Summary
Acoustofluidic enheter använder ultraljudsvågor inom mikroflödessystem kanaler för att manipulera, koncentrera sig och isolera suspenderade mikro- och nanoskopiska enheter. Detta protokoll beskriver tillverkning och drift av en sådan enhet som stöder bulk akustiska stående vågor för att fokusera partiklarna i ett centralt effektivisera utan hjälp av mantelvätskor.
Abstract
Akustofores avser förskjutningen av suspenderade objekt som svar på riktningskrafter från ljudenergi. Med tanke på att de suspenderade objekt måste vara mindre än det infallande våglängd av ljud och bredden av fluidic kanaler är typiskt tiotals till hundratals mikrometer över, acoustofluidic enheter normalt använder ultraljudsvågor som genereras från en piezoelektrisk omvandlare pulserande vid höga frekvenser (i megahertz intervallet ). Vid karakteristiska frekvenser som beror på geometrin av anordningen, är det möjligt att inducera bildandet av stående vågor som kan fokusera partiklar längs önskade fluidströmnings inom ett bulkflöde. Här beskriver vi en metod för tillverkning av acoustophoretic enheter från vanliga material och rena rum utrustning. Vi visar representativa resultat för fokusering av partiklar med positiva eller negativa akustiska kontrast faktorer, som rör sig mot trycknodema eller antinoder av stående vågor, respektivEly. Dessa enheter erbjuder en enorm praktisk användbarhet för exakt positionering stort antal mikroskopiska enheter (t.ex. celler) i stillastående eller strömmande vätskor för tillämpningar som sträcker sig från cytometry montering.
Introduction
Acoustofluidic enheter används för att utöva riktade krafter på mikroskopiska enheter (t.ex. partiklar eller celler) för deras koncentration, anpassning, montering, förlossning eller separation inom vilande vätskor eller laminära flowstreams. 1 Inom denna breda klass av anordningar, kan krafter genereras från bulk akustiska stående vågor, ytakustiska stående vågor (SSAWs) 2 eller akustisk vandringsvågor. 3 Medan vi fokuserar på tillverkning och drift av enheter som stöder bulk akustiska stående vågor, enheter som stöder SSAWs har fått mycket uppmärksamhet på senare tid på grund av sin förmåga att exakt manipulera celler utmed ytorna 4 och snabbt sortera celler i kontinuerliga flödeskanaler. 5 Anordningar stödja akustiska bulk stående vågor emellertid ordna partiklar baserat på de mekaniska vibrationerna av väggarna i anordningen genererad av en piezoelektrisk omvandlare, som exciterar de stående vågor i mikroflödeshålrum vid geometriskt definierade resonansfrekvenser. Detta möjliggör potentialen för att skapa högre tryck amplituder jämfört med SSAW enheter, och sålunda, snabbare acoustophoretic transport av mikroskopiska enheter. 6
Dessa stående vågor består av ett rumsligt periodiska uppsättning trycknoder och antinoderna, vilka är fixerade i läge då trycket oscillerar i tid. Partiklar reagera på de stående vågorna genom att flytta till de tryck noderna eller antinoderna, beroende på de mekaniska egenskaperna hos partiklarna i förhållande till vätskan, och som beskrivs av den akustiska kontrast Faktor:
där variablerna ρ och β representerar densitet och kompressibilitet och index p och ƒ representerar upphängda föremål (t.ex., partikel eller cell) och vätskan, respektive.7 Enheter som besitter en positiv akustisk kontrastfaktor (dvs ɸ> 0) migrera till trycknoden (s); medan, enheter som besitter en negativ akustisk kontrastfaktor (dvs ɸ <0) migrerar till tryck antinoderna. 7 Medan majoriteten av syntetiska material (t.ex., polystyrenpärlor) och celler uppvisar positiv akustisk kontrast, elastomera partiklar tillverkade av silikonbaserat material, 8 fettmolekyler 9 eller andra mycket elastiska beståndsdelar uppvisar negativa akustiska kontrast i vatten. Elastomera partiklar i acoustofluidic enheter kan användas för att isolera små molekyler 10 och som medel för att begränsa syntetiska partiklar 11 eller celler 12 i syfte att diskriminera sortering. 13
