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Engineering

듀얼 주파수 업무가 표면 음향 파도 서 서 Microparticle 조작

Published: August 21, 2018 doi: 10.3791/58085
Automatic Translation
1, 1
1School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University

Summary

듀얼 주파수 여기 미세 채널에 미를 조작 하기 위한 프로토콜 제공 됩니다.

Abstract

실험실에 칩 (LOC) 시스템에서 미 조작에 대 한 서 표면 탄성 파 (우화 풍)의 조정 능력을 증가 하는 방법을 설명 합니다. 기본 주파수와 듀얼 주파수 여기, 인터 변환기 (IDTs)의 한 쌍을로 불리는 제 3 고조파의 동시 여기 서 미세 채널에 청각 파의 새로운 유형을 생성할 수 있습니다. 파워와 듀얼 주파수 여기에서 단계는 아닌은 미에 적용 청각 방사선 힘의 재구성 가능한 필드에 결과 신호 (예를 들어, 수 및 압력 노드의 위치와 해당에서 microparticle 농도 압력 노드). 이 문서에서는 하나의 압력 노드에 microparticle의 동작 시간을 줄일 수 있습니다 ~ 2-fold 기본 주파수 보다 큰 ~ 90%의 전력 비에. 대조적으로에 있는 압력 노드 세 개는 아닌 경우이 임계값. 또한, 기본 주파수와 각 압력 노드에 아닌 미의 비율에서 뿐만 아니라 3 개의 우화 풍 압력 노드의 다른 모션 속도에 제 3 고조파 결과 사이 초기 단계를 조정합니다. 실험 관찰 및 숫자 예측 사이 좋은 계약이입니다. 이 소설은 여기 방법을 통합할 수 있습니다 쉽고 비 접촉 LOC 시스템 넓은 tenability와 실험 설정에 약간의 변화만.

Introduction

LOC 기술 생물학, 화학, 물리학, 및 생물 의학 공정에 대 한 마이크로 칩에서 하나 또는 여러 기능을 통합합니다. LOC 있습니다 실험실 설정을 규모에 서브 밀리미터, 빠른 반응 속도, 짧은 응답 시간, 높은 공정 제어, 낮은 볼륨 소비 (더 적은 낭비, 더 낮은 시 약 비용, 그리고 덜 필요한 샘플 볼륨), 때문에 높은 처리량 보다 작은 병렬화, 낮은 비용 나중에 대량 생산 및 비용 효율적인 disposables, 방사능, 화학 또는 생물학 연구, 높은 안전 및 소형 및 휴대용 장치1,2의 장점. 정확한 셀 조작 (즉, 축적 및 분리)는 위치 기반 분석 및 진단3,4에서 중요 하다. 그러나, 정확도 및 재현성 microparticle 조작의 과제의 다양 한이 있다. 전기-삼 투5, dielectrophoresis (DEP)6, magnetophoresis7, thermophoresis8,9, 광학 접근10, 많은 기술, 광전자는 접근11 유체역학 접근12및 acoustophoresis13,14,15, 개발 되었습니다. 비교에서는, 음향 접근은 LOC 응용 프로그램에 대 한 적절 한 때문에, 많은 종류의 미/세포를 효과적으로 조작 하 고 (밀도 압축 성) 충분히 고대비 noninvasively 비교할 수 이론적으로, 주변의 액체로. 따라서, 그들의 대응에 비해 음향 접근 대부분 미와 그들의 광학, 전기, 및 자기 재산16든 생물 개체에 대 한 본질적으로 받을 수 있습니다.

