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Engineering

निर्माण और Acoustofluidic उपकरणों के संचालन के लिए थोक Sheathless ध्वनिक खड़े तरंगों सहायक कण का ध्यान केंद्रित

Published: March 6, 2016 doi: 10.3791/53861
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,3, 1,2,3, 1,2,3
1NSF Research Triangle Materials Research Science and Engineering Center, Duke University, 2Department of Biomedical Engineering, Duke University, 3Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Duke University

Summary

Acoustofluidic उपकरणों microfluidic चैनलों के भीतर अल्ट्रासोनिक तरंगों का उपयोग करें, हेरफेर ध्यान केंद्रित करने और निलंबित सूक्ष्म और नैनोस्कोपिक संस्थाओं को अलग-थलग करने के लिए। इस प्रोटोकॉल के निर्माण और इस तरह के एक उपकरण थोक ध्वनिक खड़े तरंगों का समर्थन म्यान तरल पदार्थ की सहायता के बिना एक केंद्रीय कारगर बनाने में कणों ध्यान केंद्रित करने के संचालन का वर्णन है।

Abstract

Acoustophoresis ध्वनि ऊर्जा से दिशात्मक बलों के जवाब में निलंबित वस्तुओं के विस्थापन को दर्शाता है। यह देखते हुए कि निलंबित वस्तुओं ध्वनि की घटना तरंगदैर्ध्य और fluidic चैनलों की चौड़ाई से छोटी होनी चाहिए रहे हैं आम तौर पर भर माइक्रोमीटर के सैकड़ों के लिए दसियों, acoustofluidic उपकरणों आमतौर (मेगाहर्ट्ज़ रेंज में एक piezoelectric transducer उच्च आवृत्तियों पर pulsating से उत्पन्न अल्ट्रासोनिक तरंगों का उपयोग )। विशेषता आवृत्तियों है कि इस उपकरण की ज्यामिति पर निर्भर करती है पर, यह तरंगों है कि एक थोक प्रवाह के भीतर वांछित fluidic सुव्यवस्थित साथ कणों ध्यान केंद्रित कर सकते खड़े के गठन के लिए प्रेरित करने के लिए संभव है। यहाँ, हम आम सामग्री और साफ कमरे उपकरणों से acoustophoretic उपकरणों के निर्माण के लिए एक विधि का वर्णन है। हम सकारात्मक या नकारात्मक ध्वनिक विपरीत कारक है, जो दबाव नोड्स या खड़े तरंगों की antinodes की ओर बढ़ने के साथ कणों का ध्यान केंद्रित के लिए प्रतिनिधि के परिणाम बताते हैं, respectivइली। इन उपकरणों को ठीक स्थिर में सूक्ष्म संस्थाओं (जैसे, कोशिकाओं) की बड़ी संख्या में स्थिति या cytometry से विधानसभा को लेकर अनुप्रयोगों के लिए तरल पदार्थ बहने के लिए भारी व्यावहारिक उपयोगिता प्रदान करते हैं।

Introduction

Acoustofluidic उपकरणों सूक्ष्म संस्थाओं उनकी एकाग्रता, संरेखण, विधानसभा, कारावास या मौन तरल पदार्थ या लामिना flowstreams भीतर जुदाई। 1 उपकरणों के इस व्यापक वर्ग के भीतर के लिए (जैसे, कणों या कोशिकाओं) पर दिशात्मक बल लागू करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं, थोक बलों से उत्पन्न किया जा सकता ध्वनिक खड़े तरंगों, ध्वनिक खड़े तरंगों (SSAWs) 2 या ध्वनिक यात्रा तरंगों सतह। 3 उनकी ठीक कोशिकाओं में हेरफेर करने की क्षमता के कारण हम निर्माण और थोक ध्वनिक खड़े तरंगों का समर्थन है, SSAWs समर्थन उपकरणों उपकरणों के संचालन पर ध्यान केंद्रित करते हुए हाल ही में ज्यादा ध्यान प्राप्त हुआ है सतहों साथ 4 और तेजी से समर्थन थोक ध्वनिक खड़े तरंगों, तथापि, एक piezoelectric transducer द्वारा उत्पन्न डिवाइस है, जो microfluidic में खड़े तरंगों उत्तेजित की दीवारों के यांत्रिक कंपन पर आधारित कणों को पुनर्व्यवस्थित सतत प्रवाह चैनलों में कोशिकाओं को सुलझाने। 5 उपकरणज्यामितीय परिभाषित गुंजयमान आवृत्तियों पर गुहाओं। इस SSAW उपकरणों की तुलना में अधिक दबाव आयाम पैदा करने के लिए संभावित सक्षम बनाता है, और सूक्ष्म संस्थाओं के प्रकार, तेजी से परिवहन acoustophoretic। 6

ये खड़े तरंगों दबाव नोड्स और antinodes है, जो स्थिति में तय कर रहे हैं के रूप में दबाव समय में झूल रहे हैं की एक स्थानिक आवधिक सेट से मिलकर बनता है। कण दबाव नोड्स या antinodes की ओर पलायन, कण तरल पदार्थ के सापेक्ष के यांत्रिक गुणों के आधार पर खड़े तरंगों का जवाब है, और जो ध्वनिक विपरीत पहलू से वर्णित हैं:

