Summary
In diesem Video beschreiben wir zunächst Fertigung und Operationsverfahren eines akustischen Oberflächenwellen (SAW) akustische Gegenstrom-Gerät. Wir zeigen dann einen Versuchsaufbau, der sowohl für qualitative und quantitative Visualisierung Flow Analyse von komplexen Strömungen innerhalb des SAW Pumpen Gerät ermöglicht.
Abstract
Akustische Oberflächenwellen (SAW) können verwendet werden, um Flüssigkeiten in tragbaren Mikrofluidik-Chips über die akustische Phänomen Gegenstrom zu fahren. In diesem Video stellen wir Ihnen die Herstellung Protokoll für einen vielschichtigen akustischen SAW Gegenstrom-Gerät. Die Vorrichtung wird hergestellt, ausgehend von einem Lithium-Niobat (LN) Substrat, auf dem zwei Interdigitalwandler (IDTs) und geeignete Marker sind gemustert. Ein Polydimethylsiloxan (PDMS)-Kanal an einem SU8 Urform gegossen wird schließlich auf dem gemusterten Substrat gebunden. Nach der Fertigung Verfahren zeigen wir die Techniken, die die Charakterisierung und den Betrieb des akustischen Gegenstrom Gerät ermöglichen, um Flüssigkeiten durch die PDMS Kanalrasters pumpen. Wir stellen schließlich die Prozedur, um den Flüssigkeitsstrom in den Kanälen zu visualisieren. Das Protokoll wird verwendet, um on-chip Fluidpumpsystem unter verschiedenen Strömungsregimen wie laminare Strömung und komplizierter Dynamik von Wirbeln und Partikelansammlung Domains dadurch zeigen.
Introduction
Eine der Herausforderungen für die Fortsetzung mikrofluidischen Gemeinschaft ist die Notwendigkeit, eine effiziente Pump-Mechanismus, der zur Integration in wirklich tragbare Mikro-Gesamt-Analysesysteme (&mgr; TAS ist) kann miniaturisiert werden müssen. Norm makroskopischen Pumpsystemen einfach nicht die Portabilität für &mgr; TAS die erforderlich sind, aufgrund der ungünstigen Skalierung der Volumenströme der Kanal Größe verringert bis Mikrometerbereich oder darunter. Im Gegenteil, haben SAWs zunehmendes Interesse als Fluidbeaufschlagung Mechanismen gewonnen und erscheinen als ein vielversprechender Weg für die Lösung einiger dieser Probleme 1,2.
SAWs wurde gezeigt, dass eine sehr effiziente Mechanismus der Energietransport in Flüssigkeiten 3 vorzusehen. Wenn ein SAW ausbreitet auf einem piezoelektrischen Substrat, z. B. Lithium-Niobat (LN), wird die Welle in einem Fluid abgestrahlt werden auf ihrem Weg in einem Winkel als die Rayleigh-Winkel θ R = sin bekannt722; 1 (c f / c s) aufgrund der Fehlanpassung der Schallgeschwindigkeit in dem Substrat, c s, und das Fluid F c. Das Austreten von Strahlung in das Fluid entsteht eine Druckwelle, die akustische Strömung treibt in der Flüssigkeit. Abhängig von der Geometrie der Vorrichtung und Leistung, die an der Vorrichtung wurde dieser Mechanismus gezeigt, dass eine Vielzahl von On-Chip-Verfahren, wie zum Mischen von Fluiden, Partikelsortierung, Zerstäubung und Pumpen 1,4 betätigen. Trotz der Einfachheit und Wirksamkeit der Betätigung Mikrofluidik mit SAW, gibt es nur eine kleine Anzahl von SAW angetrieben mikrofluidischen Pumpmechanismen, die bisher gezeigt haben. Die erste Demonstration war die einfache Übersetzung der freien Tröpfchen in der SAW-Ausbreitungsrichtung Pfad auf einem piezoelektrischen Substrat 3 angeordnet. Dieses neuartige Verfahren erzeugt viel