Summary
בסרטון זה אנו מתארים ראשון ייצור ותפעול הליכים של גל אקוסטי פני השטח (SAW) מכשיר נגדי אקוסטי. לאחר מכן, אנו מדגימים התקנה ניסיונית שמאפשרת לשניהם להדמיה איכותית זרימה וניתוח כמותי של תזרים מורכב בתוך מכשיר השאיבה ראה.
Abstract
גלים אקוסטיים פני שטח (מסורים) ניתן להשתמש כדי לנהוג נוזלים בשבבי microfluidic ניידים באמצעות התופעה הנגדית אקוסטי. בסרטון הזה אנו מציגים פרוטוקול לייצור מכשיר נגדי אקוסטית SAW רב שכבתי. המכשיר הוא מפוברק החל ממצע ליתיום niobate (LN) על גבי שבו שני מתמרים interdigital (IDTs) וטושים מתאימים הם בדוגמת. ערוץ (PDMS) polydimethylsiloxane להטיל על עובש אב SU8 סוף הסוף מלוכדים על המצע בדוגמת. בעקבות הליך הייצור, אנו מציגים את הטכניקות המאפשרות אפיון וההפעלה של המכשיר הנגדי אקוסטית על מנת לשאוב נוזלים דרך רשת ערוץ PDMS. אנחנו סוף סוף להציג את ההליך כדי להמחיש את זרימת נוזל בצינורות. הפרוטוקול משמש להצגת נוזל על שבב שאיבה תחת משטרי זרימה שונים כגון זרימה למינרית ודינמיקה מורכבת יותר מאופיינות במערבולות ותחומים הצטברות חלקיקים.
Introduction
אחד האתגרים העומדים בפני המשך קהילת microfluidic הוא הצורך יש מנגנון שאיבה יעיל, כי יכול להיות מוקטנת להשתלבות במערכות מיקרו כולל-ניתוח באמת ניידים (μTAS של). מערכות סטנדרטיות מקרוסקופיים שאיבה פשוט לא מצליח לספק את הניידות הנדרשת לμTAS של, בגלל קנה המידה השלילית של ספיקות הנפח כגודל הערוץ יורד למטה לטווח מיקרון ומטה. להיפך, מסורים צברו עניין גובר במנגנוני actuation נוזלים ומופיעים כשדרה מבטיחה פתרון של חלק מהבעיות אלה 1,2.
מסורים הוצגו לספק מנגנון יעיל מאוד של תחבורה אנרגיה לתוך נוזלי 3. כאשר ראו מתפשט על מצע פיזואלקטריים, למשל ליתיום niobate (LN), הגל יהיה הקרין לכל נוזל שנקרו בדרכה בזווית המכונה זווית ריילי θ R = חטא722; 1 (ג ו / ג ים), וזאת בשל חוסר ההתאמה של מהירויות קול במצע, ג ים, וF ג הנוזלים. זליגה זו של קרינה לתוך הנוזל מעורר גל לחץ אשר מניע הזרמה אקוסטיים בנוזל. בהתאם לגיאומטרית המכשיר וכוח מוחל על המכשיר, מנגנון זה הוצג להפעיל מגוון רחב של תהליכים על שבב, כגון נוזל ערבוב, מיון חלקיקים, atomization, ו1,4 שאיבה. למרות הפשטות והיעילות של actuating microfluids עם מסור, יש רק מספר קטן של ראה מונע מנגנוני שאיבת microfluidic שהוכחו עד כה. ההפגנה הראשונה הייתה תרגום פשוט של טיפות חופשיות להציב את נתיב ההתפשטות ראה במצע 3 פיזואלקטריים. שיטה חדשנית זו יצרה עניין רב בשימוש במסורי כשיטה actuation microfluidic, עם זאת יש עדיין צורך בנוזלים כדילהיות מונע בערוצים-סגורים משימה קשה יותר. טאן ואח'. הפגין שאיבה בתוך microchannel שליזר ablated ישירות לתוך מצע פיזואלקטריים. על ידי שינוי גיאומטרי ביחס לממדי IDT הערוץ ו, הם הצליחו להדגים תזרים הן אחיד וערבוב 5. זכוכית et al. לאחרונה הפגין שיטה של העברת נוזלים דרך microchannels ורכיבי microfluidic על ידי שילוב של SAW סיבובים תצורת עם מיקרופלואידיקה צנטריפוגלי, כהפגנה של מזעור האמיתי של מושג Lab-on-a-CD 6,7 הפופולרי. עם זאת, רק סגור לחלוטין SAW מונע שאיבת מנגנון שכבר הוכיח נשארה להיות Cecchini et al. של זרימה נגדית אקוסטית מסור מונחה 8-המוקד בסרטון זה. הוא מנצל atomization וההתמזגות של נוזלים כדי לשאוב אותו דרך ערוץ סגור בכיוון המנוגד לכיוון ההתפשטות שלגל coustic. מערכת זו יכולה להצמיח תזרים מורכב מפתיע בתוך microchannel. יתר על כן, בהתאם לגיאומטרית המכשיר, זה יכול לספק מגוון רחב של תוכניות זרימה, מתזרים למינרית למשטרים מורכבים יותר המתאפיינים במערבולות ותחומים חלקיק הצטברות. היכולת להשפיע על מאפייני הזרימה בתוך המכשיר בקלות ניתן לראות הזדמנויות למניפולציה של חלקיקים על שבב מתקדם.
