ייצור, תפעול ויזואליזציה זרימה במיקרופלואידיקה אקוסטית-נגדית Surface--מונע גל אקוסטי
Summary
בסרטון זה אנו מתארים ראשון ייצור ותפעול הליכים של גל אקוסטי פני השטח (SAW) מכשיר נגדי אקוסטי. לאחר מכן, אנו מדגימים התקנה ניסיונית שמאפשרת לשניהם להדמיה איכותית זרימה וניתוח כמותי של תזרים מורכב בתוך מכשיר השאיבה ראה.
Abstract
גלים אקוסטיים פני שטח (מסורים) ניתן להשתמש כדי לנהוג נוזלים בשבבי microfluidic ניידים באמצעות התופעה הנגדית אקוסטי. בסרטון הזה אנו מציגים פרוטוקול לייצור מכשיר נגדי אקוסטית SAW רב שכבתי. המכשיר הוא מפוברק החל ממצע ליתיום niobate (LN) על גבי שבו שני מתמרים interdigital (IDTs) וטושים מתאימים הם בדוגמת. ערוץ (PDMS) polydimethylsiloxane להטיל על עובש אב SU8 סוף הסוף מלוכדים על המצע בדוגמת. בעקבות הליך הייצור, אנו מציגים את הטכניקות המאפשרות אפיון וההפעלה של המכשיר הנגדי אקוסטית על מנת לשאוב נוזלים דרך רשת ערוץ PDMS. אנחנו סוף סוף להציג את ההליך כדי להמחיש את זרימת נוזל בצינורות. הפרוטוקול משמש להצגת נוזל על שבב שאיבה תחת משטרי זרימה שונים כגון זרימה למינרית ודינמיקה מורכבת יותר מאופיינות במערבולות ותחומים הצטברות חלקיקים.
Introduction
אחד האתגרים העומדים בפני המשך קהילת microfluidic הוא הצורך יש מנגנון שאיבה יעיל, כי יכול להיות מוקטנת להשתלבות במערכות מיקרו כולל-ניתוח באמת ניידים (μTAS של). מערכות סטנדרטיות מקרוסקופיים שאיבה פשוט לא מצליח לספק את הניידות הנדרשת לμTAS של, בגלל קנה המידה השלילית של ספיקות הנפח כגודל הערוץ יורד למטה לטווח מיקרון ומטה. להיפך, מסורים צברו עניין גובר במנגנוני actuation נוזלים ומופיעים כשדרה מבטיחה פתרון של חלק מהבעיות אלה 1,2.
מסורים הוצגו לספק מנגנון יעיל מאוד של תחבורה אנרגיה לתוך נוזלי 3. כאשר ראו מתפשט על מצע פיזואלקטריים, למשל ליתיום niobate (LN), הגל יהיה הקרין לכל נוזל שנקרו בדרכה בזווית המכונה זווית ריילי θ R = חטא722; 1 (ג ו / ג ים), וזאת בשל חוסר ההתאמה של מהירויות קול במצע, ג ים, וF ג הנוזלים. זליגה זו של קרינה לתוך הנוזל מעורר גל לחץ אשר מניע הזרמה אקוסטיים בנוזל. בהתאם לגיאומטרית המכשיר וכוח מוחל על המכשיר, מנגנון זה הוצג להפעיל מגוון רחב של תהליכים על שבב, כגון נוזל ערבוב, מיון חלקיקים, atomization, ו1,4 שאיבה. למרות הפשטות והיעילות של actuating microfluids עם מסור, יש רק מספר קטן של ראה מונע מנגנוני שאיבת microfluidic שהוכחו עד כה. ההפגנה הראשונה הייתה תרגום פשוט של טיפות חופשיות להציב את נתיב ההתפשטות ראה במצע 3 פיזואלקטריים. שיטה חדשנית זו יצרה עניין רב בשימוש במסורי כשיטה actuation microfluidic, עם זאת יש עדיין צורך בנוזלים כדילהיות מונע בערוצים-סגורים משימה קשה יותר. טאן ואח'. הפגין שאיבה בתוך microchannel שליזר ablated ישירות לתוך מצע פיזואלקטריים. על ידי שינוי גיאומטרי ביחס לממדי IDT הערוץ ו, הם הצליחו להדגים תזרים הן אחיד וערבוב 5. זכוכית et al. לאחרונה הפגין שיטה של העברת נוזלים דרך microchannels ורכיבי microfluidic על ידי שילוב של SAW סיבובים תצורת עם מיקרופלואידיקה צנטריפוגלי, כהפגנה של מזעור האמיתי של מושג Lab-on-a-CD 6,7 הפופולרי. עם זאת, רק סגור לחלוטין SAW מונע שאיבת מנגנון שכבר הוכיח נשארה להיות Cecchini et al. של זרימה נגדית אקוסטית מסור מונחה 8-המוקד בסרטון זה. הוא מנצל atomization וההתמזגות של נוזלים כדי לשאוב אותו דרך ערוץ סגור בכיוון המנוגד לכיוון ההתפשטות שלגל coustic. מערכת זו יכולה להצמיח תזרים מורכב מפתיע בתוך microchannel. יתר על כן, בהתאם לגיאומטרית המכשיר, זה יכול לספק מגוון רחב של תוכניות זרימה, מתזרים למינרית למשטרים מורכבים יותר המתאפיינים במערבולות ותחומים חלקיק הצטברות. היכולת להשפיע על מאפייני הזרימה בתוך המכשיר בקלות ניתן לראות הזדמנויות למניפולציה של חלקיקים על שבב מתקדם.