Interesse an der Nutzung SAWs als mikrofluidischen Betätigung Verfahren, aber es war immer noch ein Bedarf für Flüssigkeitendurch geschlossene Kanäle-eine schwierigere Aufgabe getrieben werden. Tan et al. Gezeigt Pumpen in einen Mikrokanal, der Laser abgetragen wurde direkt in dem piezoelektrischen Substrat. Durch geometrische Modifikation mit Bezug auf den Kanal und IDT Abmessungen, waren sie in der Lage zu zeigen, sowohl einheitliche und Mischen fließt 5. Glass et al. Kürzlich zeigte eine Methode zum Übertragen von Flüssigkeiten durch Mikrokanäle und mikrofluidischen Komponenten durch die Kombination von SAW betätigt Rotationen mit zentrifugalen Mikrofluidik, als eine Demonstration der wahren Miniaturisierung des beliebten Lab-on-a-CD-Konzept 6,7. Allerdings ist die einzige vollständig geschlossenen SAW angetrieben Pumpmechanismus, das nachweislich eine bleibt Cecchini et al. 'S SAW-driven akustischen Gegenstrom-8 der Fokus dieses Video. Es nutzt die Zerstäubung und Koaleszenz eines Fluids, um es durch einen geschlossenen Kanal in der Richtung entgegen der Ausbreitungsrichtung der eine Pumpecoustic Welle. Dieses System kann es zu erstaunlich komplexen Strömungen geben innerhalb einer Mikrokanalstruktur. Darüber hinaus, abhängig von der Geometrie der Vorrichtung, kann es eine Reihe von Fließschemata von laminaren Strömungen bis hin zu komplexeren Regime von Wirbeln und Partikel-Ansammlung Domänen charakterisiert. Die Fähigkeit, leicht beeinflussen das Fließverhalten innerhalb des Gerätes zeigt Chancen für fortschrittliche On-Chip-Teilchen Manipulation.
In diesem Protokoll wollen wir die wichtigsten Aspekte der praktischen SAW-basierte Mikrofluidik klären: Bauelementherstellung, experimentelle Betrieb und Strömungs-Visualisierung. Während wir explizit beschreiben sind diese Verfahren für die Herstellung und den Betrieb von SAW-driven akustischen Gegenstrom-Geräten können diese Abschnitte leicht für ihre Anwendung zu einer Reihe von SAW-driven mikrofluidischen Regime geändert werden.
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Protocol
1. Bauelementherstellung
- Design zwei Photomasken, die erste für das Strukturieren der akustischen Oberflächenwellen (SAW)-Schicht und die zweite für das Polydimethylsiloxan (PDMS) Mikrokanal Form.
- Die erste Fotomaske eine Paar von gegenüberliegenden Interdigitalwandler (IDTs)-auch als SAW-Verzögerungsleitung und der Kanalsynchronisation Ausrichtung und räumliche Bezugssystem während Mikroskopie bekannt. In unserem Standard-Gerät haben wir Einelektrodenbetrieb IDT mit einem Finger Breite p = 10 um, Öffnung von 750 um, und 25 gerade Fingerpaaren. Die resultierende IDT erzeugt SAWs mit einer Wellenlänge λ = 4 p = 40 um entsprechend einer Betriebsfrequenz f o = c SAW / λ ≈ 100 MHz auf 128 ° YX Lithiumniobat (LN). Jeder IDT Breite sollte über das Zweifache der Breite des Mikrokanals gegenüber einer Verstellung zu reduzieren, während das Verbinden der Schichten sein. IDT Design-Parameter sind compr diskutiertehensively in mehrere Bücher 9-11. Wir bemerken, daß nur ein IDT (angeordnet am Kanalausgang) erforderlich, um das Fluid in den Kanal in akustische Gegenstrom fahren, aber Strukturieren einer vollen Verzögerungsleitung hilft Vorrichtung Tests.
