Fabbricazione, il funzionamento e la visualizzazione del flusso in superficiali acustiche onda-driven Microfluidics Acoustic-controcorrente
Summary
In questo video vengono descritti i processi di fabbricazione e di funzionamento delle onde acustiche di superficie (SAW), dispositivo controcorrente acustico. Abbiamo quindi dimostrare un apparato sperimentale che consente sia la visualizzazione del flusso analisi qualitativa e quantitativa dei flussi complessi all'interno del dispositivo di pompaggio SAW.
Abstract
Onde acustiche di superficie (SAW) possono essere usati per guidare liquidi in chip microfluidici portatili tramite il fenomeno acustico controflusso. In questo video vi presentiamo il protocollo di fabbricazione di un dispositivo controcorrente acustica SAW multistrato. Il dispositivo è fabbricato a partire da un niobato (LN) substrato di litio su cui due trasduttori interdigitali (IDT) e marcatori appropriati sono modellati. A (PDMS) canale polydimethylsiloxane gettato su uno stampo maestro SU8 è finalmente incollato sul substrato fantasia. Seguendo la procedura di fabbricazione, mostriamo le tecniche che permettono la caratterizzazione e funzionamento del dispositivo controflusso acustico per pompare liquidi attraverso la griglia canale PDMS. Abbiamo finalmente presentiamo la procedura per visualizzare il flusso di liquido nei canali. Il protocollo viene utilizzato per mostrare fluido on-chip di pompaggio sotto diversi regimi di flusso, quali il flusso laminare e le dinamiche più complesse caratterizzate da vortici e domini di accumulo di particelle.
Introduction
Una delle continue sfide che la comunità microfluidica è la necessità di disporre di un meccanismo di pompaggio efficiente che può essere miniaturizzato per l'integrazione in sistemi micro-totale-analisi veramente portatili (μTAS di). Sistemi di pompaggio macroscopici normali semplicemente non riescono a fornire la portabilità richiesto per μTAS di, a causa della scalatura sfavorevole delle portate volumetriche come dimensione canale diminuisce fino alla gamma micron o inferiore. Al contrario, seghe hanno guadagnato crescente interesse come meccanismi attuatori fluide e appaiono come una strada promettente per la soluzione di alcuni di questi problemi 1,2.
SAW hanno mostrato di fornire un meccanismo molto efficiente di trasporto di energia in fluidi 3. Quando una sega si propaga su un substrato piezoelettrico, ad esempio niobato di litio (LN), l'onda saranno irradiate in tutto il liquido nel suo percorso con un angolo noto come l'angolo di Rayleigh θ R = sin722, 1 (c f / c s), a causa della mancata corrispondenza delle velocità del suono nel substrato, c s, e il fluido c f. Questa perdita di radiazioni nel fluido genera un'onda di pressione che spinge lo streaming acustiche nel fluido. A seconda della geometria del dispositivo e della potenza applicata al dispositivo, questo meccanismo è stato indicato per azionare una grande varietà di processi on-chip, quali fluidi miscelazione, cernita particella, atomizzazione, e 1,4 pompaggio. Nonostante la semplicità e l'efficacia di azionamento microfluids con SAW, ci sono solo un piccolo numero di SAW guidato meccanismi di pompaggio microfluidici che sono stati dimostrati per data. La prima dimostrazione è stata la semplice traduzione di goccioline libere poste nel percorso di propagazione SAW su un substrato 3 piezoelettrico. Questo nuovo metodo ha generato molto interesse ad utilizzare SAW come metodo di attuazione microfluidica, tuttavia c'era ancora bisogno di liquidi peressere guidato attraverso canali-una allegate compito più difficile. Tan et al. Ha dimostrato di pompaggio all'interno di un microcanali che è stato asportato laser direttamente nel substrato piezoelettrico. Per modificazione geometrica rispetto al canale e dimensioni IDT, erano in grado di dimostrare flussi sia uniforme e miscelazione 5. Glass et al. Ha recentemente dimostrato un metodo di fluidi in movimento attraverso microcanali e componenti microfluidici combinando SAW rotazioni azionati con microfluidica centrifughe, come una dimostrazione di vera miniaturizzazione del famoso Concept Lab-on-a-CD 6,7. Tuttavia, l'unico completamente chiusa SAW guidato meccanismo che è stato dimostrato di pompaggio rimane da Cecchini et al. S 'SAW-driven controcorrente acustica 8-il focus di questo video. Sfrutta l'atomizzazione e la coalescenza di un fluido da pompare attraverso un canale chiuso nella direzione opposta alla direzione di propagazione del unaonda Coustic. Questo sistema può dare origine a flussi sorprendentemente complesse all'interno di un microcanale. Inoltre, a seconda della geometria del dispositivo, può fornire una serie di schemi di flusso, da flussi laminari a regimi più complessi caratterizzati da vortici e domini particella-accumulo. La capacità di influenzare facilmente le caratteristiche di flusso all'interno del dispositivo mostra le opportunità di manipolazione avanzata delle particelle on-chip.
In questo protocollo vogliamo chiarire gli aspetti principali della pratica microfluidica SAW a base di: fabbricazione del dispositivo, operazione sperimentale, e la visualizzazione del flusso. Mentre stiamo descrivendo esplicitamente queste procedure per la realizzazione e il funzionamento del-driven dispositivi SAW controcorrente acustici, queste sezioni possono essere facilmente modificati per la loro applicazione ad una serie di regimi di microfluidica SAW-driven.
Protocol
Representative Results
Discussion
Una delle più grandi sfide per la comunità microfluidica è la realizzazione di una piattaforma di comando per i dispositivi point-of-care realmente portatile. Tra il micropumps integrato proposto 23, quelli basati su onde acustiche di superficie (SAW) sono particolarmente interessanti grazie alla loro capacità associate a concentrazione del liquido di miscelazione, atomizzazione e la particella e la separazione 4. In questo lavoro abbiamo dimostrato come fabbricare e utilizzare un dispositivo d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori non hanno nessuno a riconoscere.
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).