Acoustofluidic anordningar är vanligtvis framställda av standardmaterial (t ex, kisel och glas) som har tillräcklig styvhet för att support en akustisk stående våg. I många acoustofluidic enheter (inklusive den här visade anordningen), är de mekaniska vågor utformade att ge resonans vid den lägsta harmoniska läget, som består av en halv-våglängds stående våg som sträcker sig över bredden av mikrokanalen. Denna konfiguration har en tryck nod vid mitten av kanalen och tryckantinoder längs periferierna av kanalen. Det har tidigare visats att dessa system kan användas för chipbaserade cytometry applikationer 14-16 och tillämpningar som sträcker sig från fångst av celler i koncentrationen av celler. 17,18
Vi beskriver processen för tillverkning, metoder för användning och representativa prestandan hos en acoustofluidic enhet som stöder bulk akustiska stående vågor. Denna anordning kräver en fotolitografi steg, ett etsningssteg och ett fixeringssteg för att permanent binda ett glas "lock" till den etsade kiselsubstratet. Vi noterar att andra acoustofluidic enheter som stöder bulk akustiska stående vågor kan tillverkas av glas eller kvarts kapillärerna bundna till piezoelektriska omvandlare, som beskrivs på annat håll. 19,20 Silikonbaserade enheter erbjuder fördelarna med robusthet och kontroll över flödeskanalen geometri, som tillsammans gör det möjligt för många typer av behandling för prover som innehåller suspensioner av partiklar och celler. Enheterna är återanvändbara om de är ordentligt rengjorda mellan användningarna (dvs, genom att spola enheten med buffertar och rengöringsmedel).
Protocol
1. Fotolitografi litografi~~POS=HEADCOMP
- Utforma fotomasken med en lämplig mjukvara och skicka design till en kvalificerad fotomask skrivare. 21
- I ett renrum anläggning, skölj en 6 "single-side polerad Si-skiva med en stadig ström av aceton (≥99.5%; se tabell 1) följt av en stadig ström av metanol (99,8%; se tabell 1). Torka wafern genom sprutning med N2-gas och att placera skivan på en varm platta vid 95 ° C under 2 min.
OBS: dopningsprofilen och kristallorientering av skivorna inte påverkar följande procedurer. - Skydda tråget utsidan av spinnbeläggare (i ett standardspinn coat huva) genom att täcka med ett ark av Al-folie och placera rena Si-skivan på mitten av vakuumchuck i spinnbeläggaren för att säkra skivan.
- Deponera positiv fotoresist direkt på mitten av skivan genom att försiktigt hälla tills fotoresisten täcker de flestaav skivan. Var noga med att se till att det inte finns några bubblor i fotoresisten.
OBS: De exakta förfarandena i Steg 1,5-1,10 motsvarar fotoresisten som visas i tabell 1; olika förfaranden kan krävas för olika fotoresister. - Starta centrifugeringen genom att utföra följande åtgärder:
- Programmera en hastighet av 300 varv per minut, en ramp av 100 varv per minut / sekund, och en centrifugeringstiden av 5 sekunder för att starta centrifugeringen.
- Programmet till en hastighet av 1800 varv per minut, en ramp av 1000 varv per minut / sek, och en spinntiden för 60 sek för att jämnt sprida fotoresisten.
- Program till en hastighet av 0 rpm, en ramp av 1000 rpm / s, och en spinn tid på 0 sek att avsluta centrifugering.
- Släpp vakuum på chucken och använd wafer pincett för att hämta skivan från chucken. Placera sedan rånet på en värmeplatta att baka vid 110 ° C under 165 sek.
Anmärkning: Detta steg hänvisas till som den "mjuka bake". - Ladda fotomasken i hållaren av en maskAligner / fotolitografi maskin.
