Summary

Fabbricazione, il funzionamento e la visualizzazione del flusso in superficiali acustiche onda-driven Microfluidics Acoustic-controcorrente

Published: August 27, 2013
doi:

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

1. Fabbricazione di dispositivi Design a due delle maschere, la prima per patterning l'onda acustica di superficie (SAW) strato, e la seconda per il polidimetilsilossano (PDMS) stampo a microcanali. La prima fotomaschera ha una coppia di opposti trasduttori interdigitali (IDT), conosciuto anche come SAW linea-e delay marcatori per l'allineamento dei canali e riferimento spaziale durante microscopia. Nel nostro dispositivo di serie abbiamo IDTs singolo elettrodo con una larghezza dito p =<…

Representative Results

La Figura 2 mostra i risultati rappresentativi di test RF dispositivo che sono stati presi prima dell'incollaggio strato LN allo strato microcanali: tipico S 11 e S 12 spettri sono riportati in pannello a) e b), rispettivamente. La profondità della valle a frequenza centrale a S 11 spettro è correlata alla efficienza della conversione di potenza RF SAW in potenza meccanica. Quindi, per un numero fisso di coppie dito IDT, una riduzi…

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

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Travagliati, M., Shilton, R., Beltram, F., Cecchini, M. Fabrication, Operation and Flow Visualization in Surface-acoustic-wave-driven Acoustic-counterflow Microfluidics. J. Vis. Exp. (78), e50524, doi:10.3791/50524 (2013).

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