Yöntem makalesi

Fabrikasyon ve Acoustofluidic Cihazlarının Çalışma Parçacıkların yoğunlaşırken Sheathless için Toplu Akustik Daimi Dalgalar desteklenmesi

13K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/53861

⸱

6 Mart 2016

 ,  ,  ,  , 
1NSF Research Triangle Materials Research Science and Engineering Center, Duke University, 2Department of Biomedical Engineering, Duke University, 3Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Duke University

Bu makalede

Özet

Acoustofluidic cihazlar, manipüle konsantre ve asma mikro ve Ortaölçek varlıkları izole etmek için mikroakışkan kanalları içinde ultrasonik dalgaları kullanır. Bu protokol, kılıf sıvılar yardımı olmadan merkezi bir düzene partiküllerin odak toplu akustik duran dalgaları destekleyici bu tür bir cihazın imalat ve işlem tarif etmektedir.

Özet

Acoustophoresis ses enerjisinden yönlü kuvvetlere karşılık içinde süspansiyon haline nesnelerin yer değiştirmesini belirtmektedir. boyunca yüzlerce mikrometreye tipik olarak onlarca asılı nesneleri ses dalga boyu ve akışkan kanal genişliğinden daha küçük olmalıdır olan göz önüne alındığında, acoustofluidic aygıtları genellikle megahertz aralığında (yüksek frekanslarda darbeli bir piezoelektrik transdüser oluşturulan ultrasonik dalgalar kullanmaktadırlar ). Cihazın geometrisine bağlıdır karakteristik frekanslarda, kütle akış içinde arzu edilen akışkan akım çizgileri boyunca taneciklerin odak duran dalgaların oluşumunu teşvik etmek mümkündür. Burada, ortak malzeme ve temiz oda ekipmandan acoustophoretic cihazların imalatı için bir yöntem tarif eder. Biz ayakta dalgalarının basıncı düğümleri veya antinod doğru hareket olumlu ya da olumsuz akustik kontrast faktörleri ile parçacıkların odaklama için temsili sonuçlar göstermektedir respectively. Bu cihazlar hassas sabit mikroskobik varlıklar (örneğin, hücreler) çok sayıda konumlandırma veya sitometri gelen montaj kadar çeşitli uygulamalar için sıvıları akan için muazzam pratik yarar sunuyoruz.

Giriş

Acoustofluidic cihazlar mikroskopik kişiler konsantrasyonları, hizalama, montaj, sargı ya da hareketsiz sıvılarında veya laminer flowstreams olan ayırma. 1 cihaz Bu genel sınıfın içinde (örneğin, parçacıklar ya da hücrelerin) yön kuvvetleri uygulamak için kullanılır, bu kuvvetler dökme oluşturulabilir akustik duran dalgalar, akustik duran dalgaları (SSAWs) 2 veya akustik seyahat dalgaları yüzey. 3 Yakın zamanda çok dikkat almış imalat ve SSAWs destekleyen aygıtları toplu akustik duran dalgaları destekleyen cihazların çalışması odaklanırken nedeniyle hassas hücreleri manipüle etme yeteneği yüzeyleri boyunca 4 ve hızla sürekli akış kanallarında hücreleri sıralamak. 5 Aygıtlar toplu akustik duran dalgalar, ancak, mikro-akışkan duran dalgalar heyecanlandıran bir piezoelektrik transdüser tarafından üretilen cihazın, duvarların mekanik titreşimler dayalı parçacıkları yeniden destekgeometrik olarak tanımlanan rezonans frekanslarda boşluklar. Bu SSAW cihazlara kıyasla daha yüksek basınç genlikleri üretmek için potansiyel sağlar ve mikroskobik varlıkların böylece daha hızlı acoustophoretic ulaşım. 6

Bu kararlı dalgalar basınç sürede salınır şekilde bir pozisyonda sabitlenir basınç Karın ve düğüm, bir uzamsal periyodik grubu oluşur. Parçacıklar sıvıya göre parçacıkların mekanik özelliklerine bağlı olarak, basınç düğümleri veya antinod göç etmek suretiyle ayakta dalgalarına tepki ve hangi akustik kontrast faktörü ile tarif edilmektedir:

figure-introduction-1

değişkenler ρ ve β yoğunluk ve sıkıştırılabilirlik ve indisler p temsil ve ƒ sırasıyla askıya nesneyi (örneğin, parçacık veya hücre) ve sıvıyı temsil eder.Olumlu bir akustik kontrast faktörü sahip 7 Ortaklıklar (yani ɸ> 0) basınç düğüm (ler) göç; Negatif bir akustik kontrast faktörü sahip kişiler, ise (yani, ɸ <0) Basınç antinod göç eder. 7. da sentetik malzemeler (ör polistiren tanecikler) ve hücreler pozitif akustik bir kontrasta sahip çoğunluğu, silikon bazlı yapılmış elastomerik parçacıklar malzemeler, 8 yağlı molekülleri 9 ya da son derece esnek bileşenler su içinde negatif bir akustik bir kontrasta sahip. Acoustofluidic cihazlarda elastomerik parçacıklar 10 küçük moleküllerin izole edilmesi için kullanılabilir ve sentetik parçacıklar diskriminant sıralama amacıyla 11 veya hücreleri 12 sınırlandırmak anlamına gelir. 13