- Die zweite ist eine einfache Mikrokanalstruktur entlang der SAW-Verzögerungsleitung ausgerichtet werden, mit einer Mikrokammer, um den Kanal Einlass zu bilden. Im typischen Vorrichtungen weisen die Kanäle eine Breite b = 300 mm und einer Länge von 5 mm. Als allgemeine Regel gilt, die Kanalbreite sollte mindestens 10 sein, um λ Beugungseffekte bei SAW-Ausbreitungsrichtung in den Mikrokanal zu vermeiden, aber in unseren Tests haben wir festgestellt, dass eine Breite von ~ 7 λ nicht erheblich beeinflussen SAW Ausbreitung innerhalb des Kanals.
- Beginnen Sie mit einer LN-Wafer und spalten ein 2 cm mal 2 cm Probe. Um Transmissionsmikroskopie durchzuführen, ist es notwendig, um eine doppelseitig polierten Wafers zu verwenden. Beachten Sie, dass LN ein Standard für die Biokompatibilität und die SAWPolarisation und hohe piezoelektrische Kopplungskoeffizienten entlang der Hauptachse jedoch andere piezoelektrische Materialien können bei entsprechender Auslegung Überlegungen verwendet werden.
- Reinigen des Substrats durch Spülen in Aceton, 2-Propanol und Trocknen mit einem Stickstoff-Pistole.
- Spin Mantel der Probe mit Shipley S1818 bei 4.000 rpm für 1 min.
- Weiche backen bei 90 ° C für 1 min auf einer Heizplatte.
- Richten Sie die Probe mit dem SAW Ebenenmaske mit einem Mask Aligner und setzen Sie es mit UV-Licht mit 55 mJ / cm 2. Es sollte darauf geachtet, die IDT Richtung entlang der Hauptachse des LN-Substrat auszurichten.
- Spülen Sie die Probe in Microposit MF319 Entwickler für 30 Sekunden, um den belichteten Fotolack entfernen.
- Stoppen Sie die Entwicklung durch Spülen der Probe in deionisiertem Wasser und trocknen Sie sie mit einem Stickstoff-gun.
- Zahlen Sie 10-nm-dicken Titanadhäsionsschicht von 100 nm dicken Goldschicht durch thermische Verdampfung gefolgt.
- Führen Abheben durch Beschallung der sreichlich in Aceton, dann spülen Sie es in 2-Propanol und mit einem trockenen Stickstoff gun.
- Silanisieren der Oberfläche der Vorrichtung, um es hydrophob in den Mikrokanal Bereich 12.
- Maskieren Sie die Mikrokammer mit AR-N-4340 negativen Ton Fotolack durch optische Lithographie nach dem Datenblatt des Herstellers.
- Aktivieren Sie die Probenoberfläche mit einer 2 min Sauerstoff-Plasma (Gambetti Kenologia Srl, Colibri) von 0,14 mbar und 100 W Leistung geben eine Bias-Spannung von etwa 450 V.
- Mischen Sie 35 ml Hexadecan, 15 ml Tetrachlorkohlenstoff (CCl 4) und 20 ul Octadecyltrichlorsilan (OTS) in einem Becherglas in einer Abzugshaube. Stellen Sie das Gerät in der Lösung und lassen abgedeckt für zwei Stunden.
- Spülen Sie das Gerät mit 2-Propanol und trocknen Sie es mit einem Stickstoff-gun.
- Überprüfen, dass der Kontaktwinkel von Wasser auf der Oberfläche oberhalb von 90 ° ist. Wenn der Kontaktwinkel unzureichend ist, reinigen Sie die Probe und wieder führen die Schritte in 1.11.
- Entfernender Rest der Probe zu widerstehen durch Spülen in Aceton, 2-Propanol und Trocknen mit einem Stickstoff-Pistole.
