassing van een aantal SAW-driven microfluidic regimes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Apparaat Fabrication
- Ontwerp twee fotomaskers, de eerste voor patroonvorming de surface acoustic wave (SAW) laag, en de tweede voor het polydimethylsiloxaan (PDMS) microchannel schimmel.
- De eerste fotomasker heeft een paar tegenover elkaar interdigital transducers (IDP's)-ook wel bekend als een SAW delay lijn-en markers voor kanaal uitlijning en ruimtelijke referentie tijdens de microscopie. In onze standaard inrichting hebben wij enkele elektrode IDP's met een vinger breedte p = 10 micrometer, opening van 750 pm en 25 rechte vinger paren. De resulterende IDT genereert Zagen met een golflengte λ = 4 p = 40 micrometer overeenkomt met een frequentie f o = c SAW / λ ≈ 100 MHz op 128 ° YX lithiumniobaat (LN). Elke IDT breedte moet boven tweemaal de breedte van het microkanaal om eventuele foutieve uitlijning te verminderen terwijl het verlijmen van de lagen. IDT ontwerp parameters worden besproken comprehensively in verschillende boeken 9-11. We merken op dat slechts een IDT (geplaatst op het kanaal uitlaat) is nodig om de vloeistof drijven in het kanaal in akoestische-tegenstroom, maar patroonvorming een volledige vertraging lijn helpt bij het testen apparaat.
- De tweede heeft een eenvoudige microchannel structuur worden uitgelijnd langs de SAW delay lijn, met een microkamer om het kanaal inlaat te vormen. In onze typische inrichtingen, de kanalen een breedte w = 300 mm en een lengte van 5 mm. Als algemene regel geldt dat de kanaalbreedte minstens 10 λ zijn om diffractie effecten tijdens SAW voortplanting in de microchannel voorkomen, maar in onze tests vonden we dat een breedte van ~ 7 λ geen significante invloed zou SAW voortplanting binnen het kanaal.
- Beginnen met een LN wafer en klieven een 2 cm bij 2 cm monster. Om transmissie microscopie moet een dubbelzijdig gepolijste wafer gebruiken. Merk op dat LN is een standaard voor de biocompatibiliteit en de SAWpolarisatie en hoge piëzoelektrische koppelcoëfficiënt langs de hoofdas, maar andere piëzo-elektrische materialen kunnen worden gebruikt met geschikte ontwerp overwegingen.
- Reinig het substraat door te spoelen in aceton, 2-propanol en gedroogd met stikstof pistool.
- Spin jas van het monster met Shipley S1818 bij 4.000 tpm gedurende 1 minuut.
- Zacht bakken bij 90 ° C gedurende 1 minuut op een hete plaat.
- Lijn het monster met de SAW laagmasker met een masker aligner en het blootstellen aan UV-licht met een 55 mJ / cm 2. Zorg moet worden genomen om de IDT richting lijn langs de hoofdas van de LN substraat.
- Spoel het monster in Microposit MF319 ontwikkelaar voor 30 seconden naar de onbelichte fotolak verwijderen.
- Stoppen met de ontwikkeling door het spoelen van het monster in gedeïoniseerd water en droog het met een stikstof pistool.
- Deponeren van een 10-nm-dikke titanium hechtlaag gevolgd door 100-nm-dikke goudlaag door thermische verdamping.
- Voer lift-off door sonicating de svolop in aceton, spoel het in 2-propanol en droog met een stikstof pistool.
- Silaniseren het oppervlak van het apparaat om het hydrofoob maken in het microkanaal gebied 12.
- Maskeren de microkamer met AR-N-4340 negatieve toon fotolak door optische lithografie volgens de datasheet van de fabrikant.
- Activeert het monster oppervlak met een 2 min zuurstof plasma (Gambetti Kenologia Srl, Colibri) van 0,14 mbar en 100 W vermogen geven een voorspanning van ongeveer 450 V.
- Meng 35 ml hexadecaan, 15 ml tetrachloorkoolstof (CCl 4), en 20 pi octadecyltrichloorsilaan (OTS) in een bekerglas in een zuurkast. Het apparaat in de oplossing en laat afgedekt twee uur.
- Spoel het apparaat met 2-propanol en droog het met een stikstof pistool.
- Controleer dat de contacthoek van water op het oppervlak hoger is dan 90 °. Als de contacthoek is onvoldoende, het reinigen van de steekproef en het opnieuw uitvoeren van de stappen in 1.11.
