Fabrication and Operation of Acoustofluidic Devices Supporting Bulk Acoustic Standing Waves for Sheathless Focusing of Particles

C. Wyatt Shields IV; Daniela F. Cruz; Korine A. Ohiri; Benjamin B. Yellen; Gabriel P. Lopez

doi:10.3791/53861

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Ingénierie

Изготовление и эксплуатация Acoustofluidic устройств с поддержкой объемных акустических стоячих волн для без футляра фокусировки частиц

Published: March 06, 2016

doi:

10.3791/53861

C. Wyatt Shields IV^1,2, Daniela F. Cruz^1,2, Korine A. Ohiri^1,3, Benjamin B. Yellen^1,2,3, Gabriel P. Lopez^1,2,3

¹NSF Research Triangle Materials Research Science and Engineering Center,Duke University, ²Department of Biomedical Engineering,Duke University, ³Department of Mechanical Engineering and Materials Science,Duke University

Summary

Acoustofluidic устройства используют ультразвуковые волны в микроканалов для манипулирования, концентрат и изолировать подвешенный микро- и наноскопические объектов. Этот протокол описывает изготовление и эксплуатацию такого устройства, поддерживающего объемные акустические стоячие волны сосредотачиваться частиц в центральной линии тока без помощи жидкости оболочки.

Abstract

Acoustophoresis относится к перемещению подвесных объектов в ответ на направленных сил со звуковой энергии. Учитывая, что законсервированные объекты должны быть меньше длины падающей волны звука и шириной Жидкостный каналов, как правило, от десятков до сотен микрометров в поперечнике, acoustofluidic устройства обычно используют ультразвуковые волны, генерируемые от пьезоэлектрического преобразователя пульсирующей на высоких частотах (в диапазоне мегагерц ). На собственных частотах, которые зависят от геометрии устройства, можно вызвать образование стоячих волн, которые могут сосредоточиться частицы вдоль желаемых жидкостных линий тока в пределах объемного потока. Здесь мы опишем метод для изготовления acoustophoretic устройств из обычных материалов и чистого оборудования помещения. Мы показываем репрезентативные результаты для фокусировки частиц с положительным или отрицательным акустических факторов контраста, которые движутся в сторону узлов давления или пучности стоячих волн, respectivEly. Эти устройства обеспечивают огромную практическую ценность для позиционирования точно большого количества микроскопических объектов (например, клетки) в стационарных или проточных жидкостей для приложений , начиная от цитометрии до сборки.

Introduction

Acoustofluidic устройства используются для оказания направленных сил на микроскопических объектов (например, частицы или клетки) для их концентрации, выравнивания, монтажа, удержания или разделения в покоящихся жидкостей или ламинарного flowstreams. ¹ В рамках этого широкого класса устройств, силы могут быть получены из основной массы акустические стоячие волны, поверхностные акустические стоячие волны (SSAWs) ² или акустическое бегущих волн. ³ в то время как мы делаем акцент на изготовлении и эксплуатации устройств , поддерживающих объемные акустические стоячие волны, устройства , поддерживающие SSAWs получили много внимания в последнее время из – за их способности точно манипулировать клетками вдоль поверхностей ⁴ и быстро сортировать клетки в непрерывных проточных каналах. ⁵ устройств , поддерживающих объемных акустических стоячих волн, однако, переставлять частицы на основе механических колебаний стенок устройства , генерируемого пьезоэлектрическим преобразователем, который возбуждает стоячих волн в микрожидкомполостей в геометрически определенных резонансных частот. Это дает потенциал для генерации более высоких амплитуд давления по сравнению с Ssaw устройствами, и , таким образом, быстрее acoustophoretic транспорт микроскопических образований. ⁶

Эти стоячие волны состоят из пространственно-периодического набора узлов и пучностей давления, которые фиксируются в положении, как давление колеблется во времени. Частицы реагируют на стоячих волн, мигрирующими к узлам давления или пучности, в зависимости от механических свойств частиц относительно жидкости, и которые описываются коэффициентом акустического контраста:

где переменные ρ и β представляют плотность и сжимаемость и нижние индексы р и ƒ представляют собой подвешенный предмет (например, частиц или клеток) и жидкости, соответственно.7 Лица, обладающие положительный акустический коэффициент контрастности (т.е. ɸ> 0) мигрируют к узлу (ами) давления; в то время как лиц , которые обладают отрицательным фактором акустического контраста (т.е. ɸ <0) мигрируют в пучности давления. ⁷ В то время как большинство синтетических материалов (например, гранулы полистирола) и клетки демонстрируют положительную акустическую контраст, эластомерные частицы , изготовленные из силиконовой основе материалы, ⁸ жирные молекулы ⁹ или другие высокоэластичные компоненты демонстрируют отрицательную акустическую контраст в воде. Эластомерные частицы в acoustofluidic устройства могут быть использованы для выделения малых молекул ¹⁰ и в качестве средства для удержания синтетических частиц ¹¹ или ¹² ячеек для целей дискриминантного сортировкой. ¹³