Acoustofluidic cihazlar genellikle su için yeterli sertliğe sahip standart malzemeler (örneğin, silikon ve cam) imal edilirakustik duran dalga versitenin. (Bu tarifnamede gösterilen cihazın dahil) pek çok acoustofluidic cihazlarda, mekanik dalgalar mikrokanalın eni kadar bir yarım dalga boyu duran dalga oluşur düşük harmonik modunda, önceki rezonansa tasarlanmıştır. Bu yapılandırma kanalın çevrelerine boyunca kanal ve basınç antinod merkezinde bir basınç düğüm vardır. Sistemler hücrelerin konsantrasyonuna hücreleri yakalama kadar çipli sitometri uygulamalar 14-16 ve uygulamalar için kullanılabilir daha önce gösterilmiştir. 17,18

Biz imalat, kullanım ve toplu akustik duran dalgalar destekleyen bir acoustofluidic cihazın temsili performans yetenekleri yöntemleri sürecini açıklar. Bu cihaz kalıcı kazınmış silikon yüzeye bir cam "kapak" bağ bir fotolitografi adım, bir aşındırma adım ve bir fırınlama adımı gerektirir. Biz diğer acoustofluidi dikkatToplu akustik duran dalgaları destekleyen c cihazları yerde açıklanan piezoelektrik dönüştürücüler bağlı cam veya kuvars kılcal imal edilebilir. 19,20 Silikon tabanlı aygıtlar birlikte izin akış kanalı geometrisi üzerinde sağlamlık ve kontrol avantajları sunuyoruz parçacıklar ve hücre süspansiyonları ihtiva eden numuneler için işlem pek çok türleri. Cihazları yeniden (tamponlar ve deterjan ile cihazı yıkayarak, yani) düzgün kullanımlar arasında temizlenir sağlanmaktadır.

Protokol

1. Fotolitografi

  1. Uygun bir yazılım paketi kullanarak photomask Tasarım ve nitelikli bir photomask yazıcıya tasarımını gönderin. 21
  2. Metanol akışı (% 99.8; bakınız Tablo 1) takip, bir temiz oda tesiste, aseton akışı (bakınız Tablo 1 ≥99.5%) Si gofret cilalı 6 "tek tarafı durulayın. Gofret kurutun N2 gazı ile püskürtme ve 2 dakika boyunca 95 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde gofret koyarak.
    NOT: gofret doping profili ve kristal yönelimi aşağıdaki işlemleri etkilemez.
  3. Al folyo levha ile örterek (standart sıkma ceket kaputu) Spin kaplayıcı dışında çukur korumak ve gofretin sabitlemek için sıkma kaplayıcı vakum aynasının ortasına temiz Si ​​gofret yerleştirin.
  4. fotorezist en kapsar kadar dikkatlice dökerek doğrudan gofret merkezi üzerine olumlu ışığa yatırıngofretin. fotorezist hiçbir baloncuklar olmadığından emin olmak için özen gösterin.
    NOT: 1,5-1,10 Tablo 1'de fotorezist karşılık Adımlar kesin prosedürler; Farklı yöntemler değişen fotodirencin için gerekli olabilir.
  5. aşağıdaki işlemleri gerçekleştirerek sıkma başlayın:
    1. 300 rpm hızına, 100 devir / sn rampa ve sıkma başlamak için 5 sn bir spin süresini programlayın.
    2. 1800 rpm, 1000 rpm / saniye bir rampa ve eşit bir şekilde fotorezist yaymak için 60 saniyelik bir dönme süresi bir hızda Program.
    3. 0 rpm, 1000 rpm / saniye bir rampa, 0 saniye bir dönme süresi bir hızda Program sıkma işlemi tamamlamak için.
  6. aynanın üzerinde vakumu boşaltmak ve aynanın gelen gofret almak için gofret cımbız kullanın. Daha sonra 165 saniye boyunca 110 ° C de fırında için bir sıcak plaka üzerine yerleştirin gofret.
    Not: Bu adım "yumuşak fırında" olarak adlandırılır.
  7. Bir maske tutucunun içine photomask yükleyinhizalama / fotolitografi makinesi.
  8. 1,400 mJ / cm2 (ör 13.5 mW / cm2'lik bir çıkış yoğunluğu, ~103.7 saniyelik bir pozlama süresi kullanın) bir enerji dozu sağlamak için fotolitografi makinesinin parametrelerini düzenlemek.
  9. Tutucudan photopatterned gofret çıkarın ve karşılık gelen geliştirici bir çözelti içinde yer 5 dakika (Tablo 1 e bakınız).
  10. Deiyonize H2O bir akışı ile gofret yıkayın ve N 2 gazı ile kurulayın, geliştirici gofret çıkarın.
    NOT:-Over gelişmekte altında gelişmekte fotoğraf desenli özelliklerin yanı sıra fotorezist eksik kaldırılmasını neden olabilir iken desenler, şişmesine neden olabilir.
  11. fotorezist aktarılmıştır photomask basılmış desenler onaylamak için mikroskop altında gofret kontrol edin.

