Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Fabrikasjon og drift av Acoustofluidic enheter som har støtte Bulk Acoustic stående bølger for Sheathless Fokusering av partikler

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 enheter bruker ultrasoniske bølger innenfor microfluidic kanaler for å manipulere, konsentrere seg og isolere suspendert micro og nanoscopic enheter. Denne protokollen beskriver fremstillingen og bruken av en slik enhet som støtter bulk akustiske stående bølger for å fokusere partiklene i en sentral strømlinje uten hjelp av kappe fluider.

Abstract

Acoustophoresis refererer til forskyvning av opphengte gjenstander som reaksjon på retningskrefter fra lydenergi. Gitt at de opphengte gjenstandene må være mindre enn den innfallende bølgelengden til lyden og bredden av fluidtekniske kanaler er typisk titalls til flere hundre mikrometer i diameter; acoustofluidic anordninger vanligvis bruker ultrasoniske bølger som genereres fra en piezoelektrisk transduser pulserende ved høye frekvenser (i megahertz-området ). Ved karakteristiske frekvenser som er avhengige av geometrien av anordningen, er det mulig å indusere dannelsen av stående bølger som kan fokusere partikler langs ønskede fluidstrømlinjene innenfor en massestrømning. Her beskriver vi en fremgangsmåte for fabrikasjon av acoustophoretic enheter fra vanlige materialer og rene rom utstyr. Vi viser representative resultater for fokuseringen av partikler med positive eller negative kontrast akustiske faktorer, som beveger seg mot trykk noder eller antinodes av de stående bølger, respectivEly. Disse enhetene har enorm praktisk verktøy for nøyaktig posisjonering stort antall mikroskopiske enheter (f.eks celler) i stasjonær eller strømmende væsker for applikasjoner som spenner fra cytometri montering.

Introduction

Acoustofluidic enheter brukes til å utøve retnings krefter på mikroskopiske enheter (f.eks, partikler eller celler) for sin konsentrasjon, justering, montering, fødsel eller separasjon i hvilende væsker eller laminat flowstreams. 1 Innenfor dette brede klasse av enheter, kan kreftene genereres fra bulk akustiske stående bølger, overflate akustiske stående bølger (SSAWs) 2 eller akustisk vandrebølgene. 3 Mens vi fokuserer på fabrikasjon og drift av enheter som støtter bulk akustiske stående bølger, enheter som støtter SSAWs har fått mye oppmerksomhet den siste tiden på grunn av deres evne til nettopp å manipulere celler langs flatene 4 og hurtig sortere celler i kontinuerlige strømningskanaler. 5 enheter bærebulk akustiske, stående bølger, imidlertid, omarrangere partikler basert på de mekaniske vibrasjonene fra veggene i anordningen som genereres av en piezoelektrisk transduser, som eksiterer de stående bølger i mikrofluidhulrom på geometrisk definerte resonans frekvenser. Dette gir potensiale for å generere høyere trykk amplituder i forhold til SSAW enheter, og dermed hurtigere acoustophoretic transport av mikroskopiske enheter. 6

Disse stående bølger består av en rommessig periodisk sett av trykk noder og antinodes, som er fast i stilling når trykket oscillerer i tid. Partikler svare på de stående bølger ved å migrere til trykk noder eller antinodes, avhengig av de mekaniske egenskapene til partiklene i forhold til fluidet, og som er beskrevet av den akustiske steilhetsfaktor:

Equation1

hvor variablene ρ og β representerer densitet og kompressibilitet og indeksene p og ƒ representerer suspendert gjenstand (f.eks, partikkel eller celle) og fluidet, respektivt.7 Enheter som innehar en positiv akustisk steilhetsfaktor (dvs. ɸ> 0) migrere til det trykk noden (s); mens, enheter som besitter en negativ akustisk kontrast faktor (dvs. ɸ <0) migrere til trykk antinodes. 7 Mens flertallet av syntetiske materialer (f.eks isopor perler) og celler utvise positiv akustisk kontrast, elastiske partikler laget av silikonbasert materialer, 8 fettmolekyler 9 eller andre sterkt elastiske bestanddeler oppviser negativ akustisk kontrast i vann. Elastomere partikler i acoustofluidic anordninger kan anvendes for å isolere små molekyler 10 og som middel til å begrense syntetiske partikler 11 eller celler 12 for det formål å diskriminere sortering. 13

