Summary
Acoustofluidic enheder bruger ultralydsbølger inden mikrofluidkanaler at manipulere, koncentrere sig og isolere suspenderet mikro- og nanoskopiske enheder. Denne protokol beskriver fremstillingen og driften af en sådan enhed, der understøtter akustiske stående bølger til at fokusere partikler i en central strømline uden hjælp af kappe væsker.
Abstract
Akustoforese refererer til forskydning af suspenderede objekter som reaktion på retningsbestemte kræfter fra lydenergi. Eftersom de suspenderede genstande skal være mindre end den indfaldende bølgelængde af lyd og bredden af de strømningstekniske kanaler er typisk ti til hundrede mikrometer tværs, acoustofluidic enheder bruger typisk ultralydbølger genereret fra en piezoelektrisk transducer pulserende ved høje frekvenser (i megahertz området ). På karakteristiske frekvenser, der afhænger af geometrien af indretningen, er det muligt at inducere dannelsen af stående bølger, der kan fokusere partikler langs ønskede fluide strømlinier inden en bulk flow. Her beskriver vi en metode til fremstilling af acoustophoretic enheder fra almindelige materialer og rene rum udstyr. Vi viser repræsentative resultater for fokusering af partikler med positive eller negative akustiske kontrast faktorer, der bevæger sig i retning af trykket knudepunkter eller fordybningerne i de stående bølger, respektively. Disse enheder tilbyder enormt praktisk anvendelighed for præcis positionering stort antal mikroskopiske enheder (f.eks celler) i stationær eller strømmende væsker til applikationer lige fra cytometri til samlingen.
Introduction
Acoustofluidic enheder bruges til at udøve retningsbestemte kræfter på mikroskopiske enheder (f.eks, partikler eller celler) for deres koncentration, tilpasning, samling, indespærring eller separation inden hvilende væsker eller laminare flydestrømme. 1 Inden for denne brede klasse af enheder, kan kræfter genereres fra bulk- akustiske stående bølger, overflade akustiske stående bølger (SSAWs) 2 eller akustisk omrejsende bølger. 3 Mens vi fokuserer på fremstilling og drift af enheder, der understøtter akustiske stående bølger, enheder, der understøtter SSAWs har fået meget opmærksomhed for nylig på grund af deres evne til præcist at manipulere celler langs overflader 4 og hurtigt sortere celler i kontinuerlige strømningskanaler. 5 enheder, der understøtter akustiske stående bølger imidlertid omarrangere partikler baseret på de mekaniske vibrationer af væggene af indretningen er genereret af en piezoelektrisk transducer, som exciterer de stående bølger i mikrofluidhulrum på geometrisk definerede resonansfrekvenser. Dette muliggør potentiale for at skabe højere tryk amplituder sammenlignet med SSAW enheder, og dermed hurtigere acoustophoretic transport af mikroskopiske enheder. 6
Disse stående bølger består af et rumligt periodisk sæt af tryk- knudepunkter og fordybningerne, som er fastgjort i stilling, når trykket svinger i tid. Partikler reagere på de stående bølger ved at migrere til tryk- knudepunkter eller fordybningerne, afhængigt af de mekaniske egenskaber af partiklerne i forhold til fluidet, og som er beskrevet af den akustiske kontrast faktor:
hvor variablerne ρ og β repræsenterer tæthed og kompressibilitet og indekserne p og ƒ repræsenterer den suspenderede genstand (f.eks, partikel eller celle) og fluid.7 Enheder, der besidder en positiv akustisk kontrast faktor (dvs. ɸ> 0) migrere til trykket node (r); henviser til, at enheder, der besidder en negativ akustisk kontrast faktor (dvs. ɸ <0) migrere til tryk- fordybningerne. 7. Mens størstedelen af syntetiske materialer (f.eks polystyren perler) og celler udviser positiv akustisk kontrast, elastomere partikler fremstillet af silikone-baserede materialer, 8 fede molekyler 9 eller andre meget elastiske bestanddele udviser negativ akustisk kontrast i vand. Elastomere partikler i acoustofluidic enheder kan bruges til at isolere små molekyler 10 og som midler til at begrænse syntetiske partikler 11 eller celler 12 med henblik på at diskriminere sortering. 13