Acoustofluidic устройства, как правило , изготавливаются из стандартных материалов (например, кремния и стекла) , которые обладают достаточной жесткостью для суpport акустическую стоячую волну. Во многих acoustofluidic устройств (в том числе устройства, показанного в настоящем документе), механические волны предназначены, чтобы резонировать на самом низком режиме гармоники, который состоит из полуволнового стоячей волны, перекрывающей ширину микроканала. Эта конфигурация имеет узел давление в центре канала и давления пучностей вдоль периферии канала. Было показано ранее , что эти системы могут быть использованы для чиповых цитометрии приложений ^14-16 и приложений , начиная от отлова клеток до концентрации клеток. ^17,18

Мы опишем процесс изготовления, методов использования и репрезентативных возможностей производительности с acoustofluidic устройства, которое поддерживает объемные акустические стоячие волны. Это устройство требует один шаг фотолитографии, один шаг травления и один шаг закрепления тонера, чтобы навсегда связать со стеклянной крышкой "" к подложке травленым кремния. Отметим, что другие acoustofluidiC устройства, поддерживающие объемные акустические стоячие волны могут быть изготовлены из стекла или кварца капилляров , связанных с пьезоэлектрическими преобразователями, которые описаны в другом месте. ^19,20 основе кремния устройства обеспечивают преимущества надежности и контроля над геометрией канала потока, которые в совокупности позволяют для многочисленные типы обработки для образцов, содержащих суспензии частиц и клеток. Устройства многократного использования при условии , что они надлежащим образом очищены от использования (то есть, с помощью промывки устройства с буферами и моющих средств).