- Redigera parametrar för den fotolitografi maskinen för att tillhandahålla en energi dos av 1400 mJ / cm 2 (t.ex. för en utgångsintensitet 13,5 mW / cm 2, använda en exponeringstid av ~103.7 sek).
- Avlägsna photopatterned skivan från hållaren och placera den i en lösning av den motsvarande utvecklare (se tabell 1) under 5 min.
- Ta bort skivan från utvecklaren, tvätta wafern med en stadig ström av avjoniserat H2O och torka den med N2-gas.
OBS: Over-utveckling kan orsaka mönster för att svälla, medan under-framkallning kan orsaka ofullständigt avlägsnande av fotoresisten längs fotomönstrade funktioner. - Inspektera skivan under ett mikroskop för att bekräfta de mönster som är tryckta på fotomasken överfördes till fotoresisten.
2. djup reaktiv jonetsning
- Ladda foto mönstrade Si-skiva i kammaren av en djupreaktiv jonetsning instrument och etsa fluidic kanaler i Si wafer till önskat djup följande standardetsningsförfaranden. 22
- Noggrant lasta provet från kammaren efter etsningsprocessen är klar.
- Att avlägsna överskott av fotoresist från skivan, förbereda en stor bägare med en lösning av fotoresist borttagningsmedel (se tabell 1) i en väl ventilerad huv tillägnad lösningsmedel använda och placera den på en värmeplatta vid 65 ° C.
- Sänk skivan i fotoresisten avlägsnas lösningen och låt den dra i en timme.
OBS: Olika lösningar kan användas för att avlägsna fotoresist (t ex en lösning av aceton (≥99.5%; kan se tabell 1) avlägsna fotoresisten genom blötläggning över natten). - Ta bort skivan från bägaren och skölj den med alternerande strömmar av aceton (≥99.5%; se tabell 1) och isopropylalkohol (≥99.7%; se tabell 1). Torka skivan w: te N2-gas.
3. Piranha Rengöring
- I en väl ventilerad huv (tillägnad användningen av syror), förbereda en Piranha-lösning genom tillsats av H2O 2 (30,0 vikt-% i vatten;. Se tabell 1) till H 2 SO 4 (95,0-98,0%; se tabell 1) i en 1: 3-förhållande i en stor, ren bägare.
VARNING: Piranha lösningar är starkt frätande, är en starkt oxidationsmedel och är mycket farlig. Var mycket försiktig när du hanterar Piranha lösningar och bära lämplig säkerhetsutrustning. - Sänk jonen etsade skivan med etsade-funktioner uppåt och låt stå i 5 minuter. Försiktigt bort skivan och helt spola med avjoniserat H2O
- Åter dränka wafern i Piranha-lösning under 2 min. Försiktigt bort skivan och helt skölja med kopiösa avjoniserat H2O
- I en separat väl ventilerad huv tillägnad lösningsmedels användning, tvätta plattan med en stadig ström avaceton (≥99.5%; se tabell 1) följt av en stadig ström av metanol (99,8%; se tabell 1) och torka skivan med N2-gas. Förfoga över Piranha lösning genom att följa lämpliga säkerhetsförfaranden.
4. Förbered Borosilikatglas Lid
- Med hjälp av en rits verktyget, etsa raka linjer in i borsilikatglas för att skapa rektangulära segment (t.ex., 8 x 4 cm 2). Försiktigt knäppa glaset för att återvinna de rektangulära segment.
- Ta en av dessa glassegment och placera den på toppen av en utskrift av den önskade designen (med faktiska dimensioner) för att markera platsen för inlopp och utlopp på glaset med en svart markering.
- Borra inlopps- och utloppshålen in i borsilikatglas.
OBS: Rätt säkerhetsutrustning bör bäras vid alla tillfällen.- Fastställa en "borr 1/8 i munnen på pelarborrmaskin. Placera den rektangulära glassegmentet ovanpåen Al platta med borrade hål, så att markeringarna på glaset är över hålen i Al plattan. Fäst glaset på Al plattan med tejp.
