Изготовление, эксплуатация и визуализация потока в поверхностных акустических волнах управляемой акустической противотоком Microfluidics
Summary
В этом видео мы сначала опишем изготовление и оперативных процедур на поверхностных акустических волнах (ПАВ) Устройство акустической противотоком. Затем мы продемонстрировать экспериментальную установку, которая позволяет как для качественной визуализации потока и количественного анализа сложных потоков внутри SAW насосного устройства.
Abstract
На поверхностных акустических волнах (ПАВ) может быть использован для жидкостей в портативном микрожидкостных чипов через акустический феномен противотоком. В этом видео мы представляем протокол для изготовления многослойных акустических устройств противотока видели. Устройство изготовлено начиная с ниобата лития (LN) подложки, на которой два штыревых преобразователей (ВШП) и соответствующие маркеры образцу. Полидиметилсилоксана (PDMS) канал наложено на SU8 мастер формы, наконец, связан на подложке узорные. После изготовления процедуру, показывают методы, которые позволяют характеристика и работа акустического устройства противотока для того, чтобы накачать жидкости через сетку PDMS канала. Мы, наконец, представить процедуру для визуализации течения жидкости в каналах. Протокол используется, чтобы показать, на-чипе нагнетания жидкости при различных режимах расход, например, ламинарного потока и более сложной динамикой характеризуется вихрями и доменов накопления частиц.
Introduction
Одна из задач, стоящих перед продолжением микрожидкостной сообщества является необходимость иметь эффективный механизм накачки, который может быть уменьшен для интеграции в действительно портативным микро-всего-системного анализа (μTAS'S). Стандартный макроскопических насосных систем просто не в состоянии обеспечить необходимый для портативности μTAS, в связи с неблагоприятными масштабирование объемного расхода, как размер канала уменьшается до микрона или ниже. Напротив, пилы пользуются все большей интерес как жидкость исполнительных устройств и появляются как перспективное направление для решения некоторых из этих 1,2 проблемами.
ПАВ было показано, что обеспечивает очень эффективный механизм переноса энергии в жидкости 3. Когда ПАВ распространяется на пьезоэлектрической подложке, например, ниобата лития (LN), волна будет излучаться в жидкость на своем пути под углом известный как Рэлея углом θ = R грех722; 1 (с ж / б ы), в связи с несоответствием скорости звука в субстратом, в с, и жидкость F C. Эта утечка излучения в жидкости вызывает волну давления, которая приводит акустического течения в жидкости. В зависимости от геометрии устройства и мощности, подаваемой на устройство, этот механизм был показан для приведения в самых разнообразных на чипе процессов, таких как перемешивание жидкости, частицы сортировки, распыление, и насосных 1,4. Несмотря на простоту и эффективность исполнительных microfluids под флюсом, есть только небольшое количество ПАВ приводом микрожидкостной перекачивающих механизмов, которые были продемонстрированы на сегодняшний день. Первая демонстрация была простой перевод свободных капель размещены на пути распространения ПАВ на пьезоэлектрической подложке 3. Этот новый метод вызвал большой интерес к использованию в качестве ПАВ микрофлюидном метод приведение в действие, однако, было еще существует потребность в жидкости, чтобымогут работать через закрытые каналы-более трудной задачей. Tan и соавт. Продемонстрировали насосной внутри микроканала, который был лазерной абляции непосредственно в пьезоэлектрической подложки. По геометрические модификации по отношению к каналу и IDT размеры, они смогли продемонстрировать как единый и смешивание потоков 5. Стекло и соавт. Недавно продемонстрировали метод перемещения жидкости через микроканалов и микрожидкостной компонентов путем объединения SAW приводом вращения с центробежными микрофлюидики, как демонстрация истинных миниатюризации популярных Лаборатория на CD-концепции 6,7. Тем не менее, только полностью закрытый SAW приводом насосный механизм, который был продемонстрирован остается Cecchini соавт. ПАВ с управляемой акустической противотоком 8-в центре внимания этого видео. Она эксплуатирует атомизации и слияния жидкости и закачки ее в закрытый канал в направлении, противоположном направлению распространенияОА волны. Эта система может привести к удивительно сложные потоки внутри микроканала. Кроме того, в зависимости от геометрии прибора, он может предоставлять широкий спектр технологические схемы, от ламинарного потоков на более сложные режимы характеризуются вихрей и накопление частиц-доменов. Возможность легко влиять на характеристики потока внутри устройства показывает возможности для продвинутых на кристалле частицы манипуляции.
В этом протоколе мы хотим прояснить основные аспекты практического на ПАВ микрофлюидики: изготовление устройства, опытная эксплуатация и визуализация потока. Пока мы явного описания этих процедур для изготовления и эксплуатации SAW устройствами, управляемыми акустических противотоком, эти участки могут быть легко изменены для их применения к ряду ПАВ управляемой микрожидкостной режимов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Одна из самых больших проблем, стоящих перед сообществом микрожидкостной является реализация платформы для срабатывания действительно портативным точка-санитарной помощи устройств. Среди предлагаемой комплексной микронасосы 23, те, которые основаны на поверхностных акустичес…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы не имеют никого, чтобы иметь в виду.
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).
