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.

Engineering

Fabricage en werking van Acoustofluidic Devices Ondersteunend Bulk Acoustic Staande golven voor Sheathless scherpstellen van Deeltjes

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 apparaten maken gebruik van ultrasone golven binnen microfluïdische kanalen te manipuleren, te concentreren en te isoleren geschorst micro- en nanoscopische entiteiten. Dit protocol beschrijft de vervaardiging en werking van een dergelijk apparaat dat bulk akoestische staande golven deeltjes centrale stroomlijn richten zonder de hulp van de ommanteling vloeistoffen.

Abstract

Acoustophoresis verwijst naar de verplaatsing van de opgehangen voorwerpen in reactie op gerichte krachten van geluidsenergie. Aangezien de opgehangen voorwerpen kleiner dan de invallende golflengte van geluid en de breedte van de vloeistofkanalen moet doorgaans tientallen tot honderden micrometer breed, acoustofluidic apparaten gebruiken meestal ultrasone golven gegenereerd uit een piëzo-elektrische omvormer pulserende bij hoge frequenties (in het megahertz range ). Op karakteristieke frequenties die afhankelijk van de geometrie van de inrichting, is het mogelijk om de vorming van staande golven die deeltjes langs de gewenste fluïdum stroomlijnen kunnen richten op een bulk flow induceren. Hier beschrijven we een werkwijze voor de vervaardiging van acoustophoretic apparaten van gewone materialen en clean room apparatuur. We representatieve resultaten voor de concentratie van deeltjes met een positieve of negatieve akoestische contrast factoren, die zich bewegen in de richting van de druk knooppunten of de buiken van de staande golven te tonen, respectively. Deze apparaten bieden enorme praktische nut voor grote aantallen microscopische entiteiten (bijvoorbeeld cellen) juist positioneren in stilstaande of stromende vloeistoffen voor toepassingen variërend van cytometry de montage.

Introduction

Acoustofluidic apparaten worden gebruikt om gerichte krachten op microscopisch kleine entiteiten (bijvoorbeeld deeltjes of cellen) voor hun concentratie, uitlijning, assemblage, opsluiting of scheiding binnen rustende vloeistoffen of laminaire flowstreams. ¹ Binnen deze brede klasse van apparaten uit te oefenen, kan krachten worden gegenereerd uit bulk akoestische staande golven, surface acoustic staande golven (SSAWs) ² of akoestische reizende golven. ³ Terwijl we ons richten op de fabricage en de werking van de apparaten die bulk akoestische staande golven, apparaten die SSAWs veel aandacht onlangs hebben gekregen vanwege hun vermogen om precies cellen te manipuleren langs vlakken ⁴ en snel sorteren cellen continu stromingskanalen. ⁵ apparaten ondersteunen van akoestische staande golven echter herschikken deeltjes op basis van de mechanische trillingen van de wanden van de inrichting die door een piëzo-elektrische omvormer die de staande golven in microfluïdische opwektholtes in geometrisch gedefinieerde resonantiefrequenties. Hierdoor kan het potentieel voor hogere druk amplitudes tegenover SSAW apparaten, en dus sneller acoustophoretic transport van microscopische entiteiten. ⁶

Deze staande golven bestaan uit een ruimtelijk periodieke reeks druk knooppunten en buiken, die zijn vastgesteld in positie als de druk oscilleert in de tijd. Deeltjes reageren op de staande golven door de overgang naar het druk nodes of buiken, afhankelijk van de mechanische eigenschappen van de deeltjes ten opzichte van het fluïdum en die aangeduid worden door de akoestische contrast factor:

waarbij de variabelen ρ en β vertegenwoordigen dichtheid en samendrukbaarheid en de subscripts p en ƒ vertegenwoordigt de hangende last (bijvoorbeeld deeltjes of cellen) en de vloeistof resp.7 Entiteiten die een positieve akoestisch contrast factor bezitten (bijv ɸ> 0) migreren naar de druk knooppunt (s); dat entiteiten die een negatieve akoestische contrast factor bezitten (dwz ɸ <0) migreren naar de druk buiken. ⁷ Terwijl de meerderheid van synthetische materialen (bv, polystyreen korrels) en cellen vertonen positieve akoestische contrast, elastomeer deeltjes gemaakt van siliconen gebaseerde materialen, ⁸ vette moleculen ⁹ of andere zeer elastische bestanddelen vertonen negatieve akoestische contrast in water. Elastomeerdeeltjes in acoustofluidic apparaten kunnen worden gebruikt om kleine moleculen te isoleren ¹⁰ en als middel om kunststofdeeltjes ¹¹ of cellen ¹² in de zin van discrimineren sortering beperken. ¹³

