Yöntem makalesi

Çift frekanslı uyarilmalar ile yüzey akustik dalgalar ayakta tarafından Microparticle manipülasyon

DOI:

10.3791/58085

⸱

21 Ağustos 2018

 , 
1School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Microparticles bir çift frekanslı uyarma ile bir mikrosıvısal kanal değiştirmek için bir iletişim kuralı sunulur.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bir duran yüzey akustik dalga (SSAW) ayarlama yeteneğini artırmak için bir yöntem microparticles manipülasyon için bir laboratuvar-on-a-chip (LOC) sisteminde göstermektedir. Temel frekans ve çift frekanslı uyarma, ayak parmak güç çeviriciler (IDTs) bir çift olarak adlandırılır, üçüncü harmonik eşzamanlı uyarma akustik dalgalar halinde bir mikrosıvısal kanal duran yeni bir tür yaratacaktır. Güç ve çift frekanslı uyarma aşamasında farklı sinyalleri reconfigurable alan sonuçlarını microparticles için microchannel uygulanan akustik radyasyon Kuvvetleri (Örneğin, sayısı ve konumu basınç düğümlerinin ve microparticle konsantrasyonları karşılık gelen basınç düğümlerin). Bu makalede, microparticle tek bir basınç düğüme hareket saati azaltılabilir gösterilir ~ logosuna 2 kat temel frekans ~ 90 %'den büyük güç oranında. Buna ek olarak, orada üç basınç düğüm microchannel içinde daha az Eğer bu eşik. Ayrıca, temel frekans ve üçüncü harmonik sonuçlara microparticles microchannel her basınç düğümdeki yüzdesi yanı sıra Üç SSAW basınç düğüm farklı hareket oranları arasında ilk aşaması ayarlama. Deneysel gözlem ve sayısal tahminler arasında iyi bir anlaşma var. Bu roman uyarma Yöntem kolayca ve non-invaziv LOC sisteme entegre edebilirsiniz geniş bir tenability ve yalnızca birkaç değişiklik deneysel kurulur.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

LOC teknolojisinin bir veya birkaç işlev bir mikroçip biyoloji, kimya, Biyofizik ve Biyomedikal işlemleri için entegre. LOC alt milimetre, hızlı tepki oranları, kısa tepki süresi, yüksek işlem denetimi, bir düşük güç tüketimi (daha az reaktifler atık, daha düşük maliyet ve daha az gerekli numune hacmi), yüksek işlem hacmi nedeniyle daha küçük bir ölçekte sağlar bir laboratuvar kurulumu parallelization, seri üretim ve uygun maliyetli tek kullanımlık, kimyasal, radyoaktif ve biyolojik araştırmalar yüksek bir güvenilirlik ve kompakt ve taşınabilir aygıt1,2avantajları gelecekte bir düşük maliyetli. Kesin hücre manipülasyon (yani, birikimi ve ayırma) bir LOC tabanlı analiz ve tanı3,4' te kritik olduğunu. Ancak, hassasiyet ve tekrarlanabilirlik microparticle işlemlerinde sorunlar çeşitli var. Elektro-Ozmoz5, dielectrophoresis (DEP)6, magnetophoresis7, thermophoresis8,9, bir optik yaklaşım10, gibi birçok teknik bir opto-elektronik yaklaşım11 , hidrodinamik yaklaşım12ve acoustophoresis13,14,15, geliştirdik. Çünkü teorik olarak, adl tip-in microparticles/hücre etkin bir şekilde manipüle edilebilir ve noninvazif yeterince yüksek kontrast (yoğunluk ve sıkışma kabiliyeti) karşılaştırıldığında, buna karşılık, akustik yaklaşımlar LOC uygulama için uygun çevresindeki sıvı ile. Bu nedenle, kendi muadilleri için karşılaştırıldığında, akustik yaklaşımlar doğal olarak çoğu microparticles ve onların, elektrik, optik ve manyetik özellikleri16olursa olsun biyolojik nesneler için uygundur.