- Montieren Sie die Probe auf einer Leiterplatte mit Hochfrequenz-Wellenleiter und Standard-Koaxial-Steckverbindern (RF-PCB), und setzen Sie dann akustischen Absorber (First Contact Polymer) auf die Probe Kanten und verbinden Sie das IDT-by-Wire Bonding oder mit Pogo-Anschlüsse.
- Eine Urform der Kanalschicht mit SU-8 auf einem kleinen Stück Silizium (Si)-Wafer mit standardmäßigen optischen Fotolithografie gemustert. SU-8 Art und Photolithographie Rezept wird abhängig sein von der endgültigen PDMS internen Kanal Höhe erforderlich.
- Cast PDMS auf der Form
- Mischen PDMS mit einem Härter in einem Verhältnis von 10:1.
- Zentrifugieren Sie die PDMS für 2 min bei 1.320 xg für Entgasung.
- Gießen des PDMS vorsichtig auf die SU-8 Form in einer Petrischale auf insgesamt PDMS Höhe in der Größenordnung von 1 mm. Die offene Petrischale kann in einem Vakuum-Exsikkator für ca. 30 min in ord platziert werdener zur Entgasung der PDMS weiter.
- Sobald entgast, heilen PDMS durch Erhitzen auf 80 ° C für eine Stunde in einem Ofen. Beachten Sie, dass die Backzeit und Temperatur können die mechanischen Eigenschaften des PDMS beeinflussen.
- Bereiten Sie die feste Schicht PDMS
- Cut um den Kanal mit einem Skalpell, wobei Sie darauf achten, nicht die SU8 Master beschädigen und abziehen.
- Replica Kanten werden dann verfeinert und richtete sich mit einer Rasierklinge wobei mindestens 2 mm Abstand auf lateralen Seite des Kanals und keinen Freiraum (Schnitt quer durch) an den Kanal anschließen.
- Lochen Sie ein Loch in der Mikrokammer mit einem Harris Unicore Puncher, um das Fluid-loading Einlass zu bilden.
- Bond die PDMS-Kanal mit dem LN-Substrat durch einfache konforme Bindung. Auf diese Weise wird das Band in der Fluid-Stadium zu halten, während den restlichen reversibel.
- Beide Flächen sind vor dem Verbinden durch Einblasen entfernt überschüssige Ablagerungen mit komprimiertem Stickstoff Luft gereinigt. Es ist critische beim Verbinden der Teile, um den Kanal mit der Hauptachse des LN entsprechend den gemusterten Ausrichtungsmarkierungen auszurichten.
- Das komplette Gerät ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Shop abgeschlossen Geräte in einer sauberen Umgebung bis zur Verwendung.
Hinweis: Es ist wichtig, dass alle Herstellungsschritte werden in einer Reinraum-Umgebung durchgeführt, um eine Kontamination des Geräts vor der Verwendung zu vermeiden.
Anmerkung: Jeder der optischen Lithographie Schritte durch den Benutzer bevorzugten Verfahren ersetzt werden.
Hinweis: Die Silanisierung Verfahren kann für eine bevorzugte hydrophobe Beschichtung 13 Verfahren ersetzt werden.
2. RF Gerät Testing
- Kalibrieren Sie den Netzwerk-oder Spektrum-Analysator mit einem open / short Wellenleiter auf Ihrem RF-PCB.
- Schließen Sie das SAW Delay-Line zu den Häfen von einem Spektrumanalysator und messen Sie die Streumatrix derGerät. Getriebe für ein Paar von Einelektrodenbetrieb Wandler wird der Absolutwert einer sinc-Funktion bei der Betriebsfrequenz des IDT zentriert ähneln. In der Reflexion Spektrum a dip (Minimum) wird auf der gleichen Frequenz 9-11 beobachtet. In unserer Geräte bei 100 MHz Betriebsfrequenz entlang der Hauptachse typische Werte liegen bei -15 dB für S11 und S22 und -10 dB für S 12 (ohne PDMS Kanäle).