Acoustofluidic apparaten zijn meestal gemaakt van standaard materialen (bijv, silicium en glas) die voldoende stijfheid te hebben support een akoestische staande golf. In veel acoustofluidic toestellen (inclusief de hierin getoonde inrichting), wordt de lopende golf ontworpen om te resoneren bij de laagste harmonische modus, bestaande uit een halve golflengte staande golf verspreid over de breedte van het microkanaal. Deze configuratie heeft een druk knooppunt in het midden van het kanaal en druk buiken langs de omtrek van het kanaal. Eerder is aangetoond dat deze systemen kunnen worden gebruikt voor chip gebaseerde cytometrie toepassingen ^14-16 en toepassingen, variërend van het vangen van cellen om de concentratie van cellen. ^17,18

We beschrijven het proces van fabricage, methoden voor gebruik en representatieve prestatievermogen van een acoustofluidic apparaat dat bulk akoestische staande golven ondersteunt. Dit apparaat vereist een fotolithografie stap, een ets stap en één fusing stap om permanent te binden een glas "deksel" op de geëtste silicium substraat. We merken op dat andere acoustofluidic apparaten van akoestische staande golven steunen kunnen worden vervaardigd uit glas of kwarts capillairen gebonden aan piëzo-elektrische transducers, die elders is beschreven. ^19,20 silicium gebaseerde apparaten bieden de voordelen van robuustheid en controle over het stroomkanaal geometrie, die samen zorgen voor verschillende vormen van verwerking voor monsters bevattende suspensies van deeltjes en cellen. De apparaten zijn herbruikbaar mits ze goed worden schoongemaakt tussen gebruik (dat wil zeggen, door te spoelen het apparaat met buffers en detergenten).