Equation1

जहां चर ρ और β घनत्व और दबाव और subscripts पी प्रतिनिधित्व करते हैं और ƒ क्रमश निलंबित वस्तु (जैसे, कण या सेल) और तरल पदार्थ का प्रतिनिधित्व करते हैं।7 संस्थाओं है कि एक सकारात्मक ध्वनिक विपरीत कारक अधिकारी (यानी, ɸ> 0) दबाव नोड (एस) की ओर पलायन; जबकि, संस्थाओं है कि एक नकारात्मक ध्वनिक विपरीत कारक अधिकारी (यानी, ɸ <0) के दबाव antinodes की ओर पलायन। 7 जबकि सिंथेटिक सामग्री (जैसे, polystyrene मोती) और कोशिकाओं सकारात्मक ध्वनिक विपरीत दिखा रहे हैं का बहुमत है, elastomeric से सिलिकॉन आधारित बनाया कणों सामग्री, 8 फैटी अणुओं 9 या अन्य अत्यधिक लोचदार घटक पानी में नकारात्मक ध्वनिक विपरीत दिखा रहे हैं। Acoustofluidic उपकरणों में elastomeric कणों छोटे अणुओं को अलग-थलग करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है और 10 के रूप में सिंथेटिक कणों 11 या 12 कोशिकाओं भेदभाव छँटाई के प्रयोजनों के लिए सीमित करने के लिए इसका मतलब है। 13

Acoustofluidic उपकरणों आमतौर पर मानक सामग्री (जैसे, सिलिकॉन और ग्लास) सु करने के लिए पर्याप्त कठोरता है से निर्मित कर रहे हैंएक ध्वनिक खड़े लहर pport। (डिवाइस के साथ साथ दिखाए सहित) कई acoustofluidic उपकरणों में, यांत्रिक तरंगों एक आधा तरंग दैर्ध्य खड़े लहर microchannel की चौड़ाई फैले होते हैं, जो सबसे कम हार्मोनिक मोड, पर resonate करने के लिए तैयार कर रहे हैं। इस विन्यास चैनल की परिधि के किनारे चैनल और दबाव antinodes के केंद्र में एक दबाव नोड है। यह पहले से दिखाया गया है कि इन प्रणालियों चिप आधारित cytometry अनुप्रयोगों 14-16 और अनुप्रयोगों कोशिकाओं की एकाग्रता के लिए कोशिकाओं की फँसाने से लेकर के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। 17,18

हम निर्माण, उपयोग और एक acoustofluidic डिवाइस है कि थोक ध्वनिक खड़े तरंगों का समर्थन करता है के प्रतिनिधि प्रदर्शन क्षमताओं के लिए तरीकों की प्रक्रिया का वर्णन है। इस डिवाइस को स्थायी रूप से नक्काशी सिलिकॉन सब्सट्रेट करने के लिए एक गिलास "ढक्कन" बांड के लिए एक photolithography कदम है, एक नक़्क़ाशी कदम और एक fusing के कदम की आवश्यकता है। हम जानते हैं कि अन्य acoustofluidi ध्यान देंग उपकरणों है कि थोक ध्वनिक खड़े तरंगों का समर्थन पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर के लिए बाध्य कांच या क्वार्टज केशिकाओं, जो कहीं वर्णित है से गढ़े जा सकता है। 19,20 सिलिकॉन आधारित उपकरणों मजबूती और अधिक से अधिक प्रवाह चैनल ज्यामिति नियंत्रण के फायदे, जो एक साथ के लिए अनुमति प्रदान करते हैं कणों और कोशिकाओं के निलंबन युक्त नमूने के लिए प्रसंस्करण के कई प्रकार के। उपकरणों पुन: प्रयोज्य (buffers और डिटर्जेंट के साथ डिवाइस निस्तब्धता से, यानी) प्रदान की जाती हैं वे ठीक तरह से उपयोग करता है के बीच साफ कर रहे हैं।

Protocol

1. Photolithography

  1. Photomask डिजाइन एक उपयुक्त सॉफ्टवेयर पैकेज का उपयोग और एक योग्य photomask प्रिंटर के लिए डिजाइन सबमिट करें। 21
  2. मेथनॉल की एक सतत स्ट्रीम (99.8%, 1 टेबल देखें) के द्वारा पीछा किया, एक साफ कमरे की सुविधा में, एक 6 "एकल पक्ष एसीटोन की एक सतत स्ट्रीम (1 टेबल देखें ≥99.5%) के साथ पॉलिश सी वफ़र कुल्ला। वेफर सूखी साथ एन 2 गैस छिड़काव और 2 मिनट के लिए 95 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर वेफर रखकर।
    नोट: डोपिंग प्रोफ़ाइल और वेफर्स क्रिस्टल अभिविन्यास निम्नलिखित प्रक्रियाओं को प्रभावित नहीं करते।
  3. अल पन्नी की एक चादर के साथ कवर द्वारा स्पिन coater (एक मानक स्पिन कोट हुड में) के बाहर गर्त को सुरक्षित रखें और वेफर सुरक्षित करने के लिए स्पिन coater में वैक्यूम चक के केंद्र पर साफ सी वफ़र जगह है।
  4. ध्यान से डालने का कार्य जब तक photoresist सबसे शामिल द्वारा सीधे वेफर के केंद्र पर सकारात्मक photoresist जमावेफर की। यह सुनिश्चित करने के photoresist में कोई बुलबुले हैं ख्याल रखना।
    नोट: चरणों में सटीक प्रक्रियाओं 1.5-1.10 photoresist तालिका 1 में दिखाया गया के अनुरूप; विभिन्न प्रक्रियाओं अलग photoresists के लिए आवश्यक हो सकता है।
  5. निम्नलिखित प्रक्रियाओं के प्रदर्शन से स्पिन चक्र शुरू:
    1. 300 आरपीएम की गति, 100 rpm / सेकंड की एक रैंप, और 5 सेकंड का समय एक स्पिन स्पिन चक्र शुरू करने के लिए कार्यक्रम।
    2. 1,800 आरपीएम, 1000 rpm / सेकंड की एक रैंप, और 60 सेकंड की एक स्पिन के समय समान रूप से photoresist का प्रसार करने की गति को कार्यक्रम।
    3. 0 आरपीएम, 1000 rpm / सेकंड की एक रैंप, और 0 सेकंड की एक स्पिन के समय की गति के लिए कार्यक्रम स्पिन चक्र समाप्त करने के लिए।
  6. चक पर वैक्यूम रिलीज और वेफर चिमटी का उपयोग चक से वेफर निकालते हैं। तब 165 सेकंड के लिए 110 डिग्री सेल्सियस पर गरम करने के लिए एक गर्म थाली पर वेफर जगह है।
    नोट: यह कदम 'नरम सेंकना "के रूप में जाना जाता है।
  7. एक मुखौटा के धारक में photomask लोडएलाइनर / photolithography मशीन।
  8. 1400 MJ / 2 सेमी (जैसे, 13.5 मेगावाट / 2 सेमी की एक उत्पादन तीव्रता के लिए, ~103.7 सेकंड के एक जोखिम समय का उपयोग करें) के एक ऊर्जा की खुराक प्रदान करने के लिए फोटोलिथोग्राफी मशीन के मापदंडों को संपादित करें।
  9. धारक से photopatterned वेफर निकालें और अपनी इसी डेवलपर की एक समाधान में जगह 5 मिनट के लिए (1 टेबल देखें)।
  10. डेवलपर से वेफर निकालें, विआयनीकृत एच 2 ओ की एक सतत स्ट्रीम के साथ वेफर धोने और साथ एन 2 गैस सूखी।
    नोट: से अधिक के विकास के पैटर्न, प्रफुल्लित करने के लिए, जबकि तहत विकासशील तस्वीर नमूनों सुविधाओं के साथ photoresist की अधूरी हटाने का कारण बन सकता है कारण हो सकता है।
  11. एक खुर्दबीन के नीचे वेफर निरीक्षण पैटर्न photomask पर मुद्रित photoresist करने के लिए स्थानांतरित कर दिया गया पुष्टि करने के लिए।