בפרוטוקול זה ברצוננו להבהיר את ההיבטים העיקריים של מיקרופלואידיקה מבוססת SAW מעשי: ייצור מכשיר, הפעלה ניסיונית, והדמית זרימה. למרות שאנו מתארים במפורש נהלים אלה לייצור והתפעול של מכשירים נגדית אקוסטיים מונעים ראה, יכולים בקלות להיות שונה סעיפים אלה ליישום שלהם למגוון של משטרי microfluidic מסור מונחה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ייצור מכשיר
- שני photomasks עיצוב, הראשון עבור דפוסי גל שטח אקוסטי (SAW) שכבה, והשנייה לעובש (PDMS) microchannel polydimethylsiloxane.
- יש photomask הראשון זוג יריב מתמרים interdigital (IDTs), הידוע גם בשורה ועיכוב SAW סמנים ליישור ערוץ והתייחסות המרחבית במיקרוסקופ. במכשיר הרגיל שלנו שיש לנו IDTs יחידה אלקטרודה ברוחב אצבע p = 10 מיקרומטר, צמצם של 750 מיקרומטר, ו -25 זוגות אצבעות ישרים. IDT וכתוצאה מייצר מסורים עם אורך גל λ = 4 P = 40 מיקרומטר המתאים לתדר הפעלה F מ = ג SAW / λ ≈ 100 MHz על 128 ° YX ליתיום niobate (LN). כל רוחב IDT צריך להיות מעל שתי פעמים הרוחב של microchannel להפחית תופעות חוסר תיאום בזמן מליטה את השכבות. פרמטרים עיצוב IDT נדונים comprehensively בכמה ספרים 9-11. אנחנו הערה כי רק אחד IDT (ממוקם במוצא הערוץ) יש צורך לנהוג את הנוזל לתוך הערוץ באקוסטית-נגדי, אבל דפוסי קו עיכוב מלא מסייע בבדיקות התקן.
- יש מבנה השני microchannel פשוט להיות מיושר לאורך קו העיכוב ראה, עם microchamber כדי ליצור את כניסת הערוץ. במכשירים הטיפוסיים שלנו, יש את ערוצי רוחב w = 300 מ"מ ובאורך של 5 מ"מ. ככלל, רוחב הערוץ צריך להיות לפחות 10 λ כדי למנוע תופעות עקיפה במהלך ההתפשטות ראה בmicrochannel, עם זאת בבדיקה שלנו מצאנו כי רוחב של 7 ~ λ לא ישפיע SAW התפשטות בתוך הערוץ באופן משמעותי.
- להתחיל עם רקיק LN ודבק ב2 ס"מ על 2 ס"מ מדגם. על מנת לבצע מיקרוסקופיה שידור יש צורך להשתמש רקיק מלוטש צד כפול. שימו לב שLN הוא תקן לbiocompatibility והיראקיטוב ומקדם צימוד פיזואלקטריים גבוה לאורך הציר המרכזי, לעומת זאת חומרי piezoelectric אחרים עשויים להיות בשימוש עם שיקולי עיצוב מתאימים.
- נקה את המצע על ידי שטיפתו באצטון, 2-propanol וייבוש עם אקדח חנקן.