Protocol

1. Fotolithografie Ontwerp de fotomasker met een geschikte software-pakket en het ontwerp voorleggen aan een gekwalificeerde fotomasker printer. 21 In een clean room faciliteit, gespoeld 6 "enkelzijdige gepolijst Si wafer met een gestage stroom van aceton (≥99.5%; zie Tabel 1) gevolgd door een gestage stroom van methanol (99,8%; zie Tabel 1). Droog de wafer door sproeien met N2-gas en het plaatsen van de wafer op een hete plaat bij 95 ° C gedurende 2 minuten. LET OP: De doping profiel en kristal oriëntatie van de wafers hebben geen invloed op de volgende procedures. Bescherm de trog buitenkant van de spin coater (in een standaard draai vacht kap) te bedekken met een vel Al folie en plaats de schone Si wafer op het midden van de vacuümklem in de spin coater om de wafel te beveiligen. Storten positieve fotoresist direct op het midden van de wafel Giet voorzichtig totdat de fotoresist omvat de meestevan de wafel. Let erop dat er geen luchtbellen in de fotoresist. OPMERKING: De exacte procedures Stappen 1,5-1,10 overeenkomen met de in tabel 1 fotoresist; verschillende procedures vereist voor verschillende fotolakken. Start het centrifugeren door het uitvoeren van de volgende procedures: Programmeer een snelheid van 300 rpm, een helling van 100 rpm / s en een rotatie tijd van 5 seconden tot het centrifugeren beginnen. Programma om een snelheid van 1800 tpm, een helling van 1000 rpm / sec, en een rotatie van 60 seconden gelijkmatig verspreiden van de fotoresist. Programma om een snelheid van 0 rpm, een helling van 1000 rpm / sec, en een rotatie van ongeveer 0 sec tot het centrifugeren sluiten. Laat het vacuüm op de boorkop en het gebruik van wafer pincet om de wafer van de boorkop te halen. Plaats de wafer op een hete plaat te bakken bij 110 ° C gedurende 165 sec. Opmerking: Deze stap wordt aangeduid als de "soft bake". Laad de fotomasker in de houder van een maskeraligner / fotolithografie machine. Bewerk de parameters van de machine fotolithografie een energie dosering van 1400 mJ / cm2 (bijvoorbeeld voor een output intensiteit van 13,5 mW / cm2, gebruik een belichtingstijd van ~103.7 sec) te verschaffen. Verwijder de photopatterned wafer uit de houder en plaats deze in een oplossing van de bijbehorende ontwikkelaar (zie tabel 1) gedurende 5 minuten. Verwijder de wafer van de ontwikkelaar, was de wafer met een gestage stroom gedeïoniseerd H2O en drogen met N2 gas. OPMERKING: Over-ontwikkeling kan leiden patronen te zwellen, terwijl onder ontwikkelende onvolledige verwijdering van het fotoresist aan de foto-gevormde eigenschappen kunnen leiden. Inspecteer de wafel onder een microscoop om de patronen gedrukt op het fotomasker overgedragen aan de fotolak te bevestigen. 2. Deep Reactive Ion Etching Plaats de foto-patroon Si wafer in de kamer van een diepereactief ionen etsen instrument en etsen de vloeistofkanalen op de Si wafel op de gewenste diepte etsen volgende standaard procedures. 22 Zorgvuldig de sample uit de kamer nadat het etsen is voltooid. Om overtollige fotolak van de wafel te verwijderen, voor te bereiden een grote bak met een oplossing van fotoresist remover (zie tabel 1) in een goed geventileerde hood gewijd aan het gebruik van oplosmiddelen en leg het op een hete plaat bij 65 ° C. Dompel de wafer in de fotoresist verwijderen oplossing en laten inwerken gedurende 1 uur. OPMERKING: Verschillende oplossingen kunnen worden gebruikt om fotolak verwijderen (bijvoorbeeld een oplossing van aceton (≥99.5%; zie Tabel 1) de fotoresist verwijderd door een nacht weken). Verwijder de wafer uit het bekerglas en spoel met wisselende stromen aceton (≥99.5%; zie tabel 1) en isopropylalcohol (≥99.7%; zie Tabel 1). Drogen van de wafel wet N2 gas. 3. Piranha Cleaning In een goed geventileerde kap (opgedragen aan het gebruik van zuren), stelt een piranha-oplossing door toevoeging van H 2 O 2 (30,0 gew% in water. Zie tabel 1) H 2 SO 4 (95,0-98,0%; zie Tabel 1) in een 1: 3 verhouding in een grote schone beker. LET OP: Piranha-oplossingen zijn zeer corrosief, zijn een sterke oxidator en zijn zeer gevaarlijk. Wees uiterst