Mikropartikel Manipulation durch ständigen akustischen Oberflächenwellen mit Zweifrequenz-Erregungen
Summary
Ein Protokoll für die Manipulation der Mikropartikel in einem mikrofluidischen Kanal mit einem Zweifrequenz-Erregung wird vorgestellt.
Abstract
Wir zeigen eine Methode zur Erhöhung der tuning Fähigkeit von einem ständigen akustische Oberflächenwellen (Tripadvisor) für Mikropartikel Manipulation in einem Lab-on-a-Chip (LOC) System. Die gleichzeitige Erregung der Grundfrequenz und seine dritte harmonische, die als Zweifrequenz-Anregung, um ein paar interdigital Transducer (IDTs) bezeichnet wird könnte eine neue Art von stehende Schallwellen in einem Mikrofluidik-Kanal erzeugen. Variation, die Kraft und die Phase der Erregung Zweifrequenz-Ergebnisse in einem rekonfigurierbaren Feld die akustische Strahlung Krafteinwirkung auf die Mikropartikel in der Microchannel Signale (z.B.die Anzahl und Lage der Knoten Druck und die Mikropartikel Konzentrationen an den entsprechenden Druck-Knoten). Dieser Artikel zeigt, dass die Fahrzeit von der Mikropartikel auf nur einem Knoten reduziert werden kann ~ 2-fold auf das Leistungsgewicht der Grundfrequenz größer als ca. 90 %. Im Gegensatz dazu gibt es drei Druck-Knoten in der Microchannel, wenn weniger als diese Schwelle. Des weiteren Anpassung der Anfangsphase zwischen der Grundfrequenz und die dritte harmonische Ergebnisse in andere Bewegung Preise der drei Tripadvisor Druck Knoten sowie des Anteils der Mikropartikel an jedem Druck-Knoten in der Microchannel. Es ist eine gute Übereinstimmung zwischen der experimentellen Beobachtung und der numerischen Vorhersagen. Diese neuartige Erregung Methode integrieren leicht und nicht-invasiv in das LOC-System, mit einem breiten Vertretbarkeit und nur ein paar Änderungen an der Versuchsaufbau.
Introduction
LOC-Technologie integriert eine oder mehrere Funktionen auf einem Mikrochip für Biologie, Chemie, Biophysik und biomedizinischen Prozesse. LOC ermöglicht ein Labor-Setup im Maßstab kleiner als Sub-Millimeter, schnelle Reaktionsgeschwindigkeiten, eine kurze Reaktionszeit, hohe Prozesskontrolle, einen geringen Verbrauch (weniger Abfall, weniger Reagenzien Kosten und weniger erforderlichen Probenvolumen), einen hohen Durchsatz aufgrund Parallelisierung, eine Low cost in Zukunft Massenproduktion und kostengünstige Einwegartikel, einen hohen Sicherheitsstandard für chemische, radioaktive oder biologische Studien und die Vorteile eines kompakten und tragbaren Gerät1,2. Präzise Zelle Manipulation (d.h., Ansammlung und Trennung) ist entscheidend für eine LOC-basierte Analyse und Diagnose3,4. Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Mikropartikel Manipulation haben jedoch eine Vielzahl von Herausforderungen. Viele Techniken, wie z. B. Elektro-Osmose5, Dielektrophorese (DEP)6, Magnetophoresis7, Thermophorese,8,9, eine optische Ansatz10, eine optoelektronische nähern11 , eine hydrodynamische Ansatz12und Acoustophoresis13,14,15, entwickelt worden. Im Vergleich sind akustische Ansätze für eine LOC-Anwendung geeignet, weil theoretisch können viele Arten von Mikropartikeln/Zellen effektiv manipuliert und nicht-invasiv mit einer ausreichend hohen Kontrast (Dichte und Kompressibilität) im Vergleich mit der umgebenden Flüssigkeit. Daher kommen im Vergleich zu ihren Kollegen, akustische Ansätze von Natur aus für die meisten Mikropartikel und biologischen Objekten, unabhängig von ihrer optischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften16.