지상 청각 파 (톱)는 IDTs에서 Snell의 법률17에 따르면 여러 파장의 두께에 압 전 기판 그리고 아닌에 액체에 레일리 각도에 누출의 표면에 주로 전파 18,,1920,,2122. 그들은 에너지, 높은 주파수에서 훌륭한 설계 유연성, 미세 채널 및 소형화를 사용 하 여 좋은 시스템 통합의 그들의 지역화로 인해 표면에 따라 높은 에너지 효율의 기술적 장점을 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS) 기술, 그리고 대량 생산23의 높은 잠재력. 이 프로토콜에서 톱 동일한 IDTs의 쌍에서 생성 되며 서 파, 또는 우화 풍, 아닌, 어디 정지 미 올려집니다 압력 노드에 적용된 음향에 의해 주로 생성 하는 반대 방향으로 전파 방사선 힘24. 이러한 결과 힘의 진폭 여기 주파수, microparticle 크기 및 그것의 청각 대조 요인22,25에 의해 결정 됩니다.

이러한 acoustophoresis 쉽게 조절 되지 않은 미리 정해진된 조작 패턴의 한계는 있습니다. 여기 주파수는 IDTs의 대역폭은 매우 제한 그들의 정기적인 거리에 의해 결정 됩니다. 여러 전략 tunability 및 조작 기능을 향상 시키기 위해 개발 되었습니다. 어쿠스틱 서 파도 아닌의 다른 부분에 적용의 첫 번째 및 두 번째 모드는 꾸벅꾸벅 졸 기 라인26으로 다른 모션 속도 따라 더 효과적으로 미 분리 수 있습니다. 이러한 두 가지 모드는 아닌의 모든 부분에도 적용 될 수 있는 고27,,2829또는 전환. 그러나,이 위해, 장비 (즉, 3 개의 함수 발생기, 2 명의 임피던스 매칭 단위, 및 전자기 릴레이)의 많은 수는 필요 때문에 다른 실험 설정의 증가 비용 및 제어 복잡도 기본 주파수는 piezoceramic의 제 3 고조파에 전기 임피던스30접시. 또한, 기울어진 손가락 인터 변환기 (SFITs) 셀 및 흥미로운는 특정 공명20,31경사 손가락의 기간으로 패턴화 미 조정에 적용할 수 있습니다. 그러나, 다음, 대역폭은 경사 손가락의 수에 반비례 한다. 여러 압력 꾸벅꾸벅 졸 기 라인에 있는 더 높은 분리 효율과 꾸벅꾸벅 졸 기 단선에 비해 감도 기존의 SSAW 기반 microparticle 구분. 또는, 압력 노드의 위치 또한 단순히 디자인32,33두 IDTs에 적용 하는 위상차를 조정 하 여 변경 수 있습니다.

그들은 수 흥분 수 동시에, 미 조작34에 대 한 더 많은 tunability를 제공 하는 기본 주파수와 IDTs의 제 3 고조파 비슷한 주파수 응답 있다. 단일 주파수에서 기존 IDT 여기에 비해 기술 독창성, 최대 등 제공 듀얼 주파수 여기 및 그들 사이 위상의 음향 압력 조정 ~ 2-fold 모션 시간 꾸벅꾸벅 졸 기 압력 감소 선 또는 센터는 아닌, 다양 한 수와 압력 꾸벅꾸벅 졸 기 선 및 microparticle 농도의 위치.

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Protocol

1입니다. 미세 채널의 준비

  1. 폴 리-dimethylsiloxane (PDMS)는 탄성 중합체의 비율은 10: 1에 혼합.
  2. 진공 오븐에 섞어 드 그리고 위에 네거티브 톤 포토 레지스트 패턴을 실리콘 웨이퍼에 붓는 다.
  3. 꽃무늬 실리콘 웨이퍼를 다시 드와 응고에 대 한 인큐베이터에서 3 h 70 ° C에서 열.

2입니다. 인터 변환기의 제조

  1. Cr 및 400의 보증금 20 nm LiNbO3 웨이퍼;에 알의 nm 패턴 20 150 µ m의 너비와 포토 리소 그래피에 대 한 플라스틱 마스크에 2 cm의 조리개 포지티브 감광 기판에 입금 하 여 제거 합니다.
  2. 아세톤과 비 노출 지역에 Cr 알 레이어를 제거 합니다.
  3. 30 W 60의 전력에서 그들의 표면에 (2: 1의 질소와 산소 비율)와 산소 플라즈마 처리 s.
  4. PDMS 아닌 정렬 하 고는 손가락으로 몇 초 동안 그것을 눌러 LiNbO3 기판에 접착.
  5. 3 h 60 ° C에서 난방 실에서 통합된 장치를 놓습니다.