2. दीप प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी

  1. एक गहरी के चेंबर में फोटो नमूनों सी वफ़र लोडप्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी साधन और fluidic मानक नक़्क़ाशी प्रक्रियाओं का पालन करने के लिए वांछित गहराई सी वफ़र में चैनल खोदना। 22
  2. ध्यान कक्ष से नमूना उतारना के बाद नक़्क़ाशी प्रक्रिया पूरी हो चुकी है।
  3. वेफर से अतिरिक्त photoresist को निकालने के लिए एक अच्छी तरह हवादार उपयोग विलायक और 65 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर जगह के लिए समर्पित हुड में photoresist पदच्युत (1 टेबल देखें) का एक समाधान के साथ एक बड़े बीकर तैयार करते हैं।
  4. photoresist हटाने के समाधान में डूब वेफर और यह 1 घंटे के लिए लेना।
    नोट: (; 1 टेबल देखें) रात भर भिगोने से photoresist दूर कर सकते हैं जैसे, एसीटोन का एक समाधान (≥99.5%) अलग अलग समाधान photoresist दूर करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
  5. बीकर से वेफर निकालें और एसीटोन की धाराओं के साथ बारी यह कुल्ला (≥99.5%; 1 टेबल देखें) और isopropyl शराब (≥99.7%; 1 टेबल देखें)। वेफर डब्ल्यू सूखीith एन 2 गैस।

3. पिरान्हा सफाई

  1. एक अच्छी तरह हवादार हुड (एसिड का उपयोग करने के लिए समर्पित) में, एच 2 ओ 2 जोड़कर एक पिरान्हा समाधान तैयार (। पानी में 30.0% wt, 1 टेबल देखें) एच 2 अतः 4 (95.0-98.0% करने के लिए; तालिका देखें 1) एक 1 में: एक बड़े, स्वच्छ बीकर में 3 अनुपात।
    चेतावनी: पिरान्हा समाधान, उच्च संक्षारक हैं एक मजबूत आक्सीकारक कर रहे हैं और बेहद खतरनाक हैं। पिरान्हा समाधान से निपटने में अत्यधिक ध्यान रखना और उचित सुरक्षा उपकरण पहनने।
  2. etched-सुविधाओं के साथ आयन etched वेफर डूब सामना करना पड़ रहा है और 5 मिनट के लिए छोड़ दें। ध्यान से वेफर हटाने और पूरी तरह से विआयनीकृत एच 2 ओ के साथ कुल्ला
  3. 2 मिनट के लिए पिरान्हा समाधान में वेफर पुनः डूब। ध्यान से वेफर हटाने और पूरी तरह से प्रचुर विआयनीकृत एच 2 ओ के साथ कुल्ला
  4. एक अलग हवादार उपयोग विलायक के लिए समर्पित हुड में, की एक सतत स्ट्रीम के साथ वेफर धोनेएसीटोन (≥99.5%; 1 टेबल देखें) मेथनॉल (99.8%, 1 टेबल देखें) की एक सतत स्ट्रीम द्वारा पीछा किया और एन 2 गैस के साथ वेफर सूखी। उचित सुरक्षा प्रक्रियाओं का पालन करते हुए पिरान्हा समाधान के निपटान के।