voorzichtig in het omgaan met piranha oplossingen en draag de juiste veiligheidsuitrusting. Dompel de ion geëtst wafer met de geëtste-functies naar boven en laat gedurende 5 minuten. Verwijder de wafer zorgvuldig en volledig te spoelen met gedemineraliseerd H 2 O. Re-Dompel de wafer in de piranha oplossing gedurende 2 minuten. Verwijder de wafer zorgvuldig en volledig te spoelen met een ruime gedemineraliseerd H 2 O. In een aparte goed geventileerde kap gewijd aan oplosmiddel gebruikt, was de wafer met een gestage stroom vanaceton (≥99.5%; zie Tabel 1) gevolgd door een gestage stroom van methanol (99,8%; zie tabel 1) en drogen van de wafel met N2 gas. Gooi de piranha-oplossing door het volgen van de juiste veiligheidsprocedures. 4. Bereid de borosilicaatglas Deksel Met behulp van een schrijver tool, etsen rechte lijnen in de borosilicaatglas rechthoekige segmenten maken (bijvoorbeeld, 8 x 4 cm 2). snap voorzichtig het glas naar de rechthoekige segmenten herstellen. Neem een van deze glazen segmenten en plaats het op een afgedrukte kopie van de gewenste vormgeving (met de werkelijke afmetingen) om de locatie van de inlaten en uitlaten markeren op het glas met een zwarte marker. Boor de inlaat- en uitlaatgaten in de borosilicaatglas. LET OP: De juiste veiligheidsuitrusting moet worden gedragen ten alle tijden. Bevestig een 1/8 "boor in de mond van de boor pers. Zet het glas segment rechthoekige bovenopeen Al plaat met gaten, zodat de markeringen op het glas boven de openingen in de Al plaat. Beveilig het glas op de Al plaat met tape. de transporteur voorzichtig zakken beginnen boren gaatjes in het glas en blijven de hendel zakken totdat het gat wordt gemaakt door het glas. Zodra het gat is voltooid, verwijdert u de tape en langzaam op te heffen het glas om het glas poeder te verwijderen. Plaats het glaspoeder in een bekerglas met water en gooi het gebruik van de juiste veiligheidsprocedures. droog voorzichtig het glas met een niet-pluizende absorberende doek en volgen dezelfde procedures (stappen 4.3.1-4.3.2) naar de andere inlaat en uitlaat gaten te boren. Volg dezelfde procedure (artikel 3, hierboven) om de rechthoekige glazen segment met piranha oplossing schoon te maken. LET OP: Piranha-oplossingen zijn zeer corrosief, zijn een sterke oxidator en zijn zeer gevaarlijk. Wees uiterst voorzichtig in het omgaan met piranha oplossingen en draag de juiste veiligheidsuitrusting. 5. Anode Bonding Met behulp van een schrijver gereedschap, etsen rechte lijnen in de Si wafel rond de omtrek van de microfluïdische chip zodanig dat deze iets kleiner dan de glazen rechthoekige segment (bijvoorbeeld 7 x 3 cm 2). Voorzichtig snap de wafel langs de geëtste lijnen. Spoel de Si segment met een gestage stroom van aceton (≥99.5%; zie Tabel 1) gevolgd door een gestage stroom van methanol (99,8%; zie Tabel 1). Plaats de wafer op een hete plaat bij 95 ° C gedurende 2 minuten te drogen. Met de geëtst-functies op de Si-segment naar boven, voorzichtig voeg de schone glazen op de top van de Si-segment en zorg ervoor dat de gaatjes goed uitgelijnd. flip zorgvuldig de segmenten en tegelijkertijd de gaten worden gehouden uitgelijnd. Omdat het glas segment groter is dan de Si-segment, zet de twee segmenten met dubbelzijdig tape waar de helft van de band stelt de verticale randen van de Si-segment en de andere helftvan de band stelt de overhangende glas. flip dan de segmenten opnieuw zodanig dat het glas segment geplaatst en plaats de segmenten op een metalen plaat op een hete plaat. Voeg voorzichtig een tweede metalen plaat (bijvoorbeeld staal) een voldoende zwaar gewicht (dwz ten minste 5 kg) direct naar de top van de samengestelde glas en Si segmenten. LET OP: Deze metalen plaat mag niet in contact komen met de Si segment of de geleidende tape. Met een hoogspanningsvoeding, sluit een leiding (vermogen) naar de metalen plaat bovenop de geassembleerde glas- en Si segmenten en de andere draad (aarde) naar beneden metalen plaat. Zet de spanning op de onderliggende hete plaat 1000 V. Controleer de aangelegde spanning met multimeter; op een probe tegen de bodemplaat en de andere probe tegen de bovenplaat. LET OP: De hoogspanning is uiterst gevaarlijk; wees niet naar de metalen platen of de aansluitdraden te raken. Laat de heteplaat bij 450 ° C gedurende 2 uur om het glas "deksel" geëloxeerde binding aan het Si-substraat mogelijk. Terug na 2 uur de hete plaat uit te schakelen, schakelt u de DC voeding en verwijder het apparaat uit de metalen platen. WAARSCHUWING: De metalen platen zeer heet tijdens en na de hechting proces, dus laat de materialen afkoelen ten minste 1 uur na het uitschakelen van de hete plaat. 