3. Mikrofluidik und Particle Flow Dynamics Visualisierung Experiment und Analyse
- Legen Sie die Probe unter dem Mikroskop. Die spezifische optische Aufbau hängt von den SAW Mikrofluidik Phänomene beobachtet werden. Zum Beispiel wird eine einfache Reflexion Mikroskop mit einem 4X Ziel und eine 30-fps-Video-Kamera ausgestattet sein, um geeignete Flüssigkeit Fülldynamik studieren. Um komplexere Mikropartikel Dynamik zu untersuchen, kann es notwendig sein, ein Mikroskop mit einem 20x-Objektiv und ein 100 fps oder höher Videokamera ausgestattet nutzen. Es ist important, dass sowohl die objektive und Frame-Rate hoch genug, um keine räumlich und zeitlich wichtige Strömung Merkmale zu erfassen sind.
- Verbinden der IDT vor dem Kanalausgang an einen HF-Generator und betreiben bei der Resonanzfrequenz in der Streumatrix Messungen beobachtet. Der typische Betriebsleistung in akustisch-Gegenstrom-Experimente ist 20 dBm. Falls erforderlich, verwenden Sie einen High-Power-UHF-Verstärker. Acoustic-Streaming und Zerstäubung Phänomene ohne akustische Gegenstrom beobachtet, während das Gerät läuft mit geringerer Leistung: typisch acoustic-Streaming Rückführung beginnt bei 0 dBm und Zerstäubung erfolgt über 14 dBm.
- Legen Sie 60 ul von Flüssigkeit in den Mikrokammer mit einer Mikropipette. Die Flüssigkeit wird passiv in der Mikrokammer diffundieren. Falls erforderlich, sanft auf die Mikrokammer Oberfläche zu drücken, um die Mikrokammer Füllung begünstigen.
- Um die Strömung zu visualisieren, ist es notwendig, um Mikrokügelchen zu der Flüssigkeit hinzugefügt werden. Beachten Sie, dass, um Partikel zu vermeiden clustEring, beschallen die Partikel-Suspension vor den Experimenten. Um Teilchen Haftung auf das Substrat aufzubringen eine 0 dBm Signal an das Gerät beim Laden zu vermeiden.
- Starten der Videoaufnahme durch das Mikroskop und erhöhen die Betriebsleistung um akustische Gegenstrom zu beobachten. Verschiedene Fließschemata wird von Leistungsaufnahme, Chip-Design und Partikeldurchmesser bestimmt werden.
- Um qualitativ zu erfassen, die Dynamik hat Fluidströmung in der Nähe des Meniskus und der Einlass in den verschiedenen Phasen kanalfüllenden mit Markern als räumliche Referenz aufgenommen werden.
- Um quantitative Messung von Partikel-Dynamik durch Mikro Particle Image Velocimetry (μPIV) 14,15 zeitliche oder räumliche Bild-Korrelations-Spektroskopie (TEN) 16,17 durchzuführen, hat Flüssigkeitsstrom in dem Punkt von Interesse mit einem festen Sichtfeld erfasst werden für mindestens 100 Bilder mit einer Bildrate von den Teilchendynamik auferlegt.
- Analysieren Sie das Video mit Bildverarbeitungs-Software. Die Wahl der Software verwendet wird, hängt von den Erscheinungen des Interesses. Zum Beispiel, um die Größenverteilung der zerstäubten Tröpfchen, räumliche Periodizität Partikelansammlung oder manuelle Verfolgung von verdünnten Partikel, einfaches Freeware Bildanalyse-Software wie Fidschi quantifizieren ist geeignet 18, während zur Erzielung rationalisiert und Geschwindigkeit Feldmessungen, maßgeschneiderte MPIV 19 oder 20 TEN-Code erforderlich ist. In unserer Analyse angepasst STICS Code in MATLAB geschrieben, aber eine bevorzugte Alternative Codierung Sprache kann gleichermaßen akzeptabel.
