Manipolazione di microparticelle levandosi in piedi le onde acustiche superficiali con doppia frequenza eccitazioni
Summary
Un protocollo per manipolare le microparticelle in un canale di microfluidica con una doppia frequenza di eccitazione è presentato.
Abstract
Dimostriamo un metodo per aumentare la capacità aggiuntiva di un’onda acustica di superficie in piedi (SSAW) per la manipolazione delle microparticelle in un sistema di lab-on-a-chip (LOC). L’eccitazione simultanea della frequenza fondamentale e la terza armonica, che è definito come doppia frequenza di eccitazione, a una coppia di trasduttori interdigital (IDTs) potrebbe generare un nuovo tipo di permanente onde acustiche in un canale di microfluidica. Variando la potenza e la fase di eccitazione doppia frequenza segnali risultati in un campo riconfigurabile della forza di radiazione acustica applicata a microparticelle attraverso il microchannel (ad esempio, il numero e la posizione dei nodi pressione e la concentrazioni di microparticelle ai corrispondenti nodi di pressione). Questo articolo viene illustrato che può essere ridotto il tempo di movimento della microparticella nodo sola pressione ~ 2 volte presso il rapporto di potenza della frequenza fondamentale maggiore di ~ 90%. Al contrario, ci sono tre nodi di pressione nel microchannel se inferiore a questa soglia. Inoltre, regolando la fase iniziale tra la frequenza fondamentale e risultati del terzo armonici nei tassi di moto diversi i tre nodi di pressione SSAW, nonché della percentuale di microparticelle in ciascun nodo di pressione nel microchannel. C’è un buon accordo tra l’osservazione sperimentale e le previsioni numeriche. Questo metodo di eccitazione romanzo può in modo non invasivo e facilmente integrare nel sistema LOC, con un ampia sostenibilità e solo poche modifiche alla disposizione sperimentale.
Introduction
LOC la tecnologia integra una o diverse funzioni su un microchip per biologia, chimica, biofisica e processi biomedici. LOC permette un setup del laboratorio su scala più piccola di Sub-millimetri, velocità di reazione veloce, un tempo di risposta breve, un controllo di processo ad alta, un consumo basso volume (meno costo reagenti dei rifiuti, più basso e meno volume di campione richiesto), un throughput elevato dovuto parallelizzazione, a basso costo in futuro la produzione di massa e conveniente monouso, un’elevata sicurezza per gli studi chimici, radioattivi o biologici e i vantaggi di un dispositivo compatto e portatile1,2. Manipolazione cellulare preciso (cioè, accumulo e separazione) è fondamentale in un basato su LOC analisi e diagnosi3,4. Tuttavia, l’accuratezza e la riproducibilità della microparticella manipolazione hanno una varietà di sfide. Molte tecniche, come elettro-osmosi5, dielettroforesi (DEP)6, magnetophoresis7, submicronica8,9, un approccio ottico10, un optoelettronici approccio11 , un approccio idrodinamico12e acoustophoresis13,14,15, sono stati sviluppati. In confronto, approcci acustici sono appropriati per un’applicazione di LOC perché, teoricamente, molti tipi di cellule e di microparticelle possono essere manipolati in modo efficace e non invadente con un sufficientemente elevato contrasto (densità e compressibilità) rispetto con il fluido circostante. Pertanto, rispetto ai loro omologhi, approcci acustici sono intrinsecamente idonei per la maggior parte delle microparticelle e oggetti biologici, non importa di loro proprietà ottiche, elettriche e magnetiche16.
Onde acustiche superficiali (Seghe) dal IDTs propagano per lo più sulla superficie di un substrato piezoelettrico allo spessore di diverse lunghezze d’onda e quindi perdita l’angolazione di Rayleigh nel fluido nel microchannel, secondo legge17, di Snell 18,19,20,21,22. Hanno i vantaggi tecnici di un’elevata efficienza energetica lungo la superficie a causa della loro localizzazione dell’energia, una grande flessibilità progettuale ad alta frequenza, un’integrazione di buon sistema con il canale di microfluidica e miniaturizzazione utilizzando tecnologia del sistema di micro-elettronici-meccanici (MEMS) e un elevato potenziale di produzione di massa23. In questo protocollo, seghe vengono generati da una coppia di identico IDTs e propagati in direzione opposta per generare un’onda stazionaria o SSAW, in microchannel, dove le microparticelle sospese sono spinti ai nodi di pressione, per lo più da acustica applicata forza di radiazione24. L’ampiezza di tale forza risultante è determinata dalla frequenza di eccitazione, microparticella dimensioni e relativo contrasto acustico fattore22,25.
Tale acoustophoresis ha la limitazione dei motivi di manipolazione predeterminati che non sono facilmente regolabili. La frequenza di eccitazione del IDTs è determinata dalla loro distanza periodica, quindi la larghezza di banda è piuttosto limitata. Diverse strategie sono state sviluppate per migliorare la funzionalità di accordabilità e manipolazione. La prima e la seconda modalità di onde stazionarie acustiche applicate in diverse parti del microchannel potrebbe separare microparticelle in modo più efficace in funzione delle velocità differenti di movimento verso le linee nodali26. Queste due modalità potrebbe essere applicata anche alla parte intera del microchannel e commutato in alternativa27,28,29. Tuttavia, per questo, un gran numero di attrezzature (cioè, tre generatori di funzione, due unità di adattamento di impedenza e un relè elettromagnetico) è richiesto, con la maggiore complessità di costo e controllo della disposizione sperimentale a causa del diverso impedenze elettriche presso la frequenza fondamentale e la terza armonica del piezoceramico piastra30. Inoltre, potrebbero essere applicati dito inclinato interdigital trasduttori (SFITs) per regolare le cellule e microparticelle patterning eccitando un periodo delle dita inclinate per una certa risonanza20,31. Tuttavia, allora, la larghezza di banda è inversamente proporzionale al numero di dita inclinate. Più linee nodali di pressione hanno una maggiore efficienza di separazione e la sensibilità rispetto alla singola linea nodale nel separatore convenzionale basato su SSAW microparticella. In alternativa, la posizione dei nodi pressione potrebbe anche essere cambiata semplicemente regolando la differenza di fase applicata alle due IDTs in progettazione32,33.
La frequenza fondamentale e la terza armonica del IDTs avere simili risposte in frequenza, in modo che essi possono essere eccitati simultaneamente, che fornisce ulteriori accordabilità per la manipolazione di microparticelle34. In confronto l’eccitazione di IDT convenzionale a una singola frequenza, regolazione pressioni acustiche di eccitazione doppia frequenza e la fase tra di loro fornisce tecniche unicità, come fino a ~ 2 volte ridotto tempo di movimento alla pressione nodale linea o il centro della microchannel, il vario numero e posizione delle linee nodali di pressione e le concentrazioni di microparticelle.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il movimento della microparticella in microchannel di un SSAW presso la doppia frequenza di eccitazione è stato studiato estesamente in questo studio, e una tecnica di campitura efficacemente sintonizzabile variando i segnali di due frequenze di eccitazione è stata sviluppata e testata. La produzione di tali una forma d’onda è facilmente realizzata dalla maggior parte dei generatori di funzione, e l’approccio di regolazione è molto conveniente. S12– sia S11-risposte in frequenza del fabbricato I…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sponsorizzato dal fondo di ricerca accademica (AcRF) livello 1 (RG171/15), Ministero dell’istruzione, Singapore.
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 |
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