- Försiktigt sänka matnings handtaget för att börja borra små hål i glaset och fortsätta att sänka handtaget tills hålet görs genom glaset. När hålet är klar, ta bort tejpen och lyft långsamt glaset för att avlägsna glaspulver. Placera glaspulvret i en bägare med vatten och kasta med användning av de lämpliga säkerhetsförfaranden.
- Noggrant torka glaset med en icke-ludd producerar absorberande trasa och följer samma förfarande (steg 4.3.1-4.3.2) att borra de andra inlopps- och utloppshålen.
- Följ samma procedur (avsnitt 3 ovan) för att rengöra den rektangulära glassegmentet med piraya lösning.
VARNING: Piranha lösningar är starkt frätande, är en starkt oxidationsmedel och är mycket farlig. Var mycket försiktig när du hanterar Piranha lösningar och bära lämplig säkerhetsutrustning.
5. anodisk bondning
- Med hjälp av en rits verktyget, etsa raka linjer in i Si-skivan runt omkretsen av mikroflödessystem chip så att den är något mindre än den rektangulära glassegmentet (t.ex., 7 x 3 cm 2). Försiktigt knäppa skivan längs de etsade linjerna.
- Skölj Si segmentet med en stadig ström av aceton (≥99.5%; se tabell 1) följt av en stadig ström av metanol (99,8%; se tabell 1). Placera skivan på en varm platta vid 95 ° C under 2 min för att torka.
- Med de etsade-funktioner på Si segmentet uppåt, försiktigt lägga till rent glas ovanpå Si segmentet och se till att hålen justera ordentligt.
- flip noga segment samtidigt som hålen hålls inriktade. Eftersom glassegmentet är större än Si-segmentet, säkra de två segmenten med dubbelhäftande tejp där hälften av tejpen säkrar de vertikala kanterna av Si-segmentet och den andra hälftenav tejpen säkrar den överhängande glas. flip sedan segmenten igen så att glassegmentet är på topp, och placera segmenten på toppen av en platta av metall på en varm platta.
- Sätt försiktigt en andra metallplatta (t.ex. stål) av ett tillräckligt tung vikt (dvs., åtminstone 5 kg) direkt till toppen av den monterade glas och Si segment.
OBS: Denna platta metall bör inte vara i kontakt med Si segment eller det ledande bandet. - Med hjälp av en högspänningskälla, anslut en ledning (ström) till metallplattan ovanpå den sammansatta glas och Si segment och den andra ledningen (jord) till bottenmetallplatta.
- Slå spänningen på den underliggande värmeplatta till 1000 V. Kontrollera den pålagda spänningen genom att använda multimeter; trycka en sond mot bottenplattan och den andra sonden mot topplattan.
VARNING: Den höga spänningen är extremt farlig; vara noga med att inte röra vid metallskivor eller anslutningstrådarna. - Låt den varmaplatta vid 450 ° C under 2 h för att låta glaset "locket" till anodisk bindning till Si-substratet. Återvända efter två timmar för att stänga av värmeplatta, stänga av likströmsförsörjningen och ta bort enheten från metallskivor.
VARNING: Metall plattor kommer att vara extremt varma under och efter bindningsprocessen, tillåter materialet att svalna i minst en timme efter att stänga den varma plattan.
6. Avsluta Acoustofluidic Device
- Skrapa på ytan av glaset med en rakkniv för att avlägsna smuts som produceras av anodisk bondning och rengöra ytan på glaset med aceton.
- Förbered ett ark av polydimetylsiloxan (PDMS) ca 5 mm tjock och skär flera små, fyrkantiga plattor ca 10 x 10 mm 2 (se tabell 1). 23
- Använd en 3 mm biopsistans att skära ett hål i mitten av varje PDMS platta så att infoga silikontuben genom den. Placera skivorna direkt ovanpå hålets på glassubstratet och limma plattorna med epoxi.
OBS: Var noga med att inte använda för mycket lim eftersom det kommer att täppa till hålen i enheten. - Noggrant limma blyzirkonattitanat (PZT) givaren till Si-segmentet på baksidan av enheten, centrerad-under mikro.
