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।
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।
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:
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।
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।
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the National Science Foundation (through grants DMR-1121107, CMMI-1363483 and Graduate Research Fellowships (GRF-1106401) to C.W.S., D.F.C. and K.A.O.) and the National Institutes of Health (R21GM111584). The authors have no conflicts of interest.
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: 120×60 ±0.1 mm, Thickness: 1 ±0.005 mm |
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Thickness: 1 | |||
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Drill bit for glass and ceramic | McMaster-Carr, Inc. | 2954A1 | Drill bit size: 1/8” Overall length: 2 3/16” Shank diameter: 7/64” |
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 |
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: 5.0mm, Freq.: 2.46 MHz, 2.0 mm end wrap for leads |
(841 WFB) | Width: 5.0mm | ||
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 |