Microparticle manipulatie door permanent oppervlakte akoestische golven met Dual-frequentie excitaties

Summary

Een protocol voor het manipuleren van de deeltjes in een microfluidic-kanaal met de excitatie van een dual-frequentie wordt gepresenteerd.

Abstract

We tonen een methode voor het vergroten van de tuning vermogen van een staande akoestische oppervlaktegolf (SSAW) voor microdeeltjes manipulatie in een lab-on-a-chip (LOC) systeem. De gelijktijdige excitatie van de fundamentele frequentie en de derde harmonische, die wordt genoemd als dual-frequentie excitatie, aan een paar interdigital omvormers (IDTs) kan het genereren van een nieuw soort permanent akoestische golven in een microfluidic-kanaal. Resultaten in een herconfigureerbare veld van de akoestische straling kracht uitgeoefend op de microdeeltjes in de microchannel variërend van de macht en de fase in de dual-frequentie excitatie signalen (bijvoorbeeldhet aantal en de locatie van de knooppunten van de druk en de microparticle concentraties op de bijbehorende druk knooppunten). Dit artikel toont aan dat de tijd van de beweging van de microparticle naar slechts één druk knooppunt kan worden verminderd ~ 2-fold op de vermogen verhouding van de fundamentele frequentie groter dan ~ 90%. Daarentegen zijn er drie knooppunten van de druk in de microchannel als minder dan deze drempel. Bovendien, het aanpassen van de eerste fase tussen de fundamentele frequentie en de derde harmonische resultaten in verschillende beweging tarieven van de drie SSAW druk knooppunten, alsook het percentage van microdeeltjes op elk knooppunt van de druk in de microchannel. Is er een grote overeenstemming tussen de experimentele observatie en de numerieke voorspellingen. Deze roman excitatie-methode kan gemakkelijk en niet-gebeurt integreren in het LOC-systeem, met een brede houdbaarheid en slechts een paar wijzigingen in de experimentele opstelling.

Introduction

LOC technologie integreert één of meerdere functies op een microchip voor biologie, chemie, biofysica en biomedische processen. LOC kunt een laboratorium-opstelling op een schaal kleiner dan sub millimeter snel reactiesnelheden, een korte reactietijd, een hoge procescontrole, een laag volume verbruik (minder reagentia van afval, lagere kosten en minder vereist monstervolume), een hoge doorvoersnelheid due paralellisatie, een lage kosten in de toekomst massaproductie en kosteneffectieve disposables, een hoge veiligheid voor chemische, radioactieve en biologische studies en de voordelen van een compact en draagbaar apparaat^1,2. Precieze cel manipulatie (d.w.z., accumulatie en scheiding) is essentieel in een LOC gebaseerde analyse en diagnose^3,4. De nauwkeurigheid en de reproduceerbaarheid van microparticle manipulatie hebben echter een aantal uitdagingen. Vele technieken, zoals electro-osmose⁵, diëlektroforese (DEP)⁶, magnetophoresis⁷, thermophoresis^8,9, een optische aanpak¹⁰, een opto-elektronische aanpak¹¹ , een hydrodynamische aanpak¹²en acoustophoresis^13,14,15, zijn ontwikkeld. Ter vergelijking: akoestische benaderingen zijn geschikt is voor de toepassing van een LOC omdat, theoretisch, vele soorten microdeeltjes/cellen kunnen worden gemanipuleerd effectief en noninvasively met een voldoende hoog contrast (de dichtheid en de compressibiliteit) in vergelijking met de omliggende vloeistof. Daarom, ten opzichte van hun tegenhangers, akoestische benaderingen zijn inherent in aanmerking komen voor de meeste microdeeltjes en biologische objecten, ongeacht hun optische, elektrische en magnetische eigenschappen¹⁶.

Oppervlakte akoestische golven (zagen) van de IDTs propageren meestal op het oppervlak van een piëzo-elektrische substraat op de dikte van de verschillende golflengten en dan lek bij de Rayleigh hoek in de vloeistof in de microchannel, volgens de Snell de wet^{17, 18,19,20,21,22}. Ze hebben de technische voordelen van een hoge energie-efficiëntie langs het oppervlak als gevolg van hun lokalisatie van de energie, een grote ontwerpflexibiliteit op hoge frequentie, een goed systeemintegratie met het microfluidic-kanaal en het gebruik van miniaturisatie micro-elektronische-mechanische (MEMS) systeemtechnologie, en een hoog potentieel van massaproductie²³. In dit protocol, zijn zagen gegenereerd op basis van een paar identieke IDTs en doorgegeven in de tegenovergestelde richting voor het genereren van een staande golf of SSAW, in de microchannel, waar de zwevende deeltjes worden geduwd te druk knooppunten, meestal door de toegepaste akoestische ²⁴van de kracht van straling. De amplitude van zo’n resulterende kracht wordt bepaald door de frequentie van excitatie, microparticle grootte en zijn akoestische contrast factor^22,25.