- Löda två ledningarna för att de två ledande områden på PZT transduktorn. Se till att kablarna är ordentligt fäst vid PZT givaren. Sätt i silikonröret genom hålen i de plattor av PDMS och lägga till ytterligare lim runt plattor och slangen för att säkra deras fastsättning.
7. Använda Acoustofluidic Device
- Säkert montera enheten på ett mikroskop scenen med mikro direkt under målet.
OBS: Se till att PZT givaren gör inte kontakt med scenen genom att placera en liten insats under enheten. - Genom att använda standardiserade kontakter, anslut silikon rören från outlets av enheten till sprutor säkrade på sprutpumpar.
OBS: Denna konfiguration är avsedd för "tillbakadragande läge"; sprutpumpar kan alternativt användas för att injicera provet i anordningen. - Placera silikonslangen som leder till inloppet av anordningen i en injektionsflaska som innehåller vätskeprovet (t ex en suspension av polystyrenpärlor eller celler).
- Placera flaskan innehållande det flytande provet på en omrörningsplatta för att kontinuerligt blanda provet och säkerställa att en konstant koncentration av partiklar eller celler upprätthålles under hela experimentets förlopp.
- Ansluta trådarna från PZT omvandlaren till utsignalen från en effektförstärkare i serie med en funktionsgenerator. Programmera inställningarna på funktionsgenerator (t.ex. topp-till-topp spänning och frekvens) och övervaka utsignalen från förstärkaren med hjälp av ett oscilloskop. Slå på funktionsgenerator och effektförstärkare för att börja manövrera PZT givaren. 6
- Att uppskatta den resonansfrekvens hos anordningen, följer ekvationen c = λ * ƒ, där c är ljudhastigheten i mediet (dvs vatten), är λ den akustiska våglängden och ƒ är frekvensen hos PZT omvandlaren. I fallet med ett halv-våglängd övertonen (vilken vi visar i Representativa resultat sektionen), bör bredden på mikrokanal vara halva längden av den stående vågen.
- Använda en spänningsinställningen topp-till-topp inom intervallet 0-50 V.
OBS: En ökning av den pålagda spänningsresulterar i högre tryck amplituder och därmed snabbare akustofores.
- Slå på mikroskop och se till att mikroflödessystem kanal är helt klart i fokus.
- Slå på sprutpumpen för att tillämpa flöde och införa provet i anordningen. Övervaka enheter som strömmar genom anordningen med mikroskop på fluorescensläge.
- Se till att enheten fokuserar effektivt particles genom att justera topp-till-toppspänningen som matas till PZT omvandlaren för att modifiera tryck amplitud och genom att utföra en frekvenssvep nära den förväntade resonansfrekvensen för att identifiera den empiriska resonansfrekvensen.
Representative Results
Vi utformade acoustofluidic anordning för att innehålla en trifurcating inlopp, en huvudkanal med en bredd på 300 um och en trifurcating utlopp (Figur 1A - B). Vi noterar att vi använde bara ett inlopp för alla experiment i denna studie (dvs. att uppnå sheathless fokusering av partiklar via akustiska strålningskrafter) genom att blockera de andra inloppen med avtagbara pluggar. Genom att följa förfarandena som beskrivits ovan, konstruerade vi ett chip som har en kanalbredd av 313 | j, m, med ett fel på ~ 4% på grund av ofullkomligheter under mikroprocessen (Figur 1C - D). Vi drivs av enheten vid en drivfrekvens 2,366 MHz för att framkalla en halv våglängd övertonens stående våg.