Yüzey akustik dalgalar (testere) IDTs dan çoğunlukla birkaç dalga boylarında kalınlığı, piezoelektrik bir substrat ve sonra sızıntı microchannel sıvı içine Rayleigh açıyla yüzeyinde Snell Yasası17göreyaymak, 18,19,20,21,22. Onlar yüksek enerji verimliliği enerji, büyük tasarım esnekliği yüksek frekansta, iyi sistem entegrasyonu mikrosıvısal kanal ve minyatür kullanarak onların lokalizasyonu nedeniyle yüzey boyunca teknik avantajları var Mikro-elektronik-mekanik sistem (MEMS) teknolojisi ve yüksek potansiyel yığın üretim23. Bu protokol için testere bir çift aynı IDTs oluşturulan ve duran dalga veya SSAW, nerede askıya alınmış microparticles tarafından çoğunlukla uygulamalı akustik basınç düğümlerine itilir microchannel oluşturmak için ters yönde yayılır radyasyon kuvvetleri24. Böyle bir sonuç güç genliği uyarma sıklığını, microparticle boyutu ve onun akustik kontrast faktör22,25tarafından belirlenir.

Böyle acoustophoresis kolayca ayarlanabilir değildir önceden belirlenmiş manipüle desen sınırlaması vardır. Bant genişliği çok sınırlıdır bu yüzden IDTs uyarma sıklığını periyodik onların mesafe tarafından belirlenir. Ayar ve düzenleme özelliğini geliştirmek için çeşitli stratejiler geliştirilmiştir. Akustik duran dalgalar microchannel farklı bölgelerinde uygulanan ilk ve ikinci modları farklı hareket hızları nodal hatları26doğru göre daha etkili bir şekilde microparticles ayrı. Bu iki mod da microchannel bütün bölümüne uygulanan ve alternatif olarak27,28,29açık. Ancak, bunun için donatım (yani, üç işlevi jeneratörler, iki empedans Uyarlayıcıları ünite ve bir elektromanyetik röle) çok sayıda, farklı sayesinde deneysel set-up artan maliyet ve kontrol karmaşıklığı ile gereklidir temel frekans ve piezoceramic üçüncü harmonik elektrik impedances30plaka. Ayrıca, eğimli-parmak ayak parmak güç çeviriciler (SFITs) hücreleri ve eğimli parmak bir süre bir belirli rezonans20,31için heyecan verici tarafından biçimlenme microparticles ayarlamak için uygulanabilir. Ancak, daha sonra bant genişliği ters eğimli parmak sayısıyla doğru orantılı olduğunu. Birden fazla basınç nodal satır bir daha yüksek ayırma verimliliği ve duyarlılık tek nodal satır ile karşılaştırıldığında geleneksel SSAW tabanlı microparticle ayırıcısı olarak var. Alternatif olarak, basınç düğümlerin konumunu da sadece tasarım32,33iki IDTs uygulanan faz farkı ayarlayarak değiştirilebilir.

Onlar aynı zamanda, microparticles manipülasyon34için daha fazla ayar sağlayan heyecanlı böylece temel frekans ve IDTs üçüncü harmonik benzer frekans yanıt var. Bir tek frekansta geleneksel IDT uyarma ile karşılaştırıldığında çift frekanslı uyarma ve aralarındaki faz akustik baskıları ayarlamak belgili tanımlık ilâ gibi teknik benzersiz sağlar ~ 2 kat hareket zaman basınç nodal azaltılmış satır veya microchannel, çeşitli numarası ve basınç nodal hatları ve microparticle konsantrasyonları konumunu ortasına.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. mikrosıvısal kanal hazırlanması

  1. Poli-dimethylsiloxane (PDMS) bir elastomer oranı 10:1 taban ile karıştırın.
  2. Bir vakum fırını karışımı degas ve üstünde belgili tanımlık tepe olumsuz sesi fotorezist desenli silikon gofret üzerine dökün.
  3. Desenli silikon gofret tekrar degas ve katılaşma için bir kuluçka 3 h için 70 ° C'de ısı.

2. ayak parmak güç çeviriciler imalatı

  1. Depozito 20 nm Cr ve 400 Al nm üzerinde LiNbO3 gofret; desen 20 150 µm genişliğini ve fotolitografi için plastik bir maske üzerinde 2 cm bir diyafram ile pozitif fotorezist substrat yatırma tarafından şeritler.
  2. Aseton ile sigara maruz alanı Cr-Al katmanda kaldırın.
  3. 30 60 W gücü yüzey oksijen plazma (ile azot ve oksijen oranı 2:1) ile tedavi s.
  4. PDMS microchannel hizalayın ve bir kaç saniye için bir başparmak ile basarak LiNbO3 substrat bağ.
  5. Tümleşik aygıt Isıtma Odası 3 h için 60 ° C'de yerleştirin.