6. finaliseren van de Acoustofluidic Device Schraap het oppervlak van het glas met een scheermes vuil door de anodische binding te verwijderen en het oppervlak van het glas met aceton gereinigd. Bereid een vel van polydimethylsiloxaan (PDMS) ongeveer 5 mm dik en knip meerdere kleine, vierkante platen ongeveer 10 x 10 mm 2 (zie tabel 1). 23 Gebruik een 3 mm biopsie punch een gat gesneden in het midden van elke plaat PDMS teneinde de siliconenslang steek doorheen. Leg de plakken direct boven het gats op het glassubstraat en lijm de platen met epoxy. LET OP: Wees voorzichtig met te veel lijm niet te gebruiken aangezien het de gaten van het apparaat af te sluiten. lijm voorzichtig loodzirconaattitanaat (PZT) transducer en Si segment aan de achterkant van het apparaat, midden-onder het microkanaal. Soldeer twee draden aan de twee geleidende gebieden op de PZT transductor. Zorg ervoor dat de draden stevig bevestigd zijn aan de PZT transducer. Plaats de siliconen slang door de gaten in de platen van PDMS en voeg extra lijm over platen en buizen de bevestiging te verzekeren. 7. Bediening van de Acoustofluidic Device Stevig monteren van het apparaat op een microscoop podium met de microkanaal direct onder de doelstelling. LET OP: Zorg ervoor dat de PZT transducer heeft contact met het podium niet te maken door het plaatsen van een kleine insert onder het apparaat. Met behulp van gestandaardiseerde connectors, sluit de silicone buizen uit de outlets van de inrichting te spuiten vastgezet op spuitpompen. LET OP: Deze configuratie is bedoeld voor "intrekking mode"; spuitpompen kan ook worden gebruikt om het monster in het apparaat te injecteren. Plaats de siliconenslang leidt naar de inlaat van de inrichting in een flacon met het fluïdummonster (bijvoorbeeld een suspensie van polystyreen kralen of cellen). Plaats de flacon met het vloeistofmonster op een roerplaat continu meng het monster en zorgen dat een constante concentratie van deeltjes of cellen in de loop van het experiment gehandhaafd. De draden van de PZT transductor met de uitgang van een eindversterker in serie met een functiegenerator. Programmeer de instellingen van de functiegenerator (bv piek-tot-piek spanning en frequentie) en bewaakt het uitgangssignaal van de versterker met een oscilloscoop. Schakel de functiegenerator en eindversterker beginnen aansturen van de PZT transductor. 6 Om de resonantiefrequentie van het apparaat te schatten, volgt de vergelijking c = λ * ƒ, waarbij c de geluidssnelheid van het medium (dat wil zeggen, water), λ de golflengte en akoestische ƒ is de frequentie van de PZT transductor. Bij een halve golflengte harmonische (die we zien in de representatieve resultaten sectie), moet de breedte van het microkanaal halve lengte van de staande golf worden. Gebruik een piek-piekspanning omgeving binnen het bereik van 0-50 V. Opmerking: Een toename van de aangelegde spanning tot hogere druk amplitudes en dus snellere acoustophoresis. Schakel de microscoop en zorgen voor de microfluïdische kanaal is duidelijk in focus. Schakel de injectiespuitpomp om stroming toe te passen en het monster in de inrichting voeren. Controleer de entiteiten die door het toestel met de microscoop op fluorescentiemodus. Zorg ervoor dat het apparaat efficiënt richt particles door aanpassing van de piek-tot-piek spanning op de PZT transductor de druk amplitude wijzigen toegevoerd en door het uitvoeren van een frequentiezwaai bij de verwachte resonantiefrequentie de empirische resonantiefrequentie identificeren.

