Microparticle manipulering av stående akustiske overflatebølger med Dual-frekvens Excitations
Summary
En protokoll for å manipulere microparticles i en mikrovæskekanalen med en dual-frekvens eksitasjon presenteres.
Abstract
Vi viser en metode for å øke tuning muligheten av en stående akustiske overflatebølger (SSAW) microparticles manipulering i en lab-on-a-chip (LOC) system. Samtidige magnetisering av grunnleggende frekvens og sin tredje harmoniske, som er betegnet som dual frekvens eksitasjon, til et par av interdigital transdusere (IDTs) kan generere nye typer står akustiske bølger i en mikrovæskekanalen. Varierende kraften og fasen i dual frekvens magnetisering signaler resultater i et rekonfigurerbare akustisk stråling kraften til microparticles over microchannel (f.eks, antall og plassering av de trykk og microparticle konsentrasjoner på tilsvarende presset noder). Denne artikkelen viser at bevegelse tid microparticle eneste press noden kan reduseres ~ 2-fold på kraft forholdet mellom grunnleggende frekvens større enn ~ 90%. Derimot er det tre press noder i microchannel hvis mindre enn denne terskelverdien. Videre justere startfasen mellom grunnleggende frekvens og tredje harmonisk resultatene i ulike bevegelser priser av de tre SSAW press og prosentandelen av microparticles på hver press node i microchannel. Det er en god avtale mellom eksperimentelle observasjon og numeriske spådommer. Denne romanen eksitasjon metoden kan enkelt og ikke-invasively integrere i LOC systemet, med et bredt tenability og noen få endringer til det eksperimentelle set-up.
Introduction
LOC teknologi integreres én eller flere funksjoner på en microchip for biologi, kjemi, biofysikk og biomedisinsk prosesser. LOC lar et laboratorium oppsett på en skala mindre enn sub millimeter, rask reaksjon priser, en kort svartid, en høy prosesskontroll, et lavt volum forbruk (mindre avfall, lavere reagenser kostnader og mindre nødvendig eksempel volum), en høy gjennomstrømning grunn parallelization, en lav kostnad i fremtiden masseproduksjon og kostnadseffektiv forbruksmateriell, en høy sikkerhet for kjemiske, radioaktivt eller biologiske studier og fordelene med en kompakt og bærbar enhet1,2. Presis celle manipulasjon (dvs., akkumulering og separasjon) er kritisk i en LOC-basert analyse og diagnose3,4. Nøyaktigheten og reproduserbarhet av microparticle manipulasjon har imidlertid en rekke utfordringer. Mange teknikker, som elektro-osmose5dielectrophoresis (DEP)6magnetophoresis7, thermophoresis8,9, en optisk tilnærming10, en Optoelektronisk tilnærming11 , en etter tilnærming12og acoustophoresis13,14,15, har blitt utviklet. Sammenligning er akustisk tilnærminger passende for en LOC program fordi, teoretisk sett, mange typer microparticles/celler kan manipuleres effektivt og noninvasively med en tilstrekkelig høy kontrast (tetthet og satte) forhold med den omkringliggende væsken. Derfor, i forhold til sine kolleger, akustisk tilnærminger er iboende kvalifisert for de fleste microparticles og biologiske objekter, uansett deres optisk, elektriske og magnetiske16.
Akustiske overflatebølger (SAWs) fra IDTs overføres hovedsakelig på overflaten av et piezoelektrisk substrat på tykkelsen på flere bølgelengder og lekkasje i Rayleigh vinkel i væsken i microchannel, ifølge den Snell lov17, 18,19,20,21,22. De har de tekniske fordelene med en høy energieffektivitet langs overflaten på grunn av deres lokalisering av energi, flott design fleksibilitet med høy frekvens, en god systemintegrasjon med mikrovæskekanalen og miniatyrisering bruker mikro-elektroniske-mekanisk system (MEMS) teknologien, og en høy muligheter av masseproduksjon23. Denne protokollen, er sager generert fra et par identiske IDTs og overført i motsatt retning vil generere en stående bølge, eller SSAW, microchannel, der suspendert microparticles skyves til press noder, det meste av anvendt akustisk stråling tvinge24. Amplituden til slik resulterende kraft bestemmes av eksitasjon frekvensen, microparticle størrelse og dens akustisk kontrast faktor22,25.
Slike acoustophoresis har begrensning av forhåndsbestemte manipulere mønstre som ikke er lett justerbar. Eksitasjon hyppigheten av IDTs bestemmes av sine periodiske avstand, så båndbredden er ganske begrenset. Flere strategier er utviklet for å forbedre tunability og manipulasjon evnen. Første og andre moduser av akustisk stående bølger brukt i ulike deler av microchannel kunne skille microparticles mer effektivt etter ulike motion-hastigheter mot knutepunktet linjer26. Disse to modusene kan også brukes til hele delen av microchannel og byttet alternativt27,28,29. Men for dette er mange utstyr (dvs., tre funksjonen generatorer, to impedans matchende enheter og en elektromagnetisk stafett) nødvendig med den eksperimentelle set-up på grunn av de ulike økte kostnader og kontroll kompleksitet elektrisk impedances på grunnleggende frekvens og tredje harmoniske av piezoceramic plate30. Videre kan skrå finger interdigital transdusere (SFITs) brukes for å justere cellene og microparticles mønstre av spennende en periode av skråstilt fingrene for en bestemt resonans20,31. Men så, er båndbredden omvendt proporsjonal med antall skråstilt fingre. Flere press knutepunktet linjer har høyere separasjon effektivitet og sensitivitet i forhold til den knutepunktet linjen i konvensjonelle SSAW-baserte microparticle skilletegnet. Plasseringen av de presset kan eventuelt også endres ved å justere den fase forskjellen på de to IDTs design32,33.