Protocol

1. фотолитографии Дизайн фотошаблона с использованием соответствующего программного пакета и представить проект к квалифицированному принтеру фотошаблонов. 21 В чистой комнате объекта, полоскать 6 "односторонняя отполированный кремниевую пластину с устойчивым потоком ацетона (≥99.5%; таблица 1) с последующим непрерывным потоком метанола (99,8%, см таблицу 1). Сухие пластины путем распыления с N 2 газа и размещения пластины на горячей плите при температуре 95 ° с в течение 2 мин. Примечание: Профиль легирования и кристаллическая ориентация пластин не влияют на следующие процедуры. Защита корыто вне спинового нанесения покрытий (в стандартном спин пальто капот) путем покрытия с листом алюминиевой фольги и помещают чистую кремниевую пластину в центре вакуумного зажимного патрона в осадительной для нанесения покрытий, чтобы закрепить пластину. Депозит позитивного фоторезиста непосредственно на центр пластины осторожно заливать до тех пор пока фоторезиста покрывает большинствопластины. Позаботьтесь, чтобы гарантировать, что нет никаких пузырей в фоторезиста. ПРИМЕЧАНИЕ: Точные процедуры Шаги 1.5-1.10 соответствуют фоторезиста , показанной в таблице 1; различные процедуры могут потребоваться для различных фоторезистов. Запустите цикл отжима путем выполнения следующих процедур: Программирование скорости 300 оборотов в минуту, пандус 100 оборотов в минуту / сек, а время спин 5 сек, чтобы начать цикл отжима. Программа на скорости 1800 оборотов в минуту, рампой 1000 оборотов в минуту / сек, и время спиновой 60 секунд для равномерного распределения фоторезиста. Программа до скорости 0 оборотов в минуту, рампой 1000 оборотов в минуту / сек, и время спиновой 0 сек, чтобы завершить цикл отжима. Отпустите вакуум на патроне и использовать вафельные пинцет для извлечения пластины из зажимного патрона. Затем поместите пластину на горячей плите, чтобы выпекать при температуре 110 ° С в течение 165 сек. Примечание: Этот шаг называется «мягкой» выпекают. Загрузите фотошаблона в держатель маскиСогласователь / фотолитографии машина. Изменение параметров фотолитографии машины , чтобы обеспечить дозировку энергии 1400 мДж / см 2 (например, для выходной интенсивности 13,5 мВт / см 2, используйте время экспозиции ~103.7 сек). Удалите photopatterned пластину из держателя и поместите его в растворе его соответствующего разработчика (см таблицу 1) в течение 5 мин. Удалите пластину от разработчика, мыть пластины с постоянным потоком деионизованной H 2 O и высушить его с N 2 газа. Примечание: Чрезмерная разработке может привести к модели набухать, в то время как при развивающееся может привести к неполному удалению фоторезиста вдоль фотоэлемент узорной особенностей. Осмотрите пластины под микроскопом, чтобы подтвердить образцы, напечатанные на фотошаблона были переданы фоторезиста. 2. Глубоко Реактивное ионное травление Загрузите фото-узорной кремниевую пластину в камеру глубокойреактивного ионного травления инструмент и травить жидкостных каналов в кремниевой пластины на требуемую глубину в соответствии со стандартными процедурами травления. 22 Осторожно разгружать образец из камеры после того, как процесс травления завершения. Для того, чтобы удалить избыток фоторезиста из пластины, подготовить большой химический стакан с раствором для удаления фоторезиста (таблица 1) в хорошо вентилируемом капот , посвященный использованию растворителей и поместить его на горячей плите при температуре 65 ° C. Погрузитесь пластины в раствор для удаления фоторезиста и дайте ему впитаться в течение 1 часа. Примечание: Различные решения могут быть использованы для удаления фоторезиста (например, раствор ацетона (≥99.5%; таблица 1) можно удалить фоторезист путем замачивания на ночь). Удалите пластину из стакана и промыть его с чередующимися потоками ацетона (≥99.5%; таблица 1) и изопропиловый спирт (≥99.7%; таблица 1). Сухие пластины шIth N 2 газа. 3. Пиранья Очистка В хорошо вентилируемом капот (посвященный использованию кислот), готовят раствор пираньи путем добавления H 2 O 2 (30,0% вес в воде, см . Таблицу 1) в H 2 SO 4 (95.0-98.0%; таблица 1) в соотношении 1: 3 в большой, чистый стакан. ВНИМАНИЕ: Решения Piranha сильно коррозионные, являются сильным окислителем и очень опасны. Проявляйте особую осторожность при обращении Piranha решений и носить надлежащее оборудование, обеспечивающее безопасность. Погрузить иона травлению пластины с запечатленными-функциями лицевой стороной вверх и оставьте на 5 мин. Осторожно снимите пластину и полностью промыть деионизированной H 2 O. Повторно погрузить пластины в пираньи растворе в течение 2 мин. Осторожно снимите пластину и полностью промыть обильной деионизированной H 2 O. В отдельном хорошо вентилируемом капот, посвященный использованию растворителя, мыть пластины с постоянным потокомацетон (≥99.5%; таблица 1) , а затем постоянный поток метанола (99,8%, см таблицу 1) и сухой пластины с N 2 газа. Утилизацию раствора пираньи, следуя соответствующие процедуры обеспечения безопасности. 4. Подготовить Крышку боросиликатного стекла С помощью инструмента писец, травить прямые линии в боросиликатного стекла для создания прямоугольных сегментов (например, 8 х 4 см 2). Тщательно оснастке стекло, чтобы восстановить прямоугольные сегменты. Возьмите одну из этих стеклянных сегментов и разместить его на верхней части печатной копии нужной конструкции (с фактическими размерами), чтобы отметить расположение входов и выходов на стекло с черным маркером. Дрель впускной и выпускной отверстия в боросиликатного стекла. Примечание: Правильное оборудование безопасности следует носить в любое время. Фикс 1/8 "сверло в рот сверлильный станок. Поместите прямоугольный сегмент стекла на вершинеалюминиевую пластину с просверленными отверстиями так, чтобы метки на стекле выше отверстия в пластине Al. Закрепите стекло на Al пластине с лентой. Осторожно опустите ручку подачи, чтобы начать бурение небольших отверстий в стекле и продолжают опускать ручку, пока отверстие не будет сделано через стекло. После того, как отверстие закончено, удалите ленту и медленно поднимите стекло, чтобы удалить порошок стекла. Поместите стеклянный порошок в стакан с водой и выбросьте с использованием соответствующих процедур безопасности. Тщательно высушите стекло с не-ворсистой производства впитывающей тканью и те же процедуры (шаги 4.3.1-4.3.2), чтобы развернуть другие впускные и выпускные отверстия. Выполните ту же процедуру (раздел 3, выше), чтобы очистить прямоугольный сегмент стекла с пираний раствором. ВНИМАНИЕ: Решения Piranha сильно коррозионные, являются сильным окислителем и очень опасны. Проявляйте особую осторожность при обращении Piranha решений и носить надлежащее оборудование, обеспечивающее безопасность. 