تصنيع وتشغيل Acoustofluidic أجهزة دعم السائبة موجات الصوتية الدائمة للSheathless التركيز من الجسيمات
Summary
أجهزة Acoustofluidic استخدام الموجات فوق الصوتية داخل قنوات الموائع الدقيقة للتلاعب، والتركيز وعزل الصغيرة مع وقف التنفيذ والكيانات نانوية. يصف هذا البروتوكول تصنيع وتشغيل مثل هذا الجهاز يدعم موجات دائمة الصوتية السائبة للتركيز الجسيمات في تبسيط المركزي بدون مساعدة من السوائل غمد.
Abstract
يشير Acoustophoresis إلى تشريد الأجسام المعلقة في استجابة لقوى الاتجاه من الطاقة الصوت. وبالنظر إلى أن الأجسام المعلقة يجب أن يكون أصغر من طول موجة الحادث الصوت وعرض القنوات الموائعية عادة ما تكون عشرات إلى مئات من ميكرومتر عبر والأجهزة acoustofluidic عادة ما تستخدم الموجات فوق الصوتية المتولدة من محول كهربائي ضغطي النابض في الترددات العالية (في نطاق ميغاهرتز ). على ترددات المميزة التي تعتمد على هندسة الجهاز، فمن الممكن للحث على تشكيل موجات دائمة يمكن أن تركز الجسيمات على طول يبسط الموائعية المطلوبة داخل لتدفق بكميات كبيرة. هنا، نحن تصف طريقة لتصنيع أجهزة acoustophoretic من المواد المشتركة والمعدات غرفة نظيفة. وتبين لنا نتائج ممثل للتركيز الجسيمات مع عوامل التباين الصوتية إيجابية أو سلبية، والتي تتحرك نحو العقد ضغط أو antinodes من موجات دائمة، respectivاعل. توفر هذه الأجهزة فائدة عملية كبيرة لتحديد المواقع بدقة أعداد كبيرة من الكيانات المجهرية (على سبيل المثال، الخلايا) في ثابتة او تدفق السوائل لتطبيقات تتراوح بين الخلوي في التجمع.
Introduction
وتستخدم أجهزة Acoustofluidic لممارسة قوات الاتجاه على الكيانات المجهرية (على سبيل المثال، جزيئات أو خلايا) لمن التركيز، والمحاذاة، والتجمع، والحبس أو الانفصال داخل السوائل هادئة أو flowstreams الصفحي. 1 ضمن هذه الفئة واسعة من الأجهزة، القوات يمكن أن تتولد من الأكبر موجات دائمة الصوتية، وتظهر على السطح موجات دائمة الصوتية (SSAWs) 2 أو السفر الصوتية موجات 3 بينما نحن نركز على تصنيع وتشغيل الأجهزة التي تدعم موجات دائمة الصوتية السائبة، والأجهزة التي تدعم SSAWs تلقينا الكثير من الاهتمام في الآونة الأخيرة نظرا لقدرتها على التعامل بدقة خلايا على أسطح 4 و بسرعة فرز الخلايا في قنوات التدفق المستمر. 5 أجهزة دعم موجات دائمة الصوتية بكميات كبيرة، ولكن، إعادة ترتيب الجزيئات على أساس الاهتزازات الميكانيكية للجدران الجهاز التي تم إنشاؤها بواسطة محول كهربائي ضغطي، الذي يثير موجات دائمة في ميكروفلويديكتجاويف في الترددات الرنانة محددة هندسيا. وهذا يتيح إمكانية توليد سعة الضغط العالي مقارنة بالأجهزة SSAW، والنقل وبالتالي، أسرع acoustophoretic الكيانات المجهرية. 6
وتتكون هذه موجات دائمة من مجموعة الدوري مكانيا من العقد و antinodes الضغط، التي يتم إصلاحها في منصب يتذبذب ضغط في الوقت المناسب. جزيئات تستجيب لموجات دائمة عن طريق الهجرة إلى العقد ضغط أو antinodes، اعتمادا على الخواص الميكانيكية للجزيئات النسبية إلى السائل، والتي تم وصفها من قبل عامل النقيض الصوتي:
حيث ρ المتغيرات وβ تمثل الكثافة والانضغاطية والسفلية p و ƒ تمثل كائن مع وقف التنفيذ (على سبيل المثال، الجسيمات أو الخلية)، والسوائل، على التوالي.7 الكيانات التي تمتلك عاملا إيجابيا النقيض الصوتية (أي ɸ> 0) الهجرة إلى عقدة الضغط (ق)؛ في حين، والكيانات التي تمتلك عامل النقيض الصوتي السلبي (أي ɸ <0) الهجرة إلى antinodes الضغط. 7 في حين أن غالبية المواد الاصطناعية (مثل الخرز البوليسترين) والخلايا يحمل النقيض الصوتية إيجابي، والجسيمات المرنة المصنوعة من أساس السيليكون المواد، 8 الجزيئات الدهنية 9 أو غيرها من مكونات مرنة للغاية يحمل النقيض الصوتية سلبي في الماء. الجسيمات المرنة في الأجهزة acoustofluidic يمكن استخدامها لعزل جزيئات صغيرة (10) وكوسيلة لحصر الجزيئات الاصطناعية 11 أو خلايا (12) لأغراض الفرز التمييز. 13
عادة يتم تصنيع أجهزة Acoustofluidic من المواد القياسية (على سبيل المثال، والسيليكون والزجاج) التي لديها صلابة كافية لسوpport موجة دائمة الصوتية. في العديد من الأجهزة acoustofluidic (بما في ذلك الجهاز هو موضح هنا)، فقد تم تصميم الموجات الميكانيكية ليتردد صداها في أدنى وضع التوافقي، الذي يتكون من موجة دائمة نصف الطول الموجي الذي يمتد عرض متناهية. هذا التكوين لديه عقدة الضغط في وسط antinodes القناة وضغط على الاطراف للقناة. ولقد ثبت سابقا أن هذه النظم يمكن أن تستخدم للتطبيقات الخلوي على أساس رقاقة 14-16 والتطبيقات بدءا من محاصرة الخلايا إلى تركيز خلايا. 17،18
وصفنا عملية التصنيع، وأساليب للاستخدام وقدرات الأداء التمثيلي عبوة acoustofluidic التي تدعم موجات دائمة الصوتية السائبة. يتطلب هذا الجهاز خطوة ضوئيه واحدة، خطوة واحدة الحفر والتفجير خطوة واحدة إلى السندات بشكل دائم كوب "غطاء" لالركيزة السيليكون محفورا. ونلاحظ أن البعض acoustofluidiج الأجهزة التي تدعم موجات دائمة الصوتية السائبة يمكن أن تكون ملفقة من الزجاج أو الكوارتز الشعيرات الدموية بد أن محولات كهرضغطية، الذي يوصف في أماكن أخرى. 19،20 الأجهزة القائمة على السيليكون توفر مزايا القوة والسيطرة على هندسة قناة تدفق، والتي تسمح معا ل أنواع عديدة من تجهيز العينات التي تحتوي على تعليق من الجزيئات والخلايا. يتم توفير الأجهزة قابلة لإعادة الاستخدام يتم تنظيفها بشكل صحيح بين الاستخدامات (أي عن طريق تنظيف الجهاز مع مخازن والمنظفات الصناعية).
Protocol
Representative Results
Discussion
تقدم Acoustophoresis نهج بسيط وسريع لترتيب بالضبط كيانات مجهرية داخل microchannels الموائعية من دون الحاجة إلى السوائل غمد المستخدمة في نهج التركيز الهيدروديناميكية. 24 هذه الأجهزة توفر العديد من المزايا أكثر من غيرها من أساليب الجسيمات أو الخلية التلاعب (على سبيل المثال، magnetophoresis، 25،26 dielectrophoresis 27 أو بالقصور الذاتي مما اضطر 28) نظرا لقدرتها على معالجة الكيانات دون حساسيات مغناطيسية عالية، polarizabilities الكهربائية أو حجم التبعثر الضيق. وعلاوة على ذلك، فإن العقد تركيز على موجة دائمة الصوتية يمكن وضعه بعيدا عن مصدر الإثارة، وهو أمر غير ممكن عن طريق المجالات المغناطيسية أو الكهرباء الساكنة حسب سرعة الانسياب في 29 ميزة إضافية هي أن الأجهزة الصوتية يمكن أن تركز جزيئات عبر مجموعة واسعة من معدلات تدفق التطبيقية ومستقلة للاتجاه تدفق، وهذا غير ممكن في الأجهزة ثار الاعتماد على قوات بالقصور الذاتي للتركيز، 28 توفير وسائل لنقل بكفاءة جزيئات أو خلايا لتعزيز فحص الجسيمات لتطبيقات مثل التدفق الخلوي والجسيمات التحجيم. 30،31 سهولة تصنيع الجهاز وعملية يمكن أن تسمح مباشرة لتنفيذ ما شابه الأجهزة للتركيز، التركيز، وتجزئة والفرز الأجسام المعلقة في السوائل. 32