Acoustofluidic enheder er normalt fremstillet af standardmaterialer (f.eks silicium og glas), der har tilstrækkelig stivhed til support en akustisk stående bølge. I mange acoustofluidic enheder (herunder anordningen vist heri), er de mekaniske bølger udformet til at frembringe resonans ved den laveste harmoniske modus, som består af en halv bølgelængde stående bølge, der spænder over bredden af mikrokanal. Denne konfiguration har et tryk knudepunkt i centrum for den kanal og tryk fordybningerne langs periferien af kanalen. Det er tidligere blevet vist, at disse systemer kan anvendes til chip-baserede cytometri applikationer 14-16 og applikationer lige fra indfangning af celler til koncentrationen af cellerne. 17,18
Vi beskriver processen med fabrikation, metoder til brug og repræsentative ydeevne kapaciteter af en acoustofluidic enhed, der understøtter akustiske stående bølger. Denne enhed kræver en fotolitografi skridt, en ætsning skridt og en sammensmeltning skridt til permanent at binde et glas "låg" til den ætsede silicium substrat. Vi bemærker, at anden acoustofluidic enheder, der understøtter akustiske stående bølger kan være fremstillet af glas eller kvarts kapillærer bundet til piezoelektriske transducere, som er beskrevet andetsteds. 19,20 Silicium-baserede enheder tilbyder fordelene ved robusthed og kontrol over strømningskanalgeometri, som tilsammen giver mulighed for mange typer af behandling for prøver indeholdende suspensioner af partikler og celler. Enhederne er genanvendelige forudsat at de er ordentligt rengjort mellem anvendelser (dvs., ved at skylle enheden med buffere og rengøringsmidler).
Protocol
1. Fotolitografi
- Design fotomasken ved hjælp af en passende software pakke og indsende design til en kvalificeret fotomaske printer. 21
- I en rentrumsfacilitet, skylles en 6 "single-side poleret Si wafer med en stadig strøm af acetone (≥99.5%; se tabel 1) efterfulgt af en stadig strøm af methanol (99,8%; se tabel 1). Tør wafer ved sprøjtning med N2-gas og placere skiven på en varmeplade ved 95 ° C i 2 min.
BEMÆRK: doping profil og krystal orientering af vafler påvirker ikke følgende procedurer. - Beskytte truget uden af spin coater (i en standard spin-coat hætte) ved at dække med et ark aluminiumfolie og placere den rene Si wafer på midten af den vakuum borepatron i spin coater for at fastgøre skiven.
- Deponere positiv fotoresist direkte på midten af skiven ved forsigtigt at hælde indtil fotoresisten dækker mestaf skiven. Vær omhyggelig med at sikre, at der ikke er nogen bobler i fotoresist.
BEMÆRK: De nøjagtige procedurer i trin 1,5-1,10 svarer til fotoresist vist i tabel 1; kan være påkrævet forskellige procedurer for forskellige fotoresister. - Start centrifugeringen ved at udføre følgende procedurer:
- Programmere en hastighed på 300 rpm, en rampe på 100 rpm / sek, og et spin på cirka 5 sek at starte centrifugeringen.
- Program til en hastighed på 1800 rpm, en rampe på 1000 rpm / sek, og et spin tid på 60 sek til jævnt fordelt fotoresisten.
- Program til en hastighed på 0 rpm, en rampe på 1000 rpm / sek, og et spin på cirka 0 sek at indgå centrifugeringen.
- Slip vakuum på patronen og bruge wafer pincet til at hente wafer fra borepatronen. Derefter placere waferen på en varmeplade til at bage ved 110 ° C i 165 sek.
