Acoustofluidic 장치는 조작 집중 정지 마이크로 및 나노 요소를 분리하는 미세 유체 채널 내에서 초음파를 사용합니다. 이 프로토콜은 피복 유체의 도움없이 중앙 유선형 입자를 집중 벌크 음향 정상파와 같은지지 장치의 제조 및 동작을 설명한다.
Acoustophoresis 소리 에너지의 방향의 힘에 대한 응답으로 정지 물체의 변위를 의미한다. 걸쳐 수백 마이크로 미터 전형적 수만이 정지 물체 사운드 입사 파장 유체 채널의 폭보다 작아야한다는 것이다 감안 acoustofluidic 장치는 일반적 메가 헤르츠 범위에서 (높은 주파수로 맥동하는, 압전 진동자에서 발생 된 초음파를 사용 ). 장치의 구조에 의존하는 주파수 특성에서, 벌크 흐름 내에 원하는 유체 유선 따라 입자를 집중할 수 정상파의 형성을 유도 할 수있다. 여기서 우리는 공통의 재료와 클린 룸 장비에서 acoustophoretic 장치의 제조 방법을 설명합니다. 우리는 정재파의 압력 노드 또는 파복으로 이동할 포지티브 또는 네거티브 대조 탄성 계수와 입자 집속 대표적인 결과를 보여준다 respectiv엘리. 이러한 장치를 정확하게 고정 미세한 엔티티 (예를 들어, 셀)의 다수의 위치 또는 어셈블리 계측법에서 애플리케이션에 이르는 유체를 유동시키기위한 엄청난 실용성을 제공한다.
Acoustofluidic 장치가 미세한 개체 자신의 농도, 정렬, 조립, 제한 또는 정지 유체 또는 층류 flowstreams에서 분리. 1 장치의이 넓은 클래스 내 용 (예를 들면, 입자 또는 세포)에 방향 힘을 발휘하는 데 사용되는, 힘은 벌크에서 생성 될 수있다 음향 서 파도, 음향 정상파 (SSAWs) 2 음향 여행 파도 표면. 3 우리가 최근에 많은 관심을받은 제조 및, SSAWs을 지원하는 장치를 대량 음향 정상파을 지원하는 장치의 작동에 초점을하는 동안 때문에 정확하게 세포를 조작 할 수있는 능력에 표면을 따라 4 빠르게 연속 유동 채널의 셀을 정렬. 5 장치 벌크 음향 정상파가 있지만, 미세에서 정재파를 여기 압전 변환기에 의해 생성 된 장치의 벽의 기계적 진동에 기초하여 입자를 정렬지지기하학적으로 정의 공진 주파수에서 공동. 이것은 SSAW 장치에 비해 높은 압력 진폭을 발생 가능성을 가능하게하고, 미세한 엔티티 따라서, 빠른 전송 acoustophoretic. 6
이 서 파도의 압력이 시간에 진동으로 위치에 고정되어 압력 노드와 파복의 공간적으로주기적인 세트로 구성되어 있습니다. 입자는 유체에 대해 입자의 기계적 특성에 따라 압력 노드 또는 파복으로 이주하여 정재파에 대응하고, 이는 반대로 탄성 계수에 의해 설명된다 :
변수 ρ와 β는 밀도와 압축성 및 첨자 페이지를 나타내고 ƒ 각각 일시 중단 된 객체 (예를 들어, 입자 또는 셀) 및 유체를 나타내며.양성 대조 탄성 계수를 갖고 7 엔티티 (즉, ɸ> 0) 압력 노드 (들)로 마이그레이션; 음의 음향 콘트라스트 인자를 보유 엔티티 반면 (즉, ɸ <0) 압력 파복으로 이동한다. (7) 동안 합성 재료 (예를 들면, 폴리스틸렌 비드) 및 세포 양 탄성 콘트라스트를 나타내는 대다수, 실리콘계 만든 엘라스토머 입자 재료는 8 지방산 분자 9 또는 다른 고탄성 성분이 물에 부정적인 탄성 콘트라스트 나타낸다. acoustofluidic 장치에서 엘라스토머 입자 (10)의 작은 분자를 분리하기 위해 사용될 수 있으며, 합성 된 입자로 차별 정렬을 위해 셀 (12) 또는 (11)를 한정하는 것을 의미한다. (13)
Acoustofluidic 장치는 일반적으로 쓰에 충분한 강성을 가지고 표준 물질 (예를 들어, 실리콘, 유리)에서 제조음향 서 파를 DMA 장치. (본원에 도시 된 장치를 포함)는 많은 acoustofluidic 장치에서 기계적 파동은 마이크로 채널의 너비에 걸쳐 반 파장 정재파 구성 낮은 고조파 모드에서 공진하도록 설계된다. 이 구성은 채널의 둘레를 따라 상기 채널 및 압력 파복의 중심에 압력 노드를 갖는다. 이들 시스템은 세포의 농도로 세포를 포획에서부터 칩 기반 계측법 14-16 어플리케이션 및 어플리케이션에 사용될 수 있음을 미리 밝혀졌다. 17,18
우리는 제조, 사용 및 벌크 음향 정상파를 지원하는 acoustofluidic 장치의 대표 성능 기능을하는 방법의 과정을 설명합니다. 이 장치는 완전히 에칭 된 실리콘 기판 유리 "리드"를 결합하는 하나의 포토 리소그래피 공정, 에칭 공정 하나 하나의 융합 공정을 필요로한다. 우리는 다른 acoustofluidi주의벌크 음향 정상파를 지원 C 기기는 다른 설명 압전 변환기에 결합 된 유리 또는 석영 모세관으로부터 제조 될 수있다. (19, 20) 실리콘 기반 디바이스는 서로 허용 유로 형상 위에 견고 제어의 장점을 제공 입자와 세포 현탁액을 포함하는 샘플에 대한 처리의 많은 종류. 이 디바이스는 재사용 (버퍼와 세제와 장치를 세척하여, 예) 제대로 사용하는 사이에 청소 제공됩니다.