Deze acoustophoresis heeft de beperking van vooraf bepaalde manipuleren patronen die niet gemakkelijk verstelbaar. De frequentie van de excitatie van de IDTs wordt bepaald door hun periodieke afstand, dus de bandbreedte vrij beperkt is. Verschillende strategieën hebben ontwikkeld om vergroting van het vermogen van tunability en manipulatie. De eerste en de tweede modus van akoestische staande golven toegepast in verschillende delen van de microchannel kon scheiden microdeeltjes effectiever volgens verschillende motion-snelheden naar de knooppunten lijnen²⁶. Deze twee modi kunnen ook worden toegepast op het hele deel van de microchannel en overgeschakeld als alternatief^27,28,29. Daarvoor is een groot aantal apparatuur (dwz, drie FUNCTIEGENERATOREN twee impedantieaanpassing eenheden en een elektromagnetische relay) echter vereist, met de grotere complexiteit van de kosten en de controle van de experimentele opstelling als gevolg van de verschillende elektrische impedances op de fundamentele frequentie en de derde harmonische van de piezoceramic plaat³⁰. Bovendien, schuin-vinger interdigital omvormers (SFITs) kunnen worden toegepast om de cellen en de microdeeltjes patronen door het spannende van een periode van de schuine vingers voor een bepaalde resonantie^20,31te passen. Echter is, de bandbreedte omgekeerd evenredig aan het aantal schuine vingers. Meerdere druk knooppunten lijnen hebben een hogere scheidend vermogen en de gevoeligheid in vergelijking met de knooppunten enkellijns in het conventionele SSAW gebaseerde microparticle scheidingsteken. Anderzijds kan ook de locatie van de knooppunten druk gewoon door aanpassing van het verschil van de fase toegepast op de twee IDTs in het ontwerp^32,33te worden gewijzigd.

De fundamentele frequentie en de derde harmonische van IDTs hebben soortgelijke frequentie reacties zodat ze kunnen worden opgewonden tegelijk, die meer tunability de microdeeltjes manipulatie^{34 voorziet}. In vergelijking met de conventionele IDT excitatie in een enkele frequentie, aanpassing van de akoestische druk van de dual-frequentie excitatie en de fase tussen hen biedt technische uniciteit, zoals de tot ~ 2-fold gereduceerd beweging tijd tot de knooppunten druk lijn of het midden van de microchannel, het gevarieerd aantal en de locatie van de knooppunten lijnen van de druk en de microparticle concentraties.

Protocol

1. bereiding van het Microfluidic-kanaal Meng poly-dimethylsiloxane (PDMS) met een elastomeer basis in een verhouding van 10:1. Ontgas het mengsel in een vacuüm oven en giet het op een silicium wafer met een negatieve Toon fotoresist patroon op de top. Ontgas van de patroonopvulling silicium wafer opnieuw en verwarm het bij 70 ° C gedurende 3 uur in een incubator voor de stolling. 2. de fabricage van de Interdigital omvormers Storting 20 nm van C…

Representative Results

De verdelingen van de akoestische druk en de kracht van de akoestische straling van een SSAW op de dual-frequentie excitatie (6.2 en 18,6 MHz) worden weergegeven in Figuur 1. Hier, de dual-frequentie excitatie treedt op op polystyreen microdeeltjes (4 µm in diameter) in een microchannel met een breedte van 300 µm op een akoestische kracht van 146 mW. De resulterende akoestische druk is altijd in fase wanneer P1 > 90% dus dat slechts é?…

Discussion

De microparticle beweging in de microchannel door een SSAW op de dual-frequentie excitatie werd uitgebreid onderzocht in deze studie, en een effectief afstembare patronen techniek door het variëren van de dual-frequentie excitatie-signalen is ontwikkeld en getest. De productie van dergelijke een golfvorm is gemakkelijk gerealiseerd door meeste FUNCTIEGENERATOREN, en de aanpak van de aanpassing is erg handig. Zowel de S₁₂– en de S₁₁-frequentie respons van de gefabriceerde IDTs illustreren verscheide…

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