Representative Results

We hebben de acoustofluidic toestel een trifurcating inlaat, een hoofdkanaal met een breedte van 300 pm en een trifurcating uitlaat (Figuur 1 A – B) bevatten. We merken dat we alleen één inlaat voor alle experimenten in dit onderzoek (dat wil zeggen, tot sheathless bereiken concentreren van deeltjes via akoestische straling krachten) door het blokkeren van de andere inlaten met verwijderbare pluggen. Naar aanleiding van de hierboven beschreven procedures, gebouwd we een chip bezit van een kanaal breedte van 313 micrometer, met een fout van ~ 4% als gevolg van onvolkomenheden in de microfabrication proces (figuur 1C – D). Gebruikten we het apparaat bij een aandrijffrequentie van 2,366 MHz een halve golflengte harmonische staande golf te induceren. We gebruikten een signaalgenerator aangesloten op een versterker met de hoge frequentie genereert sinusvormige golfvorm aan de PZT tr bedienenansducer. We gebruikten een oscilloscoop aan de piek-tot-piek uitgangsspanning (Vpp) afkomstig van de eindversterker naar de betrouwbaarheid van de signaalvorm en amplitude verifiëren meten. Met behulp van een spuitpomp, we eerst geïnjecteerd een suspensie van groen fluorescerend polystyreenkorrels met een snelheid van 100 pl / min zonder bediening van de PZT transductor als een negatieve controle (Figuur 2A). Vervolgens hebben we de inrichting bediend bij 2,366 MHz een halve golflengte staande golf over de breedte van het microkanaal (Vpp = 40 V, figuur 2B) vormen. Wij vonden dat deze deeltjes, die een positieve akoestisch contrast factor, gericht langs de druk knooppunt zoals verwacht. 6 Ook geïnjecteerd fluorescerende deeltjes met een negatieve akoestisch contrast factor (bijv ɸ ≈ -0,88, gesynthetiseerd uit een eerder beschreven werkwijze) 8 om te controleren of onze apparaat hun concentratie zou kunnen veroorzaken aan de druk buiken ( <strong> figuur 2C). Tenslotte hebben we de mate van fokussering van deeltjes met een positieve akoestisch contrast factor bij verschillende stroomsnelheden (namelijk 0 tot 1000 ul / min zoals geregeld door een spuitpomp) en spanningen (dwz 0-50 Vpp). Video bestaat uit 15 frames werden verzameld voor elke conditie. ImageJ software werd gebruikt om vijf proeven van de fluorescentie-intensiteit profiel over de breedte van het microkanaal. Een numerieke computerprogramma dat werd gebruikt om de intensiteit profielen gemiddeld voor elke voorwaarde en de gemiddelde gegevens met een inline filterprogramma glad. Zoals verwacht, de mate van deeltje gericht (dat wil zeggen, zoals bepaald door de breedte van de fluorescentie piek, die overeenkomt met de breedte van de deeltjesstroom) af met toenemende stroomsnelheden (Figuur 3A). We vonden ook dat de mate van focussering deeltjes nam toe met toenemende aangelegde spanningen (Figuur 3B). Figuur 1:. Acoustofluidic apparaat dat gebruik maakt van akoestische staande golven schematische aanzichten van de bovenste (A) en bodem (B) van een inrichting bestaande uit een geëtste siliciumsubstraat gefuseerd met een boorsilicaatglas "deksel", polydimethylsiloxaan (PDMS) blokken verbonden silicone slangen en een piëzo gesoldeerd aan draden vastgelijmd aan de onderzijde van het apparaat. Foto's van de top (C) en de bodem (D) van het apparaat worden ook getoond. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 2: Akoestische focussering vandeeltjes met positieve en negatieve akoestische contrast factoren. (A) Voorafgaand aan de bediening van de loodzirkonaat titanaat (PZT) transducer, deeltjes met een positieve akoestische contrast factor (10 urn, geel-groen polystyreen korrels) stromen bij 100 pl / min bezette breedte van het microkanaal. (B) na de PZT transductor wordt geactiveerd (Vpp = 40 V en ƒ = 2,366 MHz), de deeltjes van (A) getoond richten langs de druk knoop van de staande golf. (C) Deeltjes met een negatieve akoestische contrast factor gericht langs de druk buiken van de staande golf in de afwezigheid van toegepaste stroom (V pp = 40 V en ƒ = 2,366 MHz). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. <img alt = "Figuur 3" src = "/ files / ftp_upload / 53861 / 53861fig3.jpg" /> Figuur 3:. Scherpstelling van een acoustofluidic inrichting Fluorescentie intensiteit percelen polystyreenkorrels (figuur 2A – B) worden getoond (A) verschillende stroomsnelheden (van 0 tot 1000 ul / min) met een constante piek-to- piek spanning van 40 V en (B) de verschillende toegepaste voltages (variërend van 0 tot 50 Vpp) met een constante snelheid van 100 ul / min. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

Acoustophoresis biedt een eenvoudige en snelle benadering nauwkeurig regelen microscopische entiteiten in vloeibare microkanalen zonder huls van fluïda gebruikt hydrodynamische focusing benaderingen. ²⁴ Deze apparaten bieden een aantal voordelen boven andere werkwijzen deeltje of cel manipulatie (bijv magnetophoresis, ^25,26 dielectrophoresis ²⁷ of inertie forceren ²⁸⁾ als gevolg van hun vermogen om entiteiten verwerken zonder hoge magnetische gevoeligheden, elektrische polariseerbaarheden of een smalle grootte dispersiteit. Verder kan de nadruk knooppunten van een akoestische staande golf ver worden geplaatst van de bron van opwinding, dat is iets dat niet mogelijk is door statische magnetische of elektrische velden als per stelling Earnshaw's. ²⁹ Een bijkomend voordeel is dat de akoestische apparaten deeltjes over kunnen richten uiteenlopende toegepaste stroomsnelheden en onafhankelijk van de stroomrichting, waarbij in tha inrichtingen niet mogelijk ist afhankelijk traagheidskrachten voor het scherpstellen, ²⁸ die het mogelijk maakt deeltjes of cellen voor verbeterde deeltje inspectie efficiënt transporteren voor toepassingen zoals flowcytometrie en deeltjesgrootte. ^30,31 Het gemak van fabricage en werking inrichting kan direct zorgen voor de uitvoering van soortgelijke apparaten voor het scherpstellen, het concentreren, het fractioneren en sorteren objecten gesuspendeerd in vloeistoffen. ³²