3. çift frekanslı uyarma

  1. Aynı anda iki frekans bileşeni uygulamak (f1 ve f3, temel frekans ve fabrikasyon IDT, onun üçüncü harmonik sırasıyla) onlara IDTs, çifti arasındaki faz farkı φ ile böylece üretilen testere aşağıdaki gibi ifade edilebilir.
    figure-protocol-1
    Burada,
    figure-protocol-2ve figure-protocol-3 akustik basınç =.
  2. 100 MS/s örnekleme sıklığı ArbExpress uygulama yazılımı Denklem Düzenleyicisi'ni kullanarak çift frekanslı dalga sentez ve sonra işlev üreteci testere uyarma denemede için rasgele giriş olarak üzerinden saklayın a USB tel kablo.
  3. Toplam verilmiş iktidara temel frekans gücünü farklı figure-protocol-4 'den 0 (tamamen temel frekansta uyarma) %0 (tamamen üçüncü harmonik, uyarma); iyi bir karşılaştırma için değiştirmek ama toplam güç de aynı olacak.
  4. Çift frekanslı uyarma 0 ° ile 360 ° faz farkı değişir.

4. sayısal simülasyon

  1. İncompressible laminar akış hareket düşük Reynolds ile tarif (yani, Re 0.55 =) ve Mach sayıları aşağıdaki gibi35.
    figure-protocol-5
    figure-protocol-6
    Burada,
    figure-protocol-7= Akışkan hızı,
    figure-protocol-8Dinamik Viskozite =,
    figure-protocol-9Sıvı yoğunluğu =,
    figure-protocol-10sıvı basıncı =,
    figure-protocol-11özdeşlik matrisini = ve
    figure-protocol-12bir dış kuvvet =.
  2. Üretilen Stoke sürükle kuvvet nesne üzerinde aşağıdaki36açıklanmaktadır.
    figure-protocol-13
    Burada,
    figure-protocol-14microparticle yarıçap =,
    figure-protocol-15= sıvı, hızı ve
    figure-protocol-16= microparticle hızı.
  3. Microchannel xboyunca microparticle uygulanan akustik radyasyon güç türetmek-eksende (microchannel genişlik) tek bir frekansta16 izler.
    figure-protocol-17
    Burada,
    figure-protocol-18microparticle hacmi =,
    figure-protocol-19microparticle yoğunluğu =,
    figure-protocol-20Orta yoğunluğu =,
    figure-protocol-21microparticle, sıkışma kabiliyeti = ve
    figure-protocol-22sıkışma kabiliyeti orta =.
  4. Sonuç akustik radyasyon kuvvetleri çift frekanslı uyarma aşağıdaki gibi türetilir.
    figure-protocol-23
  5. Kanal genişliği boyunca enine hareket hızlı (boyunca y-ekseni) akustik radyasyon kuvvetleri ve Stokes altında Newton'ın ikinci yasa ile aşağıdaki gibi yönetilir kuvvet sürükleyin.
    figure-protocol-24
  6. Sıradan diferansiyel denklemler (adi diferansiyel) dördüncü sıra Runge-Kutta yöntemi bir kişisel bilgisayar kullanarak yukarıda çözmek. Saat adım ve toplam süre olarak 1 µs ve 20 s, anılan sıraya göre.

5. deneysel gözlem

  1. Çözüm spin konsantrasyon 5.9 x 107 4 µm ile yeşil yaklaşık 2-3 dakika için girdap tarafından 1 mL başına floresan polistren boncuk ve sonra bir ultrason sonicator 10 dakika için her test önce herhangi bir Topaklanmayı bozmaya bırakın.
  2. Karışımı 3 mL şırınga doldurun ve sonra 3-5 µL/dk akış hızında bir şırınga pompa ile sürücü.
  3. Bir işlev jeneratör güç amplifikatörü tarafından takip IDT çift frekanslı sinyal ile sürücü.
  4. 40 X büyütme, hafif bir mikroskop altında aşağı akım microchannel stabilize microparticles işlevlerini izlemek ve kaydetmek görüntü ile bir dijital fotoğraf makinesi.
  5. ImageJ ve kurulan ölçeği kullanarak yakalanan dijital resimlerdeki birikmiş microparticles konumunu ölçmek ve daha sonra kantitatif ile normalleştirilmiş floresans aydınlık birikmiş microparticle konsantrasyonu belirlemek Her baskı düğüm.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Akustik basınç dağılımları ve çift frekanslı uyarma (6.2 ve 18.6 MHz) adlı bir SSAW akustik radyasyon kuvvet Şekil 1' de gösterilmiştir. Burada, çift frekanslı uyarma polistren microparticles (çapı 4 µm) üzerinde bir microchannel 146 akustik bir gücü 300 µm uzunluğuna sahip oluşur mW. Sonuç akustik basınç olduğunu her zaman yalnızca bir basınç böylece düğüm P1