4. borosilicate ग्लास ढक्कन तैयार

  1. एक मुंशी उपकरण का उपयोग, borosilicate ग्लास में सीधे लाइनों खोदना आयताकार खंडों बनाने के लिए (जैसे, 8 x 4 सेमी 2)। ध्यान से आयताकार खंडों को ठीक करने के कांच तस्वीर।
  2. इन क्षेत्रों में से एक गिलास ले लो और वांछित डिजाइन (वास्तविक आयामों के साथ) की एक प्रतिलिपि मुद्रित के शीर्ष पर जगह एक काला मार्कर के साथ कांच पर inlets और दुकानों के स्थान चिह्नित करने के लिए।
  3. borosilicate ग्लास में इनलेट और आउटलेट छेद ड्रिल।
    नोट: उचित सुरक्षा उपकरणों के लिए हर समय पहना जाना चाहिए।
    1. ड्रिल प्रेस के मुंह में एक 1/8 "ड्रिल बिट को ठीक करें। के शीर्ष पर आयताकार कांच खंड की जगहdrilled छेद के साथ एक अल प्लेट ताकि कांच पर निशान अल थाली में छेद से ऊपर हैं। टेप के साथ अल प्लेट पर कांच सुरक्षित।
    2. ध्यान से गिलास में छोटे छेद ड्रिलिंग शुरू और संभाल कम करने के लिए जब तक छेद कांच के माध्यम से किया जाता है जारी रखने के लिए चारा संभाल कम है। एक बार छेद समाप्त हो गया है, टेप को हटाने और धीरे-धीरे गिलास पाउडर को दूर करने के गिलास उठा। पानी के साथ एक बीकर में कांच पाउडर की जगह और उचित सुरक्षा प्रक्रियाओं का उपयोग त्यागें।
    3. ध्यान से एक गैर प्रकार का वृक्ष उत्पादन शोषक कपड़े से कांच से सूखे और अन्य इनलेट और आउटलेट छेद ड्रिल करने के लिए एक ही प्रक्रियाओं (कदम 4.3.1-4.3.2) का पालन करें।
  4. पिरान्हा समाधान के साथ आयताकार कांच साफ करने के लिए खंड (धारा 3 ऊपर) एक ही प्रक्रिया का पालन करें।
    चेतावनी: पिरान्हा समाधान, उच्च संक्षारक हैं एक मजबूत आक्सीकारक कर रहे हैं और बेहद खतरनाक हैं। पिरान्हा समाधान से निपटने में अत्यधिक ध्यान रखना और उचित सुरक्षा उपकरण पहनने।

5. Anodic संबंध

  1. एक मुंशी उपकरण का उपयोग, microfluidic चिप की परिधि के आसपास सी वफ़र में सीधे लाइनों ऐसी है कि यह कांच आयताकार खंड की तुलना में थोड़ा छोटा होता है खोदना (जैसे, 7 एक्स 3 सेमी 2)। ध्यान से नक्काशी पंक्तियों के साथ वेफर तस्वीर।
  2. एसीटोन की एक सतत स्ट्रीम के साथ सी खंड कुल्ला (≥99.5%; 1 टेबल देखें) मेथनॉल की एक सतत स्ट्रीम (99.8%, 1 टेबल देखें) द्वारा पीछा किया। 95 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर वेफर की जगह 2 मिनट के लिए शुष्क करने के लिए।
  3. सी सेगमेंट पर etched-सुविधाओं के साथ सामना करना पड़ रहा है, ध्यान से सी खंड के शीर्ष पर साफ कांच जोड़ने के लिए और सुनिश्चित करें कि छेद को ठीक से संरेखित हैं।
  4. जबकि यह सुनिश्चित करना छेद गठबंधन ध्यान रखा जाता है खंडों फ्लिप। चूंकि कांच खंड सी सेगमेंट की तुलना में बड़ा है, दो तरफा टेप जहां टेप के आधे सी खंड के ऊर्ध्वाधर किनारों और अन्य आधा secures के साथ दो खंडों सुरक्षितटेप के ऊपर कांच सुरक्षित करता है। तब खंडों फिर ऐसी है कि कांच खंड शीर्ष पर है फ्लिप, और एक गर्म थाली पर एक धातु स्लैब के शीर्ष पर खंडों जगह है।
  5. ध्यान से सीधे इकट्ठे कांच और सी खंडों के शीर्ष करने के लिए एक पर्याप्त भारी वजन (यानी, कम से कम 5 किलो) की एक दूसरी धातु स्लैब (जैसे, स्टील) जोड़ें।
    नोट: इस धातु स्लैब सी खंड या प्रवाहकीय टेप के साथ संपर्क में नहीं होना चाहिए।
  6. एक उच्च वोल्टेज बिजली की आपूर्ति का उपयोग कर, इकट्ठे कांच और सी वर्ग और नीचे धातु स्लैब के अन्य सीसा (जमीन) के शीर्ष पर धातु स्लैब के लिए एक का नेतृत्व (बिजली) से कनेक्ट।
  7. 1,000 करने के लिए अंतर्निहित गर्म थाली पर वोल्टेज की बारी वी मल्टीमीटर का उपयोग करके लागू वोल्टेज की जाँच करें; नीचे की थाली और ऊपर थाली के खिलाफ जांच के खिलाफ एक अन्य जांच दबाएँ।
    चेतावनी: उच्च वोल्टेज बेहद खतरनाक है; सावधान धातु स्लैब या जोड़ने के तारों को छूने के लिए नहीं हो।
  8. गर्म छोड़ दो2 घंटे के लिए 450 डिग्री सेल्सियस पर प्लेट सी सब्सट्रेट करने के लिए anodically बांड के लिए ग्लास "ढक्कन" की अनुमति है। 2 घंटा बाद वापस गर्म थाली की बारी है, डीसी बिजली की आपूर्ति बंद कर देते हैं और धातु स्लैब से डिवाइस को हटाने के लिए।
    चेतावनी: धातु स्लैब के दौरान और संबंध प्रक्रिया के बाद बेहद गर्म हो जाएगा, तो माल गर्म थाली बंद करने के बाद कम से कम 1 घंटे के लिए शांत करने के लिए अनुमति देते हैं।