BEMÆRK: Dette trin omtales som den "bløde ovn". - Læg fotomaske i holderen af en maskealigner / fotolitografi maskine.
- Redigere parametrene for den fotolitografi maskinen for at tilvejebringe en energi dosis på 1.400 mJ / cm2 (fx til et output intensitet på 13,5 mW / cm2, bruge en eksponeringstid på ~103.7 sek).
- Fjern photopatterned wafer fra holderen og læg den i en opløsning af dens tilsvarende udvikler (se tabel 1) i 5 min.
- Fjern skiven fra udvikleren, vask skiven med en stadig strøm af deioniseret H2O og tør den med N2-gas.
BEMÆRK: Over-udvikling kan medføre mønstre til at svulme op, mens under udviklende kan forårsage ufuldstændig fjernelse af fotoresist langs foto-mønstrede funktioner. - Undersøg wafer under et mikroskop for at bekræfte de mønstre trykt på fotomasken blev overført til fotoresisten.
2. Deep Reaktiv Ion Etching
- Læg foto-mønstrede Si wafer ind i kammeret af en dybreaktiv ion ætsning instrument og ætse strømningstekniske kanaler ind i Si wafer til den ønskede dybde følgende standard ætsning procedurer. 22
- losse omhyggeligt prøven fra kammeret efter ætsning er færdig.
- For at fjerne overskydende fotoresist fra wafer, forberede et stort bægerglas med en opløsning af fotoresist remover (se tabel 1) i et godt ventileret hætte dedikeret til opløsningsmiddel brug og placere den på en varmeplade ved 65 ° C.
- Nedsænkes wafer i fotoresist fjernelse løsning, og lad det trække i 1 time.
BEMÆRK: Forskellige løsninger kan anvendes til at fjerne fotoresist (fx en opløsning af acetone (≥99.5%; kan se tabel 1) fjerne fotoresist ved gennemvædning natten over). - Fjern skiven fra bægeret og skyl den med vekslende strømme af acetone (≥99.5%, se tabel 1) og isopropylalkohol (≥99.7%; se tabel 1). Tør wafer wi'te N2-gas.
3. Piranha Rengøring
- I et godt ventileret stinkskab (dedikeret til anvendelsen af syrer), fremstille en Piranha-opløsning ved tilsætning af H 2 O 2 (30,0 vægt% i vand;. Se tabel 1) til H 2 SO 4 (95,0-98,0%; se tabel 1) i en 1: 3-forhold i store, rene bægerglas.
ADVARSEL: Piranha løsninger er stærkt ætsende, er en stærk oxidant, og er yderst farlig. Tag ekstrem forsigtighed ved håndtering af Piranha løsninger og bære korrekt sikkerhedsudstyr. - Nedsænkes ion ætset wafer med ætset-funktioner vender op og forlade i 5 min. Fjern forsigtigt wafer og fuldt skyl med deioniseret H 2 O.
- Re-nedsænkes wafer i Piranha løsning til 2 min. Fjern forsigtigt wafer og fuldt skylles med rigelige deioniseret H 2 O.
- I en separat godt ventileret hætte dedikeret til opløsningsmiddel brug, vask skiven med en stadig strøm afacetone (≥99.5%; se tabel 1) efterfulgt af en stadig strøm af methanol (99,8%; se tabel 1) og tør vaflen med N2-gas. Bortskaf Piranha løsning ved at følge de relevante sikkerhedsprocedurer.
4. Forbered borosilikatglas Lid
- Brug af en syl værktøj, etch lige linjer i borsilikatglas at skabe rektangulære segmenter (fx 8 x 4 cm 2). snap forsigtigt glasset for at inddrive de rektangulære segmenter.
- Tag en af disse glas segmenter og placere den på toppen af et trykt eksemplar af det ønskede design (med faktiske dimensioner) for at markere placeringen af de indgange og udgange på glasset med en sort markør.
- Bor indløbs- og ud- huller i borosilikatglas.