2. Derin Reaktif İyon Dağlama

  1. Bir derin odasına fotoğraf desenli Si gofret yükleyinReaktif iyon aşındırma cihazı ve standart aşındırma prosedürleri takip istenilen derinliğe kadar Si gofret içine akışkan kanalları etch. 22
  2. aşındırma işlemi tamamlandıktan sonra dikkatlice odasından örnek boşaltın.
  3. Gofret aşırı ışığa çıkarmak için, kullanımı solvent ve 65 ° C'de sıcak bir plaka üzerine yerleştirmek için adanmış iyi havalandırılan bir kaput fotorezist çıkarıcı (bakınız Tablo 1) çözeltisi ile büyük bir beher hazırlayın.
  4. fotorezist çıkarma çözeltisi içinde gofret Batmak ve 1 saat ıslatın.
    Not: (; bakınız Tablo 1), gece boyunca ıslatılmasıyla ışığa kaldırmak, örneğin, aseton çözeltisi (≥99.5%) farklı çözümler fotorezist çıkarmak için de kullanılabilir.
  5. Kaptan gofret çıkarın ve aseton alternatif akışları ile durulayın (≥99.5%; Tablo 1) ve izopropil alkol (≥99.7%; Tablo 1). w gofret kurutuni N2 gazı.

3. Piranha Temizleme

  1. (Asitlerin kullanımına tahsis) iyi havalandırılan bir kaput, H 2 O 2 ekleyerek piranha solüsyon hazırlanır (. Su içinde 30.0 ağırlıkça%; Tablo 1) H 2 SO 4 (95,0-98,0% kadar; Tabloya bakınız 1) 1: bir geniş, temiz beher 3 oranında.
    UYARI: Piranha çözümleri, yüksek korozif olan güçlü bir oksitleyici ve son derece tehlikelidir. piranha çözümleri ele aşırı özen ve uygun güvenlik ekipmanları kullanınız.
  2. yukarı bakacak şekilde kazınmış-özellikleri ile iyon kazınmış gofret Batmak ve 5 dakika bekletin. Dikkatle gofret kaldırmak ve tamamen deiyonize H 2 O ile durulayın
  3. 2 dakika süreyle piranha çözüm gofret yeniden daldırın. Dikkatle gofret kaldırmak ve tamamen bol deiyonize H 2 O ile durulayın
  4. kullanımını solvent adanmış ayrı iyi havalandırılmış kaput, bir akışı ile gofret yıkayınmetanol (% 99.8; bakınız Tablo 1) bir akışı ve ardından aseton (bakınız Tablo 1 ≥99.5%) ve N2 gazı ile gofret kurutun. Uygun güvenlik prosedürleri takip ederek piranha çözüm atınız.

4. borosilikat Cam Kapak hazırlayın

  1. Bir kâtip aracını kullanarak, dikdörtgen segmentleri oluşturmak için borosilikat cam içine düz çizgiler etch (örneğin, 8 x 4 cm 2). Dikkatle dikdörtgen kesimleri kurtarmak için cam oturtun.
  2. Bu cam kesimleri birini alın ve siyah işaretleyici ile camına giriş ve çıkış konumunu işaretlemek için (gerçek boyutları ile) istenen tasarım basılı bir kopya üstüne yerleştirin.
  3. borosilikat cam içine giriş ve çıkış delikleri delin.
    NOT: Özgün güvenlik ekipmanları her zaman giyilmelidir.
    1. . Matkap basın ağzına 1/8 "matkap Fix üstünde dikdörtgen cam parçasını yerleştirindelikli bir Al plaka böylece camına işaretleri Al plakasındaki deliklere üzerindedir. bant ile Al plaka üzerinde cam sabitleyin.
    2. Dikkatle cam haline küçük delik delme başlar ve delik camdan yapılmış kadar kolu düşürmek için devam etmek besleme kolu indirin. delik tamamlandıktan sonra, bandı çıkarın ve yavaşça cam tozu çıkarmak için cam kaldırın. su ile beher cam tozu yerleştirin ve uygun güvenlik prosedürlerini kullanarak atın.
    3. Dikkatle olmayan bir tüy bırakmayan üreten emici bir bezle kurulayın cam ve diğer giriş ve çıkış delik aynı prosedürleri (Adımlar 4.3.1-4.3.2) izleyin.
  4. piranha çözümü ile dikdörtgen cam kesimi temizlemek için (yukarıda Bölüm 3) aynı işlemi uygulayın.
    UYARI: Piranha çözümleri, yüksek korozif olan güçlü bir oksitleyici ve son derece tehlikelidir. piranha çözümleri ele aşırı özen ve uygun güvenlik ekipmanları kullanınız.