- Verwijderende resterende resist op het monster door spoelen in aceton, 2-propanol en gedroogd met stikstof pistool.
- Monteer het monster op een printplaat met radiofrequentie golfgeleiders en standaard coaxiale connectoren (RF-PCB's), en zet dan akoestische absorber (First Contact polymeer) op het monster randen en sluit het IDT met draad of met behulp van pogo-connectoren.
- Een meester mal van het kanaal laag is gevormd met SU-8 op een klein stukje silicium (Si) wafer met behulp van standaard optische fotolithografie. SU-8 type en fotolithografie recept zal afhankelijk zijn van de uiteindelijke PDMS interne kanaal hoogte vereist.
- Wierp PDMS op de mal
- Meng PDMS met een hardingsmiddel in een verhouding van 10:01.
- Centrifugeer de PDMS gedurende 2 min bij 1.320 x g ontgassing.
- Giet de PDMS voorzichtig op de SU-8 schimmel in een petrischaal tot een totaal PDMS hoogte in de orde van 1 mm. De open petrischaal kan in een vacuümexsiccator geplaatst gedurende ongeveer 30 min in order aan ontgassen de PDMS verder.
- Eenmaal ontgast, behandeling PDMS door verhitting tot 80 ° C gedurende een uur in een oven. Merk op dat de baktijd en temperatuur kan de mechanische eigenschappen van PDMS.
- Bereid de vaste PDMS-laag
- Snijd rond het kanaal met behulp van een chirurgisch mes, zorg dat u de SU8 meester beschadigen, en afschilferen.
- Replica randen worden vervolgens verfijnd en rechtgetrokken met behulp van een scheermesje verlaten ten minste 2 mm speling aan de zij kant van het kanaal en geen speling (dwars door) op het kanaal uitlaat.
- Sla een gat in de microkamer met een Harris Unicore perforator de fluïdum-loading inlaat vormen.
- Bond de PDMS-kanaal met de LN substraat door eenvoudige conforme bonding. Op deze manier zal de band gedurende de vloeistof testfase houden terwijl de resterende omkeerbaar.
- Beide oppervlakken worden gereinigd voorafgaand aan toetreding door het blazen van de overtollige restanten weg met samengeperste stikstof lucht. Het critical bij de toetreding tot de stukken naar het kanaal met de hoofdas van de LN lijn volgens het patroon uitlijningstekens.
- De volledige inrichting is schematisch weergegeven in figuur 1. WINKEL voltooid apparaten in een schone omgeving tot gebruik.
Opmerking: Het is belangrijk dat alle fabricagestappen uitgevoerd in een clean room worden uitgevoerd om besmetting van het hulpmiddel voor gebruik.
Opmerking: Een van de fotolithografische stappen kunnen worden vervangen door de gebruiker voorkeur.
Opmerking: De silanisatie procedure kan worden vervangen door een voorkeurs hydrofobe bekledingswerkwijze 13.
2. RF Device Testing
- Kalibreren het netwerk of spectrum analyzer met een open / short golfgeleider op uw RF-PCB.
- Sluit de SAW vertraging lijn naar de havens van een spectrum analyzer en meet de verstrooiing matrix van deapparaat. De transmissie voor een paar enkele elektrode transducers wordt de absolute waarde van een sinc functie gecentreerd op de werkfrequentie van de IDT lijken. In het reflectiespectrum een dip (minimum) wordt waargenomen met dezelfde frequentie 9-11. In onze apparaten op 100 MHz frequentie langs de hoofdas typische waarden zijn -15 dB voor de S11 en de S22 en -10 dB voor de S 12 (zonder PDMS kanalen).
3. Microfluidics en Particle Flow Dynamics Visualisatie Experiment en Analyse
- Plaats het monster onder een microscoop. De specifieke optische opstelling is afhankelijk van de SAW microfluidics verschijnselen worden waargenomen. Bijvoorbeeld, een eenvoudige reflectie microscoop uitgerust met een 4x objectief en een 30 fps videocamera geschikt om vloeistof vullen dynamica. Voor meer complexe microdeeltjes dynamica, kan het nodig zijn een microscoop met een 20X objectief en 100 fps of meer video camera. Het is important dat zowel de objectieve en frame rate hoog genoeg zijn om elke ruimte en tijd belangrijke stroming functies vast te leggen.
