표면 음향 파 중심의 어쿠스틱 역류 미세 유체의 제조, 운영 및 유동 가시화
Summary
이 비디오에서 우리는 먼저 표면 탄성파 (SAW) 음향 역류 장치의 제조 및 운영 절차에 대해 설명합니다. 우리는 그 SAW 장치를 펌핑 내 성적 유동 가시화하고 복잡한 흐름의 정량 분석 모두 허용 실험 설정을 보여줍니다.
Abstract
지상 청각 파 (톱)은 음향 역류 현상을 통해 휴대용 미세 유체 칩의 액체를 구동하는 데 사용할 수 있습니다. 이 비디오에서 우리는 다층 SAW 음향 역류 장치의 제조 프로토콜을 제시한다. 이 장치는 두 개의 인터 트랜스 듀서 (IDTS) 적절한 마커 패턴 된에 리튬 니오브 (LN) 기판부터 제작된다. SU8 마스터 금형에 캐스팅 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 채널은 마지막 패턴 기판에 접착된다. 제조 절차에 따라, 우리는 PDMS 채널 그리드를 통해 유체를 펌프하기 위해 음향 역류 장치의 특성 및 운영 할 수 있도록하는 기술을 보여줍니다. 우리는 마침내 채널에서 액체의 흐름을 시각화하는 절차를 제시한다. 프로토콜은 이러한 소용돌이 입자 축적 도메인을 특징으로 층류 흐름과 더 복잡한 역학 등 다양한 흐름 정권에서 펌핑 온 – 칩 액을 표시하는 데 사용됩니다.
Introduction
미세 사회가 직면하고 지속적인 과제 중 하나는 진정한 휴대용 마이크로 전체 분석 시스템 (μTAS의)에 통합 소형화 할 수있는 효율적인 펌핑 메커니즘이 필요하다. 표준 매크로 펌프 시스템은 단순히 채널 크기가 마이크론 범위 아래로 감소하거나 아래로 때문에 체적 유량 불리한 조정에, μTAS의 필요한 이동성을 제공하기 위해 실패합니다. 반대로, 톱 유체 작동 메커니즘으로 증가하는 관심을 얻고있다 이러한 문제 1,2의 일부 솔루션에 대한 유망한 수단으로 나타납니다.
톱은 유체 (3)에 에너지 수송의 매우 효율적인 메커니즘을 제공하기 위해 표시되었습니다. 압전 기판, 예를 들면 리튬 니오브 (LN) 위에 SAW의 전파는 물결 레일리 각도 θ R = 죄로 알려진 각도의 경로에서 액체로 방사 될 때,722, 1 (C F /는 C의) 때문에 기판, C, S, 및 유체의 C F 사운드 속도의 불일치. 유체에 방사선이 누출 유체 음향 스트리밍을 구동 압력 파에 상승을 제공합니다. 장치에 적용되는 장치의 형상 및 전원에 따라이 메커니즘은 이러한 혼합 유체 입자 정렬, 분무 및 양수 1,4 등 온 – 칩 공정, 다양한 종류의를 작동하는 표시했다. SAW와 microfluids를 작동시키기의 단순성과 효율성에도 불구하고, 현재까지 증명 된 마이크로 유체 펌프 메커니즘을 구동 SAW의 작은 숫자가 있습니다. 첫 번째 데모는 압전 기판 3 SAW 전파 경로에 배치 무료 방울의 단순한 번역이었다. 이 새로운 방법은 미세 구동 방법으로 톱을 사용에 많은 관심을 생성하는 일이지만 유체에 대한 필요성은 여전히 존재했다동봉 채널 – 더 어려운 작업을 통해 구동. 황갈색 등은. 레이저 압전 기판에 직접 소작이 되었나요 마이크로 내에 펌핑 보여 주었다. 채널 IDT의 크기에 대하여 형상 변경에 의해, 그들은 균일 혼합 두 흐름 5 입증 할 수 있었다. 유리 등은. 최근 인기 실험실 – 온 – CD 개념 6,7의 진정한 소형화의 데모로, 원심 미세 유체와 SAW 작동 회전을 결합하여 마이크로와 마이크로 유체 구성 요소를 통해 유체를 이동하는 방법을 보여 주었다. 그러나 유일하게 완전히 동봉 입증되었습니다 메커니즘을 펌핑 Cecchini 등으로 남아있다.의 SAW 기반의 음향 역류 8이 비디오에 초점 구동 보았다. 그것은 액체의 미립화와 유착이의 진행 방향을 반대 방향으로 닫힌 채널을 통해 펌프로 활용coustic 파. 이 시스템은 마이크로 내에 놀라 울 정도로 복잡한 흐름을 야기 할 수 있습니다. 또한, 장치 구조에 따라, 그것은 층류 흐름에서 소용돌이 입자 축적 도메인에 의해 특징 복잡한 제도로, 흐름 방식의 범위를 제공 할 수 있습니다. 쉽게 장치 내의 유동 특성에 영향을 미칠 수있는 능력은 첨단 온 – 칩 입자 조작을위한 기회를 보여줍니다.
제조 장치, 실험 운영 및 유동 가시화 :이 프로토콜에서 우리는 실제적인 SAW 기반의 미세 유체의 주요 측면을 명확히하고 싶습니다. 우리가 명시 적으로 SAW 기반의 음향 역류 장치의 제조 및 운영에 대한 이러한 절차를 설명하는 동안,이 섹션은 쉽게 SAW 기반의 미세 유체 제도의 범위에 자신의 응용 프로그램에 대해 수정할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
미세 사회가 직면 한 가장 큰 도전 중 하나는 진정한 휴대용 점의 배려 장치의 작동 플랫폼의 실현이다. 제안 된 통합 마이크로 펌프 23 사이, 지상 청각 파 (톱)를 기반으로하는 인해 유체의 혼합, 분무 입자 농도 및 분리 4 연관된 기능에 특히 매력적이다. 본 논문에서는 먼저 Cecchini 등에 의해 설명 된대로 액추에이터를 보았다. 8 유체 칩에 통합하여 폐쇄 된 P…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 인정하는 사람은 아무도이 없습니다.
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).