5. Анодное склеивание С помощью инструмента писец, травить прямые в в кремниевую пластину по периметру микрожидкостной чипа таким образом, что он немного меньше , чем прямоугольный сегмент стекла (например, 7 х 3 см 2). Осторожно защелкнуть пластину вдоль протравленных линий. Ополосните сегмент Si с устойчивым потоком ацетона (≥99.5%, см таблицу 1) , а затем постоянный поток метанола (99,8%, см Таблица 1). Поместите пластину на горячей плите при температуре 95 ° С в течение 2 мин, чтобы высушить. С Протравленная-функции на сегменте Si лицевой стороной вверх, осторожно добавить чистый стакан на верхней части сегмента Si и убедитесь, что отверстия выравнивания правильно. Аккуратно перевернуть сегменты, обеспечивая при этом отверстия сохранены выровнены. Поскольку сегмент стекла больше, чем сегмент Si, обеспечить два сегмента с двусторонней клейкой ленты, где половина ленты крепится вертикальные края сегмента Si, а другая половиналенты обеспечивает нависающую стекла. Затем перевернуть сегменты снова таким образом, что сегмент стекла находится в верхней части, и поместить сегменты на верхней части металлической плиты на горячей плите. Осторожно добавьте вторую металлическую пластину (например, сталь) из достаточно большого веса (то есть, по меньшей мере , 5 кг) непосредственно к верхней части собранного стекла и сегментов Si. Примечание: Эта металлическая плита не должна находиться в контакте с сегментом Si или проводящей ленты. Использование высокого напряжения источника питания, подключите один провод (питание) к металлической плите на верхней части собранного стекла и сегментов Si и другой провод (земля) к нижней металлической плите. Включите напряжение на основной горячей плите до 1000 В. Проверка приложенного напряжения с помощью мультиметра; нажать один зонд по отношению к нижней пластине, а другой зонд к верхней пластине. ВНИМАНИЕ: Высокое напряжение чрезвычайно опасно; будьте осторожны, чтобы не касаться металлических плит или соединительные провода. Оставьте горячийпластины при 450 ° С в течение 2 ч, чтобы стекло "крышку" на аноде может быть с кремниевой подложке. Возвращение через 2 часа, чтобы отключить горячую плиту, отключите источник питания постоянного тока и удалите устройство из металлических плит. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Металлические плиты могут быть очень горячими во время и после процесса склеивания, таким образом, дать материалы остыть в течение не менее 1 часа после выключения горячей пластины. 6. Доработка Acoustofluidic устройства Царапать поверхность стекла с бритвой, чтобы удалить грязь, полученный с помощью анодной связи и очистить поверхность стекла с ацетоном. Приготовьте лист полидиметилсилоксана (ПДМС) толщиной примерно 5 мм и вырезать несколько небольших, квадратные плиты примерно 10 х 10 мм 2 (таблица 1). 23 Используйте трепанобиопсия 3 мм, чтобы сократить одно отверстие в центре каждой плиты PDMS таким образом, чтобы вставить силиконовые трубки через него. Поместите плиты непосредственно на верхнем отверстииs на стеклянной подложке и приклеить плиты с эпоксидной смолой. Примечание: Будьте осторожны, чтобы не использовать слишком много клея, как он будет закупоривать отверстия устройства. Аккуратно приклеить цирконата-титаната свинца (ЦТС) преобразователя к сегменту Si на задней стороне устройства, центрированной под микроканала. Припой два провода к двум электропроводных областей на PZT преобразователя. Позаботьтесь о том, что провода надежно прикреплены к ЦТС преобразователя. Вставьте силиконовые трубки через отверстия в плитах PDMS и добавить дополнительный клей вокруг плиты и трубы, чтобы обеспечить их крепление. 7. Эксплуатация Acoustofluidic устройства Надежно закрепите устройство на столике микроскопа с микроканалов непосредственно под цели. Примечание: Убедитесь, что ЦТС датчик не контактирует со стадией, поместив небольшую вставку под устройством. Используя стандартные разъемы, подключите силиконовые трубки от OUTLетсь устройства для шприцов обеспеченных на шприцевых насосов. Примечание: Эта конфигурация предназначена для "Режим вывода"; шприцевые насосы могут в качестве альтернативы можно использовать для введения образца в устройство. Поместите силиконовую трубку , ведущую к входному отверстию устройства в пробирку , содержащую образец жидкости (например, суспензии гранул полистирола или клеток). Помещают пробирку, содержащую образец жидкости на мешалке для непрерывного перемешивания образца и гарантировать, что постоянная концентрация частиц или клеток сохраняется в течение всего хода эксперимента. Подключите провода от ЦТС преобразователя к выходу из усилителя мощности в серии с функцией генератора. Программирование параметров на функции генератора (например, от пика до пика напряжения и частоты) и контролировать выходной сигнал от усилителя с помощью осциллографа. Включение функции генератора и усилителя мощности , чтобы начать приведения в действие ЦТС датчик. 6 Для оценки резонансной частоты устройства, следовать уравнению с = λ * ƒ, где с скорость звука среды (то есть, вода), λ является длина акустической волны и ƒ частота ЦТС преобразователя. В случае половины длины волны гармоники (который мы покажем в разделе репрезентативные результаты), ширина микроканала должна составлять половину длины стоячей волны. Используйте настройки напряжения от пика до пика в диапазоне 0-50 В. Примечание: увеличение прикладных напряжение приводит к более высоких амплитуд давления, и, таким образом, более быстрое acoustophoresis. Включите микроскоп и убедитесь, что Микрожидкостных канал явно в фокусе. Включите шприцевой насос, чтобы применить поток и ввести образец в устройство. Мониторинг объектов, протекающей через устройство с микроскопом на режиме флуоресценции. Убедитесь, что устройство эффективно фокусируется участнле путем изменения напряжения от пика до пика, подаваемого на преобразователь ЦТС для изменения амплитуды давления и путем выполнения частотной развертки вблизи ожидаемой резонансной частоты, чтобы определить эмпирическую резонансной частоты.