- Sluit de IDT voor de kanaaluitlaat een RF signaal generator en met de in de resonantiefrequentie waargenomen in de verstrooiing matrix metingen. De typische operationele kracht in de akoestische-tegenstroom experimenten is 20 dBm. Indien nodig, gebruik maken van een high-power UHF versterker. Akoestisch-streaming en atomisering verschijnselen worden waargenomen zonder akoestische tegenstroom tijdens het uitvoeren van het apparaat op een lager vermogen: meestal akoestisch-streaming recirculatiesysteem begint bij 0 dBm en verneveling optreedt boven 14 dBm.
- Plaats 60 gl van vocht in de microkamer een micropipet. Vloeistof zal passief diffunderen in de microkamer. Eventueel duw op de microkamer aanraken om de microkamer vulling bevorderen.
- Om de stroming te visualiseren moet microbolletjes toe te voegen aan de vloeistof. Merk op dat om te voorkomen dat deeltjes clustering, ultrasone trillingen de deeltjessuspensie voorafgaand aan de experimenten. Om deeltjes hechting op de ondergrond een 0 dBm signaal aan het apparaat tijdens het laden te voorkomen.
- Beginnen met het opnemen van de video door de microscoop en het verhogen van de operationele vermogen om de akoestische tegenstroom te observeren. Verschillende stroomsnelheden's wordt bepaald door ingangsvermogen, chip ontwerp en deeltjesdiameter.
- Om kwalitatief vastleggen van de dynamiek fluïdumstroming moet worden geregistreerd in de nabijheid van de meniscus en de inlaat in verschillende stadia van het kanaal vullen met behulp van merkers als ruimtelijk referentie.
- Om de kwantitatieve meting van deeltjes dynamiek uitvoeren door micro particle image velocimetry (μPIV) 14,15 of ruimtelijke temporeel beeldcorrelatie spectroscopie (PEN) 16,17, vloeistofstroom moet worden opgenomen in de bezienswaardigheid met een vaste gezichtsveld gedurende ten minste 100 frames met een beeldsnelheid opgelegd door het deeltje dynamiek.
- Analyseer de video met beeldbewerkingssoftware. De keuze van de software te gebruiken hangt af van de verschijnselen plaats. Bijvoorbeeld, om de grootteverdeling van vernevelde druppeltjes, ruimtelijke periodiciteit van accumulatie deeltje, of handmatig bijhouden van verdunde deeltjes, eenvoudig freeware software voor beeldanalyse, zoals Fiji kwantificeren geschikt is 18 en dat met het oog op het verkrijgen stroomlijnt en snelheid veldmetingen, aangepaste mPIV 19 of 20 TIEKEN code vereist. In onze analyse aangepast PEN code is geschreven in MATLAB echter een voorkeursalternatief codeertaal kunnen eveneens aanvaardbaar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 2 toont representatieve resultaten van apparaat RF testen die werden genomen voorafgaand aan het hechten van de laag aan de LN microkanaal laag: typisch S 11 en S 12 spectra worden respectievelijk vermeld in deel a) en b). De diepte van het dal aan centrale frequentie spectrum S 11 is gerelateerd aan de efficiëntie van de omzetting van RF vermogen in SAW mechanische energie. Vandaar dat voor een vast aantal IDT vingerparen, een vermindering in de vallei minimum leiden tot een vermindering van de kracht die nodig is om het apparaat te bedienen. Bij de frequentie van dit minimum wordt de inrichting zo efficiënt genereren van de akoestische golf om de vloeistof pompen bedienen en derhalve het punt waarop we kiezen om het apparaat te bedienen. In onze apparaten op 100 MHz frequentie langs de hoofdas typische waarden zijn lager dan -10 dB voor S 11. Waarden boven -10 dBm kan een beschadigde of kortgesloten transducer die, indien het werk betekenening, zal verhoogd ingangsvermogen nodig. Deze waarde kan worden verlaagd door het afstemmen van de impedantie IDT door externe matching netwerk of door IDT ontwerp 9-11. Het maximum van het spectrum S 12 is zowel met betrekking tot de efficiëntie van de omzetting van RF-vermogen en SAW mechanisch vermogen van de IDT's en de verzwakking van SAW langs de vertragingslijn. Vermindering van deze waarde (typisch ongeveer -10 dBm in onze inrichtingen) kan voortkomen uit defecten in IDT (ook waargenomen door een vermindering van de omvang dip in de S11 spectrum), verkeerde uitlijning van de SAW vertragingslijn of scheuren.