BEMÆRK: Korrekt sikkerhedsudstyr, bør der på alle tidspunkter.- Løs et 1/8 "bor i munden på boremaskine presse. Placer rektangulære glas segment ovenpåen Al plade med borede huller, således at mærkerne på glasset er over hullerne i Al plade. Fastgør glas på Al plade med tape.
- Sænk forsigtigt foderet håndtaget for at starte bore små huller i glasset og fortsætte med at sænke håndtaget, indtil hullet er lavet gennem glasset. Når hullet er færdig, fjerne tapen og langsomt løfte glasset for at fjerne glasset pulver. Placer glasset pulver i et bæger med vand og kassér hjælp af de relevante sikkerhedsprocedurer.
- tør forsigtigt glasset med en ikke-lint-producerende absorberende klud og følge de samme procedurer (trin 4.3.1-4.3.2) at bore de andre indløbs- og ud- huller.
- Følg samme procedure (afsnit 3, ovenfor) for at rense den rektangulære glas segmentet med Piranha løsning.
ADVARSEL: Piranha løsninger er stærkt ætsende, er en stærk oxidant, og er yderst farlig. Tag ekstrem forsigtighed ved håndtering af Piranha løsninger og bære korrekt sikkerhedsudstyr.
5. Anodisk Bonding
- Brug af en syl værktøj, etch lige linjer ind i Si wafer omkring omkredsen af mikrofluid chip, således at den er lidt mindre end det rektangulære glas segment (f.eks 7 x 3 cm2). snap omhyggeligt skiven langs de ætsede linier.
- Skyl Si segment med en stadig strøm af acetone (≥99.5%; se tabel 1) efterfulgt af en stadig strøm af methanol (99,8%; se tabel 1). Placer skiven på en varmeplade ved 95 ° C i 2 min for at tørre.
- Med de ætset-funktioner på Si-segmentet opad, forsigtigt tilsættes det rene glas på toppen af Si-segmentet, og sørg hullerne justeres korrekt.
- flip forsigtigt segmenterne samtidig sikre hullerne holdes på linie. Da glasset segment er større end Si segment, fastgøres de to segmenter med dobbeltklæbende tape, hvor halvdelen af båndet sikrer de lodrette kanter af Si-segmentet og den anden halvdelaf båndet fastgør den overhængende glas. Derefter vende segmenterne igen sådanne, at glasset segment er øverst, og placer segmenterne oven på en metal plade på en varmeplade.
- Forsigtigt tilføje et andet metal plade (f.eks stål) i en tilstrækkeligt tung vægt (dvs. mindst 5 kg) direkte til toppen af den samlede glas og Si segmenter.
BEMÆRK: Denne metal plade bør ikke være i kontakt med Si segment eller det ledende bånd. - Ved hjælp af en høj spænding strømforsyning, tilslutte én bly (power) til metallisk plade på toppen af den samlede glas og Si segmenter, og den anden bly (jord) til bunden metallisk plade.
- Slå spændingen på underliggende varmeplade til 1.000 V. Kontroller den påtrykte spænding ved hjælp multimeter; tryk på en probe mod bundpladen og den anden probe mod toppladen.
ADVARSEL: Den høje spænding er ekstremt farligt; Pas på ikke at røre de metalliske plader eller de forbindende ledninger. - Efterlad den varmeplade ved 450 ° C i 2 timer for at tillade glasset "låget" til anodisk binding til Si substratet. Retur efter 2 timer at slukke varmepladen, skal du slukke for DC strømforsyning og fjerne enheden fra de metalliske plader.
ADVARSEL: De metalliske plader meget varme under og efter bonding proces, så tillader de materialer, køle af i mindst 1 time, efter at slukke varmepladen.
6. Færdiggørelse af Acoustofluidic Device
- Skrabe overfladen af glasset med en barberkniv at fjerne snavs produceret af anodisk binding og rengøre overfladen af glasset med acetone.