Grunnleggende frekvens og den tredje harmoniske av IDTs har lignende frekvensrespons slik at de kan bli spennende samtidig, som gir mer tunability microparticles manipulasjon34. I forhold til konvensjonelle IDT magnetisering på en enkelt frekvens, justere akustisk presset av dual frekvens magnetisering og fasen mellom dem gir teknisk unikhet, som opp til ~ 2-fold redusert bevegelse tid press knutepunktet linje eller midten av microchannel, variert nummeret og plasseringen av press knutepunktet linjene og microparticle konsentrasjoner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Microparticle bevegelse i microchannel ved en SSAW på dobbel-frekvens magnetisering ble grundig undersøkt i denne studien, og et effektivt tunable mønstre teknikk av varierende dual frekvens eksitasjon signalene ble utviklet og testet. Produksjonen av slike bølgediagrammer er lett realisert av de fleste funksjonen generatorer, og justere tilnærming er veldig praktisk. Både S12– og S11-frekvensrespons fabrikkerte IDTs illustrerer flere resonans moduser34. Målt grunnlegg…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble sponset av den akademiske Research Fund (AcRF) Tier 1 (RG171/15), Utdanningsdepartementet, Singapore.
Materials
| 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 |
Riferimenti
- 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).
- Figeys, D., Pinto, D. Lab-on-a-chip: a revolution in biological and medical sciences. Analytical Chemistry. 72 (9), 330 A-335 A (2000).
- den Toonder, J. Circulating tumor cells: the Grand Challenge. Lab on a Chip. 11 (3), 375-377 (2011).
- 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).
- Jorgenson, J. W., Lukacs, K. D. High-resolution separations based on electrophoresis and electroosmosis. Journal of Chromatography A. 218, 209-216 (1981).
- Gascoyne, P. R., Vykoukal, J. Particle separation by dielectrophoresis. Electrophoresis. 23 (13), 1973 (1973).
- Xia, N., et al. Combined microfluidic-micromagnetic separation of living cells in continuous flow. Biomedical Microdevices. 8 (4), 299-308 (2006).
- Garcés-Chávez, V., et al. Extended organization of colloidal microparticles by surface plasmon polariton excitation. Physical Review B. 73 (8), 085417 (2006).
- Zhu, T., Ye, W. Origin of Knudsen forces on heated microbeams. Physical Review E. 82 (3), 036308 (2010).
- Ashkin, A., Dziedzic, J., Yamane, T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature. 330 (6150), 769-771 (1987).
- 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).
- Yamada, M., Seki, M. Hydrodynamic filtration for on-chip particle concentration and classification utilizing microfluidics. Lab on a Chip. 5 (11), 1233-1239 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647 (2011).
- 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).
- Guo, F., et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (1), 43-48 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab on a Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
- King, L. V. On the acoustic radiation pressure on spheres. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. , 212-240 (1934).
- Yosioka, K., Kawasima, Y. Acoustic radiation pressure on a compressible sphere. Acta Acustica United with Acustica. 5 (3), 167-173 (1955).
- Ratier, C., Hoyos, M. Acoustic programming in step-split-flow lateral-transport thin fractionation. Analytical Chemistry. 82 (4), 1318-1325 (2010).
- 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).
- 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).
- Liu, Y., Lim, K. -. M. Particle separation in microfluidics using a switching ultrasonic field. Lab on a Chip. 11 (18), 3167-3173 (2011).
- Brissaud, M. Characterization of piezoceramics. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 38 (6), 603-617 (1991).
- Ding, X., et al. Tunable patterning of microparticles and cells using standing surface acoustic waves. Lab on a Chip. 12 (14), 2491-2497 (2012).
- Jo, M. C., Guldiken, R. Particle manipulation by phase-shifting of surface acoustic waves. Sensors and Actuators A: Physical. 207, 39-42 (2014).
- 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).
- 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).
- Batchelor, G. K. . An Introduction to Fluid Dynamics. , (2000).
- Glynne-Jones, P., Hill, M. Acoustofluidics 23: acoustic manipulation combined with other force fields. Lab on a Chip. 13 (6), 1003-1010 (2013).
- 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).
- Chen, Y., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW)-based microfluidic cytometer. Lab on a Chip. 14, 916-923 (2014).
- 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).
- Destgeer, G., et al. Submicron separation of microspheres via travelling surface acoustic waves. Lab on a Chip. 14, 4665-4672 (2014).
- Ding, X., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting. Lab on a Chip. 12, 4228-4231 (2012).
- 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).