3. 이중 주파수 구동

  1. 동시에 두 개의 주파수 요소를 적용 (f1 와 f3, 기본 주파수 조작된 IDT의 그것의 제 3 고조파 각각) IDTs, 쌍에 그들 사이의 위상 차이 φ 와 함께 있도록 생산된 본은 다음과 같이 표현 될 수 있습니다.
    Equation 1
    여기,
    Equation 2그리고 Equation 3 = 음향 압력.
  2. 100 MS/s의 샘플링 주파수 ArbExpress 응용 프로그램 소프트웨어의 수식 편집기 를 사용 하 여 듀얼 주파수 파형을 합성 하 고 저장 함수 발생기를 실험에서 보고 여기에 대 한 임의 입력으로 통해 USB 케이블.
  3. 총 출력된 전력에 기본 주파수의 힘을 다 Equation 4 0% (순전히 제 3 고조파에 여기); 100% (순수 기본 주파수에서 여기)에서 좋은 비교에 대 한 변경 하지만 총 파워는 동일 하 게 유지.
  4. 듀얼 주파수의 여기에 0 °에서 360 °의 위상 차이 다.

4. 시뮬레이션

  1. 낮은 레이놀즈와 비압축 층 흐름의 동작을 설명 (즉, Re = 0.55) 마 하35다음과 같이 숫자.
    Equation 5
    Equation 6
    여기,
    Equation 7= 유체 속도
    Equation 8= 동적 점도
    Equation 9= 유체 밀도
    Equation 10액체에 압력 =
    Equation 11항등 매트릭스를 = 및
    Equation 12외부의 힘을 =.
  2. 다음과36으로 생산된 토크 드래그 힘 개체에 대해 설명 합니다.
    Equation 13
    여기,
    Equation 14=는 microparticle의 반지름
    Equation 15유체의 속도 = 및
    Equation 16=는 microparticle의 속도.
  3. X따라 아닌에 microparticle에 적용 되는 청각 방사선 힘을 파생-으로 단일 주파수에서 (아닌 폭)에 걸쳐 축16 다음과 같습니다.
    Equation 17
    여기,
    Equation 18=는 microparticle의 볼륨
    Equation 19=는 microparticle의 밀도
    Equation 20매체의 밀도 =
    Equation 21=는 microparticle의 압축 성 및
    Equation 22= 압축 성 매체의.
  4. 다음과 같이 이중 주파수 구동의 결과 청각 방사선 힘을 파생.
    Equation 23
  5. 채널 폭에 걸쳐 가로 모션을 표현 (따라 y-축) 청각 방사선 힘과는 스톡 끌어 다음과 같이 뉴턴의 제 2 법칙에 의해 지배 하는 힘.
    Equation 24
  6. 개인용 컴퓨터에서 4 번째 순서 룽 게-쿠타 방법을 사용 하 여 일반적인 미분 방정식 (ODEs)를 해결 합니다. 설정 시간 단계 및 1 µs 총 기간 및 20 s, 각각.

5. 실험 관찰

  1. 솔루션 회전 5.9 x 10의 농도에서 4 µ m와7 녹색 소용돌이 약 2-3 분 하 여 1 mL 당 형광 폴리스 티 렌 구슬 하 고 다음 각 테스트 전에 모든 덩어리 방해를 10 분 동안 초음파 sonicator에 몰두.
  2. 3 mL 주사기로 혼합물을 3-5 µ L/min의 유량에 주사기 펌프와 함께 드라이브.
  3. IDT 듀얼 주파수 신호 전력 증폭기 다음 함수 발생기에서 드라이브.
  4. 다운스트림 아닌 40 X 확대 가벼운 현미경의 밑에 안정된 미를 관찰 하 고 디지털 카메라로 이미지를 기록.
  5. ImageJ 설립된 규모를 사용 하 여 캡처한 디지털 이미지에서 축적 된 미의 위치를 측정 하 고 양적에 정규화 된 형광 밝기와 누적된 microparticle의 농도 결정 각 압력 노드입니다.

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Representative Results

음향 압력의 분포와 듀얼 주파수 여기 (6.2 및 18.6 m h z)에 있는 SSAW의 청각 방사선 힘은 그림 1에 표시 됩니다. 146의 음향 파워에서 300 µ m의 폭으로 아닌에 듀얼 주파수 여기 폴리스 티 렌 미 (직경에서 4 µ m)에서 발생 하는 여기, mW. 결과 음향 압력은 항상 단계 때 P1 > 90%는 단 하나 압력 노드 그래서가 y 에 = 150 µ m. 대조적으로, 3 개의 압력 노드 y 에 75, 150, 225 µ m P1 에서 = = 90%, 그리고 y = 50, 150, 250 µ m P1 에 = 0%. P1의 임계값 = 90 %microparticle 직경 4-10 µ m의, 73-648 mW의 총 음향 파워와 6.2 18.6 m h z의 운전 주파수는 모든 테스트 조건에 걸쳐 거의 일정 한 발견 된다.

P1 에서 = 90%, 75 µ m의 지역에서 미 < y < 255 µ m 및 0 µ m ≤ y ≤ 75 µ m 각각 중앙과 더 낮은 압력 노드 이동. 비교에서는, P1 = 0%, 중앙 및 노드 100 µ m로 변경 됩니다 낮은 압력 영역 < y < 200 µ m 및 0 µ m ≤ y ≤ 100 µ m, 각각. 그 후, 낮은 노드에서 microparticle 농도 다 25%에서 33.3%와 33.3%, 50%에서 중앙 노드 P1 90%에서 0% 각각 감소 하는 경우 ( 그림 2a참조). 압력 노드 향해 microparticle의 동작 시간 약 1.95에서 감소는 P1 에서 s = 0.97 100% P1 에서 s = 95% ( 그림 2b참조). 압력 노드와 P1, 실험적으로, 측정 microparticle 농도의 위치에의 의존도 수치 예측으로 좋은 상관 관계 (R2 그림 2 c 에 0.85 = 고 R 2 = 0.83 그림2d에서). 전력 비율 했다 많은 테스트 (n > 31), 그리고 누적된 미 (6.8-10.6%)의 위치에 있는 변이 때문에 될 수 있는 압력 노드 (6.7-31.4%)에 입자 농도 보다 훨씬 작은 덩어리 microparticle 축적 중 발생

듀얼 주파수 여기에 제 3 고조파의 초기 단계에 영향을 미치는 microparticle, 및 압력 노드의 위치 결과 청각 방사선 힘 합성된 운전 파형 ( 그림 3참조). Φ 0 °에서 180 °의 증가, 3 노드 압력 (y = 63.5, 150, 및 236.5 µ m)는 아닌에 걸쳐 점차적으로 아래로 이동 합니다. P1 는 85%에서 고정 되었다, 낮은 압력 노드는 y = 49.5 µ m, 33.5 µ m, 17 µ m, 0 µ m 및 φ = 45 °, 90 °, 135 °, 180 °, 각각. 음향 방사 f1 에서 고 f3 는 φ 에 위상 = φ 단계에서 0 °, 180 ° =. 예를 들어 y = 75 µ m, φ = 0 °, f1 과 f3 의 최대 음향 방사선 힘은 37.68 pN 및-47.49 pN, 각각. Φ 에 동안 180 ° = f1 과 f3 같은 위치에서 최대 청각 방사선 힘은 37.68 pN 47.49pN, 각각. 모든 압력 노드 이동의 증가 함께 선형 방식으로 아닌 걸쳐 하향 φ. 그것은 더 낮은 압력 노드는 센터의 위 압력 노드 (즉, 0 µ m 63.5, 110.6 µ m, 150 및 236.5 µ m φ 의 변화 190.1 µ m에 180 °에 0 °에서) 그 보다 훨씬 더 빠른 속도로 이동 지적 이다. Φ = 180 °, 4 압력 노드 있다. 그 후에, 더 낮은 경계에 압력 노드 (y = 0 µ m) 사라집니다, 그리고 위 경계에서 (y = 300 µ m) 180 °에 0 °에서 φ 의 변화 낮은 압력 노드로 동일한 속도로 아래로 이동. Φ = 360 °, 압력 노드 대체 인접 한 (즉, φ 에 위 압력 노드 = 360 °는 φ 에 중앙 압력 노드 같은 위치 = 0 °). 실험 결과 수치 예측, 특히 그의 다른 단계에서 압력 노드의 위치와 좋은 계약을.

Figure 1
그림 1. (a) 회로도 실험적인 체제 및 (b) IDTs 및 PDMS 아닌 (300 µ m의 규모)의 사진. (해당 청각 방사선 힘 p 1의 다양 한 전력 비율에서 이중 주파수 구동 하 여 300 µ m 미세 채널에서 4 µ m 스피어에 적용 c) 압력 파형 및 (d) = 100% (순수 기본 주파수), 95%, 91%, 90%, 85 %, 0% (순전히 제 3 고조파) 146의 총 음향 파워 mW. Y에 처음 microparticle의 모션 4, 6, 8, 및 73의 총 음향 파워에서 10 µ m의 다양 한 직경을 가진 다양 한 전력 비율 (88-91%)과 총 음향 파워 (73-648 mW) 및 (f)에서 4 µ m의 직경 0 µ m (e) = mW. 이 그림은 Sriphutkiat, Y., 외에서 수정 되었습니다. 34. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2. (a) Microparticle 위치와 농도, y0 에서 처음 미의 모션 (b) = 0 μ m, 그리고 microparticle 축적 시간 146의 총 음향 파워에서 이중 주파수 구동을 사용 하 여 다양 한 전력 비율 mW. 시뮬레이션 및 압력 노드 (c) 위치의 실험 결과 (평균 표준 편차)의 비교 (R2 = 0.85, n = 37)와 (d) 아닌 (R2에서에서 각 압력 노드에서 microparticle 농도 = 0.83, n = 31) P1의 다양 한 전력 비율에서. 이 그림에서 수정 된 Sriphutkiat, Y., 외 알. 34. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3. (듀얼 주파수 여기, 85%의 전력 비에서 180 °에 0 °에서 다양 한 초기 단계에서 300 µ m 아닌 전체 결과 청각 방사선 힘의 분포 (b)에서 a) 합성된 파형. (C) 시뮬레이션 및 (e) 실험 (평균 ± 표준 편차)에서 압력 노드의 위치와 미 (d) 각 압력 노드에서 축적의 비율에 Ø, 듀얼 주파수 여기에 초기 단계의 효과 시뮬레이션 및 (f) 실험입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

듀얼 주파수 여기에서 SSAW에 의해 아닌 microparticle 모션이이 연구에서 광범위 하 게 조사 하 고 이중 주파수 구동 신호 변화 하 여 효과적으로 조정할 수 있는 패터 닝 기술을 개발 하 고 테스트. 이러한 파형의 생산은 대부분 함수 발생기에 의해 쉽게 실현 그리고 조정 방식은 매우 편리. S12-및 S11-조작된 IDTs의 주파수 응답 설명 여러 공 진 모드34. 6.1 MHz의 측정된 기본 주파수와 17.8 m h z의 세 번째 고조파는 그 설계 값 (6.2 및 18.6 m h z)-8.34 dB 대 비슷한 전송 계수와 가까운-9.75 dB, 각각. 따라서, 비슷한 음향 에너지를 사용 하 여 단일 IDT 듀얼 주파수 여기에서 이러한 두 가지 구성 요소에서 출력으로 예상 된다. 이러한 구성 요소 조합이 f1 과 f3에 국한. 다른 사람, f1 과 f5와 f3 f5, 등도 적용 됩니다. Piezoceramics 음향 대량의 다른 고조파를 생성할 수도 있습니다, 하지만 그들의 동시 구동 불가능 합니다. 음향 필드 스위칭29 정렬 microparticle을 향상 시킬 수 있지만 더 많은 장비와 높은 관리 복잡성의 비용.

수와 압력 노드는 아닌에 해당 microparticle 농도의 위치 수 조정 된 편리 하 고 효과적으로 이중 주파수 구동에 의해 다른 부분을 변경 하지 않고. P1 > 90%에서 한 압력 노드는 기본 주파수에 의해 생산 동일 합니다. 그러나, 다양 한 위치와 3 개의 압력 노드 및이 임계값 아래 microparticle 농도 있다. 이 임계값은 운전 주파수, 음향 파워 미의 직경 등 모든 테스트 매개 변수를 여기에 대 한 지속적인 발견 된다. 실험 결과 이론적인 예측을 아주 잘 상관. 이 제안 된 전략을 사용 하 여 미의 모션 시간까지 감소 될 수 있었다 ~ 2-fold,는 더 높은 처리량을 나왔다.

듀얼 주파수와 위상 변조 압력 노드 위치는 융통성 있는 컨트롤을 제공합니다. 다른 압력 노드 멀리 이동 또는 청각 방사선 힘 안쪽의 방향 조정 특정 압력 노드에서 미의 수를 증가 하는 간단한 방법은 수 있습니다. Φ ≥ 180 °, 압력 노드는 아닌 하단에 사라질 것 이다, 하지만 하나에 상단에 표시 됩니다. Φ 에서 = 360 ° 교체 압력 노드 발생 합니다. 따라서, 압력 꾸벅꾸벅 졸 기 라인 지속적으로 이동 다양 한 단계와 두 주파수 성분 사이.

이 연구에서 아직도 몇 가지 제한이 있습니다. 톱 두께 PDMS 아닌37를 통해 전파 하는 때 더 많은 음향 감쇠 및 벽 재료의 점성 난방 도입 수 있습니다. 같은 대량 청각 파에서 벽에 기생 웨이브 여기는 아닌에 액체를 작용 또한 수 있습니다. 실험 생물학 세포를 사용 하 여 임상 사용에 대 한 중대 한 필요에 있다.

이 음향 LOC는 본질적으로 비-침략 적, 그리고이 새로운 여기 전략 tenability 및 많은 응용 프로그램에서 큰 잠재력을가지고 조작 향상 시킬 수 있는. 순환 종양 세포 (CTCs), 격리 등 생물 학적 진단에 듀얼 주파수 여기 수 있습니다 전이의 발생에 대 한 정보를 제공 하며, 그 후, 즉시 치료를 요청

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

이 작품은 학술 연구 기금 (AcRF) 계층 1 (RG171/15), 교육 사역, 싱가포르에 의해 후 원했다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
poly-dimethylsiloxane Dow Corning Sylgard 184
poly-dimethylsiloxane elastomer base Dow Corning Sylgard 184
silicon wafer Bonda Technology SI8PSPD
negative tone photoresist Microchem SU-8
double-side polished LiNbO3 wafer University Wafer Y-128°
positive photoresist Nicolaus-Otto-Straße AZ 9260
oxygen plasma Harrick Plasma
plastic mask Infinite Graphics

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공학 문제 138 Microparticle 조작 표면 음향 파동 듀얼 주파수 여기 전력 비 상 차이 미세 채널
듀얼 주파수 업무가 표면 음향 파도 서 서 Microparticle 조작
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Zhou, Y., Sriphutkiat, Y.… More

Zhou, Y., Sriphutkiat, Y. Microparticle Manipulation by Standing Surface Acoustic Waves with Dual-frequency Excitations. J. Vis. Exp. (138), e58085, doi:10.3791/58085 (2018).

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