- ספין מעיל המדגם עם יפלי S1818 ב 4000 סל"ד דקות 1.
- רך אופה בחום של 90 מעלות צלזיוס במשך דקות 1 על פלטה חשמלית.
- יישר את המדגם עם מסיכת שכבת SAW באמצעות aligner מסכה ולחשוף אותו לאור UV עם 55 mJ / 2 ס"מ. יש להקפיד ליישר את כיוון IDT לאורך הציר המרכזי של מצע LN.
- יש לשטוף את המדגם במפתח Microposit MF319 למשך 30 שניות כדי להסיר photoresist שלא נחשף.
- לעצור את הפיתוח על ידי שטיפה במי מדגם deionized ולייבש אותו עם אקדח חנקן.
- להפקיד רובד הידבקות טיטניום 10 ננומטר בעובי שכבת זהב ואחריו 100 ננומטר עבה על ידי אידוי תרמי.
- לבצע המראה על ידי sonicating יםשפע באצטון, ולאחר מכן לשטוף אותו ב2-propanol ויבש עם אקדח חנקן.
- Silanize פני השטח את המכשיר כדי לעשות את זה באזור הידרופובי microchannel 12.
- להסוות את אזור microchamber עם AR-N-4340 photoresist נימה שלילי על ידי יתוגרפיה אופטית פי גליון הנתונים של היצרן.
- הפעל את מדגם שטח עם 2 דקות חמצן פלזמה (Gambetti Kenologia Srl, Colibri) של לחץ 0.14 mbar וW 100 כוח לתת מתח הטיה של כ 450 V.
- מערבבים 35 מ"ל hexadecane, 15 מיליליטר פחמן טטרא (CCL 4), ו -20 octadecyltrichlorosilane μl (OTS) לתוך מבחנה בתוך מנדף. הנח את המכשיר בפתרון, ולהשאיר מכוסה למשך שעתיים.
- יש לשטוף את המכשיר עם 2-propanol ולייבש אותו עם אקדח חנקן.
- בדקו שזווית המגע של מים על פני השטח היא מעל 90 מעלות. אם זווית המגע אינה מספיקה, לנקות והמדגם מחדש לבצע את השלבים ב1.11.
- להסירשיורי להתנגד במדגם על ידי השטיפה באצטון, 2-propanol וייבוש עם אקדח חנקן.
- הר מדגם על לוח מעגל מודפס עם גלבו תדר הרדיו ומחברים קואקסיאליים רגילים (RF-PCB), ולאחר מכן לשים את בולם אקוסטי (הראשון לתקשר עם פולימר) על הקצוות המדגם ולהתחבר IDT על ידי מליטה חוט או באמצעות מחברים פוגו.
- עובש אב של שכבת הערוץ הוא בדוגמת עם SU-8 על גבי פיסה קטנה של רקיק (Si) הסיליקון באמצעות photolithography האופטי סטנדרטי. SU-8 סוג ומתכון photolithography יהיו תלוי בגובה הערוץ הסופי PDMS הפנימי הנדרשים.
- להטיל PDMS על העובש
- מערבבים PDMS עם סוכן ריפוי ביחס של 10:1.
- צנטריפוגה PDMS למשך 2 דקות ב1320 XG לdegassing.
- יוצקים את PDMS בעדינות על SU-8 העובש בצלחת פטרי לגובה PDMS מוחלט על הסדר של 1 מ"מ. צלחת פטרי הפתוחה יכולה להיות ממוקמת בייבוש ואקום לכ 30 דקות בORDאה לדגת PDMS נוסף.
- ברגע שdegassed, לרפא PDMS על ידי חימום עד 80 מעלות צלזיוס במשך שעה אחת בתנור. שימו לב שזמן אפייה וטמפרטורה יכולים להשפיע על התכונות מכאניות של PDMS.
- הכן את שכבת PDMS המוצק
- חותכים סביב הערוץ באמצעות סכין כירורגית, נזהר שלא לפגוע בהורי SU8, ולקלף אותו.
- קצות העתק אז מעודנים ויישרו באמצעות סכין גילוח משאיר אישור מ"מ לפחות 2 בצד הלטרלי של הערוץ ולא אישור (לחתוך ישר דרך) במוצא הערוץ.