- Forbered et ark af polydimethylsiloxan (PDMS) ca. 5 mm tyk og skåret flere små, firkantede plader ca. 10 x 10 mm 2 (se tabel 1). 23
- Brug en 3 mm biopsitang at skære et hul i midten af hver PDMS plade, hvorved der indsættes siliconeslangerne gennem det. Placer pladerne direkte på toppen hullets på glassubstratet og lim pladerne med epoxy.
BEMÆRK: Pas på ikke at bruge for meget lim, da det vil lukke hullerne i enheden. - lim forsigtigt blyzirconattitanat (PZT) transduceren til Si-segmentet på bagsiden af enheden, centreret-under mikrokanal.
- Lod to ledninger til de to ledende områder på PZT transducer. Pas på, at ledningerne er forsvarligt fastgjort til PZT transducer. Sæt silikoneslanger gennem hullerne i de plader af PDMS og tilføje ekstra lim omkring plader og slangen for at sikre deres tilknytning.
7. Betjening af Acoustofluidic Device
- Sikker montere enheden på et mikroskop scenen med mikrokanalplade direkte under målet.
BEMÆRK: Sørg for PZT transduceren ikke komme i kontakt med den fase ved at placere en lille indsats under enheden. - Ved hjælp af standardiserede stik, forbinde siliconeslanger fra outlETS af enheden til sprøjter sikret på sprøjtepumper.
BEMÆRK: Denne konfiguration er beregnet til "tilbagetrækning mode"; sprøjtepumper kan alternativt anvendes til indsprøjtning af prøve ind i indretningen. - Placer silikoneslange fører til indløbet af anordningen i et hætteglas indeholdende væskeprøven (fx en suspension af polystyrenperler eller celler).
- Anbring hætteglasset med væskeprøven på en omrøringsplade at blandes kontinuerligt prøven og sikre, at en konstant koncentration af partikler eller celler opretholdes under hele forsøget.
- Forbind ledningerne fra PZT transducer til udgangen fra en effektforstærker i serie med en funktionsgenerator. Program indstillingerne på funktionsgenerator (f.eks peak-to-peak spænding og frekvens), og overvåge udgangssignalet fra forstærkeren ved hjælp af et oscilloskop. Tænd for funktionsgenerator og effektforstærker til at begynde aktivering af PZT transducer. 6
- For at estimere resonansfrekvensen for enhed ved at følge ligningen c = λ * ƒ, hvor c er lydens hastighed af mediet (dvs. vand), λ er den akustiske bølgelængde og ƒ er frekvensen af PZT transducer. I tilfælde af en halv bølgelængde harmoniske (som vi viser i Repræsentative resultater Section), bør bredden af mikrokanal være halvdelen af længden af den stående bølge.
- Brug en spids-til-spids spænding indstilling inden for intervallet 0-50 V.
BEMÆRK: En stigning i den anvendte spænding resulterer i højere tryk amplituder, og dermed hurtigere akustoforese.
- Tænd mikroskopet og sikre mikrofluid kanal er klart i fokus.
- Slå på sprøjtepumpen for at anvende flow og indføre prøven ind i indretningen. Overvåg de enheder, der strømmer gennem indretningen med mikroskopet på fluorescens mode.
- Sørg enheden effektivt fokuserer particles ved at justere spids-til-spids spænding tilføres til PZT transducer til at ændre trykket amplitude og ved at udføre en frekvens sweep nær den forventede resonansfrekvensen til at identificere den empiriske resonansfrekvens.
Representative Results
Vi har designet den acoustofluidic enhed til at indeholde en trifurcating indløb en primær kanal med en bredde på 300 um og en trifurcating udløb (figur 1A - B). Vi bemærker, at vi kun brugt én indgang for alle forsøg i denne undersøgelse (dvs. at opnå sheathless fokusering af partikler via akustiske stråling styrker) ved at blokere de andre fjorde med aftagelige stik. Efter de ovenfor beskrevne procedurer, vi bygget en chip besidder en kanal bredde på 313 um, med en fejl på ca. 4% som følge af mangler under mikrofabrikation proces (figur 1C - D). Vi drives enheden ved en drivende frekvens på 2,366 MHz til at fremkalde en halv bølgelængde harmoniske stående bølge.
