Тонкодисперсный манипуляции, стоя поверхностных акустических волн с двухчастотным возбуждений
Summary
Протокол для манипулирования микрочастиц в microfluidic канал с двухчастотным возбуждения представлен.
Abstract
Мы демонстрируем метод для увеличения настройки возможности постоянного поверхностной акустической волны (SSAW) для микрочастиц манипуляции в лаборатории на чипе (LOC) системе. Одновременного возбуждения фундаментальная частота и ее третьей гармоники, который называется двойной частоты возбуждения, пару межпальцевых преобразователей (ИДТС) может генерировать новый тип постоянного акустических волн в канале microfluidic. Различной мощности и этапа в двойной частоты возбуждения сигналы результаты в поле реконфигурируемых акустического излучения, усилие на микрочастицы через микроканальные (например, количество и расположение узлов давления и тонкодисперсный концентрации в соответствующих узлах давления). Эта статья демонстрирует, что время движения микрочастица давления только один узел может быть уменьшена ~ 2 раза на коэффициент мощности фундаментальная частота больше ~ 90%. В отличие от этого, есть три узлы давления в микроканальные, если меньше, чем этот порог. Кроме того корректировки на начальном этапе между фундаментальная частота и третьей гармоник результаты в различных движения цены трех узлов SSAW давления, а также процент микрочастиц в каждом узле давления микроканальные. Существует хорошее соглашение между экспериментальные наблюдения и численных прогнозов. Этот роман возбуждения метод можно легко и неинвазивным интегрироваться в систему LOC, с широким стабильность и только несколько изменений в экспериментальной установки.
Introduction
LOC-технология интегрирует одной или нескольких функций на микрочип для биологии, химии, биофизики и биомедицины процессов. LOC позволяет Установка лаборатории в масштабе меньше суб миллиметров, быстрая реакция ставки, короткий ответ время, высокая процесса управления, низкий объем потребления (стоимость меньше отходов, меньше реагентов и менее необходимый объем выборки), высокой пропускной способности из-за распараллеливание, низкая стоимость в будущем массового производства и экономичных расходных материалов, высокая безопасность химических, радиоактивных или биологических исследований и преимущества компактный и портативный прибор1,2. Точные Сотовый манипуляции (то есть, накопление и разделение) имеет решающее значение в LOC-на основе анализа и диагностики3,4. Однако точность и воспроизводимость микрочастица манипуляции имеют целый ряд проблем. Многие методы, такие как электроосмос5, диэлектрофореза (DEP)6, магнитофореза7,8,thermophoresis9, оптический подход10, оптоэлектронных подход11 , гидродинамические подход12и13,acoustophoresis14,15, были разработаны. В сравнении акустическая подходы являются подходящими для LOC приложения, потому что, теоретически, многие виды микрочастиц/клетки могут быть эффективно манипулировать и неинвазивно с достаточно высокой контрастности (плотность и сжимаемость) по сравнению с окружающей жидкости. Таким образом по сравнению с их коллегами, акустическая подходы по существу право для большинства микрочастиц и биологических объектов, независимо от их оптические, электрические и магнитные свойства16.
Поверхностных акустических волн (пилы) от ИДТС распространяются главным образом на поверхности пьезоэлектрической подложки при толщине нескольких длинах волн, а затем утечка углом Рэлея в жидкость в microchannel, согласно, Снелл закон17 18,–19,–20,–21,–22. Они имеют технические преимущества высокой энергоэффективности вдоль поверхности из-за их локализации энергии, великолепный дизайн гибкость на высоких частотах, хорошая система интеграции с microfluidic канала и с помощью миниатюризации микро электронно механическое системы (MEMS) технологии и высокий потенциал массового производства23. В этом протоколе пилы генерируются из пары одинаковых ИДТС и распространяются в противоположном направлении для создания стоячей волны, или SSAW, в microchannel, где приостановлено микрочастицы помещаются узлы давления, главным образом по прикладной акустики Сила излучения24. Амплитуда таких результирующая сила определяется частота возбуждения, тонкодисперсный размер и его акустического контраст фактор22,25.
Такие acoustophoresis имеет ограничение заранее манипулирования модели, которые не легко регулируемая. Частота возбуждения ИДТС определяется их периодических расстояния, поэтому пропускная способность является весьма ограниченным. Были разработаны несколько стратегий для расширения возможностей перестройки и манипуляции. Первый и второй способы акустические стоячие волны, применяемых в различных частях микроканальные может отделить микрочастицы более эффективно согласно скорости разные движения к узловым линии26. Эти два режима может также применяться для всей частью микроканальные и перешли в качестве альтернативы27,,2829. Однако для этого, большое количество оборудования (то есть, три генераторы, две единицы импеданс соответствия и электромагнитных реле) требуется, с возросшей сложности затрат и контролем экспериментальной установки ввиду различных электрических импедансов на основной частоте и третьей гармоники пьезокерамические пластины30. Кроме того искривление пальцев межпальцевых преобразователи (SFITs) могут применяться для настройки ячеек и микрочастицы, кучность, захватывающий период наклонные пальцев для определенных31резонанс20,. Однако затем, пропускная способность обратно пропорциональна количество наклонные пальцев. Несколько давления узловой линии имеют высокую эффективность разделения и чувствительностью по сравнению с линии одной узловой в обычных на основе SSAW микрочастица разделитель. Кроме того расположение узлов давления может быть изменен просто регулируя разность фаз, применяется к двум ИДТС в дизайн32,33.
Фундаментальная частота и третьей гармоники ИДТС имеют аналогичных частотных, так что они могут быть возбуждены одновременно, которые обеспечивает более перестройки для манипуляции микрочастицы34. По сравнению с обычными IDT возбуждения на одной частоте, регулируя акустического давления двухчастотным возбуждения и этапа между ними предоставляет технической уникальности, например up to ~ 2 раза сокращено время движения давление узловой линия или центр microchannel, разнообразное количество и расположение узловых линии давления и концентрации микрочастица.
Protocol
Representative Results
Discussion
Тонкодисперсный движения в microchannel, SSAW на двойной частоты возбуждения широко исследована в этом исследовании, и метод эффективно перестраиваемый патронирования варьируя двухчастотным возбуждения сигналов был разработан и испытан. Производство такого сигнала легко реализуется больш?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансировалась фонда научных исследований (AcRF) уровня 1 (RG171/15), министерства образования, Сингапур.
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 |
References
- 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).
