Fabrication, Drift och Flow Visualization i yt-akustisk-våg-drivna Acoustic-motströms Mikrofluidik
Summary
I denna video beskriver vi först tillverkning och drift förfaranden ett ytakustiskt (SAW) akustiskt motströms enhet. Vi visar sedan en experimentell inställning som möjliggör både kvalitativt flöde visualisering och kvantitativ analys av komplexa flöden inom SAW pumpanordning.
Abstract
Ytakustiska vågor (SAW) kan användas för att driva vätskor i bärbara microfluidic chips via den akustiska motflöde fenomen. I denna video presenterar vi tillverkning protokollet för en mångbottnad SAW akustisk motströms enhet. Enheten är tillverkad från en litiumniobatsubstrat (LN) substrat på vilket två interdigitala omvandlare (IDT) och lämpliga markörer är mönstrade. En polydimetylsiloxan (PDMS) kanal gjöts på en SU8 huvudsakliga gjutformen slutligen bunden på det mönstrade substratet. Efter tillverkningsproceduren, visar vi de tekniker som gör karakteriseringen och driften av den akustiska motflöde enhet för att pumpa fluider genom PDMS kanalförteckningen. Vi presenterar slutligen förfarandet att visualisera vätskeflöde i kanalerna. Protokollet används för att visa på-chip vätska pumpning under olika flödesregimer såsom laminärt flöde och mer komplicerade dynamik kännetecknas av virvlar och partikel domäner ackumulering.
Introduction
En av de fortsatta utmaningarna mikroflödessystem samhället är behovet av att ha en effektiv pumpning mekanism som kan miniatyriserad för integrering i verkligt portabla mikro-total-analyssystem (μTAS s). Standard makroskopiska pumpsystem misslyckas helt enkelt att tillhandahålla den portabilitet som krävs för μTAS s, på grund av den ogynnsamma Skalningen av volumetriska gasflödet som kanal storlek minskar ner till mikron eller därunder. Tvärtom har SAW fått ökat intresse som flytande manövrering mekanismer och visas som en lovande väg för att lösa några av dessa problem 1,2.
SAW visade sig ge en mycket effektiv mekanism för energitransport i vätskor 3. När en SAW utbreder på ett piezoelektriskt substrat, t ex litiumniobat (LN), kommer vågen att strålas in någon vätska i sin väg i en vinkel som kallas Rayleigh vinkeln θ R = sin722; 1 (c f / c s), på grund av missanpassning av ljud hastigheter i substratet, c s, och fluiden c. f.. Detta läckage av strålning in i vätskan ger upphov till en tryckvåg som driver akustisk strömning i fluiden. Beroende på enhetens geometri och ström matas till enheten, har denna mekanism visat att påverka en mängd olika on-chip processer såsom Fluidumblandningsanordning, partikel sortering, finfördelning och pumpning 1,4. Trots enkelheten och effektiviteten av aktivering microfluids med SAW, det finns bara ett litet antal SAW kört mikrofluidiska pumpning mekanismer som har visat hittills. Den första demonstrationen var den enkla översättningen av fria droppar placerade i SAW utbredningsvägen på en piezoelektrisk substrat 3. Denna nya metod genererat mycket intresse användning av såg som en mikroflödessystem aktivering metod, men det var fortfarande ett behov av vätska tilldrivas genom slutna kanaler-en svårare uppgift. Tan et al. Visade pumpning inom en mikrokanal som laser ablation direkt i piezoelektriska substratet. Genom geometrisk modifiering i förhållande till kanalen och IDT dimensioner, kunde de visa både enhetliga och blanda flödena 5. Glass et al. Nyligen visat en metod för att flytta vätskor genom mikrokanaler och mikroflödessystem komponenter genom att kombinera SAW aktiverade rotationer med centrifugal microfluidics, som en demonstration av sann miniatyrisering av den populära Lab-on-a-CD koncept 6,7. Men det enda helt slutna SAW driven pumpmekanism som har visats återstår att Cecchini et al. 'S SAW-driven akustisk motströms 8-i fokus för den här videon. Det utnyttjar den finfördelning och koalescens av en fluid för att pumpa det genom en sluten kanal i riktningen motsatt utbredningsriktningen av enCoustic våg. Detta system kan ge upphov till förvånansvärt komplexa flöden inom en mikrokanal. Dessutom, beroende på enhetens geometri, kan det ge en rad flödes system, från laminära flöden till mer komplexa system som kännetecknas av virvlar och partikel-ackumulering domäner. Möjligheten att enkelt påverka flödesegenskaperna inom enheten visar möjligheter för avancerade on-chip partikel manipulation.
I detta protokoll vi vill klargöra de viktigaste aspekterna av praktiska SAW-baserade microfluidics: Komponentframställning, experimentell drift och flöde visualisering. Medan vi uttryckligen beskriver dessa förfaranden för tillverkning och drift av SAW-drivna enheter akustiska motström, kan dessa delar lätt modifieras för deras tillämpning på en rad SAW-drivna mikrofluidiska regimer.
Protocol
Representative Results
Discussion
En av de största utmaningarna för den mikroflödessystem samfundet är förverkligandet av en aktivering plattform för verkligt portabla point-of-care-enheter. Bland de föreslagna integrerade mikropumpar 23, de som är baserade på akustiska ytvågor (SAW) är särskilt attraktiva på grund av deras tillhörande funktioner i flytande blandning, finfördelning och partikel koncentration och separation 4. I denna uppsats har vi visat hur man kan tillverka och driva ett lab-on-chip-enhet i vilken …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna har ingen att erkänna.
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).