בפרוטוקול זה ברצוננו להבהיר את ההיבטים העיקריים של מיקרופלואידיקה מבוססת SAW מעשי: ייצור מכשיר, הפעלה ניסיונית, והדמית זרימה. למרות שאנו מתארים במפורש נהלים אלה לייצור והתפעול של מכשירים נגדית אקוסטיים מונעים ראה, יכולים בקלות להיות שונה סעיפים אלה ליישום שלהם למגוון של משטרי microfluidic מסור מונחה.
Protocol
Representative Results
Discussion
אחד האתגרים הגדולים ביותר העומדים בפני קהילת microfluidic הוא המימוש של פלטפורמת actuation עבור התקני נקודה של טיפול באמת ניידים. בקרב המשולב micropumps המוצע 23, אלה המבוססים על גלים אקוסטיים על פני השטח (מסורים) הם אטרקטיביים במיוחד בשל היכולות הקשורים בם בערבוב, atomization וריכו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
יש כותבים שאף אחד לא להכיר.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Double side polished 128° YX lithium niobate wafer | Crystal Technology, LLC | ||
| Silicon wafer | Siegert Wafers | We use <100> | |
| IDT Optical lithography mask with alignment marks (positive) | Any vendor | ||
| Channel Optical lithography mask (negative) | Any vendor | ||
| Positive photoresist | Shipley | S1818 | |
| Positive photoresist developer | Microposit | MF319 | |
| Negative tone photoresist | Allresist | AR-N-4340 | |
| Negative tone photoresist developer | Allresist | AR 300-475 | |
| SU8 thick negative tone photoresist | Microchem | SU-8 2000 Series | |
| SU8 thick negative tone photoresist developer | Microchem | SU-8 developer | |
| Hexadecane | Sigma-Aldrich | H6703 | |
| Carbon tetrachloride (CCl4) | Sigma-Aldrich | 107344 | |
| Octadecyltrichlorosilane (OTS) | Sigma-Aldrich | 104817 | |
| Acetone CMOS grade | Sigma-Aldrich | 40289 | |
| 2-propanol CMOS grade | Sigma-Aldrich | 40301 | |
| Titanium | Any vendor | 99.9% purity | |
| Gold | Any vendor | 99.9% purity | |
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 silicone elastomer kit with curing agent | |
| Petri dish | Any vendor | ||
| 5 mm ID Harris Uni-Core multi-purpose coring tool | Sigma-Aldrich | Z708895 | Any diameter greater than 2 mm is suitable |
| Acoustic absorber | Photonic Cleaning Technologies | First Contact regular kit | |
| RF-PCB | Any vendor | ||
| Spinner | Laurell technologies corporation | WS-400-6NPP | Any spinner can be used |
| UV Mask aligner | Karl Suss | MJB 4 | Any aligner can be used |
| Thermal evaporator | Kurt J. Lesker | Nano 38 | Any thermal, e-beam evaporator or sputtering system can be used |
| Oxygen plasma asher | Gambetti Kenologia Srl | Colibrì | Any plasma asher or RIE machine can be used |
| Centrifuge | Eppendorf | 5810 R | Any centrifuge can be used |
| Wire bonder | Kulicke & Soffa | 4523AD | Any wire bonder can be used if the PCB is used without pogo connectors |
| Contact Angle Meter | KSV | CAM 101 | Any contact angle meter can be used |
| Spectrum analyzer | Anristu | 56100A | Any spectrum or network analyzer can be used |
| RF signal generator | Anristu | MG3694A | Any RF signal generator can be used |
| RF high power amplifier | Mini Circuits | ZHL-5W-1 | Any RF high power amplifier can be used |
| Microbeads suspension | Sigma-Aldrich | L3280 | Depending on the experimental purpose different suspension of different diameter and different material properties can be used |
| Optical microscope | Nikon | Ti-Eclipse | Any optical microscope with spatial resolution satisfying experimental purposes can be used |
| Video camera | Basler | A602-f | Any video camera that has enough frame rate and sensitivity satisfying experimental purposes can be used |
| Camera acquisition software | Advanced technologies | Motion Box | Any software enabling high and controlled frame rate acquisition can be used |
References
- Masini, L., Cecchini, M., Girardo, S., Cingolani, R., Pisignano, D., Beltram, F. Surface-acoustic-wave counterflow micropumps for on-chip liquid motion control in two-dimensional microchannel arrays. Lab on a Chip. 10 (15), 1997-2000 (2010).