Acoustofluidic enheter er vanligvis laget av standard materialer (f.eks silisium og glass) som har tilstrekkelig stivhet til support en akustisk stående bølge. I mange acoustofluidic enheter (inkludert innretningen vist heri), er de mekaniske bølger konstruert for å resonere ved den laveste harmoniske modus, som består av en halv-bølgelengde stående bølge som strekker seg over bredden av microchannel. Denne konfigurasjonen har en trykk node i midten av kanalen og trykk antinodes langs omkretsen av kanalen. Det har vist seg tidligere at disse systemene kan brukes til chip-baserte applikasjoner Cytometry 14-16 og applikasjoner som strekker seg fra overlapping av cellene til konsentrasjonen av celler. 17,18

Vi beskriver prosessen med fabrikasjon, metoder for bruk og representative yteevnen til en acoustofluidic enhet som støtter bulk akustiske stående bølger. Denne enheten krever en fotolitografi skritt, en etsning trinn og en fikseringstrinn til permanent binde et glass "lokk" til den etset silisium substrat. Vi merker oss at andre acoustofluidic enheter som støtter bulk akustiske, stående bølger kan være fremstilt av glass eller kvarts kapillærer bundet til piezoelektriske transdusere, som er beskrevet tidligere. 19,20 Silisium-baserte enheter tilbyr fordelene med robusthet og kontroll over strømningskanalen geometri, som til sammen tillater mange typer behandling for prøver inneholdende suspensjoner av partikler og celler. Enhetene er gjenbrukforutsatt at de er skikkelig rengjort mellom hver bruk (dvs. ved å spyle enheten med buffere og vaskemidler).

Protocol

1. Fotolitografi

  1. Design fotomasken med en passende programvarepakke og sende design til en kvalifisert fotomaske skriver. 21
  2. I et rent rom anlegget, skyll en 6 "single-side polert Si wafer med en jevn strøm av aceton (≥99.5%; se tabell 1), etterfulgt av en jevn strøm av metanol (99,8%, se tabell 1). Tørk skiven ved sprøyting med N2 gass og plassere skiven på en varm plate ved 95 ° C i 2 min.
    MERK: doping profil og krystall orientering av wafere ikke påvirker følgende prosedyrer.
  3. Beskytt trau utsiden av spinnbeleggeren (i en standard sentrifuge coat hette) ved å dekke med en plate av Al-folie og plassere rent Si platen på midten av vakuum chucken i spinnbeleggeren for å feste skiven.
  4. Innskudd positiv fotoresist direkte på sentrum av skiven ved forsiktig å helle helt fotoresist dekker mestav skiven. Pass på å sikre at det ikke er noen bobler i fotoresist.
    MERK: eksakte prosedyrer i trinn 1.5 til 1.10 korresponderer med fotoresisten er vist i tabell 1; ulike prosedyrer kan være nødvendig for ulike photoresists.
  5. Start sentrifugeringen ved å utføre følgende prosedyrer:
    1. Programmere en hastighet på 300 rpm, en rampe på 100 rpm / sek, og en spin tid på 5 sekunder for å starte sentrifugeringen.
    2. Program til en hastighet på 1800 rpm, en rampe på 1000 rpm / sek, og en spinn tid på 60 sekunder for å jevnt fordelt fotoresisten.
    3. Program til en hastighet på 0 rpm, en rampe på 1000 rpm / sek, og en spin tid fra 0 sek til å konkludere med sentrifugeringen.
  6. Slipp vakuum på chuck og bruke wafer pinsett til å hente wafer fra chucken. Deretter plassere skiven på en varm plate for å bake ved 110 ° C i 165 sek.
    MERK: Dette trinnet er referert til som den "myke bake".
  7. Last fotomasken til innehaveren av en maskealigner / fotolitografi maskin.
  8. Endre parametere fotolitografi maskin for å tilveiebringe en energi dose på 1400 mJ / cm 2 (f.eks, for en utgangsintensitet på 13,5 mW / cm 2 ved å bruke en eksponeringstid på ~103.7 sek).
  9. Fjern photopatterned wafer fra holderen og legg den i en løsning av den tilsvarende utvikleren (se tabell 1) i 5 min.
  10. Fjerne skiven fra utvikleren, vask wafer med en jevn strøm av avionisert H 2 O og tørkes med N2 gass.
    MERK: Over-utvikling kan føre mønstre for å hovne opp, mens under-utvikling kan føre til ufullstendig fjerning av fotoresist langs foto-mønstrede funksjoner.
  11. Inspisere skiven under et mikroskop for å bekrefte mønster trykket på fotomasken ble overført til fotoresist.