5. Anodik Yapıştırma

  1. Bir çizim aracı kullanarak, dikdörtgen bir cam kesimi biraz daha küçük olduğu şekilde mikroakışkan çip çevresinde silisyum içine düz çizgiler etch (örneğin, 7 x 3 cm 2). Dikkatle kazınmış çizgisinde gofret oturtun.
  2. (≥99.5%; Tablo 1 e bakınız) bir aseton akışı ile Si segmenti durulayın metanol akışı (; bakınız Tablo 1% 99.8) eklenmiştir. 2 dakika kuruması için 95 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde gofret yerleştirin.
  3. Si segmenti üzerinde kazınmış-özellikleri yukarı bakacak şekilde, dikkatlice Si segmentinin en temiz cam eklemek ve delikler düzgün hizalamak emin olun.
  4. delikler hizalanmış tutulur sağlarken dikkatli segmentleri çevirin. Cam kesimi Si segmentinde daha büyük olduğundan, bandın yarısı Si segmentinin dikey kenarları ve diğer yarısını güvence altına çift taraflı bant ile iki segment sabitleyinbant sarkan cam korur. Sonra cam kesimi üstünde olduğunu yine bu tür kesimleri çevirmek ve sıcak bir plaka üzerinde bir metal levhanın üstünde kesimleri yerleştirin.
  5. Dikkatlice doğrudan monte cam ve Si bölümlerinin üstüne yeterince ağır ağırlık (yani, en az 5 kg), bir ikinci metal levhanın (örneğin, çelik) ekleyin.
    Not: Bu, metal levha Si segment veya iletken bant ile temas halinde olmamalıdır.
  6. Bir yüksek gerilim güç kaynağı kullanarak, monte cam ve Si kesimleri ve alt metalik levha diğer kurşun (toprak) üstündeki metal levha bir kurşun (güç) bağlayın.
  7. 1.000 yatan sıcak plaka gerilimi açın V. multimetre kullanarak uygulanan gerilimi kontrol edin; taban levhası ile üst plakaya karşı diğer prob karşı bir prob basın.
    DİKKAT: yüksek gerilim son derece tehlikelidir; metalik levhalar veya bağlantı kabloları dokunmamaya dikkat edin.
  8. sıcak bırakın2 saat boyunca 450 ° C'de plaka Si alt tabakaya anotsal bağ cam "kapak" izin vermek. , Sıcak plaka kapatmak DC güç kaynağını kapatın ve metalik plakalar aygıtı kaldırmak için 2 saat sonra geri dönün.
    UYARI: Metalik levhalar sırasında ve yapıştırma işleminden sonra son derece sıcak olabilir, bu yüzden malzemeler sıcak plaka kapattıktan sonra en az 1 saat soğuması için izin verecektir.

6. Acoustofluidic Cihazı sonlandırılması

  1. anodik bağlama tarafından üretilen kiri çıkarmak ve aseton ile camın yüzeyini temizlemek için bir jilet ile cam yüzeyini kazıyın.
  2. Yaklaşık 5 mm kalınlığında polidimetilsiloksan (PDMS) bir sayfa hazırlayın ve birkaç küçük, kare plaka kesim yaklaşık 10 x 10 mm 2 (Tablo 1). 23
  3. içinden silikon tüp yerleştirmek üzere, her PDMS levhanın merkezinde bir delik için 3 mm biyopsi zımbası kullanın. Üst delik üzerinde doğrudan döşeme yerleştirincam tabaka üzerinde lar ve epoksi ile döşeme yapıştırıcı.
    Not: Bu cihazın delikleri tıkamak gibi çok fazla tutkal kullanmak için dikkatli olun.
  4. Dikkatle merkezli-altındaki cihazın arka tarafında Si segmentine kurşun zirkonat titanat (PZT) dönüştürücüyü, mikrokanalda tutkal.
  5. PZT transdüser iki iletken alanlara iki kabloyu lehimleyin. teller güvenli PZT transdüser bağlı olduğu dikkat edin. PDMS plaka deliklerden silikon tüp takın ve eki sabitlemek için plaka ve boru etrafında ek tutkal ekleyin.