- ניקוב חור בmicrochamber באמצעות אגרופן Unicore האריס כדי ליצור את כניסת נוזל הטעינה.
- בונד ערוץ PDMS עם מצע LN ידי מליטה קונפורמי פשוט. בדרך זו את הקשר יחזיק לאורך כל שלב בדיקת הנוזל תוך שמירה הפיכה.
- שני המשטחים מנוקים טרם הצטרפות על ידי פיצוץ משם את כל פסולת עודפת עם אוויר חנקן דחוס. זה גritical כאשר מצטרפים לחתיכות כדי ליישר את הערוץ עם הציר המרכזי של LN על פי סימני יישור הדוגמת.
- סכמטי מכשיר המלא מוצג באיור 1. החנות השלימה התקנים בסביבה נקיות עד לשימוש.
הערה: חשוב שכל שלבי הייצור מתבצעים בסביבת חדר נקי, כדי למנוע זיהום של המכשיר לפני השימוש.
הערה: כל אחד משלבי יתוגרפיה האופטיים עשוי להיות מוחלף על ידי השיטות המועדפות של המשתמש.
הערה: הליך silanization ניתן להחליף לשיטת ציפוי הידרופובי מועדפת 13.
2. בדיקת מכשיר RF
- לכייל את הרשת או מנתח ספקטרום עם מוליך גל פתוח / קצר על RF-PCB שלך.
- חבר את קו העיכוב המסור ליציאות של מנתח ספקטרום ולמדוד את מטריצת פיזורמכשיר. השידור עבור זוג של מתמרים יחידה אלקטרודה יהיה דומה לערך המוחלט של פונקצית sinc מרוכזת בתדירות ההפעלה של IDT. בספקטרום השתקפות טבילה (מינימום) הוא ציין באותה התדירות 9-11. במכשירים שלנו בתדירות ההפעלה MHz 100 לאורך ציר הערכים האופייניים העיקריים הם -15 דציבלים לS11 וS22 ו-10 דציבלים ל12 S (בלי ערוצי PDMS).
3. מיקרופלואידיקה ולהתנסות חלקיקים זרימת Dynamics הדמיה וניתוח
- הנח את הדוגמא תחת מיקרוסקופ. ההתקנה האופטית הספציפית תלויה בתופעות מיקרופלואידיקה ראו שנצפתה. לדוגמה, מיקרוסקופ השתקפות פשוט מצויד במטרת 4X ומצלמת וידאו fps 30 יהיה מתאים ללמוד דינמיקת מילוי נוזל. כדי לחקור את דינמיקת microparticle מורכבת יותר, ייתכן שיהיה צורך להשתמש במיקרוסקופ מצויד במטרה 20X ו100 fps או מצלמת וידאו גבוהה יותר. זה importanלא כי הן אובייקטיביות ומסגרת השיעור גבוהים מספיק כדי ללכוד את כל תכונות זרימה חשובות מרחב ובזמן.
- חבר את IDT מול לשקע ערוץ למחולל אותות RF ולהפעיל אותו בתדר התהודה נצפה במדידות מטריצת פיזור. כוח ההפעלה הטיפוסי בניסויים אקוסטית-נגדית הוא 20 dBm. אם יש צורך, להשתמש במגבר UHF הספק גבוה. תופעות atomization אקוסטית-Streaming והם נצפו ללא נגדיים אקוסטית תוך כדי ריצת המכשיר בהספק נמוך יותר: בדרך כלל סחרור אקוסטית-הזרמה מתחיל בשעה 0 dBm וatomization מתרחש מעל 14 dBm.
- טען 60 μl של נוזל לתוך microchamber עם micropipette. נוזל פסיבי יהיה לפזר את microchamber. במידת צורך, בעדינות על פני השטח microchamber כדי להעדיף את מילוי microchamber.
- על מנת להמחיש את הזרימה יש צורך להוסיף microbeads לנוזל. שימו לב שעל מנת להימנע מclust החלקיקיםering, sonicate ההשעיה החלקיק לפני הניסויים. כדי להימנע מהידבקות חלקיקים במצע להחיל אות dBm 0 למכשיר בעת טעינה.
- להתחיל להקליט וידאו מבעד למיקרוסקופ ולהגדיל את כוח התפעולי כדי לצפות נגדי אקוסטי. תוכניות זרימה שונות תיקבע על ידי כוח קלט, תכנון שבבים וקוטר חלקיקים.