2. Deep ioneetsning

  1. Legg i foto-mønstrede Si wafer inn i kammeret i en dypreaktiv ioneetsing instrument og etse de fluid kanaler inn i Si platen til ønsket dybde følgende standard etsefremgangsmåter. 22
  2. Nøye losse prøven fra kammeret etter etseprosessen er fullført.
  3. For å fjerne overflødig fotoresist fra wafer, utarbeide en stor kanne med en løsning av fotoresist remover (se tabell 1) i et godt ventilert hette dedikert til bruk av løsemidler og legg den på en varm plate ved 65 ° C.
  4. Senk wafer i fotoresist fjerning løsning og la det trekke i en time.
    MERK: Ulike løsninger kan brukes for å fjerne fotoresisten (for eksempel en oppløsning av aceton (≥99.5%; kan se tabell 1) å fjerne det fotoresistente ved bløtlegging over natten).
  5. Fjerne skiven fra begerglasset, og skylle den med vekslende strømmer av aceton (≥99.5%; se tabell 1) og isopropylalkohol (≥99.7%; se tabell 1). Tørk wafer with N2 gass.

3. Piranha Rengjøring

  1. I et godt ventilert hette (dedikert til bruk av syrer), utarbeide en piraja løsning ved å legge til H 2 O 2 (30,0 vekt% i vann, jf. Tabell 1) til H 2 SO 4 (95,0 til 98,0%, se tabell 1) til i et 1: 3-forhold i et stort, rent beger.
    FORSIKTIG: Piranha løsninger er sterkt etsende, er en sterk oksidant og er svært farlig. Ta ekstrem forsiktighet ved håndtering piraja løsninger og bruke riktig sikkerhetsutstyr.
  2. Senk ion etset wafer med etset-funksjoner vendt opp og la stå i 5 min. Fjerne wafer nøye og fullt skyll med avionisert H 2 O.
  3. Re-senk wafer i piraja løsning for 2 min. Fjerne wafer nøye og fullt skyll med rikelig avionisert H 2 O.
  4. I en separat godt ventilert hette dedikert til bruk løsningsmiddel, vaske wafer med en jevn strøm avaceton (≥99.5%; se tabell 1), etterfulgt av en jevn strøm av metanol (99,8%, se tabell 1) og tørk wafer med N2 gass. Kast den piraja løsningen ved å følge de riktige sikkerhetsprosedyrene.

4. Klargjør borsilikatglass Lid

  1. Ved hjelp av en skriftlærd verktøy, etse rette linjer inn i borsilikatglass å opprette rektangulære segmenter (f.eks, 8 x 4 cm 2). knipse forsiktig glasset for å gjenopprette de rektangulære segmenter.
  2. Ta en av disse glass segmenter og plassere den på toppen av en utskrift av det ønskede design (med faktiske dimensjoner) for å markere plasseringen av innløp og utløp på glasset med en svart markør.
  3. Bor innløps- og utløps hull i borsilikatglass.
    MERK: Riktig verneutstyr bør brukes til enhver tid.
    1. Fikse en 1/8 "drill bit inn i munnen på drill trykk. Plasser den rektangulære glass segmentet på toppen aven Al-plate med borede hull, slik at merker på glasset er over hullene i platen Al. Fest glasset på Al plate med tape.
    2. Senk mate håndtaket for å begynne boring av små hull i glasset og fortsette å senke håndtaket inntil hullet er gjort gjennom glasset. Når hullet er ferdig, fjerne tapen og sakte løfte glasset for å fjerne glasspulver. Plasser glass pulver i et beger med vann og kast bruke de riktige sikkerhetsprosedyrene.
    3. tørke forsiktig av glasset med en ikke-lo-produserende absorberende klut og følger de samme prosedyrer (Steps 4.3.1-4.3.2) for å bore de andre innløps- og utløpshull.
  4. Følg samme prosedyre (§ 3 ovenfor) for å rense den rektangulære glass segmentet med piraja løsning.
    FORSIKTIG: Piranha løsninger er sterkt etsende, er en sterk oksidant og er svært farlig. Ta ekstrem forsiktighet ved håndtering piraja løsninger og bruke riktig sikkerhetsutstyr.