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Representative Results
Abbildung 2 zeigt repräsentative Ergebnisse Gerät HF-Tests, die vor dem Verkleben der LN Schicht auf die Schicht Mikrokanalstruktur genommen wurden: typische S 11 und S 12 Spektren werden in einem Panel) und b) gemeldet sind. Die Tiefe des Tals, auf zentrale Frequenz in S 11-Spektrum ist für die Effizienz der Umwandlung von HF-Energie in Zusammenhang SAW mechanische Leistung. Daher ist für eine feste Anzahl von IDT Fingerpaaren, wird eine Reduktion im Tal mindestens eine Reduzierung der erforderlichen Leistung zum Betrieb des Gerätes führen. Bei der Frequenz dieses Minimums wird das Gerät effizient erzeugen die akustischen Welle, um die Flüssigkeit pumpt betätigen und daher ist der Punkt, an dem wir wählen, um das Gerät zu betreiben. In unserer Geräte bei 100 MHz Betriebsfrequenz entlang der Hauptachse typische Werte liegen unterhalb von -10 dB für S 11. Werte über -10 dBm kann bedeuten eine beschädigte oder kurzgeschlossen Wandler, die, wenn die Arbeiting, erfordern erhöhte Leistungsaufnahme. Dieser Wert kann durch Anpassung der IDT Impedanz, mit einem externen Anpaßnetzwerk oder durch IDT Design 9-11 reduziert werden. Das Maximum des Spektrums S 12 sowohl in Bezug auf die Effizienz der Umwandlung von HF-Leistung und mechanische Leistung SAW durch die IDTs und die Dämpfung der SAW längs der Verzögerungsleitung. Reduktion dieses Wertes (typischerweise etwa -10 dBm im Geräte) von Fehlern in IDTs (auch durch eine Verringerung der Neigungswert in der S11-Spektrum), eine Fehlausrichtung des SAW-Verzögerungsleitung oder Risse ergeben.
Abbildung 3 zeigt vier verschiedene charakteristische Strömungsmuster beobachtet mit 500-nm-Latex-Kügelchen. Jedes Panel zeigt Partikel Stromlinien aus STICS. Die Analyse wurde auf einem 2-sec-Aufnahme bei 100 fps durch optische Transmissionsmikroskopie erhalten durchgeführt. Die genaue Dynamik resultiert aus dem Saldo zwischen den beiden dominierenden Kräfte auf die Partikel: Zugkraft und akustische radiation Kraft 21,22. Die Zugkraft hat zwei Komponenten in akustische Gegenstrom: ein Ergebnis von Stofftransport aufgrund Kanalfüllmaterial, die andere ergibt sich aus der Ableitung der akustischen Energie in der Flüssigkeit, die sich in einer Rückführung als akustische Streaming bekannt. Beide akustischen Streaming und akustische Strahlung Kraft vergänglich, wie die Druckwelle im Wasser dämpft. Panels a) und b) zeigen zwei unterschiedliche Ergebnisse bei der Kanaleinlaß. In Tafel A) zwei symmetrische Wirbel wegen der akustisch-Streaming Phänomene zu Beginn des akustischen Gegenstrom kanalfüllenden beobachtet. Nach einiger Zeit, wenn der Kanal teilweise gefüllt ist, Teil B) zeigt laminare Strömung durch Unterdrückung der Effekte acoustofluidic am Einlaß durch die fortschreitende Flüssigkeit vor. Panel-c) und Panel-d) zeigen zwei unterschiedliche Situationen, in der Nähe des Meniskus, wenn der Kanal teilweise gefüllt ist. In Panel c)Teilchen beobachtet werden, der sich in Zeilen und sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Meniskus. Dies ist der Fall, in dem Vertreter Teilchendynamik durch die akustische Strahlung Kraft dominiert wird. Die repräsentativen Dynamik der Dominanz der Zugkraft und akustische Effekte in Streaming-Panel d gezeigt), in dem Teilchen folgen zwei Wirbel und reichern sich nur in einem Umkreis von 300 mm Bands aus dem Meniskus, an der Substratoberfläche zu schließen.