7. Acoustofluidic Cihazı Çalışma

  1. Güvenli objektif altında doğrudan mikrokanal ile bir mikroskop sahneye cihazı monte edin.
    NOT: Cihazın altında küçük bir ekleme koyarak sahneye temas yapmaz PZT dönüştürücüyü emin olun.
  2. standardize bağlayıcıları kullanarak, Outl silikon tüpleri bağlamakşırınga pompaları üzerinde güvenli şırınga Cihazın ets.
    NOT: Bu yapılandırma "çekilme modu" içindir; şırınga pompaları Seçenek olarak cihazın içine örnek enjekte etmek için kullanılabilir.
  3. Sıvı numunesi (polistiren taneleri ya da hücre, örneğin, bir süspansiyon) ihtiva eden bir şişe içinde aygıtın girişine gelen silikon tüp yerleştirin.
  4. Sürekli örnek karıştırmak ve partiküllerin veya hücrelerin bir sabit konsantrasyon deney süresince muhafaza edilmesini sağlamak için bir karıştırma plakası üzerinde akışkan örneği içeren vial yerleştirin.
  5. bir fonksiyon jeneratörü ile seri bağlı bir güç yükselticiden çıktı PZT transdüktörden bağlayınız. Fonksiyon jeneratörü ayarları (örneğin, tepeden tepeye gerilim ve frekans) programlamak ve bir osiloskop kullanarak amplifikatör çıkış sinyalini monitör. Fonksiyon jeneratörü ve PZT transdüser harekete başlamak için güç amplifikatörü açın. 6
    1. Cihazın rezonans frekansı tahmin etmek için, C orta (yani, su) ses hızıdır denklemi C = λ * ƒ, takip λ akustik dalga boyu ve ƒ PZT verici frekansıdır. (Bu Örnek Sonuçlar bölüm gösterilir), harmonik yarım dalga boyu durumunda, mikrokanalın genişliği dalganın uzunluğunun yarısı olmalıdır.
    2. 0-50 V aralığında bir tepe-tepe gerilim ayarını kullanın
      NOT: daha yüksek basınç amplitüdleri uygulanan voltaj artışının sonucu, ve böylece, daha hızlı acoustophoresis.
  6. mikroskop açın ve mikroakışkan kanal odak açıkça olduğundan emin olun.
  7. akışını uygulamak ve cihaza örnek tanıtmak için bir şırınga pompası açın. floresan modunda mikroskop ile cihaz üzerinden akan varlıkları izleyin.
  8. Cihaz verimli katılımı ile odaklanır emin olunbasınç büyüklüğüne değiştirme PZT verici tedarik tepe-tepe voltaj ayarlayarak ve beklenen rezonans frekansına yakın bir frekans süpürmesinin yerine getirilmesiyle Les ampirik rezonans frekansını belirlemek için.

Sonuçlar

Bir trifurcating giriş, 300 um genişliğinde ve trifurcating çıkış (- B Şekil 1 A) bir ana kanal içeren acoustofluidic cihazı tasarlanmıştır. Biz sadece çıkarılabilir fişleri ile diğer girişleri bloke ederek (akustik radyasyon güçlerinin aracılığı ile parçacıkların odaklanarak sheathless elde etmek için, yani) bu çalışmada tüm deneyler için bir giriş kullanılan unutmayın. Yukarıda açıklanan prosedürler izlenerek, biz nedeniyle mikroimalat süreci (- D Şekil 1C) sırasında kusurları ~ 4% bir hata ile 313 mikron bir kanal genişliği sahip bir çip, inşa. Biz yarım dalga boyu harmonik ayakta dalga ikna etmek için 2,366 MHz sürüş frekansında cihaz işletilmektedir.

Biz PZT tr harekete geçirmek için yüksek frekansı sinüsoidal dalga şeklini oluşturmak için bir güç amplifikatörü bağlı bir sinyal jeneratörü kullanılıransducer. Biz sinyal şekli ve genlik doğruluğunu doğrulamak için güç amplifikatörü oluşturulan tepe-tepe çıkış gerilimi (V pp) ölçmek için bir osiloskop kullanılır. Bir şırınga pompası kullanılarak, ilk olarak, bir negatif kontrol (Şekil 2A) ve PZT verici harekete olmayan 100 ul / dakikalık bir oranda yeşil flüoresan polistiren boncuklar bir süspansiyon enjekte edilir. Daha sonra, (Şekil 2B 40 V V pp =) mikrokanalın genişliği boyunca yarım dalga boyu dik dalga oluşturmak için 2.366 MHz cihazı harekete. Biz basınç düğümün boyunca odaklanmış bir pozitif akustik kontrast faktörüne sahip olan bu parçacıklar, beklendiği gibi olduğunu gördük. 6 Biz de olumsuz akustik kontrast faktörü ile kırmızı floresan parçacıklar enjekte (yani, daha önce açıklanan bir süreç sentezlenen ɸ ≈ -0,88) 8 bizim cihazı (basınç antinod boyunca onların konsantrasyonunu neden olabilir doğrulamak için Şekil 2C).