5. Anodisk Bonding

  1. Ved hjelp av et risseverktøy, etse rette linjer, og i Si platen rundt omkretsen av den mikrofluid chip slik at den er litt mindre enn den rektangulære glass-segmentet (som 7 x 3 cm 2). knipse forsiktig wafer langs etset linjer.
  2. Skyll Si segment med en jevn strøm av aceton (≥99.5%; se tabell 1), etterfulgt av en jevn strøm av metanol (99,8%, se tabell 1). Plassere skiven på en varm plate ved 95 ° C i 2 minutter for å tørke.
  3. Med etset-funksjonene på Si segmentet vender opp, tilsett forsiktig den rene glass på toppen av Si-segmentet, og sørge for at hullene justert riktig.
  4. flip nøye segmentene og samtidig sikre hullene holdes justert. Siden glass segment er større enn Si-segmentet, feste de to segmentene med dobbeltsidig tape, hvor halvparten av båndet fester de vertikale kanter av Si-segmentet og den andre halvpartenav båndet sikrer den overhengende glass. Deretter snu segmentene igjen slike at glasset segmentet er på topp, og plasser segmenter på toppen av en metallplate på en varm plate.
  5. Legge til forsiktig en andre metallplate (for eksempel stål) av en tilstrekkelig tung vekt (dvs. minst 5 kg) direkte til toppen av den sammensatte glass og Si-segmenter.
    MERK: Denne metallplate bør ikke være i kontakt med Si segment eller ledende tape.
  6. Ved hjelp av en høyspennings-kraftforsyning, kobler en ledning (strøm) til den metalliske skive på toppen av den sammenstilte glass og Si-segmentene og den andre leder (jord) til den nederste metallisk skive.
  7. Slå spenningen på den underliggende kokeplate til 1000 V. Kontroller spenningen ved å bruke multimeter; trykker en sonde mot bunnplaten og den andre sonde mot topplaten.
    FORSIKTIG: Den høye spenningen er ekstremt farlig; være forsiktig med å ta på metallplater eller ledningene.
  8. La den varmeplate ved 450 ° C i 2 timer for å tillate glass "lokket" til anodisk binding til Si substratet. Tilbake etter to timer å slå av kokeplaten, slå av DC strømforsyning og fjern enheten fra metallplater.
    ADVARSEL: Metall plater vil være ekstremt varme under og etter bonding prosessen, slik at materialet avkjøles i minst en time etter å ha slått den varme platen.

6. Ferdigstillelse av Acoustofluidic Device

  1. Skrape overflaten av glasset med et barberblad for å fjerne sot som produseres av anodisk bonding og rengjør overflaten av glasset med aceton.
  2. Fremstille et ark av polydimetylsiloksan (PDMS) omtrent 5 mm tykke og skjæres flere små, firkantede plater ca 10 x 10 mm 2 (se tabell 1). 23
  3. Bruke en 3 mm biopsi slag for å skjære et hull i midten av hver skive PDMS, slik som å sette silikonslangen gjennom det. Plasser platene direkte på toppen av hullets på glasset underlaget og lim plater med epoxy.
    MERK: Vær forsiktig med å bruke for mye lim som det vil tilstoppe hullene på enheten.
  4. lim forsiktig blyzirkonattitanat (PZT) svinger til Si segment på baksiden av enheten, sentrert-under microchannel.
  5. Lodd to ledninger til de to ledende områder på PZT transduseren. Pass på at ledningene er godt festet til PZT svinger. Sett inn silikon slangen gjennom hullene i plater av PDMS og legge til ekstra lim rundt plater og slangen for å sikre deres tilknytning.