Akustische Oberflächenwellen (SAWs) aus der IDTs propagieren meist auf der Oberfläche von einem piezoelektrischen Substrat bei der Dicke von mehreren Wellenlängen und dann Leck an der Rayleigh-Winkel in die Flüssigkeit in der Microchannel nach der Snell Gesetz17, 18,19,20,21,22. Sie haben die technischen Vorteile der hohen Energieeffizienz entlang der Oberfläche aufgrund ihrer Lokalisation der Energie, eine tolles Design-Flexibilität bei hoher Frequenz, eine gute Systemintegration mit mikrofluidischen Kanal und Miniaturisierung mit Micro-Elektronik-Mechanical (MEMS) Systemtechnologie und ein hohes Potenzial zur Serienfertigung23. In diesem Protokoll Sägen aus ein paar identische IDTs generiert und in die entgegengesetzte Richtung um eine stehende Welle oder Tripadvisor, in der Microchannel generieren wo abgehängte Mikropartikel an Druck Knoten, vor allem von der angewandten Akustik gedrängt werden vermehrt Strahlung Kraft24. Die Amplitude der so resultierende Kraft richtet sich nach der Erregerfrequenz, Mikropartikel Größe und seine akustischen Kontrast Faktor22,25.
Solche Acoustophoresis hat die Begrenzung der vorgegebenen manipulierende Muster, die nicht leicht verstellbar sind. Die Anregungsfrequenz des der IDTs richtet sich nach ihrer regelmäßigen Entfernung, so ist die Bandbreite sehr begrenzt. Verschiedene Strategien wurden entwickelt, um die Einstellbarkeit und Manipulation Funktionalität zu erweitern. Die erste und zweite Modi akustische stehender Wellen in verschiedenen Teilen der Microchannel angewendet könnte Mikropartikel effektiver nach verschiedenen Bewegung Geschwindigkeit in Richtung der Schwingungsknoten-Linien26trennen. Diese beiden Modi konnten auch auf der ganze Teil der Microchannel angewendet werden und wechselte alternativ27,28,29. Ist jedoch dafür, eine große Anzahl von Geräten (d.h., drei Funktion Generatoren, zwei Impedanzanpassung Einheiten und ein elektromagnetisches Relais) erforderlich, mit der steigenden Kosten und Kontrolle Komplexität der Versuchsaufbau aufgrund der verschiedenen elektrische Impedanzen an der Grundfrequenz und dritte harmonische der piezokeramischen Platte30. Darüber hinaus konnte schräg-Finger interdigital Transducer (SFITs) angewendet werden, um die Zellen und die Strukturierung durch eine Periode der schräge Finger für eine bestimmte Resonanz20,31spannende Mikropartikel anzupassen. Allerdings ist dann die Bandbreite umgekehrt proportional zu der Anzahl der schräge Finger. Mehrere Knoten Druckleitungen haben eine höhere Trennleistung und Sensibilität gegenüber der einzelnen Knotenpunkte Linie im konventionellen Tripadvisor-basierte Mikropartikel Separator. Alternativ könnte die Lage der Druck Knoten auch einfach durch Anpassung der Phasendifferenz angewendet, die zwei IDTs Design32,33geändert werden.
Die Grundfrequenz und die dritte harmonische IDTs haben ähnliche Frequenzgänge so dass sie gleichzeitig angeregt werden können die mehr Einstellbarkeit der Mikropartikel Manipulation34vorsieht. Im Vergleich zu den konventionellen IDT Erregung bei einer einzigen Frequenz, Anpassung der akustischen Druck die Zweifrequenz-Erregung und die Phase zwischen ihnen bietet technische Einzigartigkeit, z. B. bis zu ~ 2-fach Fahrzeit auf der Mondknotenachse Druck reduziert Linie oder die Mitte des der Microchannel, die vielfältige Anzahl und Lage der Knotenpunkte Druckleitungen und Mikropartikel-Konzentrationen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Mikropartikel-Bewegung in der Microchannel durch ein Tripadvisor auf die Zweifrequenz-Anregung wurde ausgiebig untersucht in dieser Studie, und eine Technik effektiv einstellbaren Strukturierung durch Variation der Zweifrequenz-Erregung Signale wurde entwickelt und getestet. Die Herstellung solch einer Wellenform ist leicht von den meisten Funktion Generatoren realisiert, und die Einstellung ist sehr bequem. Die S12– und S11-Frequenzgänge von vorgefertigten IDTs illustrieren mehrere resonanzmod…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Academic Research Fund (AcRF) Stufe 1 (RG171/15), Ministerium für Bildung, Singapur gesponsert.
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 |
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