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Microchannel çift frekanslı uyarma, bir SSAW tarafından microparticle çekimde kapsamlı bu çalışmada araştırıldı ve çift frekanslı uyarma sinyalleri değişen tarafından etkili bir şekilde akort desenlendirme tekniği geliştirilmiş ve test edilmiştir. Böyle bir dalga üretimi kolayca çoğu işlev jeneratörleri tarafından gerçekleştirilen ve ayar yaklaşım çok uygundur. S12- ve S11-fabrikasyon IDTs frekans tepkiler göstermek birkaç rezonans modları34. Temel ölçüm sıklığı 6.1 MHz ve üç...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu eser akademik araştırma fonu (AcRF) Tier 1 (RG171/15), Milli Eğitim Bakanlığı, Singapur tarafından sponsor oldu.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
poli-dimetilsiloksanDow CorningSylgard 184
poli-dimetilsiloksan elastomer tabanDow CorningSylgard 184
silikon gofretBonda TeknolojisiSI8PSPD
negatif tonlu fotorezistMicrochemSU-8
çift taraflı cilalı LiNbO3 gofretÜniversitesi GofretY-128°
pozitif fotorezistNicolaus-Otto-Straß eAZ 9260
oksijen plazmasıHarrick Plazma
plastik maskeSonsuz Grafik