7. Bruke Acoustofluidic Device

  1. Sikkert montere enheten på et mikroskop scenen med microchannel rett under målet.
    MERK: Pass på at PZT svingeren gjør ikke kontakt med scenen ved å plassere en liten innsats under enheten.
  2. Ved hjelp av standardiserte kontakter, koble silikon rør fra outlets av enheten til sprøyter med pant i sprøytepumper.
    MERK: Denne konfigurasjonen er ment for "uttak mode"; sprøytepumper kan alternativt benyttes for å injisere prøven inn i enheten.
  3. Plasser silikonrøret som fører til innløpet av anordningen i et hetteglass inneholdende fluidprøven (for eksempel en suspensjon av polystyrenkuler eller celler).
  4. Plasser flasken inneholdende fluidprøven på en røreplate for kontinuerlig å blande prøven og sikre at en konstant konsentrasjon av partikler eller celler blir opprettholdt gjennom hele forsøket.
  5. Kobler ledningene fra PZT-transduseren til utgangen fra en effektforsterker i serie med en funksjonsgenerator. Programmere innstillingene på funksjonsgenerator (f.eks peak-to-peak spenning og frekvens) og overvåke utgangssignalet fra forsterkeren med et oscilloskop. Slå på funksjonsgenerator og effektforsterker for å starte aktivering av PZT transduseren. 6
    1. For å estimere den resonansfrekvensen for enheten, følger ligningen c = λ * ƒ, hvor c er lydhastigheten i mediet (dvs. vann), er λ den akustiske bølgelengden og ƒ er frekvensen til PZT-transduseren. I tilfelle av en halv-bølgelengde harmoniske (som vi viser i Representative resultater Section), bør bredden av microchannel være halvparten av lengden av den stående bølge.
    2. Bruk en peak-to-peak spenningsinnstilling innenfor området 0-50 V.
      MERK: En økning i anvendt spenning fører til høyere trykk amplituder, og dermed raskere acoustophoresis.
  6. Slå på mikroskopet og sikre microfluidic kanalen er helt klart i fokus.
  7. Slå på sprøytepumpe å påføre strømning og introdusere prøven inn i enheten. Overvåke enheter som strømmer gjennom enheten med mikroskopet på fluorescens-modus.
  8. Sørg for at enheten effektivt fokuserer particles ved å justere topp-til-topp spenning tilføres til PZT-transduseren for å modifisere trykket amplitude og ved å utføre et frekvenssveip nær den forventede resonansfrekvensen for å identifisere den empiriske resonansfrekvensen.

Representative Results

Vi utviklet acoustofluidic anordningen for å inneholde en trifurcating innløp, en hovedkanal med en bredde på 300 um og en trifurcating utløp (figur 1 A - B). Vi merker oss at vi bare brukt ett innløp for alle forsøkene i denne studien (dvs. å oppnå sheathless fokusering av partiklene via akustiske strålings krefter) ved å blokkere de andre viker med avtakbare plugger. Ved å følge fremgangsmåtene beskrevet ovenfor, konstruerte vi en brikke som innehar en kanalbredde på 313 um, med en feil på ~4% på grunn av ujevnheter i løpet av microfabrication prosessen (figur 1C - D). Vi opererte innretningen på en drivende frekvens på 2,366 MHz for å indusere en halv bølgelengde harmonisk stående bølge.

Vi brukte en signalgenerator som er koblet til en effektforsterker for å generere høyfrekvent sinusformet bølgeform for å aktivisere PZT transducer. Vi brukte et oscilloskop for å måle topp-til-topp-utgangsspenning (V pp) som ble generert fra effektforsterkeren til å kontrollere gjengivelsen av signalet form og amplitude. Ved hjelp av en sprøytepumpe, vi først injiseres en suspensjon av grønt fluorescerende polystyren perler ved en hastighet på 100 mL / min, uten påvirkning av PZT-transduseren som en negativ kontroll (figur 2A). Deretter vi aktiverte anordningen ved 2,366 MHz for å danne en halv-bølgelengde stående bølge over bredden av microchannel (V pp = 40 V; figur 2B). Vi har funnet at disse partiklene, som har en positiv akustisk steilhetsfaktor, fokuserte langs trykket noden som forventet. 6 vi også injisert røde fluorescerende partikler med en negativ akustisk steilhetsfaktor (dvs. ɸ ≈ -0,88, syntetisert fra en prosess som er beskrevet tidligere) 8 for å kontrollere at vår enhet kan indusere deres konsentrasjon langs trykk antinodes (

Til slutt, utforsket vi graden av fokusering av partikler med en positiv akustisk steilhetsfaktor på et område av strømningsrater (dvs. 0 til 1000 mL / min, som reguleres av en sprøytepumpe) og spenning (dvs. fra 0 til 50 Vpp). Videoer som består av 15 bilder ble samlet for hver tilstand. ImageJ programvare ble anvendt for å prøve fem av fluorescensintensiteten profilen tvers over bredden av microchannel. En numerisk databehandling program ble brukt til gjennomsnittlig intensitetsprofiler for hver tilstand og for å jevne ut gjennomsnittsdata ved hjelp av en innebygd filtrering program. Som forventet, graden av partikkel fokusering (dvs. som definert av bredden av fluorescens-topp, som tilsvarer bredden av strømmen av partikler) ble redusert med økende strømningshastigheter (Figur 3A). Vi fant også at omfanget av partikkel fokusering økte med økende anvendt spenninger (Fifigur 3B).