6. Acoustofluidic डिवाइस अंतिम रूप देने

  1. anodic संबंध द्वारा उत्पादित जमी हुई मल को दूर करने और एसीटोन के साथ कांच की सतह को साफ करने के लिए एक रेजर के साथ कांच की सतह परिमार्जन।
  2. Polydimethylsiloxane (PDMS) के एक पत्रक तैयार लगभग 5 मिमी मोटी और कई छोटे, वर्ग स्लैब में कटौती लगभग 10 x 10 मिमी 2 (1 टेबल देखें)। 23
  3. एक 3 मिमी बायोप्सी पंच का प्रयोग करें प्रत्येक PDMS स्लैब के केंद्र में एक छेद में कटौती करने के लिए इतनी के रूप में यह माध्यम से सिलिकॉन टयूबिंग डालने के लिए। स्लैब सीधे शीर्ष छेद पर रखेंकांच सब्सट्रेट पर है और epoxy के साथ स्लैब गोंद।
    ध्यान दें: बहुत अधिक गोंद का उपयोग नहीं करने के रूप में यह डिवाइस के छेद रोक देना होगा सावधान रहें।
  4. ध्यान से डिवाइस के पीछे की ओर सी खंड के नेतृत्व zirconate titanate (PZT) ट्रांसड्यूसर, केन्द्रित microchannel-नीचे गोंद।
  5. PZT ट्रांसड्यूसर दो प्रवाहकीय क्षेत्रों के लिए दो तारों मिलाप। कि तारों को सुरक्षित PZT ट्रांसड्यूसर से जुड़े होते हैं ख्याल रखना। PDMS के स्लैब में छेद के माध्यम से सिलिकॉन टयूबिंग डालें और उनके लगाव को सुरक्षित करने के स्लैब और ट्यूबिंग के आसपास अतिरिक्त गोंद जोड़ें।

7. Acoustofluidic डिवाइस ऑपरेटिंग

  1. सुरक्षित microchannel सीधे उद्देश्य के नीचे के साथ एक खुर्दबीन के मंच पर डिवाइस माउंट।
    नोट: PZT ट्रांसड्यूसर सुनिश्चित डिवाइस के नीचे एक छोटा सा डालने रखकर चरण के साथ संपर्क नहीं है।
  2. मानकीकृत कनेक्टर्स का उपयोग करना, outl से सिलिकॉन नलियों कनेक्टसिरिंज पंप पर सुरक्षित सीरिंज के लिए इस उपकरण का टिकट।
    ध्यान दें: यह विन्यास "वापसी मोड" के लिए करना है; सिरिंज पंप वैकल्पिक डिवाइस में नमूना इंजेक्षन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
  3. सिलिकॉन ट्यूब एक शीशी तरल पदार्थ का नमूना (जैसे, polystyrene मोती या कोशिकाओं के निलंबन) युक्त में डिवाइस के प्रवेश करने के लिए अग्रणी रखें।
  4. एक हलचल प्लेट पर द्रव नमूना युक्त लगातार नमूना मिश्रण है और यह सुनिश्चित करें कि कणों या कोशिकाओं के एक निरंतर एकाग्रता प्रयोग के पाठ्यक्रम भर में बनाए रखा है के लिए शीशी रखें।
  5. एक समारोह जनरेटर के साथ श्रृंखला में एक शक्ति एम्पलीफायर से उत्पादन करने के लिए PZT ट्रांसड्यूसर से तारों कनेक्ट। (जैसे, चोटी से पीक वोल्टेज और आवृत्ति) समारोह जनरेटर पर सेटिंग्स कार्यक्रम और एम्पलीफायर एक आस्टसीलस्कप का उपयोग करने से उत्पादन में संकेत की निगरानी। समारोह जनरेटर और शक्ति एम्पलीफायर PZT ट्रांसड्यूसर actuating शुरू करने के लिए चालू करें। 6
    1. डिवाइस के गुंजयमान आवृत्ति अनुमान लगाने के लिए, समीकरण सी = λ * ƒ, जहां सी मध्यम (यानी, पानी) की ध्वनि की गति है का पालन करें, λ ध्वनिक तरंग दैर्ध्य है और ƒ PZT ट्रांसड्यूसर की आवृत्ति है। एक आधा तरंग दैर्ध्य हार्मोनिक (जो हम प्रतिनिधि परिणाम धारा में दिखाने) के मामले में, microchannel की चौड़ाई खड़े लहर की आधी लंबाई होना चाहिए।
    2. 0-50 वी की सीमा के भीतर एक चोटी से पीक वोल्टेज सेटिंग का उपयोग करें
      नोट: उच्च दबाव आयाम में लागू वोल्टेज परिणामों में वृद्धि हुई है, और इस तरह, और अधिक तेजी से acoustophoresis।
  6. माइक्रोस्कोप चालू करें और सुनिश्चित करें microfluidic चैनल फोकस में स्पष्ट रूप से है।
  7. सिरिंज पंप पर बारी प्रवाह लागू करते हैं और डिवाइस में नमूना पेश करने के लिए। संस्थाओं प्रतिदीप्ति मोड पर माइक्रोस्कोप के साथ डिवाइस के माध्यम से बह मॉनिटर।
  8. सुनिश्चित डिवाइस कुशलता से खास केंद्रितलेस PZT ट्रांसड्यूसर दबाव आयाम को संशोधित करने के लिए आपूर्ति की चोटी से पीक वोल्टेज का समायोजन करके और उम्मीद गुंजयमान आवृत्ति के पास एक आवृत्ति झाड़ू प्रदर्शन से अनुभवजन्य गुंजयमान आवृत्ति पहचान के लिए।