Figuur 3 toont vier verschillende karakteristieke stromingspatronen waargenomen met 500-nm latex korrels. Elk paneel toont deeltje stroomlijnt gevolg van PEN. De analyse werd uitgevoerd op een 2-sec opname op 100 fps verkregen optische transmissie microscopie. De gedetailleerde dynamiek resultaten van het evenwicht tussen de twee dominante krachten die op de deeltjes: wrijvingskracht en akoestische radiation kracht 21,22. De wrijvingskracht heeft twee componenten in akoestische tegenstroom: een resultaat van massatransport vanwege kanaliseren vullen, de overige resultaten van de dissipatie van akoestische energie in de vloeistof die zich in een recirculatiesysteem bekend als akoestische streaming. Zowel akoestische streaming en akoestische straling kracht verval als de drukgolf in het water verzwakt. Panelen a) en b) tonen twee verschillende resultaten op het kanaal inlaat. In panel a) twee symmetrische wervels waargenomen als gevolg van de akoestische-streaming verschijnselen aan het begin van de akoestische-tegenstroom kanaal vullen. Na enige tijd wanneer het kanaal gedeeltelijk gevuld is, paneel b) toont laminaire stroming als gevolg van onderdrukking van acoustofluidic effecten bij de inlaat van de oprukkende voorste vloeistof. Panel c) en d paneel) tonen twee verschillende situaties in de nabijheid van de meniscus wanneer het kanaal gedeeltelijk gevuld. In panel c)deeltjes worden waargenomen ophopen in lijnen en bewegen met dezelfde snelheid als de meniscus. Dit is het geval waarin representatieve deeltjes dynamica gedomineerd door de akoestische stralingskracht. De vertegenwoordiger dynamiek van de dominantie van de wrijvingskracht en akoestische streaming effecten wordt getoond in panel d) waarin deeltjes volgen twee vortices en hopen zich alleen in bands binnen 300 mm van de meniscus, dicht bij het substraat oppervlak.
Figuur 1. Bovenaanzicht (a) en isometrisch aanzicht (b) van de voltooide tegenstroom apparaat (niet op schaal) Het apparaat is opgebouwd uit twee lagen;. Het onderste uit goud patroon IDT's op LN, en de bovenste van de PDMS microchannel. Het RF signaal wordt toegevoerd aan de linker IDT en de bijbehorende SAW zal voortplanten naar rechts. De vloeistof zal vloeien uit de circulaire fluiduminlaat oprechts naar links IDT. Typische chip afmetingen 25 mm x 10 mm x 0.5 mm voor de SAW-laag en 10 mm x 5 mm x 4 mm van de PDMS-laag. Feature afmetingen zijn aangegeven in stap 1 van het protocol.
Figuur 2. Typische S-parameters voor een SAW-inrichting tegenstroom. De resonantiefrequentie in de spectra (a) S 11 en (b) S 12 kan worden gezien bij 95 MHz. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 3. Vier verschillende karakteristieke stromingspatronen waargenomen met behulp van 500-nm latex korrels binnen de akoestische tegenstroom kanaal. Het stroomlijnt weergegeven in elke panel resultaat van de PEN-analyse van 2-seconden opnamen bij 100 fps met optische transmissie microscopie, en worden bedekt op het laatste frame van elke video. De inlaat van de buis kan worden gezien bij (a) tijdstip t = 0, wanneer het kanaal begint te vullen, en een (b) later tijdstip nadat het kanaal gedeeltelijk gevuld. De voorrand van de meniscus kan worden gezien in het geval van (c) laminaire stroom met partikels lijnen, en (d) complexere wervelstroom, het bepaald wordt door het apparaat geometrie. De stromingspatronen werden verkregen op een typische inrichting werkt bij 20 dBm. Opbrengst bij deze experimenten waren de orde van 1 - 10 nl / s door het kanaal, terwijl de gemiddelde stroomsnelheid in de vortices zo hoog als 1 mm / sec kan zijn.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Een van de grootste uitdagingen voor de microfluïdische gemeenschap is de realisatie van een bediening platform voor echt draagbare point-of-care apparatuur. Onder de voorgestelde geïntegreerde micropompen 23, die op basis van oppervlakte akoestische golven (vzzmh) zijn bijzonder aantrekkelijk vanwege hun bijbehorende capaciteiten in vloeistof mengen, verneveling en deeltjes concentratie en scheiding 4. In dit artikel hebben we aangetoond hoe te fabriceren en exploiteren van een lab-on-chip apparaat waarin vloeistof wordt gestuurd in een gesloten PDMS microchannel door geïntegreerde on-chip SAW actuatoren zoals eerst beschreven door Cecchini et al.. 8.