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chin, C. D., Linder, V., Sia, S. K. Commercialization of microfluidic point-of-care diagnostic devices. Lab on a Chip. 12 (12), 2118-2134 (2012).
  2. Figeys, D., Pinto, D. Lab-on-a-chip: a revolution in biological and medical sciences. Analytical Chemistry. 72 (9), 330 A-335 A (2000).
  3. den Toonder, J. Circulating tumor cells: the Grand Challenge. Lab on a Chip. 11 (3), 375-377 (2011).
  4. Yu, L., et al. Advances of lab-on-a-chip in isolation, detection and post-processing of circulating tumour cells. Lab on a Chip. 13 (16), 3163-3182 (2013).
  5. Jorgenson, J. W., Lukacs, K. D. High-resolution separations based on electrophoresis and electroosmosis. Journal of Chromatography A. 218, 209-216 (1981).
  6. Gascoyne, P. R., Vykoukal, J. Particle separation by dielectrophoresis. Electrophoresis. 23 (13), 1973(1973).
  7. Xia, N., et al. Combined microfluidic-micromagnetic separation of living cells in continuous flow. Biomedical Microdevices. 8 (4), 299-308 (2006).
  8. Garcés-Chávez, V., et al. Extended organization of colloidal microparticles by surface plasmon polariton excitation. Physical Review B. 73 (8), 085417(2006).
  9. Zhu, T., Ye, W. Origin of Knudsen forces on heated microbeams. Physical Review E. 82 (3), 036308(2010).
  10. Ashkin, A., Dziedzic, J., Yamane, T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature. 330 (6150), 769-771 (1987).
  11. Chiou, P. Y., Ohta, A. T., Wu, M. C. Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images. Nature. 436 (7049), 370-372 (2005).
  12. Yamada, M., Seki, M. Hydrodynamic filtration for on-chip particle concentration and classification utilizing microfluidics. Lab on a Chip. 5 (11), 1233-1239 (2005).
  13. Burguillos, M. A., et al. Microchannel acoustophoresis does not impact survival or function of microglia, leukocytes or tumor cells. PLoS One. 8 (5), e64233(2013).
  14. Lin, S. -C. S., Mao, X., Huang, T. J. Surface acoustic wave (SAW) acoustophoresis: now and beyond. Lab on a Chip. 12 (16), 2766-2770 (2012).
  15. Petersson, F., Åberg, L., Swärd-Nilsson, A. -M., Laurell, T. Free flow acoustophoresis: microfluidic-based mode of particle and cell separation. Analytical Chemistry. 79 (14), 5117-5123 (2007).
  16. Ding, X., et al. On-chip manipulation of single microparticles, cells, and organisms using surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (28), 11105-11109 (2012).
  17. Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647(2011).
  18. Destgeer, G., Lee, K. H., Jung, J. H., Alazzam, A., Sung, H. J. Continuous separation of particles in a PDMS microfluidic channel via travelling surface acoustic waves (TSAW). Lab on a Chip. 13 (21), 4210-4216 (2013).
  19. Guo, F., et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (1), 43-48 (2015).
  20. Ding, X., et al. Cell separation using tilted-angle standing surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (36), 12992-12997 (2014).
  21. Roshchupkin, D., et al. X-ray diffraction by standing surface acoustic waves. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 142 (3), 432-436 (1998).
  22. Shi, J., Mao, X., Ahmed, D., Colletti, A., Huang, T. J. Focusing microparticles in a microfluidic channel with standing surface acoustic waves (SSAW). Lab on a Chip. 8 (2), 221-223 (2008).
  23. Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab on a Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
  24. King, L. V. On the acoustic radiation pressure on spheres. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. , The Royal Society. 212-240 (1934).
  25. Yosioka, K., Kawasima, Y. Acoustic radiation pressure on a compressible sphere. Acta Acustica United with Acustica. 5 (3), 167-173 (1955).
  26. Ratier, C., Hoyos, M. Acoustic programming in step-split-flow lateral-transport thin fractionation. Analytical Chemistry. 82 (4), 1318-1325 (2010).
  27. Mandralis, Z., Feke, D., Bolek, W., Burger, W., Benes, E. Enhanced synchronized ultrasonic and flow-field fractionation of suspensions. Ultrasonics. 32 (2), 113-122 (1994).
  28. Laurell, T., Petersson, F., Nilsson, A. Chip integrated strategies for acoustic separation and manipulation of cells and particles. Chemical Society Reviews. 36 (3), 492-506 (2007).
  29. Liu, Y., Lim, K. -M. Particle separation in microfluidics using a switching ultrasonic field. Lab on a Chip. 11 (18), 3167-3173 (2011).
  30. Brissaud, M. Characterization of piezoceramics. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 38 (6), 603-617 (1991).
  31. Ding, X., et al. Tunable patterning of microparticles and cells using standing surface acoustic waves. Lab on a Chip. 12 (14), 2491-2497 (2012).
  32. Jo, M. C., Guldiken, R. Particle manipulation by phase-shifting of surface acoustic waves. Sensors and Actuators A: Physical. 207, 39-42 (2014).
  33. Meng, L., et al. Transportation of single cell and microbubbles by phase-shift introduced to standing leaky surface acoustic waves. Biomicrofluidics. 5 (4), 044104(2011).
  34. Sriphutkiat, Y., Zhou, Y. Particle manipulation using standing surface acoustic waves (SSAW) at dual frequency excitation: effect of power ratio. Sensors and Actuators A: Physical. 263, 521-529 (2017).
  35. Batchelor, G. K. An Introduction to Fluid Dynamics. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2000).
  36. Glynne-Jones, P., Hill, M. Acoustofluidics 23: acoustic manipulation combined with other force fields. Lab on a Chip. 13 (6), 1003-1010 (2013).
  37. Winkler, A., Brünig, R., Faust, C., Weser, R., Schmidt, H. Towards efficient surface acoustic wave (SAW)-based microfluidic actuators. Sensors and Actuators A: Physical. 247, 259-268 (2016).
  38. Chen, Y., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW)-based microfluidic cytometer. Lab on a Chip. 14, 916-923 (2014).
  39. Devendran, C., et al. The importance of travelling wave components in standing surface acoustic wave (SSAW) systems. Lab on a Chip. 16, 3756-3766 (2016).
  40. Destgeer, G., et al. Submicron separation of microspheres via travelling surface acoustic waves. Lab on a Chip. 14, 4665-4672 (2014).
  41. Ding, X., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting. Lab on a Chip. 12, 4228-4231 (2012).
  42. Chen, Y., et al. Continuous enrichment of low-abundance cell samples using standing surface acoustic waves (SSAW). Lab on a Chip. 14, 924-930 (2014).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

ift Frekansl UyarmaLab on a chip SistemiInterdigital Transd serlerAkustik Radyasyon KuvvetiBas n D mleriG Oran AyarFaz Fark AyarlamasMikroak kan Kanal

İlgili makaleler