Son olarak, akım (bir şırınga pompası ile düzenlenen, yani 0 ila 1000 ml / dakika) için en düşük gerilimler (yani, 0-50 Vss) 'in bir dizi pozitif bir akustik kontrast faktörü parçacıkların odaklama ölçüde araştırılmıştır. 15 kare oluşan Video her bir durum için toplanmıştır. ImageJ yazılımı mikrokanal genişliği boyunca floresans yoğunluğu profili, beş örnek için kullanılmıştır. Sayısal hesaplama programı her bir durum için yoğunluk profilleri ortalama ve bir satır içi filtreleme programı kullanılarak ortalama verileri düzeltmek için kullanılmıştır. Beklendiği gibi, (parçacıkların akımının genişliğine karşılık gelen, floresan zirvesinin genişliği ile tanımlanan, örneğin) artan akış hızı (Şekil 3A) ile azaldığı, parçacık boyutu odaklama. Biz de parçacığın ölçüde (uygulanan gerilimleri artan Fi artmış odaklama bulunduşekil 3B).

figure-results-1
Şekil 1:. Toplu akustik duran dalgaları destekleyici Acoustofluidic cihaz "kapak" bir borosilikat cam kaynaşık bir kazınmış silikon substrat içeren bir cihazın üst (A) ve alt (B) 'nin şematik görünümleri, polidimetilsiloksan (PDMS) blokları silikon bağlı boru ve cihazın alt yapıştırılmış kablolara lehimlenmiş bir piezoelektrik dönüştürücü. Cihazın üst (C) ve alt (D) fotoğrafları da gösterilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-2
Şekil 2: Akustik odaklamaPozitif ve negatif akustik kontrast faktörleri ile parçacıklar. (A) Önceki kurşun zirkonat titanat (PZT) transdüser çalıştırılmasına, 100 ul akan pozitif akustik kontrast faktörü (10 mikron, sarı-yeşil polistiren boncuklar) ile partikülleri / dk işgal Mikrokanallı genişliği. PZT verici sonra (b) (a) parçacıklar dalganın basınç düğümü boyunca odaklamak için gösterilmiştir (= V pp 40 V ve ƒ = 2.366 MHz) harekete geçirilir. Uygulanan akış yokluğunda dalganın basınç antinod boyunca odaklı bir negatif akustik kontrast faktörü ile (C) parçacıklar (V pp = 40 V ve ƒ = 2,366 MHz). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-3
Şekil 3:. Bir acoustofluidic cihazın odaklama performansını polistiren boncuklar floresan yoğunluk haritaları (Şekil 2A'da gösterildiği - B) sabit bir zirve sı (0 1000 ul / dk kadar) (A), çeşitli akış oranları için gösterilmektedir zirve 40 V gerilim ve 100 ul / dak sabit bir debi ile (B) (0'dan 50 Vpp arasında) çeşitli uygulamalı gerilim. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Tartışma

Acoustophoresis hidrodinamik odaklama yaklaşımlar kullanılan kılıf sıvıların gerek kalmadan tam olarak akışkan mikro olan mikroskopik varlıkları düzenlemek için basit ve hızlı bir yaklaşım sunmaktadır. 24 Bu cihazlar, parçacık ya da hücre manipülasyon diğer yöntemlere kıyasla bazı avantajlar sağlarlar (ör magnetophoresis, 25,26 dielektroforez 27 veya yüksek olmasından dolayı manyetik duyarlılıkları, elektrik polarizebilite ya da dar bir boyut dağılma olmadan varlıkları işleme kabiliyetlerine) 28 zorlama atalet. Ayrıca, akustik dalganın odaklanan düğümleri Earnshaw teoremi olarak başına statik manyetik ya da elektrik alanlar ile mümkün değildir şeydir uyarma kaynağı, uzak yerleştirilmiş olabilir. 29 ek bir avantaj akustik cihazlar arasında parçacıkları odak olmasıdır cihazları tha mümkün değildir akış yönü, bağımsız olarak uygulanan akış hızları ve geniş birt 28 verimli bir şekilde sitometri akışı ve parçacık boyutlandırma gibi uygulamalar için geliştirilmiş parçacık muayene için partiküller veya hücreleri taşımak için araçlar sağlayan odaklama için atalet güçlerine güveniyor. 30,31 cihaz imalat ve kullanım kolaylığı ile doğrudan benzer uygulanması için izin verebilir odaklama konsantre bölme ve sıvılarda asılı nesneleri sıralamak için cihazlar. 32