Representative Results

Мы разработали acoustofluidic устройство , чтобы содержать trifurcating входное отверстие, основной канал с шириной 300 мкм и trifurcating выпускное отверстие (рис 1А – B). Заметим , что мы использовали только один вход для всех экспериментов в этом исследовании (то есть, чтобы достичь без футляра фокусировки частиц с помощью акустических радиационных сил), блокируя другие входные отверстия со съемными пробками. Следуя процедуре , описанной выше, мы сконструировали микросхему , обладающую шириной канала 313 мкм с погрешностью ~4% из – за несовершенства в процессе микроструктур (Рисунок 1C – D). Работали устройство на частоте вождения по 2.366 МГц, чтобы вызвать полуволнового гармоники стоячей волны. Мы использовали генератор сигналов, подключенный к усилителю мощности, чтобы генерировать большой частоты синусоидальной формы, чтобы приводить в действие ЦТС TRansducer. Мы использовали осциллограф для измерения выходного напряжения от пика до пика (V PP) , полученные от усилителя мощности для проверки точности формы сигнала и амплитуды. С помощью шприцевого насоса, мы сначала вводили суспензию зеленого флуоресцентного гранул полистирола со скоростью 100 мкл / мин без приведения в действие ЦТС преобразователя в качестве отрицательного контроля (фиг.2А). Далее, мы приводятся в действие устройство на 2.366 МГц , чтобы сформировать полуволнового стоячей волны по ширине микроканала (V рр = 40 В; Фигура 2В). Мы обнаружили , что эти частицы, которые имеют положительный акустический коэффициент контрастности, сфокусированные вдоль узла давления , как и ожидалось. 6 Мы также вводили красные частицы флуоресцентных с отрицательным коэффициентом акустическое контраста (т.е. ɸ ≈ -0,88, синтезированный из процесса , описанного выше) 8 , чтобы убедиться , что наше устройство может вызвать их концентрацию вдоль пучности давления ( <stroнг> Рисунок 2C). Наконец, мы исследовали степень фокусировки частиц с положительным коэффициентом акустического контраста в диапазоне скоростей потока (то есть от 0 до 1000 мкл / мин в качестве регулируемых шприцевой насос) и напряжения (то есть, от 0 до 50 Vpp). Видео состоит из 15 кадров, были собраны для каждого условия. Программное обеспечение ImageJ использовали для выборки пяти из профиля интенсивности флуоресценции по ширине микроканала. Численный вычислительная программа была использована для усреднения профилей интенсивности для каждого условия и сгладить усредненные данные, используя программу рядный фильтрации. Как и следовало ожидать, степень фокусировки частиц (то есть, как определено по ширине пика флуоресценции, что соответствует ширине потока частиц) уменьшается с увеличением скорости потока (рис 3 , а ). Мы также обнаружили , что степень частицы фокусировкой возрастала с увеличением приложенных напряжений (Fiфигура 3В). Рисунок 1:. Acoustofluidic устройство , поддерживающее объемные акустические стоячие волны схематические виды сверху (А) и нижней части (В) устройства , состоящего из травлению подложки кремния , слитого с боросиликатного стекла "крышкой", полидиметилсилоксан (ПДМС) , соединенные с ним блоки силикона НКТ и пьезоэлектрический преобразователь припаяны к проводам, приклеенных к нижней части устройства. Фотографии верхней (C) и нижней (D) устройства также показаны. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 2: Акустическая фокусировкаЧастицы с положительными и отрицательными акустическими факторами контраста. (A) до приведения в действие преобразователя цирконат – титанат свинца (ЦТС), частицы с положительным акустическим коэффициентом контрастности (10 мкм, желто-зеленый полистирольные гранулы) , протекающей в количестве 100 мкл / мин оккупировали ширина микроканала. (B) После ЦТС преобразователя приводится в действие (п – п = 40 В и ƒ = 2.366 МГц), частицы на стадии (а) показаны сосредотачиваться вдоль узла давления стоячей волны. (C) Частицы с отрицательным коэффициентом акустического контраста сосредоточены вдоль пучностей давления стоячей волны в отсутствие приложенного потока (V рр = 40 В и ƒ = 2,366 МГц). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. <imг альт = "Рисунок 3" SRC = "/ файлы / ftp_upload / 53861 / 53861fig3.jpg" /> Рис . 3: Фокусировка производительность на acoustofluidic устройства интенсивности флюоресценции участки гранул полистирола (показаны на рисунке 2А – B) показаны для (А) различных скоростей потока ( в пределах от 0 до 1000 мкл / мин) с постоянной пиковой-to пиковое напряжение 40 в и (в) различные приложенных напряжений ( в диапазоне от 0 до 50 Vpp) с постоянной скоростью потока 100 мкл / мин. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Discussion