Abbildung 1. Draufsicht (a) und isometrische Ansicht (b) des ausgefüllten Gegenstrom (nicht maßstabsgetreu) Das Gerät besteht aus zwei Schichten aufgebaut;. Dem niedrigeren gold gemusterten IDT auf LN besteht, und die obere der PDMS Mikrokanalstruktur. Das HF-Signal wird auf der linken Seite IDT angewendet und die entsprechende SAW nach rechts ausbreiten. Die Flüssigkeit wird von der Kreisform Fluideinlasses auf fließendie rechte nach links IDT. Typische Chip Abmessungen sind 25 mm x 10 mm x 0,5 mm für die SAW-Schicht und 10 mm x 5 mm x 4 mm für die PDMS-Schicht. Feature-Dimensionen werden in Schritt 1 des Protokolls gegeben.
Abbildung 2. Typische S-Parameter für eine SAW-Gegenstrom-Gerät. Die Resonanzfrequenz in den Spektren (a) S 11 und (b) S 12 kann bei 95 MHz zu sehen. Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen .
Abbildung 3. Vier verschiedene charakteristische Strömungsmuster beobachtet mit 500-nm-Latex-Kügelchen innerhalb der akustischen Gegenstrom-Kanal. Die in jedem pa Stromlinien gezeigtnel ergeben sich aus der Analyse der TEN 2-Sekunden-Aufnahmen bei 100 fps mit optischer Signalübertragung Mikroskopie und sind auf den letzten Frame jedes Video eingeblendet. Der Kanaleingang kann unter (a) Zeit t = 0, wenn der Kanal zu füllen beginnt, und in einem (b) späteren Zeitpunkt nach der Kanal teilweise besetzt worden ist. Die Vorderkante des Meniskus kann für den Fall (c) laminare Strömung mit Partikelansammlung Linien, und (d) komplexer Wirbelströmung gesehen werden, die Regelung durch die Geometrie der Vorrichtung bestimmt. Die Strömungsmuster wurden auf einer typischen Vorrichtung bei 20 dBm betrieben erhalten. Fließraten für diese Experimente waren in der Größenordnung von 1 - 10 nl / s durch den Kanal, während die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in den Wirbel könnten so hoch wie 1 mm / sec.
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Discussion
Eine der größten Herausforderungen der mikrofluidischen Gemeinschaft konfrontiert ist, die Realisierung einer Betätigung Plattform für wirklich tragbare Point-of-Care-Geräten. Unter den vorgeschlagenen integrierten Mikropumpen 23, sind solche auf Basis von akustischen Oberflächenwellen (SAW) besonders attraktiv wegen ihrer verbundenen Fähigkeiten in Fluidmischsystem, Zerstäubung und Partikelkonzentration und Trennung 4. In diesem Papier haben wir gezeigt, wie in der Herstellung und Betrieb eines Lab-on-Chip-Vorrichtung, bei der Flüssigkeit in einem geschlossenen PDMS Mikrokanalstruktur durch integrierten On-Chip gesteuert wird SAW Aktoren wie erstmals von Cecchini et al. 8.