- על מנת ללכוד את הדינמיקה איכותית, יש זרימת נוזל שיירשם בקרבתו של המניסקוס והכניסה בשלבים שונים של ערוץ תדלוק באמצעות סמנים כהתייחסות מרחבית.
- על מנת לבצע מדידת כמותית של דינמיקה של חלקיקים על ידי מיקרו חלקיקי velocimetry תמונה (μPIV) 14,15 או ספקטרוסקופיה המרחבי הזמנית תמונת מתאם (STICS) 16,17, יש זרימת נוזל שתירשם בנקודת העניין עם שדה קבוע של השקפה לפחות 100 מסגרות במסגרת שיעור שהוטל על ידי הדינמיקה של החלקיקים.
- נתח את הווידאו עם תוכנה לעיבוד תמונה. הבחירה של תוכנה לשימוש תלויה בתופעות של עניין. לדוגמה, כדי לכמת את התפלגות הגודל של טיפות מופרדות לחלקיקים, מחזוריות המרחבית של הצטברות חלקיקים, או מעקב הידני של חלקיקים בדילול מלא, תוכנת ניתוח תמונת התוכנה החופשית פשוטה כגון פיג'י מתאימה 18, ואילו על מנת לקבל המייעל ומדידות שדה מהירות, אישית mPIV 19 או 20 STICS קוד הנדרש. בניתוח שלנו קוד STICS אישית כתוב בMATLAB, לעומת זאת חלופה מועדפת קידוד שפה יכולה להיות באותה מידה מקובלת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
תרשים 2 מציג תוצאות נציג של בדיקות RF מכשיר אשר נלקחו לפני הדבקת שכבת LN לשכבת microchannel: ספקטרום אופייני 12 11 S ו-S מדווחים בפנל) ו ב) בהתאמה. עומקו של העמק בתדר מרכזי בספקטרום S 11 קשור ליעילות המרה של כוח RF בראה את כוחו מכאני. לפיכך, עבור מספר קבוע של זוגות אצבעות IDT, ירידה במינימום העמק תביא להפחתה בהספק שנדרש כדי להפעיל את המכשיר. בתדירות של מינימום זה, המכשיר יעיל ביותר ליצור גל אקוסטי כדי להניע את נוזל שאיבה, ולכן היא הנקודה שבה אנחנו בוחרים להפעיל את המכשיר. במכשירים שלנו בתדירות ההפעלה MHz 100 לאורך הערכים האופייניים הציר המרכזיים נמצאים מתחת ל-10 dB 11 S. ערכים מעל -10 dBm יכולים לסמל מתמר פגום או לקצר, שאם עבודהing, ידרוש כוח הקלט גדל. ערך זה יכול להיות מופחת על ידי התאמת עכבת IDT, באמצעות רשת התאמה חיצונית, או על ידי עיצוב IDT 9-11. המרבי של ספקטרום ה-S 12 הוא גם קשור ליעילות המרה של כוח RF וראה את כוח מכאני על ידי IDTs וההנחתה של ראה לאורך קו העיכוב. הפחתה של ערך זה (בדרך כלל סביב dBm -10 במכשירים שלנו) יכולה לנבוע מפגמים בIDTs (נצפה גם על ידי הפחתה של עוצמת הטבילה בספקטרום S11), חוסר תיאום של קו העיכוב ראה, או סדקים.
