En protokol for at manipulere med mikropartikler i en mikrofluid kanal med en dobbelt-frekvens excitation præsenteres.
Vi demonstrere en metode til at øge en stående overflade akustiske bølge (SSAW) tuning mulighed for mikropartikler manipulation i et lab-on-a-chip (LOC) system. Den samtidige excitation af den grundlæggende frekvens og dens tredje harmoniske, der er betegnet som dual-frekvens excitation, et par af håndfladens transducere (IDTs) kunne generere en ny type stående akustiske bølger i en mikrofluid kanal. Varierende magt og fasen i den dobbelt-frekvens excitation signaler resultater i en omkonfigurerbare felt af den akustiske stråling kraft af mikropartikler i hele microchannel (f.eks., antal og placering af trykket noder og den microparticle koncentrationer på de tilsvarende pres noder). Denne artikel viser, at motion tidspunktet for microparticle til kun én pres node kan reduceres ~ 2-fold på magtforholdene i den grundlæggende frekvens større end ~ 90%. I modsætning, der er tre pres noder i microchannel hvis mindre end denne tærskel. Desuden justere den indledende fase mellem den grundlæggende frekvens og de tredje harmoniske resultater i forskellige motion satser for de tre SSAW pres noder og i procentdelen af mikropartikler på hver pres node i microchannel. Der er en god aftale mellem den eksperimentelle observation og numeriske prognoser. Denne roman excitation metode kan let og ikke-invasivt integrere i LOC system, med en bred tenability og kun et par ændringer til den eksperimentelle set-up.
LOC teknologi integrerer en eller flere funktioner på en mikrochip for biologi, kemi, Biofysik og biomedicinsk processer. LOC tillader en laboratorium set-up i skala mindre end sub millimeter, hurtig reaktion priser, en kort responstid, en høj proceskontrol, en lav lydstyrke forbrug (mindre affald, lavere reagenser omkostninger og mindre kræves sample volumen), en høj overførselshastighed skyldes parallelisering, en simpel omkostninger fremover masseproduktion og omkostningseffektiv engangsartikler, en høj sikkerhed for kemiske, radioaktive eller biologiske undersøgelser og fordelene ved en kompakt og bærbar enhed1,2. Præcise celle manipulation (dvs., akkumulering og adskillelse) er kritisk i en LOC-baseret analyse og diagnose3,4. Men, nøjagtighed og reproducerbarhed af microparticle manipulation har en række udfordringer. Mange teknikker, såsom electro-osmose5, dielektroforesis (DEP)6, magnetophoresis7, thermophoresis8,9, en optisk tilgang10, en optoelektroniske tilgang11 , en hydrodynamiske tilgang12, og acoustophoresis13,14,15, er blevet udviklet. I sammenligning er akustisk tilgange passende for en LOC program fordi teorien, mange typer af mikropartikler/celler kan manipuleres effektivt og noninvasively med en tilstrækkelig høj kontrast (tæthed og kompressionsevne) sammenlignet med den omkringliggende væske. Derfor, i forhold til deres kolleger, akustisk tilgange er i sagens natur berettiget til de fleste mikropartikler og biologiske genstande, uanset deres optiske, elektriske og magnetiske egenskaber16.
Overflade akustiske bølger (Save) fra IDTs udbrede det meste på overfladen af en piezoelektriske substrat på tykkelsen af flere bølgelængder og derefter lækage i Rayleigh vinkel ind i væsken i microchannel, ifølge den Snells lov17, 18,19,20,21,22. De har de tekniske fordele ved en høj energieffektivitet langs overfladen på grund af deres lokalisering af energien, en stor design fleksibilitet ved høj frekvens, et godt systemintegration med mikrofluid kanal og miniaturisering ved hjælp af Micro-elektroniske-mekanisk system (MEMS) teknologi, og et stort potentiale af masseproduktion23. I denne protokol, er Save genereret fra et par af identiske IDTs og opformeret i den modsatte retning til at generere en stående bølge eller SSAW, i microchannel, hvor de suspenderede mikropartikler er skubbet til pres noder, det meste af den anvendte akustisk stråling kraft24. Amplituden af sådanne resulterende kraft bestemmes af excitation frekvens, microparticle størrelse og dens akustiske kontrast faktor22,25.
Sådanne acoustophoresis har begrænsning af forudbestemt manipulere mønstre, der ikke er let justerbare. Excitation hyppigheden af IDTs er bestemt af deres periodiske afstand, så båndbredden er ret begrænset. Flere strategier er udviklet til at forbedre tunability og manipulation evnen. De første og anden tilstande af akustiske stående bølger anvendes i forskellige dele af microchannel kunne adskille mikropartikler mere effektivt efter forskellige bevægelse hastighed mod nodal linjer26. Disse to tilstande kan også anvendes på hele del af microchannel og skiftede alternativt27,28,29. Dog, er et stort antal udstyr (dvs., tre funktion generatorer, to impedans matchende enheder og en elektromagnetisk relæ) påkrævet, med den øgede omkostninger og kontrol kompleksitet af de eksperimentelle set-up på grund af de forskellige elektriske impedances på grundlæggende frekvens og tredje harmoniske af piezoceramic plade30. Derudover kunne skrå finger håndfladens transducere (SFITs) anvendes til at justere cellerne og mikropartikler mønster af spændende en periode af de skrå fingre for en vis resonans20,31. Men så, båndbredden, der er omvendt proportional med antallet af skrå fingre. Flere pres nodal linjer har en højere adskillelse effektivitet og følsomhed i forhold til de enkelt nodal linje i den konventionelle SSAW-baserede microparticle separator. Placeringen af pres noder kunne alternativt også ændres blot ved at justere fase forskellen anvendes til de to IDTs i design32,33.
Den grundlæggende frekvens og den tredje harmoniske af IDTs har lignende hyppighed svar, så de kan blive ophidset samtidigt, hvilket giver mere tunability for mikropartikler manipulation34. I forhold til konventionelle IDT excitation på en enkelt frekvens, justere det akustiske pres af den dobbelt-frekvens excitation og fase mellem dem giver teknisk entydighed, som op til ~ 2-fold reduceret bevægelse tid presset nodal linje eller center microchannel, varieret antal og placering af trykket nodal linjer og microparticle koncentrationer.
Microparticle bevægelse i microchannel af en SSAW på den dobbelt-frekvens excitation blev grundigt undersøgt i denne undersøgelse, og et effektivt afstemmelige mønstre teknik ved at variere dobbelt-frekvens excitation signaler blev udviklet og afprøvet. Produktion af sådan en bølgeform er let indset ved de fleste funktion generatorer, og justere tilgang er meget bekvemt. Både S12– og S11-hyppighed svar i de fabrikerede IDTs illustrerer flere resonant tilstande34. Den…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev sponsoreret af akademiske forskningsfond (AcRF) Tier 1 (RG171/15), Undervisningsministeriet, Singapore.
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 |