Representative Results

हम एक trifurcating इनलेट, 300 माइक्रोन की चौड़ाई और एक trifurcating आउटलेट (- बी चित्रा 1 ए) के साथ एक मुख्य चैनल को रोकने के लिए acoustofluidic उपकरण बनाया है। हम ध्यान दें कि हम केवल एक ही इनलेट सभी प्रयोगों के लिए इस अध्ययन में (यानी, ध्वनिक विकिरण बलों के माध्यम से कणों का ध्यान केंद्रित sheathless प्राप्त करने के लिए) का इस्तेमाल किया हटाने योग्य प्लग के साथ अन्य inlets अवरुद्ध करके। ऊपर वर्णित प्रक्रियाओं के बाद, हम microfabrication प्रक्रिया (- डी चित्रा 1 सी) के दौरान खामियों के कारण एक चिप 313 माइक्रोन का एक चैनल चौड़ाई रखने, ~4% की एक त्रुटि के साथ निर्माण किया। हम 2.366 मेगाहर्ट्ज के एक ड्राइविंग आवृत्ति पर संचालित डिवाइस एक आधा तरंग दैर्ध्य हार्मोनिक खड़े लहर प्रेरित करने के लिए।

हम एक संकेत एक शक्ति एम्पलीफायर से जुड़े जनरेटर इस्तेमाल उच्च आवृत्ति sinusoidal तरंग उत्पन्न करने के लिए PZT टीआर उकसानाansducer। हम चोटी से पीक उत्पादन में वोल्टेज (वी पीपी) संकेत आकार और आयाम की निष्ठा को सत्यापित करने के लिए शक्ति एम्पलीफायर से उत्पन्न को मापने के लिए एक आस्टसीलस्कप का इस्तेमाल किया। एक सिरिंज पंप का उपयोग करना, हम पहली बार हरी फ्लोरोसेंट polystyrene मोती के निलंबन के 100 μl / मिनट की दर पर एक नकारात्मक नियंत्रण (2A चित्रा) के रूप में PZT ट्रांसड्यूसर के प्रवर्तन के बिना इंजेक्शन। अगला, हम (चित्रा 2 बी 40 वी वी पी पी =) microchannel की चौड़ाई में एक आधा तरंग दैर्ध्य खड़े लहर फार्म के लिए 2.366 मेगाहर्ट्ज पर डिवाइस actuated। हमने पाया है कि इन कणों, जो एक सकारात्मक ध्वनिक विपरीत कारक है, दबाव नोड के साथ ध्यान केंद्रित उम्मीद के रूप में। 6 हम भी इंजेक्शन एक नकारात्मक ध्वनिक विपरीत पहलू के साथ लाल फ्लोरोसेंट कणों (यानी, ɸ ≈ -0.88, एक प्रक्रिया पहले से वर्णित से संश्लेषित) 8 सत्यापित करने के लिए हमारे डिवाइस दबाव antinodes साथ उनकी एकाग्रता उत्पन्न कर सकता है कि (

अंत में, हम प्रवाह की दर (यानी, 0 करने के लिए 1,000 μl / मिनट के रूप में एक सिरिंज पंप द्वारा विनियमित) और वोल्टेज (यानी, 0-50 वीपीपी) की एक श्रृंखला में एक सकारात्मक ध्वनिक विपरीत पहलू के साथ कणों का ध्यान केंद्रित की हद तक का पता लगाया। 15 फ्रेम के शामिल वीडियो हर हालत के लिए एकत्र किए गए थे। ImageJ सॉफ्टवेयर microchannel की चौड़ाई में नमूने के लिए प्रतिदीप्ति तीव्रता प्रोफ़ाइल के पांच इस्तेमाल किया गया था। एक संख्यात्मक कंप्यूटिंग कार्यक्रम हर हालत के लिए तीव्रता प्रोफाइल औसत करने और एक इनलाइन छानने प्रोग्राम का उपयोग औसतन डेटा सुचारू करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। (के रूप में, प्रतिदीप्ति चोटी की चौड़ाई से परिभाषित कणों की धारा की चौड़ाई के बराबर है, यानी) बढ़ाने के प्रवाह की दर (चित्रा 3) के साथ कम उम्मीद थी, कण की हद तक ध्यान दे। हम यह भी पाया है कि कण की हद तक लागू किया voltages में वृद्धि के साथ बढ़ ध्यान केंद्रित (फाईआंकड़ा 3 बी)।

आकृति 1
चित्रा 1:। Acoustofluidic डिवाइस थोक ध्वनिक खड़े तरंगों का समर्थन करने के लिए एक डिवाइस एक etched सिलिकॉन सब्सट्रेट एक borosilicate ग्लास "ढक्कन" के लिए जुड़े हुए के शामिल के शीर्ष (ए) और नीचे (बी) के योजनाबद्ध विचारों, polydimethylsiloxane (PDMS) ब्लॉक सिलिकॉन से जुड़े ट्यूबिंग और एक piezoelectric transducer डिवाइस के नीचे से चिपके तारों को soldered। डिवाइस के शीर्ष (सी) और नीचे (डी) के फोटोग्राफ भी दिखाए जाते हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2: ध्वनिक का ध्यान केंद्रितसकारात्मक और नकारात्मक ध्वनिक विपरीत कारकों के साथ कणों। (ए) titanate नेतृत्व zirconate (PZT) ट्रांसड्यूसर का प्रवर्तन करने से पहले, एक सकारात्मक ध्वनिक विपरीत कारक (10 माइक्रोन, पीले, हरे polystyrene मोती) 100 μl में बहने के साथ कणों / मिनट पर कब्जा कर लिया microchannel की चौड़ाई। (बी) PZT ट्रांसड्यूसर के बाद actuated है (वी पी पी = 40 वी और ƒ = 2.366 मेगाहर्ट्ज), (ए) में कणों खड़े लहर के दबाव नोड के साथ ध्यान केंद्रित करने के लिए दिखाए जाते हैं। (सी) लागू प्रवाह के अभाव में खड़े लहर के दबाव antinodes साथ ध्यान केंद्रित एक नकारात्मक ध्वनिक विपरीत पहलू के साथ कणों (वी पी पी = 40 वी और ƒ = 2.366 मेगाहर्ट्ज)। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 3:। एक acoustofluidic डिवाइस का ध्यान केंद्रित प्रदर्शन polystyrene मोती के प्रतिदीप्ति तीव्रता भूखंडों (चित्रा 2A में दिखाया गया है - बी) (ए) के एक निरंतर चोटी करने वाली के साथ विभिन्न प्रवाह दरों (0 से 1,000 μl / मिनट से लेकर) के लिए दिखाए जाते हैं, 40 वी के शिखर वोल्टेज और (बी) के विभिन्न एप्लाइड वोल्टेज (0 से 50 Vpp को लेकर) 100 μl / मिनट की एक निरंतर प्रवाह की दर के साथ। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Discussion