Figur 1
Fig. 1: Acoustofluidic enhet som støtter bulk akustiske, stående bølger skjematiske riss av toppen (A) og bunn (B) av en anordning som består av en etset silisiumsubstrat kondensert til et borsilikat-glass "lokk", polydimetylsiloksan (PDMS) blokker forbundet med silikon rør og en piezoelektrisk transduser loddet til ledninger limt til bunnen av enheten. Fotografier av toppen (C) og bunn (D) på enheten er også vist. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2: Akustisk fokusering avpartikler med positive og negative akustiske kontrast faktorer. (a) før aktivering av blyzirkonattitanat (PZT) svinger, partikler med en positiv akustisk steilhetsfaktor (10 um, gul-grønn polystyrenkuler) som strømmet med 100 ul / min okkupert bredden av microchannel. (B) Etter at PZT-transduseren blir aktivert (V pp = 40 V og ƒ = 2,366 MHz), partiklene i (A) er vist å fokusere langs trykket noden til den stående bølgen. (C) Partikler med en negativ akustisk kontrast faktor fokusert langs trykk antinodes av den stående bølge i fravær av brukt flow (V pp = 40 V og ƒ = 2,366 MHz). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

"Figur Fig. 3: Fokusering resultatene for en acoustofluidic anordning fluorescensintensitet plott av polystyren-perler (som vist i figur 2A - B) er vist for (A) forskjellige strømningsrater (varierende fra 0 til 1000 mL / min) med en konstant topp-til- peak spenning på 40 V og (B) ulike anvendte spenninger (som strekker seg fra 0 til 50 Vpp) med en konstant strømningshastighet på 100 ul / min. klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Acoustophoresis tilbyr en enkel og rask metode for å arrangere nøyaktig mikroskopiske enheter innenfor fluidmikrokanaler uten behov for å kappe fluider som brukes i hydrodynamiske fokuserings tilnærminger. 24 Disse anordninger gir flere fordeler i forhold til andre metoder for partikkel eller celle manipulasjon (f.eks magnetophoresis, 25,26 dielectrophoresis 27 eller treghets tvinge 28) på grunn av deres evne til å behandle enheter uten høy magnetisk følsomhet, elektriske polarizabilities eller en snever størrelses dispersitet. Videre kan fokuserings noder av en akustisk standbølge være plassert langt fra kilden for eksitasjon, noe som ikke er mulig ved statiske magnetiske eller elektriske felt som per Earnshaw teorem. 29 En ytterligere fordel er at akustiske anordninger kan fokusere partiklene på tvers et bredt spekter av anvendt strømningshastigheter og uavhengig av strømningsretningen, noe som ikke er mulig i anordninger that stole på treghetskrefter for å fokusere, 28 som gir mulighet til å effektivt transportere partikler eller celler for økt partikkel inspeksjon for applikasjoner som flowcytometri og partikkel dimensjonering. 30,31 Den enkle enheten fabrikasjon og drift kan direkte gi rom for gjennomføring av tilsvarende enheter for å fokusere, konsentrere seg, fraksjonering og sortering gjenstander suspendert i væske. 32

Vi har vist at den primære strålings krefter, som er de sterkeste krefter som produseres av akustiske, stående bølger, kan en fokusere mikropartikler som strømmer gjennom et mikrofluidkanal ved strømningshastigheter på over 10 ml / t i en enkelt åpning utforming. For en fast strømningshastighet på 100 mL / min, viser vi at vår enhet kan fokusere partiklene inn i en smal strømlinje (det vil si 50 um i diameter) uten noen kappe fluider ved spenninger så lave som 20 V spiss-til-spiss, slik at et lavt -Power metode for satsvis fokusering på 10 millioner partisykluser / min ved behandling av tett konsentrerte oppløsninger (f.eks, 6 x 10 8 partikler / ml), som et eksempel. Videre kan denne gjennomstrømming økes dramatisk ved å fabrikkere flermunnings acoustofluidic chips eller kanaler som aktiveres med høyere harmoniske for å produsere sett av parallelle noder. 33

Mens anordningen som er vist her bare krever materialer og metoder som benyttes i konvensjonelle microfabrication, legges det vekt på at det finnes en håndfull av andre teknikker som kan brukes for å konstruere lignende enheter. 19,34,35 Fordelene med denne tilnærmingen er dens enkelhet samt holdbarheten av den siste enheten.