لقد أظهرنا أن قوات الإشعاع الأولية، التي هي أقوى القوى التي تنتجها موجات دائمة الصوتية (1)، يمكن أن تركز المجهرية الدقيقة التي تتدفق من خلال قناة ميكروفلويديك في معدلات تدفق تتجاوز 10 مل / ساعة لتصميم فتحة واحدة. لمعدل تدفق ثابت من 100 ميكرولتر / دقيقة، وتبين لنا أن لدينا جهاز يمكن أن تركز جزيئات إلى تبسيط الضيق (أي 50 ميكرون عبر) دون أي سوائل غمد في الفولتية المنخفضة مثل 20 V الذروة إلى الذروة، مما يتيح أدنى مستوى طريقة باور للbatchwise تركيز 10000000 حزبجسيمات / دقيقة عند حلول المعالجة المركزة المكتظة (على سبيل المثال، 6 × 10 8 الجسيمات / مل)، على سبيل المثال. وعلاوة على ذلك، وهذا الإنتاجية ويمكن زيادة بشكل كبير من خلال افتعال متعددة الفوهة رقائق acoustofluidic أو القنوات التي دفعتها مع التوافقيات أعلى لإنتاج مجموعات من العقد موازية. 33
في حين أن الجهاز يظهر هنا فقط يتطلب المواد والأساليب المستخدمة في التصنيع الدقيق التقليدية، فإننا نؤكد أن هناك حفنة من غيرها من التقنيات التي يمكن استخدامها لبناء أجهزة مماثلة. 19،34،35 وتشمل مزايا هذا النهج بساطته وكذلك متانة الجهاز النهائي.
وتشمل الخطوات الحاسمة لتصنيع هذه الأجهزة ضوئيه لتحديد هندسة متناهية، على رد الفعل الحفر أيون لتشكيل القناة في السيليكون وانوديك الترابط لصهر السيليكون إلى "غطاء" شفافة للمراقبة من قبل fluorescenم المجهر. كل هذه الخطوات تتطلب مرافق غرفة نظيفة لتجنب جمع الغبار أو الحطام داخل الجهاز. مرة واحدة هذه الخطوات كاملة، ومع ذلك، تربط محول PZT والموانئ الموائعية هي واضحة نسبيا ويمكن القيام بها خارج غرفة نظيفة.
ومع ذلك، العلاج المناسب من الجهاز أمر ضروري لطول العمر. وهذا يشمل (1) احتضان الجهاز مع تخميل الكواشف (على سبيل المثال، بولي (جلايكول الإثيلين) سيلاني) قبل كل تجربة لحماية القناة من تراكم بقايا و(2) التنظيف الجهاز مع المنظفات بعد كل تجربة. تراكم الحطام قد تعرض الاخلاص من موجة دائمة الصوتية وقد يقلل من القدرة على التركيز بكفاءة الجزيئات أو الخلايا داخل الجهاز. ونلاحظ أيضا أن هذه الأجهزة ليست مناسبة تماما للعينات polydisperse عالية أو العينات التي تحتوي على الكيانات يقترب من نصف حجم موجة دائمة.
Acoustofluiوتوفر الأجهزة مدينة دبي للإنترنت فائدة هائلة لمجموعة متنوعة من التطبيقات التي تمتد من التجمع الغروية إلى الخلية فصل والتدفق الخلوي. القدرة على معالجة العينات البيولوجية مع الدقة في معدلات تدفق عالية يمكن أن تسمح القدرة على زيادة الانتاجية من خلال هذه الأجهزة ميكروفلويديك، في حين خفض التكاليف من الكواشف لزوم لها، وأحجام عينة كبيرة أو معدات ضخمة لتوزيع السوائل غمد. طرق تصنيع المطلوبة لجعل أجهزة acoustofluidic هي واضحة والإجراءات المطلوبة لتشغيلها وسهلة الاستعمال. ونحن نأمل أن تكون هذه الإجراءات تشجيع التنمية على نطاق واسع من الأجهزة المماثلة لتحفيز مجالات جديدة للبحث عن التطبيقات عبر مواد العلوم، والتكنولوجيا الحيوية والطب.
Disclosures
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 |
|
|||
| Thickness: 1 | |||
|
|||
| 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).