Vi använde en signalgenerator som är ansluten till en effektförstärkare för att generera den högfrekventa sinusformad vågform för att manövrera PZT transducer. Vi använde ett oscilloskop för att mäta topp-till-topp-utgångsspänning (V pp) genereras från effektförstärkaren för att kontrollera återgivningen av signalen form och amplitud. Med en sprutpump, först insprutade vi en suspension av grönt fluorescerande polystyrenpärlor med en hastighet av 100 | j, l / min utan aktivering av PZT omvandlaren såsom en negativ kontroll (Figur 2A). Därefter manövreras vi anordningen vid 2,366 MHz för att bilda en halv-våglängds stående våg över bredden av mikrokanalen (V pp = 40 V; Figur 2B). Vi fann att dessa partiklar, som har en positiv akustisk kontrast faktor, fokuserade längs trycknod som förväntat. 6 Vi injicerade även röda fluorescerande partiklar med en negativ akustisk kontrast faktor (dvs ɸ ≈ -0,88, syntetiseras från en process som tidigare beskrivits) 8 att kontrollera att vår enhet kunde framkalla deras koncentration längs tryck antinoderna ( Slutligen undersökte vi omfattningen av fokusering av partiklar med en positiv akustisk kontrast faktor vid ett intervall av flödeshastigheter (dvs 0 till 1000 l / min som regleras av en sprutpump) och spänningar (dvs 0-50 Vpp). Videor som består av 15 bilder samlades för varje tillstånd. ImageJ mjukvara användes för att sampla fem av fluorescensintensitetsprofilen tvärs över bredden av mikrokanalen. En numerisk beräkningsprogram användes i genomsnitt intensitetsprofiler för varje tillstånd och för att jämna ut medelvärdes data med hjälp av en inline filtreringsprogram. Som väntat, omfattningen av partikel fokusering (dvs som definieras av bredden av fluorescenstopp, som motsvarar bredden av strömmen av partiklar) minskade med ökande flödeshastigheter (figur 3a). Vi fann också att omfattningen av partikel fokusering med ökande tillämpas spänningar (Figur 3B). 
Figur 1:. Acoustofluidic enhet som stöder akustiska bulk stående vågor schematiska vyer av den övre (A) och botten (B) av en anordning som består av en etsad kiselsubstrat fuserad till en borsilikatglas "lock", polydimetylsiloxan (PDMS) block ansluten till silikon slang och en piezoelektrisk omvandlare fastlödd trådar limmas på undersidan av enheten. Fotografier av toppen (C) och botten (D) i anordningen visas också. Klicka här för att se en större version av denna siffra. 
Figur 2: Acoustic fokusering avpartiklar med positiva och negativa akustiska kontrast faktorer. (A) Före aktivering av blyzirkonattitanat (PZT) transduktor, partiklar med en positiv akustisk kontrastfaktor (10 | j, m, gulgröna polystyrenpärlor) som strömmade med 100 | j, l / min ockuperade bredd mikro. (B) Efter PZT omvandlaren aktiveras (V pp = 40 V och ƒ = 2,366 MHz), partiklarna i (A) visas att fokusera längs trycknoden hos den stående vågen. (C) Partiklar med en negativ akustisk kontrast faktor fokuserad längs tryck antinoderna hos den stående vågen i frånvaro av tillämpad flöde (V pp = 40 V och ƒ = 2,366 MHz). Klicka här för att se en större version av denna siffra. Figur 3:. Fokusering prestanda för en acoustofluidic anordning fluorescensintensitet plottar av polystyrenpärlor (visade i figur 2A - B) visas för (A) olika flödeshastigheter (som sträcker sig från 0 till 1000 | j, l / min) med en konstant topp-till- toppspänning av 40 V och (B) olika pålagda spänningar (som sträcker sig från 0 till 50 Vpp) med en konstant flödeshastighet av 100 l / min. klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Akustofores erbjuder en enkel och snabb metod för att exakt ordna mikroskopiska enheter inom fluidmikro utan behov av mantelvätskor som används i hydrodynamiska fokuserings metoder. 