We hebben aangetoond dat de primaire straling krachten, welke krachten het sterkst door akoestische staande golven, ¹ kunnen micropartikels die door een microfluïde kanaal met stroomsnelheden van meer dan 10 ml / uur gedurende één opening ontwerpfocus. Voor een vaste stroomsnelheid van 100 pl / min, laten we ons apparaat deeltjes kan richten in een smalle stroomlijn (bijvoorbeeld 50 urn diameter) zonder mantel vloeistoffen bij spanningen zo laag als 20 V piek-tot-piek, die een lage -power werkwijze voor de batchgewijze concentratie van 10 miljoen particli / min bij het verwerken dichtbevolkte geconcentreerde oplossingen (bijvoorbeeld 6 x 10 ⁸ deeltjes / ml), als voorbeeld. Bovendien kan deze verwerkingscapaciteit drastisch verhoogd vervaardigen van meerdere openingen acoustofluidic chips of kanalen die worden aangestuurd met hogere harmonischen te stellen evenwijdige knooppunten produceren. ³³

Hoewel de hier getoonde inrichting slechts materialen en methoden van conventionele microfabricage vereist benadrukken wij dat er een handvol andere technieken die kunnen worden gebruikt voor het construeren soortgelijke voorzieningen. ^19,34,35 Voordelen van deze aanpak zijn de eenvoud en de duurzaamheid van het uiteindelijke inrichting.

De kritische stappen voor de vervaardiging van deze inrichtingen omvatten fotolithografie om de geometrie van het microkanaal, reactief ionen etsen definiëren het kanaal in het silicium en anodische binding vormen aan het siliciumatoom een transparent "deksel" smelten voor waarneming door fluorescence microscopie. Al deze stappen vereisen cleanroom faciliteiten om het verzamelen van stof of vuil in het apparaat te voorkomen. Nadat deze stappen zijn voltooid, echter, het binden van een PZT transductor en vloeibare poorten zijn relatief eenvoudig en buiten een cleanroom kan worden uitgevoerd.

Echter, een goede behandeling van de inrichting is essentieel voor de lange levensduur. Dit omvat (1) het incuberen van het apparaat passiverende reagentia (bijvoorbeeld, poly (ethyleenglycol) silaan) voorafgaande aan elk experiment om het kanaal residu opbouw en (2) spoelen van de inrichting beschermen reinigingsmiddelen na elk experiment. Ophoping van vuil kan de trouw van de akoestische staande golf kan beschadigen en kan het vermogen om efficiënt deeltjes of cellen die zich richten op het apparaat te verminderen. We stellen ook vast dat deze apparaten zijn niet goed geschikt voor zeer polydisperse monsters of monsters die entiteiten naderen de helft van de grootte van de staande golf.

Acoustofluidic nicatieapparatuur enorm nut voor uiteenlopende toepassingen variërend van colloïdale samenstel celscheiding en flowcytometrie. De mogelijkheid om biologische monsters te verwerken met een precisie bij hoge stroomsnelheden kunnen zorgen voor de mogelijkheid van een verhoogde doorvoer door deze microfluïdische apparaten, terwijl het verminderen van de kosten van overbodige reagentia, grote steekproef volumes of omvangrijke apparatuur voor het afgeven schede vloeistoffen. De fabricage methoden die nodig zijn om acoustofluidic apparaten te maken zijn eenvoudig en die nodig zijn voor hun werking procedures zijn gebruiksvriendelijk. We hopen dat deze procedures zullen de grootschalige ontwikkeling van soortgelijke apparaten aan te moedigen om nieuwe onderzoeksgebieden te katalyseren voor toepassingen in materiaalkunde, biotechnologie en geneeskunde.

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

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

Cite This 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).

Automatically Generated