Acoustophoresis предлагает простой и быстрый подход к точно организовать микроскопические объекты в пределах жидкостных микроканалов без необходимости жидкости оболочки , используемой в гидродинамических фокусирующих подходов. ²⁴ Эти устройства обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с другими методами частиц или клеток манипуляции (например, магнитофорез, ^25,26 диэлектрофорез ²⁷ или инерциальная принуждая ²⁸⁾ из – за их способности обрабатывать объекты без сильных магнитных восприимчивостей, электрические поляризуемостями или узкий размер дисперсности. Кроме того, фокусирующие узлы акустической стоячей волны можно расположить вдали от источника возбуждения, что – то , что не представляется возможным с помощью статических магнитных или электрических полей согласно теореме Ирншоу. ²⁹ Дополнительным преимуществом является то, что акустические устройства могут сосредоточиться частицы через широкий спектр применяемых скоростей потока и независимо от направления потока, что невозможно в устройствах тхат полагаться на силы инерции для фокусировки, ²⁸ предоставляя средства для эффективной транспортировки частиц или клеток для расширенной инспекции частиц для таких применений, как проточной цитометрии и размеров частиц. ^30,31 легкость изготовления устройства и эксплуатации может непосредственно обеспечить реализацию аналогичных устройства для фокусировки, концентрируясь, фракционирования и сортировки объектов , взвешенных в жидкости. ³²

Мы показали , что первичные силы излучения, которые являются наиболее сильными силы под действием акустических стоячих волн, ¹ может сосредоточиться микрочастицы , протекающей через канал микрожидком при расходе более 10 мл / ч в течение одного конструкции с отверстием. При фиксированной скорости потока 100 мкл / мин, мы показали , что наше устройство может сосредоточиться частицы в узкий линии тока (т.е. 50 мкм в поперечнике) , без каких – либо жидкостей оболочки при напряжении , как низко как 20 В от пика до пика, что позволяет низкий -степень метод фокусировки периодическим способом 10 миллионов PartiCles / мин при обработке плотно концентрированные растворы (например, 6 × 10 ⁸ частиц / мл), в качестве примера. Кроме того, эта пропускная способность может быть значительно увеличены путем фабрикации нескольких насадочных acoustofluidic стружки или каналы, которые приводятся в действие с высших гармоник для получения множества параллельных узлов. ³³

В то время как устройство , показанное здесь , только требует материалов и методов , используемых в обычном микротехнологий, подчеркнем , что существует несколько других методов , которые могут быть использованы для построения подобных устройств. ^19,34,35 Преимущества этого подхода включают его простоту, а также долговечность конечного устройства.

Критические шаги для изготовления этих устройств включают в фотолитографии для определения геометрии микроканала, реактивного ионного травления для формирования канала в кремнии, так и в анодной связи плавить кремния к прозрачной "крышкой" для наблюдения по fluorescenв.п. микроскопии. Все эти шаги требуют чистых помещений, чтобы избежать сбора пыли и мусора внутри устройства. После выполнения этих действий, однако, приклеивания PZT преобразователь и жидкостный порты относительно просты и могут быть выполнены за пределами чистой комнаты.

Тем не менее, правильное лечение устройства имеет важное значение для его долговечности. Это включает в себя (1) инкубацию устройство с пассивирующих реагентами (например, поли (этиленгликоль) силан) перед каждым экспериментом , чтобы защитить канал от наращиванием остатков и (2) Промывка устройства с моющими средствами после каждого эксперимента. Скопление мусора может поставить под угрозу точность воспроизведения акустической стоячей волны и может уменьшить способность эффективно фокусировать частицы или клетки внутри устройства. Отметим также, что эти устройства не очень хорошо подходят для высоко полидисперсных образцов или образцов, содержащих объекты, приближающиеся половину размера стоячей волны.