In Bezug auf die Herstellung der Vorrichtung, wie in dem oben beschriebenen Verfahren dargestellt, ist es sehr wichtig, Sauberkeit an jedem Punkt des Herstellungsverfahrens Protokoll aufrechtzuerhalten, da sonst Unebenheiten in der IDTs, Mikrokanal Form und Benetzbarkeit entstehen. Unvollkommenheiten in den IDT kann zu einer Erhöhung der th führene erforderlich Betriebsleistung oder sogar unwirksam Transduktion des SAW. Zu beachten ist, Mikrokanalstruktur Fertigung gegeben werden. Eine flache saubere Oberfläche wird für die Mikroskopie benötigt. Mängel in Mikrokanalstruktur Kanten können zu Meniskus Pinning und reduzieren sowohl Kanalfüllmaterial Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit Chip. Diese Defekte können auch Keime Blasen, die die Fließeigenschaften verändern und kann deaktivieren Fluidpumpsystem insgesamt. Vorsicht ist geboten bei Funktionalisierung der Oberfläche genommen werden. Wenn die Wände Kanal aus dem Substrat untere Schnittstelle und PDMS seitlichen und oberen Flächen insgesamt hydrophil sind, verhindert Kapillare getrieben Füllung SAW pumpaktiven. Umgekehrt, wenn die Substratoberfläche zu hydrophob ist, zerstäubten Tröpfchen aus der Meniskus nicht wirksam koaleszieren und verhindert kanalfüllenden. Inhomogenität im Substrat Funktionalisierung führt daher zu unzuverlässig Kanalfüllmaterial Dynamik mit Festlegungspunkte und Kapillarität angetriebenen Regionen.
Bezüglich der Strömung visualization und Teilchendynamik Studien ist der Teilchendurchmesser kritisch auf die resultierenden beobachtete Dynamik. Partikel werden sowohl unterzogen Kraft ziehen (wegen Strömung) und akustische Strahlung Kraft (durch direkte Impulsübertragung von den Druckwellen in der Flüssigkeit). Während Zugkraft ist proportional zum Partikel-Radius ist die akustische Strahlung Kraft proportional zum Partikel-Volumen. Die Zugkraft wird dominieren die Partikel Dynamik als der Teilchendurchmesser verringert wird, und die Teilchen werden daher folgen die Strömung stärker. Auf diese Weise kann eine genaue Darstellung der Fluidströmung durch die Wahl eines entsprechend kleinen Teilchendurchmesser in Bezug auf die Vorrichtung Ausgestaltung. Beachten Sie, dass Teilchen mit gleichem Durchmesser können entweder reproduzieren den Stromlinien genau oder umgekehrt durch die akustische Strahlung Kraft dominiert werden, abhängig von der Geometrie der Vorrichtung. Je nach der Größe der Perlen und die Visualisierung, so können die Optiken erforderlich zu ändern.Partikelkonzentration hängt auch von der experimentellen Zweck: im Fall von MPIV niedrige Partikelkonzentration 14,24 bevorzugt, aber große Partikelkonzentration ermöglicht eine bessere Statistik und qualitativ visualisiert Stromlinien in Einzelbildern. Die Partikelgröße Lösung sollte monodisperse sein und ohne Cluster sowohl für qualitative und quantitative Verständnis der Partikelgeschwindigkeit Felder.
Viel Mühe wurde auch auf das Verständnis des Verhaltens von Mikro-Partikeln 25 im Hinblick auf die Sortier-Anwendungen in biologischen Proben gewidmet. Um grundlegende Sortier-, Studien mit Perlen durchführen, sind Partikel-und Kanal-Funktionalisierung von größter Bedeutung, um Partikel-Haftung und Kanal Verstopfung zu vermeiden.
In diesem Video haben wir gezeigt, wie herzustellen und zu betreiben SAW-driven akustischen Gegenstrom, bei denen Flüssigkeiten auf dem Chip werden in geschlossenen PDMS Mikrokanalstruktur Gitter angetrieben. Besondere Aufmerksamkeit war devoted zur Visualisierung der Partikel Dynamik, die an der Basis der acoustophoretic Sortierung Anwendungen ist.
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Disclosures
Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Autoren haben niemanden anerkennen.
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
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