Acoustophoresis hydrodynamic ध्यान केंद्रित दृष्टिकोण में इस्तेमाल म्यान तरल पदार्थ की आवश्यकता के बिना एक सरल और तेजी से दृष्टिकोण ठीक fluidic microchannels के भीतर सूक्ष्म संस्थाओं की व्यवस्था करने के लिए प्रदान करता है। 24 इन उपकरणों के कण या सेल हेरफेर के अन्य तरीकों पर कई फायदे प्रदान करते हैं (जैसे, magnetophoresis, 25,26 dielectrophoresis 27 या जड़त्वीय उच्च चुंबकीय भावनाएँ, बिजली polarizabilities या एक संकीर्ण आकार dispersity बिना संस्थाओं पर कार्रवाई करने के लिए अपनी क्षमता की वजह से 28 के लिए मजबूर)। इसके अलावा, एक ध्वनिक खड़े लहर का ध्यान केंद्रित नोड्स उत्तेजना का स्रोत है, जो कुछ है कि स्थिर चुंबकीय या बिजली क्षेत्र द्वारा संभव नहीं है प्रति Earnshaw प्रमेय के रूप में दूर से तैनात किया जा सकता। 29 एक अतिरिक्त लाभ यह है कि ध्वनिक उपकरणों कणों भर में ध्यान केंद्रित कर सकते है लागू किया प्रवाह दरों और प्रवाह दिशा है, जो उपकरणों Tha में संभव नहीं है की स्वतंत्र की एक विस्तृत श्रृंखलाटी ध्यान केंद्रित, 28 साधन कुशलता से इस तरह के फ्लो और कण आकार के रूप में आवेदन के लिए बढ़ाया कण निरीक्षण के लिए कणों या कोशिकाओं के परिवहन के लिए उपलब्ध कराने के लिए जड़त्वीय बलों पर भरोसा करते हैं। 30,31 उपकरण निर्माण और ऑपरेशन के आसानी सीधे समान के कार्यान्वयन के लिए अनुमति दे सकते हैं , ध्यान केंद्रित ध्यान दे, fractionating और तरल पदार्थ में निलंबित वस्तुओं छँटाई के लिए उपकरणों। 32

हमें पता चला है कि प्राथमिक विकिरण बलों, जो ध्वनिक खड़े तरंगों द्वारा उत्पादित सबसे मजबूत बलों हैं, 1 10 मिलीग्राम / एक भी छिद्र डिजाइन के लिए मानव संसाधन से अधिक प्रवाह दरों पर एक microfluidic चैनल के माध्यम से बह microparticles ध्यान केंद्रित कर सकते हैं। 100 μl / मिनट की एक निश्चित प्रवाह की दर के लिए, हम बताते हैं कि हमारे इस उपकरण में एक संकीर्ण कारगर बनाने में कणों ध्यान केंद्रित कर सकते हैं (यानी, 50 माइक्रोन के पार) वोल्टेज पर किसी भी म्यान तरल पदार्थ के रूप में 20 वी चोटी से पीक के रूप में कम के बिना, एक कम सक्रिय करने के batchwise 10 लाख गड्ड का ध्यान केंद्रित के लिए -बिजली की विधिcles / मिनट के लिए एक उदाहरण के रूप में घनी केंद्रित समाधान (जैसे, 6 एक्स 10 8 कणों / एमएल), प्रसंस्करण है। इसके अलावा, इस throughput नाटकीय रूप से बहु-छिद्र acoustofluidic चिप्स या चैनलों कि उच्च harmonics समानांतर नोड्स के सेट का निर्माण करने के साथ प्रेरित कर रहे हैं fabricating द्वारा बढ़ाया जा सकता है। 33

डिवाइस के साथ साथ ही दिखाए सामग्री और तरीके पारंपरिक microfabrication में इस्तेमाल की आवश्यकता है, हम जोर है कि इसी तरह के उपकरणों के निर्माण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता अन्य तकनीकों की एक मुट्ठी भर रहे हैं। 19,34,35 इस दृष्टिकोण के लाभ के साथ-साथ अपनी सादगी शामिल अंतिम डिवाइस के स्थायित्व।