איור 3 מציג ארבע תבניות זרימה אופייניות שונות נצפו באמצעות חרוזים לטקס של 500 ננומטר. כל פנל מציג חלקיק מייעל כתוצאה מSTICS. ניתוח בוצע על הקלטה של 2 שניות שבהושגו על ידי מיקרוסקופ שידור האופטי 100 תמונות בשניות. התוצאות המפורטות של דינאמיקה מהאיזון בין שני הכוחות הדומיננטיים הפועלים על החלקיקים: כוח הגרר ואקוסטי Rכוח adiation 21,22. יש כוח הגרר שני מרכיבים בזרימה נגדית אקוסטית: אחד תוצאות מתחבורה המונית בשל לתעל את המילוי, את התוצאות אחרות מהפיזור של אנרגיה האקוסטית בנוזל הנובע בסחרור מכונה הזרמה אקוסטיים. שתי הזרמה אקוסטיים וריקבון כוח קרינה אקוסטית כמו הגל במים פוחתים לחץ. לוחות) ו-B) מראה שתי תוצאות שונות על כניסת הערוץ. בלוח א ') שתי מערבולות סימטריות הם נצפו בשל התופעות אקוסטית-הזרמת בתחילת הערוץ אקוסטית-נגדי מילוי. לאחר זמן מה, כאשר הוא מילא את הערוץ באופן חלקי, לוח ב ') מראה זרימה למינרית בשל דיכוי השפעות acoustofluidic בכניסה על ידי חזית נוזל קידום. הפנל ג) ולוח ד) מראים שני מצבים שונים בקרבתו של המניסקוס כאשר מילא את הערוץ באופן חלקי. בפנל ג)חלקיקים הם נצפו צבירה בקווים ונעו באותה המהירות כמו במניסקוס. זה המקרה שבו נציג הדינמיקה של חלקיקים הוא נשלט על ידי כוח הקרינה אקוסטית. הדינמיקה המייצגות של הדומיננטיות של כוח הגרר והשפעות הזרמה אקוסטיים מוצגת בפנל D) שבו חלקיקים אחרי שתי מערבולות ומצטברים רק בלהקות בתוך 300 מ"מ מהמניסקוס, קרוב לפני שטח המצע.
איור 1. מבט מלמעלה (א) ותצוגת איזומטרי (ב) למכשיר הנגדי השלים (שלא בקנה מידה) המכשיר בנוי משתי שכבות;. מורכב התחתון של IDTs זהב בדוגמת על LN, והעליון של microchannel PDMS. אות RF מוחלת IDT השמאל, ואת המסור המקביל יהיה להפיץ לצד ימין. הנוזל יזרום מכניסת הנוזל חוזר עלימינה לכיוון IDT השמאל. ממדי שבב אופייניים הם 25 מ"מ x 10 מ"מ x 0.5 מ"מ לשכבה ראה, ו10 מ"מ x 5 מ"מ x 4 מ"מ לשכבת PDMS. ממדי תכונה ניתנים בשלב 1 של הפרוטוקול.
איור 2. טיפוסי פרמטרים S עבור מכשיר מסור נגדי. תדר התהודה בספקטרום (א) 11 S ו (ב) ניתן לראות S 12 ב 95 מגה הרץ. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.
איור 3. ארבע תבניות זרימה אופייניות שונות נצפו באמצעות חרוזים לטקס 500 ננומטר בתוך ערוץ הזרימה הנגדי אקוסטי. מייעל מוצגת בכל הרשותתוצאת Nel מהניתוח של הקלטות STICS 2 שניות בשידור אופטי עם מיקרוסקופיה 100 תמונות בשניות, והם כיסו על המסגרת הסופית של כל סרטון וידאו. ניתן לראות את כניסת הערוץ ב( א) t = 0, כאשר הערוץ מתחיל למלא, וב( ב) מועד מאוחר יותר לאחר שערוץ הזמן מתמלא באופן חלקי. הקצה המוביל של המניסקוס ניתן לראות במקרה של (ג) זרימה למינרית עם קווי הצטברות חלקיקים, ו( ד) זרימת טרנדו מורכבת יותר; התכנית שנקבעה על ידי הגיאומטריה המכשיר. את תבניות הזרימה התקבלו במכשיר טיפוסי מופעל ב20 dBm. ספיקות לניסויים אלה היו על סדר 1 - 10 NL / ים דרך התעלה, ואילו מהירות הזרימה הממוצעת במערבולות יכולה להיות גבוהה כמו 1 מ"מ / שנייה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
אחד האתגרים הגדולים ביותר העומדים בפני קהילת microfluidic הוא המימוש של פלטפורמת actuation עבור התקני נקודה של טיפול באמת ניידים. בקרב המשולב micropumps המוצע 23, אלה המבוססים על גלים אקוסטיים על פני השטח (מסורים) הם אטרקטיביים במיוחד בשל היכולות הקשורים בם בערבוב, atomization וריכוז חלקיקים והפרדת נוזל 4. במאמר זה אנו הדגמנו כיצד לפברק ולפעול מכשיר מעבדה על שבב שבו הוא הוביל בנוזל הסגור PDMS microchannel ידי משולב בשבב SAW מפעילים כפי שתואר לראשונה על ידי Cecchini et al. 8.