AcoustofluiDIC устройства обеспечивают огромную полезность для различных приложений, охватывающих от коллоидного узла для разделения клеток и проточной цитометрии. Способность обрабатывать биологические образцы с высокой точностью при высокой скорости потока может позволить способность увеличения пропускной способности с помощью этих микрофлюидальных устройств, при одновременном снижении затрат от лишних реагентов, больших объемов образцов или крупногабаритного оборудования для дозирования жидкостей оболочки. Способы изготовления, необходимые для создания acoustofluidic устройства просты и процедуры, необходимые для их работы удобны. Мы надеемся, что эти процедуры будут стимулировать широкое развитие подобных устройств, чтобы стимулировать новые направления исследований для применений в области материаловедения, биотехнологии и медицины.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the National Science Foundation (through grants DMR-1121107, CMMI-1363483 and Graduate Research Fellowships (GRF-1106401) to C.W.S., D.F.C. and K.A.O.) and the National Institutes of Health (R21GM111584). The authors have no conflicts of interest.

Materials

Silicon wafers

Addison Engineering, Inc.

3P1

6” mechanical grade silicon wafer <111>

AZ® 9260 photoresist

MicroChemicals GmbH

AZ9260-Q

Positive photoresist

AZ® 400K developer

MicroChemicals GmbH

AZ400K CONC-CS

Dilute 1 part AZ 400k in 4 parts deionized H₂O

H₂O₂

Sigma Aldrich, Co.

216763

30 wt.% in H₂O

H₂SO₄

Sigma Aldrich, Co.

320501

ACS reagent, 95.0-98.0%

1165 Photoresist Remover

Dow Chemical, Co.

DEM-10018073

1-methyl-2-pyrrolidinone based

Acetone

Sigma Aldrich, Co.

320110

ACS reagent, ≥99.5%

Isopropyl alcohol

Sigma Aldrich, Co.

W292907

≥99.7%, FCC, FG

Methanol

Sigma Aldrich, Co.

322415

Anhydrous, 99.8%

Borosilicate glass (Nexterion glass B)

Schott AG

2098576

Size: 120×60 ±0.1 mm, Thickness: 1 ±0.005 mm

0.1 mm

Thickness: 1

0.005 mm

Drill bit for glass and ceramic

McMaster-Carr, Inc.

2954A1

Drill bit size: 1/8” Overall length: 2 3/16” Shank diameter: 7/64”

Overall length: 2 3/16”

Shank diameter: 7/64”

Polydimethylsiloxane (PDMS) kit

Sigma Aldrich, Co.

761036

Dow Corning, Co.; Sylgard 184®; 10 g clip-pack

Biopsy punch

Ted Pella, Inc.

15078

Harris uni-core Tip ID: 3.0 mm Tip OD: 3.40 mm

Tip ID: 3.0 mm

Tip OD: 3.40 mm

Lead zirconate titanate (PZT) transducer

APC International, Ltd.

Custom order, (841 WFB)

Length: 30.0 mm, Width: 5.0mm, Freq.: 2.46 MHz, 2.0 mm end wrap for leads

(841 WFB)

Width: 5.0mm

Freq.: 2.46 MHz

2.0 mm end wrap for leads

Silicone tubing

Cole Parmer Instrument, Co.

07625-22

0.6 mm I.D.

Polystyrene beads

Thermo Fischer Scientific, Inc.

