Manipulación de micropartículas de pie ondas acústicas superficiales con excitaciones de doble frecuencia
Summary
Se presenta un protocolo para la manipulación de las micropartículas en un canal de microfluidos con una excitación de doble frecuencia.
Abstract
Demostrar un método para aumentar la capacidad de sintonización de una onda acústica superficial de pie (SSAW) para la manipulación de micropartículas en un sistema de laboratorio-en-un-chip (LOC). La excitación simultánea de la frecuencia fundamental y su tercer armónico, que se denomina como frecuencia doble excitación, a un par de transductores interdigitales (objetivos) podría generar un nuevo tipo de ondas acústicas en un canal de microfluidos en pie. Variando la potencia y la fase de la excitación de doble frecuencia señales de resultados en un campo reconfigurable de la fuerza de radiación acústica aplicada a las micropartículas en la MCP (p. ej., el número y la ubicación de los nodos de presión y la concentraciones de micropartículas en los nodos de presión correspondiente). Este artículo demuestra que se puede reducir el tiempo de movimiento de las micropartículas a nodo solamente una presión ~ 2 veces en la relación de potencia de la frecuencia fundamental más de ~ 90%. En cambio, hay tres nodos de presión en la MCP si tienen menos de este umbral. Además, ajuste de la fase inicial entre la frecuencia fundamental y los resultados del tercer armónicos en las tasas de movimiento diferente de los tres nodos de presión SSAW, así como en el porcentaje de micropartículas en cada nodo de presión en la MCP. Hay un buen acuerdo entre la observación experimental y las predicciones numéricas. Este método novedoso de excitación puede integrar fácilmente y no invasiva en el sistema LOC, con una amplia validez y sólo unos pocos cambios en el montaje experimental.
Introduction
Tecnología LOC integra una o varias funciones en un microchip para Biología, química, biofísica y procesos biomédicos. LOC permite un montaje de laboratorio en una escala más pequeñas que los milímetros, velocidades de reacción rápida, un corto tiempo de respuesta, un control de proceso alta, un consumo de bajo volumen (menor costo de reactivos residuales, inferiores y menos volumen de muestra requerido), un alto rendimiento debido a paralelización, un bajo costo en el futuro la producción en masa y rentables desechables, una alta seguridad para los estudios de química, radiactivos o biológicos y las ventajas de un dispositivo compacto y portátil1,2. Manipulación celular precisa (es decir, acumulación y separación) es fundamental en un LOC basado en análisis y diagnóstico3,4. Sin embargo, la exactitud y la reproducibilidad de la manipulación de micropartículas con una variedad de desafíos. Muchas técnicas, como la electro-osmosis5, dielectroforesis (DEP)6, magnetoforesis7, thermophoresis8,9, un enfoque óptico10, un optoelectrónicos enfoque11 , un enfoque hidrodinámico12y acoustophoresis13,14,15, se han desarrollado. En comparación, métodos acústicos son apropiados para una aplicación LOC porque, teóricamente, se pueden manipular eficazmente y no invasor con un contraste lo suficientemente alto (densidad y compresibilidad) en comparación con muchos tipos de células de micropartículas con el líquido circundante. Por lo tanto, en comparación con sus contrapartes, métodos acústicos son inherentemente elegibles para mayoría de micropartículas y objetos biológicos, independientemente de sus propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas16.
Propagan las ondas acústicas superficiales (Sierras) de los objetivos sobre todo en la superficie de un sustrato piezoeléctrico en el grosor de varias longitudes de onda y, a continuación, fuga en el ángulo de Rayleigh en el líquido en la MCP, según de ley de Snell17, 18,19,20,21,22. Tienen las ventajas técnicas de una alta eficiencia energética a lo largo de la superficie debido a su localización de la energía, una flexibilidad de diseño de alta frecuencia, una integración de sistema bien con el canal microfluídico y miniaturización con tecnología de sistemas micro-electrónicos-mecánicos (MEMS) y un alto potencial de producción en masa23. En este protocolo, sierras son generadas a partir de un par de idénticos objetivos y propaga en la dirección opuesta para generar una onda, o tubos, en la MCP, donde las micropartículas suspendidas son empujadas a los nodos de presión, sobre todo por la acústica aplicada radiación de fuerza de24. La amplitud de esa fuerza resultante se determina por la frecuencia de excitación, el tamaño de micropartículas y su factor de contraste acústico22,25.
Tal acoustophoresis tiene la limitación de los patrones de manipulación predeterminadas que no son fácilmente ajustables. La frecuencia de excitación de los objetivos depende de su distancia periódica, por lo que el ancho de banda es muy limitado. Varias estrategias se han desarrollado para mejorar la capacidad de afinabilidad y manipulación. Los modos de primeros y segundo de las ondas estacionarias de acústicas aplicadas en diferentes partes de la MCP podrían separar micropartículas más eficazmente según velocidades de movimiento diferentes hacia las líneas nodales26. Estos dos modos pueden aplicarse también a la parte entera de la MCP y cambiado alternativamente27,28,29. Sin embargo, para esto, un gran número de equipos (es decir, tres generadores de funciones, dos unidades de impedancia y un relé electromagnético) es necesario, con la complejidad creciente de costo y control del montaje experimental debido a las diferentes impedancia eléctrica a la frecuencia fundamental y tercer armónico de la pieza de la placa30. Además, se podrían aplicar dedo inclinado transductores interdigitales (SFITs) para ajustar las celdas y las micropartículas patrones por excitar una etapa de los dedos inclinados para una cierta resonancia20,31. Sin embargo, entonces, el ancho de banda es inversamente proporcional al número de dedos inclinados. Múltiples líneas nodales de presión tienen una sensibilidad en comparación con la línea nodal y una mayor eficiencia de separación en el separador de micropartículas de SSAW-basado convencional. Alternativamente, también podría cambiarse la ubicación de los nodos de presión simplemente ajustando la diferencia de fase aplicada a los dos objetivos en el diseño de32,33.
La frecuencia fundamental y el tercer armónico de objetivos tienen similares respuestas en frecuencia para pueden ser excitadas al mismo tiempo que proporciona más afinabilidad para la manipulación de micropartículas34. En comparación con la excitación de IDT convencional en una sola frecuencia, ajuste de la presión acústica de la doble frecuencia excitación y la fase entre ellos proporciona exclusividad técnica, como hasta ~ 2 redujo el tiempo de movimiento a la presión de nodal línea o el centro de la MCP, el variado número y ubicación de las líneas nodales de la presión y la concentración de micropartículas.
Protocol
Representative Results
Discussion
El movimiento de micropartículas en la MCP por un SSAW en la excitación de la frecuencia doble fue investigado extensivamente en este estudio, y una técnica de modelar efectivamente regulables variando las señales de excitación de frecuencia doble fue desarrollada y probada. La producción de una forma de onda se realiza fácilmente por la mayoría generadores de funciones, y el enfoque de ajuste es muy conveniente. S12– tanto S11-respuestas en frecuencia de objetivos fabricados ilustran varios…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue patrocinado por el fondo de investigación académica (AcRF) nivel 1 (RG171/15), Ministerio de Educación de Singapur.
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).