De kritiske trinn til fremstillingen av disse enhetene inkluderer fotolitografi for å definere geometrien av microchannel, reaktiv ioneetsing å danne kanalen i silisium og anodisk bonding for å smelte silisium til en transparent "lokk" for observasjon av fluorescence mikroskopi. Alle disse trinnene krever clean room fasiliteter for å unngå oppsamling av støv eller rusk i enheten. Når disse trinnene er fullført, men å lime en PZT svinger og fluid porter er relativt enkel og kan utføres utenfor et rent rom.

Imidlertid er riktig behandling av innretningen essensielle for dens levetid. Dette innbefatter (1) inkubering av enheten med passiverende reagenser (for eksempel, poly (etylenglykol) silan) før hvert eksperiment for å beskytte kanalen fra residuet oppbygning og (2) spyling av anordningen med vaskemidler etter hvert eksperiment. Opphoping av avfall kan kompromittere kvaliteten til den akustiske stående bølge og kan redusere evnen til å effektivt fokusere partikler eller celler i enheten. Vi merker oss også at disse enhetene er ikke godt egnet for svært polydisperse prøver eller prøver som inneholder enheter nærmer halvparten av størrelsen på den stående bølgen.

Acoustofluidic enheter gir enorme verktøy for en rekke anvendelser som strekker seg fra kolloidal sammenstilling til celleseparasjon og flowcytometri. Evnen til å behandle biologiske prøver med presisjon ved høye strømningshastigheter kan tillate muligheten for økt gjennomstrømning av disse microfluidic enheter, samtidig som kostnadene reduseres fra overflødige reagenser, store prøvevolum eller noe utstyr for utlevering kappe væsker. De fabrikasjon metoder som kreves for å gjøre acoustofluidic enheter er grei og de krav som stilles for sin drift er brukervennlige. Vi håper disse prosedyrene vil oppmuntre den utbredte utvikling av lignende enheter for å katalysere nye forskningsområder for applikasjoner på tvers av materialvitenskap, bioteknologi og medisin.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Laurell, T., Petersson, F., Nilsson, A. Chip integrated strategies for acoustic separation and manipulation of cells and particles. Chem Soc Rev. 36 (3), 492-506 (2007).
  2. Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
  3. Schmid, L., Weitz, D. A., Franke, T. Sorting drops and cells with acoustics: acoustic microfluidic fluorescence-activated cell sorter. Lab Chip. 14 (19), 3710-3718 (2014).
  4. Guo, F., et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (1), 43-48 (2015).
  5. Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (16), 4970-4975 (2015).
  6. Gao, L., et al. Two-dimensional spatial manipulation of microparticles in continuous flows in acoustofluidic systems. Biomicrofluidics. 9 (1), 014105 (2015).
  7. Bruus, H. Acoustofluidics 7: The acoustic radiation force on small particles. Lab Chip. 12 (6), 1014-1021 (2012).
  8. Shields, C. W. IV, et al. Nucleation and growth synthesis of siloxane gels to form functional, monodisperse, and acoustically programmable particles. Angew Chem Int Ed Engl. 53 (31), 8070-8073 (2014).
  9. Petersson, F., Nilsson, A., Holm, C., Jonsson, H., Laurell, T. Separation of lipids from blood utilizing ultrasonic standing waves in microfluidic channels. Analyst. 129 (10), 938-943 (2004).
  10. Cushing, K. W., et al. Elastomeric negative acoustic contrast particles for affinity capture assays. Anal Chem. 85 (4), 2208-2215 (2013).
  11. Johnson, L. M., et al. Elastomeric microparticles for acoustic mediated bioseparations. J Nanobiotechnology. 11, 22 (2013).
  12. Shields, C. W. IV, Johnson, L. M., Gao, L., Lopez, G. P. Elastomeric negative acoustic contrast particles for capture, acoustophoretic transport, and confinement of cells in microfluidic systems. Langmuir. 30 (14), 3923-3927 (2014).
  13. Shields, C. W. IV, Reyes, C. D., Lopez, G. P. Microfluidic cell sorting: a review of the advances in the separation of cells from debulking to rare cell isolation. Lab Chip. 15, 1230-1249 (2015).