इन उपकरणों का निर्माण करने के लिए महत्वपूर्ण कदम fluorescen द्वारा अवलोकन के लिए एक पारदर्शी "ढक्कन" करने के लिए सिलिकॉन फ्यूज करने के लिए सिलिकॉन और anodic संबंध में चैनल के लिए फार्म microchannel, प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी की ज्यामिति को परिभाषित करने के लिए फोटोलिथोग्राफी शामिलसीई माइक्रोस्कोपी। इन सभी चरणों के साफ कमरे की सुविधाओं डिवाइस के भीतर धूल या मलबे के संग्रह से बचने के लिए आवश्यकता होती है। एक बार जब इन चरणों को पूरा कर रहे हैं, हालांकि, एक PZT ट्रांसड्यूसर संबंध और fluidic बंदरगाहों अपेक्षाकृत सीधा कर रहे हैं और एक साफ कमरे के बाहर प्रदर्शन किया जा सकता है।

हालांकि, इस उपकरण के समुचित उपचार अपनी लंबी उम्र के लिए आवश्यक है। यह भी शामिल है (1) passivating अभिकर्मकों (जैसे, पाली (एथिलीन ग्लाइकोल) silane) प्रत्येक प्रयोग करने से पहले अवशेषों buildup और डिवाइस (2) निस्तब्धता से चैनल एक प्रयोग के बाद डिटर्जेंट के साथ की रक्षा के लिए साथ डिवाइस incubating। मलबे के buildup ध्वनिक खड़े लहर की निष्ठा समझौता हो सकता है और कुशलता से डिवाइस के भीतर कणों या कोशिकाओं ध्यान केंद्रित करने की क्षमता को कम कर सकता है। हम यह भी ध्यान दें कि इन उपकरणों के अत्यधिक नहीं polydisperse नमूने या खड़े लहर के आकार के आधे के करीब पहुंच संस्थाओं युक्त नमूने के लिए अच्छी तरह से अनुकूल हैं।

Acoustofluiडीआईसी उपकरणों कोलाइडयन विधानसभा से फैले जुदाई सेल और प्रवाह cytometry के लिए आवेदनों की एक किस्म के लिए भारी उपयोगिता प्रदान करते हैं। उच्च प्रवाह दरों पर परिशुद्धता के साथ जैविक नमूने प्रक्रिया करने की क्षमता है, इन microfluidic उपकरणों की वृद्धि हुई throughputs की क्षमता के लिए अनुमति दे सकते हैं म्यान तरल पदार्थ के वितरण के लिए ज़रूरत से ज़्यादा अभिकर्मकों, बड़े नमूना मात्रा या भारी उपकरणों से लागत को कम करते हुए। निर्माण उपकरणों acoustofluidic बनाने के लिए आवश्यक तरीकों सीधा कर रहे हैं और प्रक्रियाओं को उनके संचालन के लिए आवश्यक उपयोगकर्ता के अनुकूल हैं। हमें उम्मीद है कि इन प्रक्रियाओं सामग्री विज्ञान, जैव प्रौद्योगिकी और दवा के पार अनुप्रयोगों के लिए अनुसंधान के नए क्षेत्रों को उत्प्रेरित करने के लिए इसी तरह के उपकरणों के व्यापक विकास के लिए प्रोत्साहित करेंगे।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicon wafers Addison Engineering, Inc. 3P1 6” mechanical grade silicon wafer <111>
AZ 9260 photoresist MicroChemicals GmbH AZ9260-Q Positive photoresist
AZ 400K developer MicroChemicals GmbH AZ400K CONC-CS Dilute 1 part AZ 400k in 4 parts deionized H2O
H2O2 Sigma Aldrich, Co. 216763 30 wt.% in H2O
H2SO4 Sigma Aldrich, Co. 320501 ACS reagent, 95.0-98.0%
1165 Photoresist Remover Dow Chemical, Co. DEM-10018073 1-methyl-2-pyrrolidinone based
Acetone Sigma Aldrich, Co. 320110 ACS reagent, ≥99.5%
Isopropyl alcohol Sigma Aldrich, Co. W292907 ≥99.7%, FCC, FG
Methanol Sigma Aldrich, Co. 322415 Anhydrous, 99.8%
Borosilicate glass  (Nexterion glass B) Schott AG  2098576

Size: 120 x60 ±0.1 mm Thickness: 1 ±0.005 mm
Drill bit for glass and ceramic  McMaster-Carr, Inc. 2954A1 Drill bit size: 1/8” Overall length: 2 3/16” Shank diameter: 7/64”
Polydimethylsiloxane (PDMS) kit Sigma Aldrich, Co. 761036 Dow Corning, Co.; Sylgard 184®; 10 g clip-pack
Biopsy punch   Ted Pella, Inc.  15078 Harris uni-core Tip ID: 3.0 mm Tip OD: 3.40 mm
Lead zirconate titanate (PZT) transducer APC International, Ltd. Custom order, (841 WFB) Length: 30.0 mm, Width: 5.0 mm, Freq.: 2.46 MHz, 2.0 mm end wrap for leads
Silicone tubing  Cole Parmer Instrument, Co. 07625-22 0.6 mm I.D.
Polystyrene beads Thermo Fischer Scientific, Inc. F-8836 10 µm yellow-green fluorescence

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References

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इंजीनियरिंग अंक 109 microfluidics acoustophoresis acoustofluidics microfabrication सेलुलर विश्लेषण थोक ध्वनिक खड़े तरंगों नकारात्मक ध्वनिक विपरीत कणों elastomeric कणों
निर्माण और Acoustofluidic उपकरणों के संचालन के लिए थोक Sheathless ध्वनिक खड़े तरंगों सहायक कण का ध्यान केंद्रित
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Shields IV, C. W., Cruz, D. F., Ohiri, K. A., Yellen, B. B., Lopez, G. P. Fabrication and Operation of Acoustofluidic Devices Supporting Bulk Acoustic Standing Waves for Sheathless Focusing of Particles. J. Vis. Exp. (109), e53861, doi:10.3791/53861 (2016).

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