Manipulação de micropartículas de ondas acústicas de superfície com dupla frequência excitações de pé
Summary
É apresentado um protocolo para manipular as micropartículas em um canal de microfluidic com uma excitação de dupla frequência.
Abstract
Vamos demonstrar um método para aumentar a capacidade de sintonia de uma pé onda acústica de superfície (SSAW) para manipulação de micropartículas num sistema lab-on-a-chip (LOC). A excitação simultânea de frequência fundamental e sua terceira harmônica, que é denominada como excitação de dupla frequência, para um par de transdutores interdigitais (IDTs) poderia gerar um novo tipo de ondas acústicas em um canal microfluidic de pé. Variar o poder e a fase da excitação de dupla frequência sinais resulta em um campo reconfigurável da força de radiação acústica aplicada as micropartículas através do microchannel (por exemplo, o número e a localização de nós de pressão e o concentrações de micropartículas em nós de pressão correspondente). Este artigo demonstra que é possível reduzir o tempo de movimento das micropartículas de nó único pressão ~ 2 vezes para a relação de poder da frequência fundamental superior a 90%. Em contraste, existem três nós de pressão na microchannel se menos do que este limiar. Além disso, ajustar a fase inicial entre a frequência fundamental e terceiros harmônicos resultados em taxas diferentes do movimento dos três nós SSAW pressão, bem como no percentual de micropartículas em cada nó de pressão na microchannel. Existe um bom acordo entre a observação experimental e as previsões numéricas. Este método de excitação romance pode facilmente e de forma não-invasiva integrar o sistema LOC, com uma ampla tenability e apenas algumas alterações para a montagem experimental.
Introduction
Tecnologia LOC integra uma ou várias funções em um microchip para biologia, química, biofísica e processos biomédicos. LOC permite uma configuração de laboratório em uma escala menor do que o sub milímetros, taxas de reação rápida, um tempo de resposta curto, um controle de processo de alta, um consumo de baixo volume (menos reagentes desperdício, menor custo e menos volume de amostra necessário), uma alta taxa de transferência devido à paralelização, um baixo custo no futuro da produção em massa e cost-effective descartáveis, uma segurança elevada para estudos químicos, radioativos ou biológicos e as vantagens de um dispositivo compacto e portátil,1,2. Manipulação de célula precisa (ou seja, acumulação e separação) é fundamental num LOC-com base em análise e diagnóstico3,4. No entanto, a precisão e a reprodutibilidade da manipulação de micropartículas têm uma variedade de desafios. Muitas técnicas, tais como electro-osmose5, Dieletroforese (DEP)6, magnetophoresis7, thermophoresis8,9, uma abordagem óptico10, um optoelectronic abordagem11 , uma abordagem hidrodinâmico12e acoustophoresis13,14,15, foram desenvolvidos. Em comparação, abordagens acústicas são apropriadas para um aplicativo LOC porque, teoricamente, muitos tipos de micropartículas/células podem ser manipulados de forma eficaz e canaliza com um suficientemente alto contraste (densidade e compressibilidade) comparados com o fluido circundante. Portanto, comparado a suas contrapartes, abordagens acústicas são inerentemente elegíveis para a maioria das micropartículas e objetos biológicos, não importa suas propriedades ópticas, elétricas e magnéticas de16.
Ondas acústicas superficiais (serras) dos IDTs propagam principalmente na superfície de um substrato piezoelétrico na espessura de vários comprimentos de onda e, em seguida, vazamento no ângulo Rayleigh no fluido no microchannel, de acordo com a lei de Snell, o17, 18,19,20,21,22. Eles têm as vantagens técnicas de uma alta eficiência de energia ao longo da superfície devido a sua localização de energia, uma flexibilidade excelente design em alta frequência, um bom sistema de integração com o canal microfluídicos e miniaturização usando tecnologia de sistema de microeletrônica-mecânica (MEMS) e um elevado potencial de produção em massa23. Neste protocolo, serras são geradas a partir de um par de idênticos IDTs e propagadas na direção oposta para gerar uma onda estacionária, ou SSAW, em microchannel, onde as micropartículas suspensas são empurradas para nós de pressão, principalmente pela acústica aplicada força de radiação24. A amplitude de tal força resultante é determinada pelo seu fator de contraste acústico22,25, microparticulado tamanho e a frequência de excitação.
Tal acoustophoresis tem a limitação de padrões de manipulação predeterminados que não são facilmente ajustáveis. A frequência de excitação dos IDTs é determinada pela sua distância periódica, assim a largura de banda é bastante limitada. Várias estratégias foram desenvolvidas para aumentar a capacidade de manipulação e pré-definido. Os primeiros e segundo modos de ondas acústicas em pé, aplicados em diferentes partes do microchannel poderiam separar micropartículas mais eficazmente, de acordo com velocidades diferentes de movimento em direção a linhas nodal26. Estes dois modos também podem ser aplicados a toda a parte do microchannel e trocou como alternativa de28,de27,29. No entanto, para isso, um grande número de equipamentos (ou seja, três geradores de função, duas unidades de impedâncias e um relé eletromagnético) é necessário, com o aumento de custo e controle complexidade a montagem experimental devido a diferentes impedâncias elétricas na frequência fundamental e terceira harmônica do piezoceramic placa30. Além disso, dedos inclinados transdutores interdigitais (SFITs) poderiam ser aplicadas para ajustar as células e as micropartículas padronização excitando um período dos dedos inclinados para uma certa ressonância de20,31. No entanto, em seguida, a largura de banda é inversamente proporcional ao número de dedos inclinados. Várias linhas de pressão nodal têm uma maior eficiência de separação e sensibilidade em comparação com a única linha nodal no separador convencional baseada em SSAW micropartículas. Alternativamente, a localização de nós de pressão também pode ser alterada simplesmente ajustando a diferença de fase aplicada para os dois IDTs no projeto de32,33.
A frequência fundamental e a terceira harmônica de IDTs tem respostas semelhantes de frequência para que eles podem ser um pouco excitados ao mesmo tempo, que fornece mais pré-definido para a manipulação de micropartículas34. Em comparação com a excitação de IDT convencional em uma única frequência, ajustar as pressões acústicas de fases entre eles e a excitação de dupla frequência fornece exclusividade técnica, tais como o de até ~ 2 dobras reduziu o tempo de movimento à pressão nodal linha ou o centro da microchannel, variado número e localização das linhas nodal pressão e as concentrações de micropartículas.
Protocol
Representative Results
Discussion
O movimento de micropartículas no microchannel por um SSAW com a excitação de dupla frequência foi extensivamente investigado neste estudo, e uma técnica de padronização efetivamente sintonizável variando os sinais de excitação de dupla frequência foi desenvolvida e testada. A produção de uma forma de onda é facilmente realizada pela maioria dos geradores de função, e a abordagem de ajuste é muito conveniente. O S12– e S11-respostas de frequência dos IDTs fabricados ilustram vário…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi patrocinado pela camada de fundo de pesquisa acadêmica (AcRF) 1 (RG171/15), Ministério da educação, Singapura.
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 |
Referências
- 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).