Acoustophoresis은 유체 집속 방법에 사용되는 외피 유체없이 정확하게 유체 마이크로 채널 내 미세 기관을 배치하는 간단하고 신속한 방법을 제공한다. (24)이 소자가 입자 또는 세포 조작의 다른 방법에 비해 여러 가지 장점을 제공한다 (예를 들면, 자기 영동, 25,26 유전 27 인해 높은 자화율, 전기 polarizabilities 또는 좁은 크기의 분산없이 개체를 처리 할 수있는 능력에) (28)를 강제 관성. 또한, 음향 정상파의 집중 노드 언쇼 정리에 따라 정자 또는 전기장에 의해 불가능 뭔가 여기의 소스로부터 멀리 배치 될 수있다. (29)의 추가 장점은 음향 기기가 전체 입자를 집중할 수있다 장치 그쪽으로 불가능 유동 방향 독립적인가 유량 및 다양한t 28 효율적 같은 유동 세포 계측법 및 입자 크기와 같은 애플리케이션을위한 개선 된 입자 검사 용 입자 또는 세포를 운반하는 수단을 제공 포커싱 관성력에 의존한다. (30, 31) 장치의 제조 및 조작의 용이성을 직접 유사한 구현을 허용 할 , 초점을 집중 분획 및 액체에 현탁 개체를 정렬 장치. (32)
우리는 음향 서 파도에 의해 생성 된 강한 힘있는 차 방사선 힘은, (1) 10 ㎖ / 하나의 오리피스 설계를위한 시간을 초과 유량에서 미세 유체 채널을 통해 흐르는 미세 입자를 집중할 수 있습니다 것으로 나타났습니다. 100 μL / 분의 일정한 유속, 우리는 디바이스가 좁은 유선형으로 입자를 초점을 맞출 수있는 표시 (예를 들어, 50 μm의)간에 20 V의 피크 – 투 – 피크 저전압에서 임의의 피복 유체없이 로우 활성화 1000 만 이상적 상대의 집중 배치 방식에 대한 – 전원 방법사이클 사용 / min의 예로서, 밀집 솔루션 (예를 들어, 6 × 108 입자 / ㎖)를 처리 할 때. 또한, 스루풋이 대폭 병렬 노드의 세트를 생성하기 위해 고조파로 구동되는 멀티 오리피스 acoustofluidic 칩 또는 채널을 제조하여 증가 될 수있다. (33)
본원에만 표시 장치가 종래의 미세 가공에 사용되는 물질 및 방법을 필요로하면서, 우리는 유사한 장치를 구성하기 위해 사용될 수있는 다른 기술의 소수가 있다는 것을 강조한다. 19,34,35이 방법의 장점은 단순성을 포함 할뿐만 아니라 최종 장치의 내구성.
이러한 디바이스의 제조에 중요한 단계 fluorescen 의해 관찰 투명 "덮개"에 규소 융합 실리콘 양극 접합에 채널을 형성하는 마이크로 채널, 반응성 이온 에칭의 형상을 정의하는 포토 리소그래피를 포함가전 현미경. 이 단계의 모든 장치 내에 먼지 나 이물질의 수집을 방지하기 위해 클린 룸 시설을 필요로한다. 이 단계 후에, 그러나, 완료 PZT 변환기를 접착 및 유체 포트는 상대적으로 간단하고, 클린 룸의 외부에서 수행 될 수있다.
그러나, 상기 장치의 적절한 처리 장수 필수적이다. 이것은 (1) 각 실험 후에 잔류 세제로 축적하고 (2) 세척 장치로부터 채널을 보호하기 위하여 각 실험 전에 패시 시약 (예, 폴리 (에틸렌 글리콜) 실란)을 포함하는 배양 장치. 찌꺼기가 쌓이면 음향 정상파의 충실도를 손상시킬 수 있고, 효율적으로 장치 내에 입자 또는 세포를 집중하는 능력을 감소시킬 수있다. 또한 이러한 장치는 정재파의 크기의 절반에 접근 엔티티를 포함하는 고도로 분산 성인 샘플 또는 샘플에 적합되지 않습니다.
AcoustofluiDIC 장치는 분리 셀 및 유동 세포 계측법에 콜로이드 어셈블리에서 이르기까지 다양한 애플리케이션에 대한 엄청난 유틸리티를 제공합니다. 시스 유체를 분배하기위한 불필요한 시약 큰 샘플 볼륨 또는 대형 설비에서 비용을 절감하면서 높은 유속 정밀도 생물학적 시료를 처리하는 능력이 미세 유동 장치에 의해 증가 된 처리량 능력을 허용 할 수있다. acoustofluidic 장치를 만드는 데 필요한 제조 방법이 간단하며, 그 동작에 필요한 절차는 사용자 친화적이다. 우리는 이러한 절차는 재료 과학, 생명 공학 및 의학에서 응용 프로그램에 대한 연구의 새로운 영역을 촉진하기 위해 유사한 장치의 광범위한 개발을 장려 바랍니다.
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 |