  14. Goddard, G., Martin, J. C., Graves, S. W., Kaduchak, G. Ultrasonic particle-concentration for sheathless focusing of particles for analysis in a flow cytometer. Cytometry A. 69 (2), 66-74 (2006).
  15. Goddard, G. R., Sanders, C. K., Martin, J. C., Kaduchak, G., Graves, S. W. Analytical Performance of an Ultrasonic Particle Focusing Flow Cytometer. Anal Chem. 79 (22), 8740-8746 (2007).
  16. Goddard, G., Kaduchak, G. Ultrasonic particle concentration in a line-driven cylindrical tube. J Acoust Soc Am. 117 (6), 3440 (2005).
  17. Lenshof, A., Magnusson, C., Laurell, T. Acoustofluidics 8: applications of acoustophoresis in continuous flow microsystems. Lab Chip. 12 (7), 1210-1223 (2012).
  18. Carugo, D., et al. A thin-reflector microfluidic resonator for continuous-flow concentration of microorganisms: a new approach to water quality analysis using acoustofluidics. Lab Chip. 14 (19), 3830-3842 (2014).
  19. Austin Suthanthiraraj, P. P., et al. One-dimensional acoustic standing waves in rectangular channels for flow cytometry. Methods. 57 (3), 259-271 (2012).
  20. Wiklund, M., Nilsson, S., Hertz, H. M. Ultrasonic trapping in capillaries for trace-amount biomedical analysis. J App Phys. 90 (1), 421 (2001).
  21. Shields, C. W. IV, et al. Field-directed assembly of patchy anisotropic microparticles with defined shape. Soft Matter. 9 (38), 9219 (2013).
  22. Yeom, J., Wu, Y., Selby, J. C., Shannon, M. A. Maximum achievable aspect ratio in deep reactive ion etching of silicon due to aspect ratio dependent transport and the microloading effect. J Vac Sci Technol B Microelectron Nanometer Struct Process Meas Phenom. 23 (6), 2319 (2005).
  23. McDonald, J. C., Whitesides, G. M. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices. Acc Chem Res. 35 (7), 491-499 (2002).
  24. Golden, J. P., Justin, G. A., Nasir, M., Ligler, F. S. Hydrodynamic focusing--a versatile tool. Anal Bioanal Chem. 402 (1), 325-335 (2012).
  25. Hejazian, M., Li, W., Nguyen, N. T. Lab on a chip for continuous-flow magnetic cell separation. Lab Chip. 15 (4), 959-970 (2015).
  26. Shields, C. W. IV, Livingston, C. E., Yellen, B. B., Lòpez, G. P., Murdoch, D. M. Magnetographic array for the capture and enumeration of single cells and cell pairs. Biomicrofluidics. 8 (4), 041101 (2014).
  27. Voldman, J. Electrical forces for microscale cell manipulation. Annu Rev Biomed Eng. 8, 425-454 (2006).
  28. Di Carlo, D. Inertial microfluidics. Lab Chip. 9 (21), 3038-3046 (2009).
  29. Earnshaw, S. On the nature of the molecular forces which regulate the constitution of the luminferous ether. Trans Camb Phil Soc. 7, 97-112 (1842).
  30. Piyasena, M. E., Graves, S. W. The intersection of flow cytometry with microfluidics and microfabrication. Lab Chip. 14, 1044-1059 (2014).
  31. Grenvall, C., Antfolk, C., Bisgaard, C. Z., Laurell, T. Two-dimensional acoustic particle focusing enables sheathless chip Coulter counter with planar electrode configuration. Lab Chip. 14 (24), 4629-4637 (2014).
  32. Au, A. K., Lee, W., Folch, A. Mail-order microfluidics: evaluation of stereolithography for the production of microfluidic devices. Lab Chip. 14 (7), 1294-1301 (2014).
  33. Piyasena, M. E., et al. Multinode acoustic focusing for parallel flow cytometry. Anal Chem. 84 (4), 1831-1839 (2012).
  34. Lenshof, A., Evander, M., Laurell, T., Nilsson, J. Acoustofluidics 5: Building microfluidic acoustic resonators. Lab Chip. 12 (4), 684-695 (2012).
  35. Evander, M., Tenje, M. Microfluidic PMMA interfaces for rectangular glass capillaries. J Micromech Microeng. 24 (2), 027003 (2014).

Tags

Engineering MicroFluidics acoustophoresis acoustofluidics microfabrication cellular analyse bulk akustiske stående bølger negative akustiske kontrast partikler elastomer partikler
Fabrikasjon og drift av Acoustofluidic enheter som har støtte Bulk Acoustic stående bølger for Sheathless Fokusering av partikler
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Shields IV, C. W., Cruz, D. F.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter