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Engineering

Manipulación de micropartículas de pie ondas acústicas superficiales con excitaciones de doble frecuencia

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

Summary

Se presenta un protocolo para la manipulación de las micropartículas en un canal de microfluidos con una excitación de doble frecuencia.

Abstract

Demostrar un método para aumentar la capacidad de sintonización de una onda acústica superficial de pie (SSAW) para la manipulación de micropartículas en un sistema de laboratorio-en-un-chip (LOC). La excitación simultánea de la frecuencia fundamental y su tercer armónico, que se denomina como frecuencia doble excitación, a un par de transductores interdigitales (objetivos) podría generar un nuevo tipo de ondas acústicas en un canal de microfluidos en pie. Variando la potencia y la fase de la excitación de doble frecuencia señales de resultados en un campo reconfigurable de la fuerza de radiación acústica aplicada a las micropartículas en la MCP (p. ej., el número y la ubicación de los nodos de presión y la concentraciones de micropartículas en los nodos de presión correspondiente). Este artículo demuestra que se puede reducir el tiempo de movimiento de las micropartículas a nodo solamente una presión ~ 2 veces en la relación de potencia de la frecuencia fundamental más de ~ 90%. En cambio, hay tres nodos de presión en la MCP si tienen menos de este umbral. Además, ajuste de la fase inicial entre la frecuencia fundamental y los resultados del tercer armónicos en las tasas de movimiento diferente de los tres nodos de presión SSAW, así como en el porcentaje de micropartículas en cada nodo de presión en la MCP. Hay un buen acuerdo entre la observación experimental y las predicciones numéricas. Este método novedoso de excitación puede integrar fácilmente y no invasiva en el sistema LOC, con una amplia validez y sólo unos pocos cambios en el montaje experimental.

Introduction

Tecnología LOC integra una o varias funciones en un microchip para Biología, química, biofísica y procesos biomédicos. LOC permite un montaje de laboratorio en una escala más pequeñas que los milímetros, velocidades de reacción rápida, un corto tiempo de respuesta, un control de proceso alta, un consumo de bajo volumen (menor costo de reactivos residuales, inferiores y menos volumen de muestra requerido), un alto rendimiento debido a paralelización, un bajo costo en el futuro la producción en masa y rentables desechables, una alta seguridad para los estudios de química, radiactivos o biológicos y las ventajas de un dispositivo compacto y portátil1,2. Manipulación celular precisa (es decir, acumulación y separación) es fundamental en un LOC basado en análisis y diagnóstico3,4. Sin embargo, la exactitud y la reproducibilidad de la manipulación de micropartículas con una variedad de desafíos. Muchas técnicas, como la electro-osmosis5, dielectroforesis (DEP)6, magnetoforesis7, thermophoresis8,9, un enfoque óptico10, un optoelectrónicos enfoque11 , un enfoque hidrodinámico12y acoustophoresis13,14,15, se han desarrollado. En comparación, métodos acústicos son apropiados para una aplicación LOC porque, teóricamente, se pueden manipular eficazmente y no invasor con un contraste lo suficientemente alto (densidad y compresibilidad) en comparación con muchos tipos de células de micropartículas con el líquido circundante. Por lo tanto, en comparación con sus contrapartes, métodos acústicos son inherentemente elegibles para mayoría de micropartículas y objetos biológicos, independientemente de sus propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas16.

Propagan las ondas acústicas superficiales (Sierras) de los objetivos sobre todo en la superficie de un sustrato piezoeléctrico en el grosor de varias longitudes de onda y, a continuación, fuga en el ángulo de Rayleigh en el líquido en la MCP, según de ley de Snell17, 18,19,20,21,22. Tienen las ventajas técnicas de una alta eficiencia energética a lo largo de la superficie debido a su localización de la energía, una flexibilidad de diseño de alta frecuencia, una integración de sistema bien con el canal microfluídico y miniaturización con tecnología de sistemas micro-electrónicos-mecánicos (MEMS) y un alto potencial de producción en masa23. En este protocolo, sierras son generadas a partir de un par de idénticos objetivos y propaga en la dirección opuesta para generar una onda, o tubos, en la MCP, donde las micropartículas suspendidas son empujadas a los nodos de presión, sobre todo por la acústica aplicada radiación de fuerza de24. La amplitud de esa fuerza resultante se determina por la frecuencia de excitación, el tamaño de micropartículas y su factor de contraste acústico22,25.

Tal acoustophoresis tiene la limitación de los patrones de manipulación predeterminadas que no son fácilmente ajustables. La frecuencia de excitación de los objetivos depende de su distancia periódica, por lo que el ancho de banda es muy limitado. Varias estrategias se han desarrollado para mejorar la capacidad de afinabilidad y manipulación. Los modos de primeros y segundo de las ondas estacionarias de acústicas aplicadas en diferentes partes de la MCP podrían separar micropartículas más eficazmente según velocidades de movimiento diferentes hacia las líneas nodales26. Estos dos modos pueden aplicarse también a la parte entera de la MCP y cambiado alternativamente27,28,29. Sin embargo, para esto, un gran número de equipos (es decir, tres generadores de funciones, dos unidades de impedancia y un relé electromagnético) es necesario, con la complejidad creciente de costo y control del montaje experimental debido a las diferentes impedancia eléctrica a la frecuencia fundamental y tercer armónico de la pieza de la placa30. Además, se podrían aplicar dedo inclinado transductores interdigitales (SFITs) para ajustar las celdas y las micropartículas patrones por excitar una etapa de los dedos inclinados para una cierta resonancia20,31. Sin embargo, entonces, el ancho de banda es inversamente proporcional al número de dedos inclinados. Múltiples líneas nodales de presión tienen una sensibilidad en comparación con la línea nodal y una mayor eficiencia de separación en el separador de micropartículas de SSAW-basado convencional. Alternativamente, también podría cambiarse la ubicación de los nodos de presión simplemente ajustando la diferencia de fase aplicada a los dos objetivos en el diseño de32,33.

La frecuencia fundamental y el tercer armónico de objetivos tienen similares respuestas en frecuencia para pueden ser excitadas al mismo tiempo que proporciona más afinabilidad para la manipulación de micropartículas34. En comparación con la excitación de IDT convencional en una sola frecuencia, ajuste de la presión acústica de la doble frecuencia excitación y la fase entre ellos proporciona exclusividad técnica, como hasta ~ 2 redujo el tiempo de movimiento a la presión de nodal línea o el centro de la MCP, el variado número y ubicación de las líneas nodales de la presión y la concentración de micropartículas.

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Protocol

1. preparación de la canal microfluídico

  1. Poly-dimethylsiloxane (PDMS) se mezclan con un elastómero de base en la proporción 10:1.
  2. Desgasificar la mezcla en un horno de vacío y vierta sobre una oblea de silicio con un patrón de photoresist negativo del tono en la parte superior.
  3. Desgasificar otra vez la oblea de silicio con dibujos y calentar a 70 ° C durante 3 horas en una incubadora de solidificación.

2. fabricación de los transductores interdigitales

  1. Depósito 20 nm de Cr y 400 nm en una oblea de LiNbO3 ; patrón 20 tiras con un ancho de 150 μm y una abertura de 2 cm en una máscara plástica para Fotolitografía depositando el photoresist positivo sobre el sustrato.
  2. Quitar la capa del FE-Cr-en el área no expuesta con acetona.
  3. Tratar la superficie con plasma de oxígeno (con una proporción de nitrógeno y el oxígeno de 2:1) a la potencia de 30 W por 60 s.
  4. Alinee el microchannel PDMS y adherir al sustrato LiNbO3 presionando con un dedo durante unos segundos.
  5. Coloque el dispositivo integrado en la cámara de calentamiento a 60 ° C durante 3 horas.

3. frecuencia de doble excitación

  1. Aplicar simultáneamente dos componentes de la frecuencia (f1 y f3, la frecuencia fundamental y su tercer armónico de la IDT fabricado, respectivamente) con la diferencia de fase φ entre ellos al par de objetivos, para que la sierra producida se puede expresar como sigue.
    Equation 1
    Aquí,
    Equation 2y Equation 3 = las presiones acústicas.
  2. Sintetizar la forma de onda de frecuencia doble mediante el Editor de ecuaciones el software ArbExpress aplicación en la frecuencia de muestreo de 100 MS/s y luego guardarlo para el generador de funciones como entrada arbitraria para la excitación de la sierra en el experimento vía un cable USB.
  3. Variar la potencia de la frecuencia fundamental de la energía emitida total Equation 4 de (excitación a la frecuencia puramente fundamental) al 100% a 0% (excitación a la puramente tercer armónico); para una buena comparación, cambio pero mantener la potencia total del mismo.
  4. Variar la diferencia de fase de la excitación de la frecuencia doble de 0° a 360°.

4. simulación numérica

  1. Describir el movimiento de la cabina de flujo laminar incompresible con Reynolds baja (es decir, Re = 0,55) y Mach los siguientes números35.
    Equation 5
    Equation 6
    Aquí,
    Equation 7= la velocidad del fluido,
    Equation 8= viscosidad dinámica,
    Equation 9= la densidad del fluido,
    Equation 10= la presión sobre el líquido,
    Equation 11= la matriz de identidad, y
    Equation 12= una fuerza externa.
  2. Describir la fuerza de arrastre producida de Stoke en el objeto siguiente36.
    Equation 13
    Aquí,
    Equation 14= radio de la micropartícula,
    Equation 15= velocidad del fluido, y
    Equation 16= la velocidad de las micropartículas.
  3. Derivar la fuerza de radiación acústica aplicada a las micropartículas en la MCP a lo largo del x-eje (a lo ancho de la MCP) en una sola frecuencia como sigue16 .
    Equation 17
    Aquí,
    Equation 18= volumen de la micropartícula,
    Equation 19= la densidad de las micropartículas,
    Equation 20= la densidad del medio,
    Equation 21= compresibilidad de la micropartícula, y
    Equation 22= compresibilidad del medio.
  4. Derivar la fuerza de radiación acústica resultante de la excitación de la frecuencia doble como sigue.
    Equation 23
  5. Expresar el movimiento transversal a lo ancho del canal (a lo largo del y-axis) bajo la fuerza de la radiación acústica y el Stokes arrastre fuerza gobernado por la segunda ley de Newton como sigue.
    Equation 24
  6. Resolver las ecuaciones diferenciales ordinarias (odas) utilizando el método de Runge-Kutta de cuarto orden en un ordenador personal. Establecer el paso del tiempo y duración total como 1 μs y 20 s, respectivamente.

5. experimental observación

  1. Girar la solución en la concentración de 5.9 x 107 con 4 μm verde fluorescentes granos del poliestireno por 1 mL en el vórtex durante unos 2-3 min y luego sumergirlo en un sonicador ultrasonido durante 10 minutos para interrumpir cualquier aglomeración antes de cada prueba.
  2. Llenar la mezcla en una jeringa de 3 mL y luego conducirlo con una bomba con un caudal de 3 a 5 μl/min.
  3. Conducir la IDT con la doble frecuencia de la señal de un generador de función seguido de un amplificador de potencia.
  4. Observar las micropartículas estabilizadas en la MCP abajo debajo de un microscopio óptico con un aumento de X 40 y grabar la imagen con una cámara digital.
  5. Medir la ubicación de las micropartículas acumuladas en las imágenes digitales capturadas con ImageJ y la escala establecida y luego determinar cuantitativamente la concentración de micropartículas acumulada con el brillo de fluorescencia normalizado en cada nodo de presión.

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Representative Results

En la figura 1se muestran las distribuciones de la presión acústica y la fuerza de la radiación acústica de una SSAW en la excitación de doble frecuencia (6.2 y 18,6 MHz). Aquí, la doble frecuencia excitación se produce en poliestireno micropartículas (a 4 μm de diámetro) en un microcanal con una anchura de 300 μm en una potencia acústica de 146 mW. La presión acústica resultante es siempre en fase cuando P1 > 90% por lo que sólo uno nodo de presión está presente en y = 150 μm. En contraste, tres nodos de presión están presentes en y = 75, 150 y 225 μm en P1 = 90% y en y = 50, 150 y 250 μm en P1 = 0%. El umbral de P1= 90% se encuentra casi constante a lo largo de todas las condiciones de prueba, ya que es de micropartículas de 4-10 μm de diámetro y una potencia acústica total de 73-648 mW, una frecuencia motor de 6.2-18.6 MHz.

En P1 = 90%, las micropartículas en la región de 75 μm < y < 255 μm y 0 μm ≤ y ≤ 75 avanzar hacia la central y el nodo de presión más baja, respectivamente. En comparación, en P1 = 0%, las zonas para la central y la presión más baja que los nodos cambian a 100 μm < y < 200 μm y 0 μm ≤ y ≤ 100, respectivamente. Posteriormente, las concentraciones de micropartículas en el nodo inferior varían desde 25% a un 33,3% y en los nodos de central de 50% a un 33,3%, cuando disminuye P1 de 90% a 0%, respectivamente (ver Figura 2a). Se reduce el tiempo de movimiento de las micropartículas hacia el nodo de presión de aproximadamente 1.95 s en P1 = 100% a 0.97 s en P1 = 95% (ver figura 2b). La dependencia de la posición del nodo de presión y la concentración de micropartículas en P1, medido experimentalmente, tiene una buena correlación con la predicción numérica (R2 = 0.85 en la figura 2 c y R 2 = 0.83 en Figura 2d). Una gran cantidad de energía cocientes eran probados (n > 31), y las variaciones en la posición de micropartículas acumulada (6,8-10,6%) son mucho más pequeñas que los de la concentración de partículas en los nodos de presión (6.7-31.4%), que puede ser debido a la ocurrencia de la aglomeración durante la acumulación de micropartículas.

La fase inicial del tercer armónico en la excitación de doble frecuencia afecta a la forma de onda sintetizada de conducción, la fuerza resultante radiación acústica de la micropartícula y la ubicación del nodo de presión (ver figura 3). Con un incremento de φ de 0 ° a 180 °, los tres nodos de presión (y = 63.5 y 150 μm 236.5) se desplazará gradualmente hacia abajo a través de la MCP. P1 fue fijado en 85%, el nódulo inferior de presión se encuentra en y = 49.5 μm, μm 33.5, 17 μm y μm 0 y en φ = 45 °, 90 °, 135 ° y 180 °, respectivamente. La radiación acústica de f1 y f3 están fuera de fase φ = 0 °, mientras que en fase en φ = 180 °. Por ejemplo, en y = 75 μm y φ = 0 °, las fuerzas de radiación acústica máxima de f1 y f3 son 37.68 pN y-47.49 pN, respectivamente. A φ = 180 °, la fuerza de radiación acústica máxima de f1 y f3 en la misma posición son 37.68 pN y 47.49pN, respectivamente. Todos los nodos de presión desplazar hacia abajo a través de la MCP de manera lineal con el aumento de φ. Se observa que el nodo inferior de presión cambia a una velocidad mucho más rápida que los del centro y los nodos de presión superior (es decir, de 63.5 μm 0, de 150 a 110,6 μm y de 236.5 μm al μm 190.1 con el cambio de φ de 0 ° a 180 °). En φ = 180 º, hay 4 nodos de presión. Después de eso, el nodo de presión en el límite inferior (y = 0 μm) desaparece y que en el límite superior (y = 300 μm) cambia de puesto hacia abajo en la misma proporción que el nodo de presión baja con el cambio de φ de 0 ° a 180 °. En φ = 360 °, el nodo de presión reemplaza una adyacente (es decir, el nodo de presión superior a φ = 360 ° tiene la misma ubicación que el nodo central de la presión en el φ = 0 °). Los resultados experimentales tienen un buen acuerdo con la predicción numérica, especialmente los de la ubicación del nodo de presión en diferentes fases.

Figure 1
Figura 1. (a) esquema del montaje experimental y (b) fotografía de microchannel objetivos y PDMS (escala de 300 μm). (c) la forma de onda de la presión y (d) la fuerza de radiación acústica correspondiente aplicado a las microesferas de 4 μm en un canal de microfluidos 300-μm por la excitación de la frecuencia doble en las tasas de alimentación variada de P1 = 100% (frecuencia puramente fundamental), 95%, 91%, 90%, 85 % y el 0% (puramente tercer armónico) en la energía acústica total de 146 mW. Movimiento de micropartículas inicialmente en y = 0 μm (e) con el diámetro de 4 μm en los ratios de potencia variada (88-91%) y poderes acústicas total (73-648 mW) y (f) con los diferentes diámetros de 4, 6, 8 y 10 μm, la potencia acústica total de 73 mW. Esta figura ha sido modificada desde la Sriphutkiat, Y., et al. 34. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2. (a) posición de micropartículas y la concentración, (b) movimiento de micropartículas inicialmente a y0 = 0 μm y el tiempo de acumulación de micropartículas con la excitación de la frecuencia doble a la potencia acústica total de 146 mW con ratios de variada potencia. Comparación de la simulación y los resultados experimentales (media desviación estándar) de (c) la posición del nodo de presión (R2 = 0.85, n = 37) y (d) la concentración de micropartículas en cada nodo de presión en la MCP (R2 = 0,83, n = 31) en las proporciones de variado poder de P1. Esta figura ha sido modificada desde Sriphutkiat, Y., et al. 34. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3. (a) la forma de onda sintetizada en la doble frecuencia de excitación, (b) la distribución de la radiación acústica resultante fuerza a través de los microcanales de 300 μm en la fase inicial variada de 0° a 180° en la relación de potencia de 85%. Los efectos de la fase inicial en la excitación de la frecuencia doble, Ø, en la ubicación del nodo de presión en el experimento de simulación y (e) (c) (media ± desviación estándar) y el porcentaje de micropartículas acumulan en cada nodo de presión (d) experimento de simulación y (f). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

El movimiento de micropartículas en la MCP por un SSAW en la excitación de la frecuencia doble fue investigado extensivamente en este estudio, y una técnica de modelar efectivamente regulables variando las señales de excitación de frecuencia doble fue desarrollada y probada. La producción de una forma de onda se realiza fácilmente por la mayoría generadores de funciones, y el enfoque de ajuste es muy conveniente. S12- tanto S11-respuestas en frecuencia de objetivos fabricados ilustran varios modos resonantes34. Las medidas de la frecuencia fundamental de MHz 6,1 y el tercer armónico de 17,8 MHz están cerca de esos valores diseñados (6.2 y 18,6 MHz) con coeficientes de transmisión similares,-8,340 dB vs -9,750 dB, respectivamente. Por lo tanto, se espera que una energía acústica similar en estos dos componentes en la excitación de doble frecuencia con IDT sola. Tal combinación de componente no está limitado sólo a f1 y f3. Otros, como f1 y f5, f3 y f5, también son aplicables. Aunque piezoceramics también puede generar armónicos diferentes del grueso acústico, la excitación simultánea de ellos es imposible. Cambiar el campo acústico podría mejorar la micropartícula clasificación29 pero a costa de más equipos y una complejidad de alto control.

El número y ubicación de los nodos de presión en la MCP y las concentraciones correspondientes de micropartícula podrían ajustarse convenientemente y con eficacia por la excitación de la frecuencia doble sin cambiar otras partes. Nodo de solamente una presión P1 > 90% es igual a la producida por la frecuencia fundamental. Sin embargo, hay tres nodos de presión con variadas posiciones y una concentración de micropartículas debajo de este umbral. Este umbral se encuentra constante para todos los parámetros prueba aquí, como la frecuencia de conducción, la potencia acústica y el diámetro de micropartículas. Los resultados experimentales se correlacionan bastante bien con la predicción teórica. Mediante el uso de esta estrategia, el tiempo de movimiento de micropartículas podría reducirse hasta ~ 2, lo cual sugiere un mayor rendimiento.

Modulación de fase con frecuencia dual proporciona un control flexible de la ubicación de los nodos de presión. Desplazamiento a otros nodos de presión o ajuste de la dirección de la fuerza de radiación acústica hacia el interior puede ser una manera simple de aumentar el número de las micropartículas en el nodo de presión específica. Φ ≥ 180 °, el nodo de presión en la parte inferior de la MCP desaparecerá, pero el uno en la parte superior se mostrará. En φ = 360 °, se produce la sustitución de los nodos de presión. Así, las líneas nodales de presión mueven continuamente con la fase variada entre dos componentes de frecuencia.

En este estudio, todavía hay algunas limitaciones. Más atenuación acústica y calentamiento viscoso del material de la pared pueden introducirse cuando una sierra se propaga a través de un grueso PDMS microchannel37. Excitación de ondas parásitas en la pared, como una onda acústica a granel, también puede accionar el líquido de la MCP. Experimentos con las células biológicas son en una gran necesidad para el uso clínico.

Este LOC acústico es inherentemente no-invasiva, y esta nueva estrategia de excitación podría mejorar la validez y la manipulación, que tiene un gran potencial en muchas aplicaciones. Excitación de doble frecuencia en diagnósticos biológicos, tales como aislar a las células tumorales circulantes (CTCs), puede proporcionar información acerca de la aparición de metástasis y, posteriormente, solicitar un tratamiento inmediato.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue patrocinado por el fondo de investigación académica (AcRF) nivel 1 (RG171/15), Ministerio de Educación de Singapur.

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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Ingeniería número 138 manipulación de micropartículas onda acústica superficial doble frecuencia excitación relación de poder fase diferencia canal microfluídico
Manipulación de micropartículas de pie ondas acústicas superficiales con excitaciones de doble frecuencia
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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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