Summary

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

Published: August 27, 2013
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Summary

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

Abstract

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

Introduction

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

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

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

Protocol

1. डिवाइस निर्माण डिजाइन दो photomasks, patterning के लिए पहली बार सतह ध्वनिक तरंग (देखा) परत, और polydimethylsiloxane (PDMS) microchannel के आचारण के लिए दूसरा. पहले photomask interdigital ट्रांसड्यूसर विरोध की एक जोड़ी (IDTs) भी एक देखा देरी लाइन और माइक?…

Representative Results

चित्रा 2 microchannel परत को एलएन परत संबंध से पहले लिया गया था जो डिवाइस आरएफ परीक्षण के प्रतिनिधि परिणामों से पता चलता है: ठेठ एस 11 और एस 12 स्पेक्ट्रा क्रमशः पैनल एक) और ख) में रिपोर्ट ?…

Discussion

Microfluidic के समुदाय को पेश आ रही सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक सच में पोर्टेबल बिंदु की देखभाल उपकरणों के लिए एक प्रवर्तन मंच का अहसास है. प्रस्तावित एकीकृत micropumps 23 में, सतह ध्वनिक तरंगों (आरी) पर आधारित उन ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

लेखक स्वीकार करने के लिए कोई नहीं है.

Materials

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

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Wixforth, A. Acoustically driven planar microfluidics. Superlattices and Microstructures. 33 (5), 389-396 (2003).
  4. Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647-64 (2011).
  5. 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).
  6. Glass, N., Shilton, R., Chan, P., Friend, J., Yeo, L. Miniaturised Lab-on-a-Disc (miniLOAD). SMALL, Small. 8 (12), 1880-1880 (2012).
  7. Madou, M. J., Kellogg, G. J. LabCD: a centrifuge-based microfluidic platform for diagnostics. Proceedings of SPIE. 3259, 80 (1998).
  8. Cecchini, M., Girardo, S., Pisignano, D., Cingolani, R., Beltram, F. Acoustic-counterflow microfluidics by surface acoustic waves. Applied Physics Letters. 92 (10), 104103 (2008).
  9. Campbell, C. . Surface acoustic wave devices for mobile and wireless communications. 1, (1998).
  10. Hashimoto, K. Y. . Surface acoustic wave devices in telecommunications: modelling and simulation. , (2000).
  11. Royer, D., Dieulesaint, E. Elastic Waves in Solids II. Generation, Acousto-Optic Interaction, Applications. 2, (2000).
  12. 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).
  13. Glass, N. R., Tjeung, R., Chan, P., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Organosilane deposition for microfluidic applications. Biomicrofluidics. 5 (3), 036501 (2011).
  14. Wereley, S. T., Meinhart, C. D. Recent advances in micro-particle image velocimetry. Annual Review of Fluid Mechanics. 42, 557-576 (2010).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).

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

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