- Travagliati, M., De Simoni, G., Lazzarini, C. M., Piazza, V., Beltram, F., Cecchini, M. Interaction-free, automatic, on-chip fluid routing by surface acoustic waves. Lab on a Chip. 12 (15), 2621-2624 (2012).
- Wixforth, A. Acoustically driven planar microfluidics. Superlattices and Microstructures. 33 (5), 389-396 (2003).
- Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647-64 (2011).
- Tan, M. K., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Rapid fluid flow and mixing induced in microchannels using surface acoustic waves. Europhysics Letters. 87, 47003 (2009).
- Glass, N., Shilton, R., Chan, P., Friend, J., Yeo, L. Miniaturised Lab-on-a-Disc (miniLOAD). SMALL, Small. 8 (12), 1880-1880 (2012).
- Madou, M. J., Kellogg, G. J. LabCD: a centrifuge-based microfluidic platform for diagnostics. Proceedings of SPIE. 3259, 80 (1998).
- Cecchini, M., Girardo, S., Pisignano, D., Cingolani, R., Beltram, F. Acoustic-counterflow microfluidics by surface acoustic waves. Applied Physics Letters. 92 (10), 104103 (2008).
- Campbell, C. . Surface acoustic wave devices for mobile and wireless communications. 1, (1998).
- Hashimoto, K. Y. . Surface acoustic wave devices in telecommunications: modelling and simulation. , (2000).
- Royer, D., Dieulesaint, E. Elastic Waves in Solids II. Generation, Acousto-Optic Interaction, Applications. 2, (2000).
- Renaudin, A., Sozanski, J. P., Verbeke, B., Zhang, V., Tabourier, P., Druon, C. Monitoring SAW-actuated microdroplets in view of biological applications. Sensors and Actuators B: Chemical. 138 (1), 374-382 (2009).
- Glass, N. R., Tjeung, R., Chan, P., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Organosilane deposition for microfluidic applications. Biomicrofluidics. 5 (3), 036501 (2011).
- Wereley, S. T., Meinhart, C. D. Recent advances in micro-particle image velocimetry. Annual Review of Fluid Mechanics. 42, 557-576 (2010).
- Augustsson, P., Barnkob, R., Wereley, S. T., Bruus, H., Laurell, T. Automated and temperature-controlled micro-PIV measurements enabling long-term-stable microchannel acoustophoresis characterization. Lab on a Chip. 11 (24), 4152-4164 (2011).
- Hebert, B., Costantino, S., Wiseman, P. W. Spatiotemporal image correlation spectroscopy (STICS) theory, verification, and application to protein velocity mapping in living CHO cells. Biophysical Journal. 88 (5), 3601 (2005).
- Rossow, M., Mantulin, W. W., Gratton, E. Spatiotemporal image correlation spectroscopy measurements of flow demonstrated in microfluidic channels. Journal of Biomedical Optics. 14 (2), 024014 (2009).
- Schindelin, J., Arganda-Carreras, I., Frise, E., Kaynig, V., Longair, M., Pietzsch, T., Preibisch, S., Rueden, C., Saalfeld, S., Schmid, B., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Rogers, P. R., Friend, J. R., Yeo, L. Y. Exploitation of surface acoustic waves to drive size-dependent microparticle concentration within a droplet. Lab on a Chip. 10 (21), 2979-2985 (2010).
- Muller, P. B., Barnkob, R., Jensen, M. J. H., Bruus, H. A numerical study of microparticle acoustophoresis driven by acoustic radiation forces and streaming-induced drag forces. Lab on a Chip. 12 (22), 4617-4627 (2012).
- Luo, J. K., Fu, Y. Q., Li, Y., Du, X. Y., Flewitt, A. J., Walton, A. J., Milne, W. I. Moving-part-free microfluidic systems for lab-on-a-chip. Journal of Micromechanics and Microengineering. 19 (5), 054001-05 (2009).
- Lindken, R., Rossi, M., Große, S., Westerweel, J. Micro-particle image velocimetry (μPIV): recent developments, applications, and guidelines. Lab on a Chip. 9 (17), 2551-2567 (2009).
- Gedge, M., Hill, M. Acoustofluidics 17: Theory and applications of surface acoustic wave devices for particle manipulation. Lab on a Chip. 12 (17), 2998-3007 (2012).