F-8836

10 µm yellow-green fluorescence

References

Laurell, T., Petersson, F., Nilsson, A. Chip integrated strategies for acoustic separation and manipulation of cells and particles. Chem Soc Rev. 36 (3), 492-506 (2007).
Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
Schmid, L., Weitz, D. A., Franke, T. Sorting drops and cells with acoustics: acoustic microfluidic fluorescence-activated cell sorter. Lab Chip. 14 (19), 3710-3718 (2014).
Guo, F., et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (1), 43-48 (2015).
Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (16), 4970-4975 (2015).
Gao, L., et al. Two-dimensional spatial manipulation of microparticles in continuous flows in acoustofluidic systems. Biomicrofluidics. 9 (1), 014105 (2015).
Bruus, H. Acoustofluidics 7: The acoustic radiation force on small particles. Lab Chip. 12 (6), 1014-1021 (2012).
Shields, C. W., et al. Nucleation and growth synthesis of siloxane gels to form functional, monodisperse, and acoustically programmable particles. Angew Chem Int Ed Engl. 53 (31), 8070-8073 (2014).
Petersson, F., Nilsson, A., Holm, C., Jonsson, H., Laurell, T. Separation of lipids from blood utilizing ultrasonic standing waves in microfluidic channels. Analyst. 129 (10), 938-943 (2004).
Cushing, K. W., et al. Elastomeric negative acoustic contrast particles for affinity capture assays. Anal Chem. 85 (4), 2208-2215 (2013).
Johnson, L. M., et al. Elastomeric microparticles for acoustic mediated bioseparations. J Nanobiotechnology. 11, 22 (2013).
Shields, C. W., Johnson, L. M., Gao, L., Lopez, G. P. Elastomeric negative acoustic contrast particles for capture, acoustophoretic transport, and confinement of cells in microfluidic systems. Langmuir. 30 (14), 3923-3927 (2014).
Shields, C. W., Reyes, C. D., Lopez, G. P. Microfluidic cell sorting: a review of the advances in the separation of cells from debulking to rare cell isolation. Lab Chip. 15, 1230-1249 (2015).
Goddard, G., Martin, J. C., Graves, S. W., Kaduchak, G. Ultrasonic particle-concentration for sheathless focusing of particles for analysis in a flow cytometer. Cytometry A. 69 (2), 66-74 (2006).
Goddard, G. R., Sanders, C. K., Martin, J. C., Kaduchak, G., Graves, S. W. Analytical Performance of an Ultrasonic Particle Focusing Flow Cytometer. Anal Chem. 79 (22), 8740-8746 (2007).
Goddard, G., Kaduchak, G. Ultrasonic particle concentration in a line-driven cylindrical tube. J Acoust Soc Am. 117 (6), 3440 (2005).
Lenshof, A., Magnusson, C., Laurell, T. Acoustofluidics 8: applications of acoustophoresis in continuous flow microsystems. Lab Chip. 12 (7), 1210-1223 (2012).
Carugo, D., et al. A thin-reflector microfluidic resonator for continuous-flow concentration of microorganisms: a new approach to water quality analysis using acoustofluidics. Lab Chip. 14 (19), 3830-3842 (2014).
Austin Suthanthiraraj, P. P., et al. One-dimensional acoustic standing waves in rectangular channels for flow cytometry. Methods. 57 (3), 259-271 (2012).
Wiklund, M., Nilsson, S., Hertz, H. M. Ultrasonic trapping in capillaries for trace-amount biomedical analysis. J App Phys. 90 (1), 421 (2001).
Shields, C. W., et al. Field-directed assembly of patchy anisotropic microparticles with defined shape. Soft Matter. 9 (38), 9219 (2013).
Yeom, J., Wu, Y., Selby, J. C., Shannon, M. A. Maximum achievable aspect ratio in deep reactive ion etching of silicon due to aspect ratio dependent transport and the microloading effect. J Vac Sci Technol B Microelectron Nanometer Struct Process Meas Phenom. 23 (6), 2319 (2005).
McDonald, J. C., Whitesides, G. M. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices. Acc Chem Res. 35 (7), 491-499 (2002).
Golden, J. P., Justin, G. A., Nasir, M., Ligler, F. S. Hydrodynamic focusing–a versatile tool. Anal Bioanal Chem. 402 (1), 325-335 (2012).
Hejazian, M., Li, W., Nguyen, N. T. Lab on a chip for continuous-flow magnetic cell separation. Lab Chip. 15 (4), 959-970 (2015).
Shields, C. W., Livingston, C. E., Yellen, B. B., Lòpez, G. P., Murdoch, D. M. Magnetographic array for the capture and enumeration of single cells and cell pairs. Biomicrofluidics. 8 (4), 041101 (2014).
Voldman, J. Electrical forces for microscale cell manipulation. Annu Rev Biomed Eng. 8, 425-454 (2006).
Di Carlo, D. Inertial microfluidics. Lab Chip. 9 (21), 3038-3046 (2009).
Earnshaw, S. On the nature of the molecular forces which regulate the constitution of the luminferous ether. Trans Camb Phil Soc. 7, 97-112 (1842).
Piyasena, M. E., Graves, S. W. The intersection of flow cytometry with microfluidics and microfabrication. Lab Chip. 14, 1044-1059 (2014).
Grenvall, C., Antfolk, C., Bisgaard, C. Z., Laurell, T. Two-dimensional acoustic particle focusing enables sheathless chip Coulter counter with planar electrode configuration. Lab Chip. 14 (24), 4629-4637 (2014).
Au, A. K., Lee, W., Folch, A. Mail-order microfluidics: evaluation of stereolithography for the production of microfluidic devices. Lab Chip. 14 (7), 1294-1301 (2014).
Piyasena, M. E., et al. Multinode acoustic focusing for parallel flow cytometry. Anal Chem. 84 (4), 1831-1839 (2012).
Lenshof, A., Evander, M., Laurell, T., Nilsson, J. Acoustofluidics 5: Building microfluidic acoustic resonators. Lab Chip. 12 (4), 684-695 (2012).
Evander, M., Tenje, M. Microfluidic PMMA interfaces for rectangular glass capillaries. J Micromech Microeng. 24 (2), 027003 (2014).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citer Cet Article

Shields IV, C. W., Cruz, D. F., Ohiri, K. A., Yellen, B. B., Lopez, G. P. Fabrication and Operation of Acoustofluidic Devices Supporting Bulk Acoustic Standing Waves for Sheathless Focusing of Particles. J. Vis. Exp. (109), e53861, doi:10.3791/53861 (2016).