Vi anvendte en signalgenerator forbundet til en effektforstærker til at generere den høje frekvens sinusformet bølgeform at aktivere PZT transducer. Vi anvendte et oscilloskop til at måle spids-til-spids udgangsspænding (V pp) dannet fra effektforstærkeren til at verificere nøjagtigheden af signalet form og amplitude. Ved hjælp af en sprøjtepumpe, vi først injiceret en suspension af grønne fluorescerende polystyrenkugler med en hastighed på 100 ul / min uden aktivering af PZT transducer som en negativ kontrol (figur 2A). Dernæst vi aktiveres enheden ved 2,366 MHz til at danne en halv-bølgelængde stående bølge over bredden af mikrokanalplade (V pp = 40 V, figur 2B). Vi fandt, at disse partikler, der har en positiv akustisk kontrast faktor, fokuserede langs trykknudepunktet som forventet. 6 vi injiceret også røde fluorescerende partikler med en negativ akustisk kontrast faktor (dvs. ɸ ≈ -0,88, syntetiseret fra en fremgangsmåde beskrevet tidligere) 8 for at kontrollere, at vores enhed kunne fremkalde deres koncentration langs tryk- fordybningerne ( Endelig har vi undersøgt omfanget af fokusering af partikler med en positiv akustisk kontrast faktor på en afstand af strømningshastigheder (dvs. 0 til 1.000 pl / min som reguleres af en sprøjtepumpe) og spænding (dvs. fra 0 til 50 Vpp). Videoer bestående af 15 billeder blev indsamlet for hver tilstand. ImageJ software blev anvendt til prøve fem af fluorescensintensiteten profil tværs over bredden af den mikrokanal. En numerisk program computing blev brugt til at gennemsnittet af intensitet profiler for hver tilstand og til at udjævne de midlede data ved hjælp af et inline-filtrering program. Som forventet, omfanget af partikel fokusering (dvs. som defineret af bredden af top fluorescens, svarende til bredden af strømmen af partikler) faldt med stigende strømningshastigheder (figur 3A). Vi fandt også, at omfanget af partikel fokusering steg med stigende anvendt spændinger (Fifigur 3B). 
Figur 1:. Acoustofluidic enhed, der understøtter akustiske stående bølger skematiske billeder af toppen (A) og bund (B) af en indretning bestående af en ætset siliciumsubstrat fusioneret til et borsilikatglas "låg", polydimethylsiloxan (PDMS) blokke forbundet til silikone slange og en piezoelektrisk transducer loddet til tråde limet til bunden af enheden. Fotografier af toppen (C) og bund (D) af enheden er også vist. Klik her for at se en større version af dette tal. 