בנוגע לייצור המכשיר כפי שמודגם בהליך הנ"ל, זה מאוד חשוב לשמור על ניקיון בכל נקודה של פרוטוקול הייצור, אחרת פגמים בIDTs, צורת microchannel, ופני שטח הרטבה עלולה להתעורר. פגמים בIDTs יכולים להוביל לעלייה של ההדואר נדרש כוח או הפעלה התמרה אפילו לא יעילה של המסור. תשומת לב צריכה להינתן לייצור microchannel. משטח נקי שטוח נחוץ למיקרוסקופ. פגמים בקצוות microchannel יכולים לגרום המניסקוס הצמדה ולהפחית גם מהירות וממלאים את התעלה ואמינות שבב. פגמים אלה יכולים גם בועות nucleate אשר משנות את מאפייני הזרימה ועלולות להשבית את נוזל שאיבה לגמרי. זהירות יש לנקוט במשטח functionalization. אם קירות הערוץ בהיקף של ממשק תחתית המצע ומשטחים לרוחב ולמעלה PDMS הידרופילי הם כללי, מונעת סתימת נימים מונעת SAW פעיל שאיבה. לעומת זאת, אם פני שטח המצע הוא הידרופובי מדי, טיפות אטומיזציה מהמניסקוס לא להתגבש בצורה יעילה, ומונע סתימת ערוץ. אי הומגניות בfunctionalization המצע ומכאן מובילים לערוץ לא אמין מילוי דינמיקה עם מצמיד את נקודות ואזורים מונעים קפילריות.
בנוגע לזרימה מולualization וחוקר את הדינמיקה של חלקיקים, קוטר החלקיקים הוא קריטי לדינמיקה ציינה שהתקבלה. חלקיקים חשופים גם לגרור את כוח (עקב זרימת נוזל) וכוח קרינה אקוסטית (עקב העברת מומנטום ישירה מגלי הלחץ בנוזל). בעוד כוח הגרר הוא פרופורציונלי לרדיוס חלקיק, כוח הקרינה אקוסטית הוא פרופורציונלי להיקף חלקיקים. כוח הגרר ישלוט את הדינמיקה של החלקיקים כקוטר החלקיקים הוא מופחת, ואת החלקיקים ולכן יעקבו אחרי זרימת הנוזל באופן הדוק יותר. בדרך זו אנו יכולים להשיג הדמיה מדויקת של זרימת הנוזל על ידי בחירה בקוטר חלקיקים קטן כראוי ביחס לעיצוב המכשיר. שימו לב שחלקיקים מאותו הקוטר יכולים גם לשחזר את הנוזל מייעל באופן מדויק, או לחלופין להיות נשלט על ידי כוח הקרינה אקוסטית, תלוי בגיאומטרית המכשיר. בהתאם לגודל של החרוזים וטכניקת ההדמיה, את האופטיקה הנדרשת עשויה להשתנות.ריכוז חלקיקים תלוי גם במטרת הניסוי: במקרה של ריכוז חלקיקי mPIV הנמוך עדיף 14,24, אבל ריכוז חלקיקים גדול מאפשר לנתון טוב יותר ואיכותי דמיינו מייעל בתמונות בודדות. הפתרון צריך להיות חלקיק monodisperse ובלי אשכולות של הבנה איכותית והכמותי של שדות מהירות החלקיקים.
גם מאמץ רב הוקדש להבנת התנהגותם של חלקיקי מיקרו בגודל 25 בתצוגה של מיון יישומים בדגימות ביולוגיות. על מנת לבצע מיון יסודי, מחקרים עם חרוזים, חלקיקים וfunctionalization הערוץ הם בעלי חשיבות עליונה על מנת למנוע הידבקות חלקיקים וסתימת ערוץ.
בסרטון הזה שהראינו כיצד לפברק ולהפעיל מכשירים נגדית אקוסטיים מסור מונעים בנוזלים שמונעים על שבב ברשתות microchannel הסגור PDMS. תשומת לב מיוחדת היה Devoטד להדמיה של הדינמיקה של החלקיקים שעומדת בבסיס של יישומי מיון acoustophoretic.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
יש מחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
יש כותבים שאף אחד לא להכיר.
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).