24 Dessa enheter ger flera fördelar jämfört med andra metoder för partikel eller cell manipulation (t.ex. magnetophoresis, 25,26 dielektrofores 27 eller tröghets tvingar 28) på grund av sin förmåga att bearbeta enheter utan höga magnetfält mottaglighet, elektriska polarizabilities eller en snäv storleks dispersitet. Dessutom kan fokuserings noderna i en akustisk stående våg placeras långt från källan excitation, vilket är något som inte är möjligt med statiska magnetfält eller elektriska fält enligt Earnshaw sats. 29 En ytterligare fördel är att ljuds kan fokusera partiklar över ett brett spektrum av tillämpade flödeshastigheter och oberoende av flödesriktningen, vilket inte är möjligt i anordningar that förlita sig på tröghetskrafter för fokusering, 28 ger möjlighet att på ett effektivt sätt transportera partiklar eller celler för ökad kontroll partikel för applikationer såsom flödescytometri och partikelstorleks. 30,31 Den enkla enheten tillverkning och drift kan direkt göra det möjligt att genomföra liknande anordningar för att fokusera, koncentrera sig, fraktione och sortering föremål suspenderade i vätskor. 32
Vi har visat att de primära strålnings krafter, som är de starkaste krafterna som produceras av akustiska stående vågor, kan en fokusera mikropartiklar som flödar genom en mikroflödessystem kanal vid flödeshastigheter som överstiger 10 ml / h för en enda öppning design. För en fast flödeshastighet av 100 | j, l / min, visar vi att vår anordning kan fokusera partiklarna till en smal strömlinje (dvs 50 | im tvärsöver) utan några mantel fluider vid spänningar så låga som 20 V topp-till-topp, vilket möjliggör en låg -Power förfarande för satsvis fokusering av 10 miljoner partiCykler / min vid bearbetning av tätt koncentrerade lösningar (t.ex. 6 x 10 8 partiklar / ml), som ett exempel. Dessutom kan denna genomströmning ökas dramatiskt genom att tillverka flera mynnings acoustofluidic chips eller kanaler som manövreras med högre övertoner för att producera uppsättningar av parallella noder. 33
Medan den visade häri endast enheten kräver material och metoder som används i konventionell mikrofabrikation, betonar vi att det finns en handfull av andra tekniker som kan användas för att konstruera liknande anordningar. 19,34,35 Fördelarna med denna metod inkluderar dess enkelhet samt hållbarheten hos den slutliga anordningen.
De kritiska steg till tillverkningen av dessa anordningar omfattar fotolitografi för att definiera geometrin för mikrokanalen, reaktiv jonetsning för att bilda kanalen i kisel och anodisk bondning för att smälta kislet till en transparent "lock" för observation genom fluorescence mikroskopi. Alla dessa steg kräver renrumsanläggningar för att undvika uppsamling av damm eller skräp inuti anordningen. När dessa steg är klara, men bindning av en PZT givare och fluidic portarna är relativt enkel och kan utföras utanför ett rent rum.
Emellertid är väsentlig för dess livslängd korrekt behandling av anordningen. Detta inkluderar (1) inkubering av enheten med passive reagens (t.ex., poly (etylenglykol) silan) före varje experiment för att skydda kanalen från resttillväxt och (2) spolning av anordningen med tvättmedel efter varje experiment. Uppbyggnad av skräp kan äventyra trohet den akustiska stående vågen och kan minska förmågan att effektivt fokusera partiklar eller celler inuti enheten. Vi noterar också att dessa enheter är inte väl lämpade för mycket polydispersa prover eller prover som innehåller enheter närmar hälften av storleken på den stående vågen.
AcoustofluiDIC enheter ger en enorm nytta för en mängd olika applikationer som spänner från kolloidalt montering till cellseparation och flödescytometri. Förmågan att bearbeta biologiska prover med precision vid höga flöden kan göra det möjligt att förmågan hos ökade genomströmningen av dessa mikroflödessystem enheter, samtidigt som kostnaderna minskar från överflödiga reagens, stora provvolymer eller skrymmande utrustning för utmatning slida vätskor. De tillverkningsmetoder krävs för att göra acoustofluidic enheter är enkla och de förfaranden som krävs för deras verksamhet är användarvänliga. Vi hoppas att dessa förfaranden kommer att uppmuntra en utbredd utveckling av liknande anordningar för att katalysera nya forskningsområden för applikationer i materialvetenskap, bioteknik och 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).