Figur 2: Akustisk fokusering afpartikler med positive og negative akustiske kontrast faktorer. (A) Før aktivering af blyzirconattitanat (PZT) transducer, partikler med en positiv akustisk kontrast faktor (10 um, gul-grøn polystyrenkugler) flyder på 100 ul / min besatte bredde af mikrokanal. (B) Efter PZT transduceren aktiveres (V pp = 40 V og ƒ = 2,366 MHz), partiklerne i (A) er vist at fokusere langs trykknudepunktet af den stående bølge. (C) Partikler med negativ akustisk kontrast faktor fokuseret langs tryk fordybningerne i den stående bølge i fravær af anvendte flow (V pp = 40 V og ƒ = 2,366 MHz). Klik her for at se en større version af dette tal. Figur 3:. Fokusering udførelse af en acoustofluidic enhed fluorescensintensitet plots af polystyrenperler (vist i figur 2A - B) er vist for (A) forskellige strømningshastigheder (varierende fra 0 til 1.000 pi / min) med en konstant spids-til- peak spænding på 40 V og (B) forskellige anvendte spænding (spænder fra 0 til 50 Vpp) med en konstant strøm på 100 ul / min. klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Akustoforese tilbyder en enkel og hurtig metode til præcist arrangere mikroskopiske enheder i strømningstekniske mikrokanaler uden behov for kappe væsker anvendes i hydrodynamiske fokus tilgange. 24 Disse enheder giver flere fordele frem for andre metoder til partikel eller celle manipulation (f.eks magnetophoresis, 25,26 dielektroforese 27 eller inertial tvinge 28) på grund af deres evne til at behandle enheder uden høje magnetiske modtagelighed, elektriske polarizabilities eller en snæver størrelsesfordeling dispersitet. Endvidere kan fokus knudepunkter en akustisk stående bølge være placeret langt fra kilden til excitation, hvilket er noget, der ikke er muligt af statiske magnetiske eller elektriske felter som pr Earnshaw sætning. 29 En yderligere fordel er, at akustiske alarmer kan fokusere partikler tværs en bred vifte af anvendte strømningshastigheder og uafhængige af strømningsretningen, hvilket ikke er muligt i anordninger that stole på inertikræfter til fokusering, 28, giver mulighed for at effektivt at transportere partikler eller celler for øget partikel inspektion til applikationer såsom flowcytometri og partikel dimensionering. 30,31 Den lette enhedens fabrikation og drift kan direkte give mulighed for gennemførelse af lignende indretninger til at fokusere, koncentrere, fraktionering og sortering objekter suspenderet i væsker. 32
Vi har vist, at de primære stråling kræfter, som er de stærkeste kræfter produceret af akustiske stående bølger, kan en fokus mikropartikler strømmer gennem en mikrofluid kanal på flow på mere end 10 ml / time for en enkelt åbning design. For en fast strømningshastighed på 100 ul / min, viser vi, at vores enhed kan fokusere partikler ind i en smal strømline (dvs. 50 um på tværs) uden kappe fluider ved spændinger så lave som 20 V spids-til-spids, der muliggør en lav -Power metode til batchvis fokusering af 10 millioner partikler / min ved behandling tæt koncentrerede opløsninger (fx 6 x 10 8 partikler / ml), som et eksempel. Endvidere kan denne gennemløb forøges dramatisk ved fremstilling multi-orifice acoustofluidic chips eller kanaler, der er aktiverede med højere harmoniske til at producere sæt parallelle knudepunkter. 33
Mens indretningen heri kun vist kræver materialer og metoder, der anvendes i konventionel microfabrication, vi understrege, at der er en håndfuld andre teknikker, som kan anvendes til at konstruere lignende anordninger. 19,34,35 Fordelene ved denne fremgangsmåde indbefatter dens enkelthed samt holdbarheden af den endelige indretning.
De kritiske trin til fremstillingen af disse anordninger omfatter fotolitografi at definere geometrien af mikrokanalplade, reaktiv ion ætsning til dannelse kanalen i silicium og anodisk binding at smelte silicium til et transparent "låg" for observation ved fluorescence mikroskopi. Alle disse trin kræver renrumsfaciliteter at undgå indsamling af støv eller snavs i indretningen. Når disse trin er fuldført, dog limning en PZT transducer og fluide porte er forholdsvis ligetil og kan udføres uden for et rent lokale.
Men korrekt behandling af indretningen er afgørende for dens levetid. Dette omfatter (1) inkubering indretningen med passivering reagenser (fx poly (ethylenglycol) silan) før hvert eksperiment for at beskytte kanalen fra rest opbygning og (2) skylning indretningen med detergenter efter hvert forsøg. Ophobning af snavs kan kompromittere nøjagtighed for de akustiske stående bølge og kan reducere evnen til effektivt at fokusere partikler eller celler i enheden. Vi bemærker også, at disse enheder er ikke velegnet til meget polydisperse prøver eller prøver, der indeholder enheder nærmer halvdelen af størrelsen af den stående bølge.
