Yüzey-akustik dalga odaklı Akustik-ters akışlı Mikroakiskan Fabrikasyon, İşletme ve Akış Görselleştirme
Summary
Bu videoda ilk bir yüzey akustik dalga (SAW) akustik ters akışlı cihazın imalat ve operasyon prosedürleri açıklar. Daha sonra SAW pompa cihaz içinde nitel akış görselleştirme ve karmaşık akış kantitatif analiz her ikisi için izin veren bir deney düzeneği göstermektedir.
Abstract
Yüzey akustik dalgaları (SAW) akustik ters akışlı fenomen ile taşınabilir mikroakışkan fiş sıvı sürmek için kullanılabilir. Bu videoda bir çok katmanlı SAW akustik ters akışlı cihaz için üretim protokol mevcut. Cihaz iki interdijital dönüştürücüler (IDTs) ve uygun işaretleri desenli edildiği üzerine bir lityum niobat (LN) substrat başlayarak imal edilir. Bir SU8 ana kalıp üzerinde döküm bir polidimetilsiloksan (PDMS) kanal nihayet desenli yüzeye yapıştırılır. Imalat prosedürü takip ederek, PDMS kanal şebekesi yoluyla sıvı pompalamak için akustik karşı yönden cihazın karakterizasyonu ve çalışma sağlar teknikleri göstermektedir. Sonunda kanallarda sıvı akışını görselleştirmek için prosedürü mevcut. Protokol, girdapları ve partikül birikimi etki ile karakterize laminer akış ve daha karmaşık dinamikleri gibi farklı akış rejimleri altında pompalama on-chip sıvı göstermek için kullanılır.
Introduction
Mikroakışkan toplumun karşılaştığı devam zorluklardan biri gerçekten taşınabilir mikro-toplam-analiz sistemleri (μTAS en) entegrasyon için minyatür edilebilir etkin bir pompalama mekanizması olması ihtiyacıdır. Standart makroskopik pompalama sistemleri sadece kanal boyutu mikron aralığı aşağı düşer ya da aşağıdaki gibi nedeniyle hacimsel akış oranlarının olumsuz ölçekleme için, μTAS en için gerekli olan taşınabilirlik sağlamak için başarısız. Aksine, sıvı SAW tahrik mekanizmaları olarak artan bir ilgi kazanmıştır ve bu sorunların 1,2 bazı çözümü için umut verici bir yol olarak ortaya çıkmaktadır.
SAW sıvılar 3, enerji ulaşım çok etkili mekanizması sağlamak için gösterildi. Bir piezoelektrik yüzey, örneğin lityum niobat (LN) üzerine bir SAW yayar, dalga Rayleigh açısı θ R = sin olarak bilinen bir açıyla yolunda herhangi bir sıvı içine yayılan ne zaman722, 1 (C-F / C s), sayesinde substrat, C S, ve sıvı C-F ses hızları uyumsuzluğu. Sıvısına radyasyon Bu sızıntı sıvısı akışı sağlayan bir akustik basınç dalgası sebebiyet verir. Cihaza uygulanan cihaz geometri ve gücüne bağlı olarak, bu mekanizma, bu karıştırma akışkan, partikül sıralama, atomizasyon ve pompalama 1,4 olarak çip süreçler, geniş bir yelpazede harekete geçirmek için gösterilmiştir. SAW ile microfluids Aktüatör basitlik ve etkinlik rağmen, bugüne kadar gösterilmiştir mikroakışkan pompalama mekanizmaları tahrik SAW sadece az sayıda vardır. İlk gösteri, bir piezoelektrik yüzey 3 SAW yayılım yolu yerden serbest damlacıklarının basit çeviri oldu. Bu yeni yöntem, bir mikroakışkan harekete geçirme yöntemi olarak SAW kullanılarak çok ilgi uyandırmıştır Ancak, sıvıları için bir ihtiyaç hala oldukapalı kanalları daha zor bir görev kurulabilir. Tan ve arkadaşları. Lazer piezoelektrik yüzeye doğrudan ablasyon olduğunu bir Mikrokanallı içinde pompalama gösterdi. Kanal ve IDT boyutları ile ilgili geometrik değişiklik, onlar düzgün ve karıştırma hem akışları 5 göstermek başardık. Cam ve ark. Son zamanlarda popüler Lab-on-a-CD kavram 6,7 gerçek minyatür bir göstergesi olarak, santrifüj Mikroakiskan ile SAW harekete rotasyonlar birleştirerek mikro ve mikroakışkan bileşenleri ile sıvı hareket eden bir yöntem gösterdi. Ancak, sadece tam kapalı gösterilmiştir mekanizması pompalama Cecchini ark olmaya devam etmektedir. 'S SAW-odaklı akustik ters akışlı 8-Bu videonun odak tahrik SAW. Bu, bir sıvının, atomizasyon ile birleşme, bir yayılma yönü karşı yönde kapalı bir kanal vasıtasıyla pompalamak için patlatırkostik dalga. Bu sistem bir Mikrokanallı içinde şaşırtıcı derecede karmaşık akımları ortaya çıkmasına neden olabilir. Ayrıca, cihaz geometri bağlı olarak, laminar akışlarından girdapları ve partikül-birikimi etki ile karakterize daha karmaşık rejimlere, akış şemaları bir dizi sağlayabilir. Kolay bir cihaz içinde akış özelliklerini etkilemek için yeteneği gelişmiş çip üzerinde parçacık manipülasyon için fırsatlar gösterir.
Cihaz imalat, deneysel çalışma, ve akış görselleştirme: Bu protokolde pratik SAW tabanlı Mikroakiskan temel yönlerini açıklığa kavuşturmak istiyoruz. Biz açıkça SAW-odaklı akustik ters akışlı cihazların imalat ve operasyon için bu işlemler açıklayan olsa da, bu bölümler kolayca SAW odaklı mikroakışkan rejimlerin bir dizi uygulama için değiştirilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikroakışkan topluluk karşılaştığı en büyük zorluklardan biri gerçekten taşınabilir noktası bakım cihazları için harekete platformu hayata geçirilmesidir. Önerilen entegre mikropompalar 23 arasında, yüzey akustik dalgaları (SAW) üzerine dayalı bu nedeniyle sıvı karıştırma, atomizasyon ve partikül konsantrasyon ve ayırma 4 ilişkili yetenekleri özellikle çekicidir. Bu yazıda ilk Cecchini ve arkadaşları tarafından açıklandığı gibi aktüatör SAW….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar kabul etmek kimse yok.
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).