Biz akustik duran dalgalar tarafından üretilen en güçlü güçler birincil radyasyon kuvvetleri, 1 10 ml / tek delik tasarımı için saat aşan akış hızlarında bir mikroakışkan kanal üzerinden akan mikropartiküller odak olduğunu göstermiştir. 100 ul / dakikalık bir sabit akış oranı için, biz araç ince bir düzene halinde parçacıklar odak göstermektedir (yani, 50 mm çapında) 20 V tepe-tepe kadar düşük gerilimlerde bir kılıf sıvıları olmadan düşük etkinleştirme 10.000.000 Parti odaklama kesintili için Güç yöntemikartılması / dakika, örnek olarak yoğun konsantre solüsyonlar (ör 6 x 10 8 parçacık / mi), işlenirken. Bundan başka, bu hacimli büyük ölçüde paralel bir düğüm kümeleri üretilmesi için daha yüksek harmonikler ile harekete geçirilir çok delikli acoustofluidic cips ya da kanal imal arttırılabilir. 33

Burada sadece gösterilen cihaz, geleneksel mikrofabrikasyon kullanılan malzemeleri ve yöntemleri gerektirir iken, biz benzeri cihazlar oluşturmak için kullanılabilecek diğer teknikler bir avuç olduğunu vurgulamak. 19,34,35 Bu yaklaşımın avantajları sadeliği dahil yanı sıra nihai cihazın dayanıklılık.

Bu cihazların imalatı için önemli adımları flüoresan gözlem için şeffaf "kapak" olarak silikon birleştirmek için silikon ve anodik bağlama kanalı oluşturmak için mikrokanal, tepkisel iyonla hakketme geometrisini tanımlamak fotolitografi içerirce mikroskopi. Bu adımların hepsi cihaz içinde toz veya enkaz toplama önlemek için temiz oda imkanı gerektirir. Bu adımlar Ancak, bir kez tamamlandığında, bir PZT verici bağ ve akışkan bağlantı noktası nispeten basittir ve bir temiz oda dışında gerçekleştirilebilir.

Bununla birlikte, cihazın uygun tedavi olan uzun ömürlü için gereklidir. Bu (1) her bir deney sonrası deterjanlarla Tortu birikimi ve (2) yıkama cihazından kanal korumak için her bir deney öncesi pasifleştirme maddeleri (örneğin, poli (etilen glikol) silan) ile cihaz inkübe içerir. enkaz birikimi akustik dalganın sadakat tehlikeye atabilir ve verimli cihaz içinde parçacıklar veya hücreleri odaklanma yeteneğini azaltabilir. Ayrıca bu cihazlar dalganın boyutunun yarısı yaklaşan mevcudiyeti içeren yüksek dağılımlı bir numune veya numunelerin için uygundur edilmemektedir.

Acoustofluidic cihazlar ayrımı hücre ve flow sitometri koloidal montaj uzanan çeşitli uygulamalar için büyük yarar sağlamaktadır. kılıf sıvıları dağıtmak için gereksiz reaktif, geniş örneklem hacimleri veya hantal ekipmandan maliyetleri düşürürken yüksek akış hızlarında hassasiyetle biyolojik numunelerin işleme yeteneği, bu mikroakışkan cihazlar artarak iş hacimleri yeteneği için izin verebilirsiniz. acoustofluidic cihazları yapmak için gerekli üretim yöntemleri basit ve onların çalışması için gerekli prosedürler kullanıcı dostudur. Biz bu işlemler malzeme bilimi, biyoteknoloji ve tıp karşısında uygulamalar için yeni araştırma alanları katalize benzer cihazlar yaygın gelişmesini teşvik edeceğini umuyorum.

Açıklamalar

Yazarlar, rekabet eden hiçbir finansal çıkarları olmadığını beyan ederler.

Teşekkürler

Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı (DMR-1121107, CMMI-1363483 ve Lisansüstü Araştırma Bursları (GRF-1106401) tarafından C.W.S., D.F.C. ve KAO'ya verilen hibeler aracılığıyla) ve Ulusal Sağlık Enstitüleri (R21GM111584) tarafından desteklenmiştir. Yazarların herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Silikon gofretlerAddison Mühendislik, Inc.3P16" mekanik sınıf silikon gofret < 111>
AZ 9260 fotorezistMicroChemicals GmbHAZ9260-QPozitif fotorezist
AZ 400K geliştiriciMicroChemicals GmbHAZ400K CONC-CS1 kısım AZ 400k seyreltin 4 kısım deiyonize H2O
H2O2Sigma Aldrich, Co.216763 ağırlıkça %30 H2O
H2SO4Sigma Aldrich, Co.320501ACS reaktifi, %95.0-98.0%
1165 Fotorezist SökücüDow Chemical, Co.DEM-100180731-metil-2-pirolidinon bazlı
AsetonSigma Aldrich, Co.320110ACS reaktifi, > %99,5
İzopropil alkolSigma Aldrich, Co.W292907≥ %99,7, FCC, FG
MetanolSigma Aldrich, Co.322415Susuz,% 99.8
Borosilikat cam  (Nexterion bardağı B)Schott AG 2098576