Wat de fabricage inrichting zoals in de bovenstaande procedure, is het zeer belangrijk om schoon te houden op elk punt van de fabricage protocol, anders onvolkomenheden in de IDT, microkanaal vorm en oppervlak bevochtigbaarheid ontstaan. Onvolkomenheden in de IDT's kan leiden tot een toename van the vereiste operationele macht of zelfs ineffectieve transductie van de SAW. Aandacht moet worden besteed aan microchannel fabricage. Een vlakke schone ondergrond nodig is voor microscopie. Defecten in microkanalenplaat randen kunnen leiden tot meniscus pinning en vermindering van zowel kanaal vulling snelheid en betrouwbaarheid chip. Deze gebreken kunnen ook nucleëren bellen die de vloei-eigenschappen te veranderen en kan de vloeistof pompen volledig uit te schakelen. Voorzichtigheid moeten worden genomen in het oppervlak functionalisering. Als het kanaal muren bestaande uit de ondergrond bodem-interface en PDMS laterale en bovenste oppervlakken zijn algemeen hydrofiel, capillaire gedreven vulling voorkomt SAW actieve pompen. Omgekeerd, indien het substraatoppervlak te hydrofoob, verstoven druppeltjes uit de meniscus niet effectief samenvloeien, waardoor kanaal vullen. Inhomogeniteit in de ondergrond functionalisering vandaar leidt tot onbetrouwbare kanaal vullen dynamiek met pinning punten en capillariteit gedreven regio.
Inzake doorstroming visualization en particle dynamics studies, de deeltjesdiameter is van cruciaal belang voor de resulterende waargenomen dynamiek. Deeltjes worden blootgesteld zowel aan kracht te slepen (als gevolg van stroming) en akoestische straling kracht (wegens directe momentum transfer van de drukgolven in de vloeistof). Terwijl sleepkracht is evenredig met straal van de deeltjes de akoestische stralingskracht is evenredig deeltjesvolume. De wrijvingskracht zal het deeltje dynamiek domineren als de deeltjes diameter wordt verminderd, en de deeltjes zal dus de vloeistofstroom nauwer. Op deze manier kunnen we een nauwkeurige weergave van de fluïdumstroom verkrijgen door het kiezen van een geschikt kleine deeltjesdiameter opzichte van de apparatenontwerp. Merk op dat deeltjes van dezelfde diameter kan ofwel reproduceren stromen in het fluïdum nauwkeurig of omgekeerd worden gedomineerd door de akoestische stralingskracht, afhankelijk van het apparaat geometrie. Afhankelijk van de grootte van de kralen en de visualisatie techniek, kan de optiek nodig wijzigen.Deeltje concentratie hangt ook af van de experimentele doel: in het geval van mPIV lage concentratie deeltjes de voorkeur 14,24, maar grote deeltjes concentratie zorgt voor een betere statistiek en kwalitatief gevisualiseerd stroomlijnt in enkele beelden. Het deeltje oplossing moet monodispers zijn en zonder clusters zowel kwalitatief als kwantitatief begrip van de snelheidsvelden deeltje.
Veel inspanning werd besteed aan het begrijpen van het gedrag van micro-deeltjes 25 gezien sorteren toepassingen in biologische monsters. Om fundamentele sortering, studies met kralen te voeren, deeltje en channel functionalisering van het allergrootste belang om de deeltjes hechting en kanaal verstopping te voorkomen.
In deze video zien we hoe te fabriceren en te bedienen SAW-driven akoestische tegenstroom apparaten waarin vloeistoffen worden gereden op de chip in gesloten PDMS microkanaal grids. Bijzondere aandacht was devoted om de visualisatie van het deeltje dynamiek die aan de basis ligt van acoustophoretic sortering toepassingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Auteurs hebben niemand te erkennen.
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).