AcoustofluiDIC enheder giver enorme anvendelighed til en række anvendelser, der spænder fra kolloid samling til celleseparation og flowcytometri. Evnen til at behandle biologiske prøver med præcision ved høje strømningshastigheder kan tillade for evnen af øgede gennemløb af disse mikrofluidenheder og samtidig reducere omkostningerne fra overflødige reagenser, store prøvevolumener eller pladskrævende udstyr til afgivelse kappe fluider. De fabrikation metoder kræves for at gøre acoustofluidic enheder er ligetil og de procedurer, der er nødvendige for deres drift er brugervenlige. Vi håber, at disse procedurer vil tilskynde den udbredte udvikling af lignende anordninger til at katalysere nye forskningsområder for applikationer på tværs af materialevidenskab, bioteknologi og medicin.
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 |
References
- 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).
- Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
- 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).
- Guo, F., et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (1), 43-48 (2015).
- Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (16), 4970-4975 (2015).
- Gao, L., et al. Two-dimensional spatial manipulation of microparticles in continuous flows in acoustofluidic systems. Biomicrofluidics. 9 (1), 014105 (2015).
- Bruus, H. Acoustofluidics 7: The acoustic radiation force on small particles. Lab Chip. 12 (6), 1014-1021 (2012).
- 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).
- 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).
- Cushing, K. W., et al. Elastomeric negative acoustic contrast particles for affinity capture assays. Anal Chem. 85 (4), 2208-2215 (2013).
- Johnson, L. M., et al. Elastomeric microparticles for acoustic mediated bioseparations. J Nanobiotechnology. 11, 22 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Goddard, G., Kaduchak, G. Ultrasonic particle concentration in a line-driven cylindrical tube. J Acoust Soc Am. 117 (6), 3440 (2005).
- Lenshof, A., Magnusson, C., Laurell, T. Acoustofluidics 8: applications of acoustophoresis in continuous flow microsystems. Lab Chip. 12 (7), 1210-1223 (2012).
- 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).
- Austin Suthanthiraraj, P. P., et al. One-dimensional acoustic standing waves in rectangular channels for flow cytometry. Methods. 57 (3), 259-271 (2012).
- Wiklund, M., Nilsson, S., Hertz, H. M. Ultrasonic trapping in capillaries for trace-amount biomedical analysis. J App Phys. 90 (1), 421 (2001).
- Shields, C. W. IV, et al. Field-directed assembly of patchy anisotropic microparticles with defined shape. Soft Matter. 9 (38), 9219 (2013).
- 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).
- McDonald, J. C., Whitesides, G. M. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices. Acc Chem Res. 35 (7), 491-499 (2002).
- Golden, J. P., Justin, G. A., Nasir, M., Ligler, F. S. Hydrodynamic focusing--a versatile tool. Anal Bioanal Chem. 402 (1), 325-335 (2012).
- Hejazian, M., Li, W., Nguyen, N. T. Lab on a chip for continuous-flow magnetic cell separation. Lab Chip. 15 (4), 959-970 (2015).
- 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).
- Voldman, J. Electrical forces for microscale cell manipulation. Annu Rev Biomed Eng. 8, 425-454 (2006).
- Di Carlo, D. Inertial microfluidics. Lab Chip. 9 (21), 3038-3046 (2009).
- 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).
- Piyasena, M. E., Graves, S. W. The intersection of flow cytometry with microfluidics and microfabrication. Lab Chip. 14, 1044-1059 (2014).
- 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).
- 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).
- Piyasena, M. E., et al. Multinode acoustic focusing for parallel flow cytometry. Anal Chem. 84 (4), 1831-1839 (2012).
- Lenshof, A., Evander, M., Laurell, T., Nilsson, J. Acoustofluidics 5: Building microfluidic acoustic resonators. Lab Chip. 12 (4), 684-695 (2012).
- Evander, M., Tenje, M. Microfluidic PMMA interfaces for rectangular glass capillaries. J Micromech Microeng. 24 (2), 027003 (2014).