Boyut: 120 x60 ± 0,1 mm Kalınlık: 1 ± 0,005 mm

Cam ve seramik için matkap ucu McMaster-Carr, Inc. Tüm hakları saklıdır.2954A1Matkap ucu boyutu: 1/8 " Toplam uzunluk: 2 3/16 " Sap çapı: 7/64 "
Polidimetilsiloksan (PDMS) kitiSigma Aldrich, Co.761036Dow Corning, Co.; Sylgard 184®; 10 g klipsli paket
Biyopsi punch   Ted Pella, Inc.  15078Harris tek çekirdekli Uç ID: 3.0 mm  Uç OD: 3.40 mm
Kurşun zirkonat titanat (PZT) dönüştürücüAPC International, Ltd.Özel sipariş, (841 WFB)Uzunluk: 30,0 mm, Genişlik: 5,0 mm, Frekans: 2,46 MHz, 2,0 mm uçlar için uç sargısı
Silikon boru Cole Parmer Enstrüman, Co.07625-220,6 mm İç Çap
Polistiren boncuklarThermo Fischer Scientific, Inc.F-883610 ve mikro; m sarı-yeşil floresan

Kaynaklar

  1. 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).
  2. Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
  3. 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).
  4. Guo, F., et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (1), 43-48 (2015).
  5. Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (16), 4970-4975 (2015).
  6. Gao, L., et al. Two-dimensional spatial manipulation of microparticles in continuous flows in acoustofluidic systems. Biomicrofluidics. 9 (1), 014105(2015).
  7. Bruus, H. Acoustofluidics 7: The acoustic radiation force on small particles. Lab Chip. 12 (6), 1014-1021 (2012).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Cushing, K. W., et al. Elastomeric negative acoustic contrast particles for affinity capture assays. Anal Chem. 85 (4), 2208-2215 (2013).
  11. Johnson, L. M., et al. Elastomeric microparticles for acoustic mediated bioseparations. J Nanobiotechnology. 11, 22(2013).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Goddard, G., Kaduchak, G. Ultrasonic particle concentration in a line-driven cylindrical tube. J Acoust Soc Am. 117 (6), 3440(2005).
  17. Lenshof, A., Magnusson, C., Laurell, T. Acoustofluidics 8: applications of acoustophoresis in continuous flow microsystems. Lab Chip. 12 (7), 1210-1223 (2012).
  18. 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).
  19. Austin Suthanthiraraj, P. P., et al. One-dimensional acoustic standing waves in rectangular channels for flow cytometry. Methods. 57 (3), 259-271 (2012).
  20. Wiklund, M., Nilsson, S., Hertz, H. M. Ultrasonic trapping in capillaries for trace-amount biomedical analysis. J App Phys. 90 (1), 421(2001).
  21. Shields, C. W. IV, et al. Field-directed assembly of patchy anisotropic microparticles with defined shape. Soft Matter. 9 (38), 9219(2013).
  22. 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).
  23. McDonald, J. C., Whitesides, G. M. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices. Acc Chem Res. 35 (7), 491-499 (2002).
  24. Golden, J. P., Justin, G. A., Nasir, M., Ligler, F. S. Hydrodynamic focusing--a versatile tool. Anal Bioanal Chem. 402 (1), 325-335 (2012).
  25. Hejazian, M., Li, W., Nguyen, N. T. Lab on a chip for continuous-flow magnetic cell separation. Lab Chip. 15 (4), 959-970 (2015).
  26. 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).
  27. Voldman, J. Electrical forces for microscale cell manipulation. Annu Rev Biomed Eng. 8, 425-454 (2006).
  28. Di Carlo, D. Inertial microfluidics. Lab Chip. 9 (21), 3038-3046 (2009).
  29. 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).
  30. Piyasena, M. E., Graves, S. W. The intersection of flow cytometry with microfluidics and microfabrication. Lab Chip. 14, 1044-1059 (2014).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Piyasena, M. E., et al. Multinode acoustic focusing for parallel flow cytometry. Anal Chem. 84 (4), 1831-1839 (2012).
  34. Lenshof, A., Evander, M., Laurell, T., Nilsson, J. Acoustofluidics 5: Building microfluidic acoustic resonators. Lab Chip. 12 (4), 684-695 (2012).
  35. Evander, M., Tenje, M. Microfluidic PMMA interfaces for rectangular glass capillaries. J Micromech Microeng. 24 (2), 027003(2014).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Akustofluidik CihazPar ac k OdaklamaSilikon Gofret FabrikasyonuFotolitografi lemiDerin Reaktif yon A nd rmaAnodik Ba lama Prosed rPZT Transduser EntegrasyonuPDMS Tabaka Montajr nga Pompas al t rma

İlgili makaleler