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

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Engineering

Fabrication et fonctionnement de Acoustofluidic Dispositifs de support en vrac ondes acoustiques permanents pour introducteur Mise au point des particules

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

dispositifs Acoustofluidic utilisent des ondes ultrasonores dans les canaux microfluidiques pour manipuler, se concentrer et d'isoler micro suspendu et entités nanoscopiques. Ce protocole décrit la fabrication et le fonctionnement d'un tel dispositif de support des ondes stationnaires acoustiques de volume pour se concentrer des particules dans une ligne de courant central sans l'aide de fluides de gaine.

Abstract

Acoustophorèse se réfère au déplacement des objets en suspension en réponse aux forces directionnelles de l'énergie sonore. Étant donné que les objets suspendus doivent être plus petite que la longueur d'onde incidente du son et de la largeur des canaux fluidiques sont typiquement des dizaines à des centaines de micromètres de diamètre, dispositifs acoustofluidic utilisent généralement des ondes ultrasonores générées par un transducteur piézoélectrique pulsatoire à hautes fréquences (dans la gamme de mégahertz ). À des fréquences caractéristiques qui dépendent de la géométrie du dispositif, il est possible d'induire la formation d'ondes stationnaires qui peuvent concentrer les particules le long de lignes de courant fluidiques désirées dans un flux en vrac. Ici, nous décrivons un procédé pour la fabrication de dispositifs acoustophoretic de matériaux courants et des équipements de salle blanche. Nous montrons des résultats représentatifs pour la focalisation des particules avec des facteurs de contraste acoustiques positives ou négatives, qui se déplacent vers les nœuds de pression ou des ventres des ondes stationnaires, respectively. Ces dispositifs offrent un énorme utilité pratique pour positionner avec précision un grand nombre d'entités microscopiques (par exemple, des cellules) en stationnaire ou fluides circulant pour des applications allant de cytométrie à l' assemblage.

Introduction

Dispositifs Acoustofluidic sont utilisés pour exercer des forces directionnelles sur des entités microscopiques (par exemple, des particules ou des cellules) pour leur concentration, l' alignement, l' assemblage, le confinement ou de séparation dans les fluides au repos ou flowstreams laminaires. ¹ Dans cette vaste classe de dispositifs, les forces peuvent être générés en vrac ondes stationnaires acoustiques, de surface d' ondes stationnaires acoustiques (SSAWs) ² ou déplacement ondes acoustiques. ³ Alors que nous nous concentrons sur la fabrication et le fonctionnement des dispositifs de soutien des ondes stationnaires acoustiques de volume, les dispositifs de soutien SSAWs ont reçu beaucoup d' attention récemment en raison de leur capacité à manipuler précisément les cellules le long des surfaces ⁴ et rapidement trier les cellules dans des canaux d'écoulement continu. ⁵ dispositifs de support des ondes stationnaires acoustiques de volume, toutefois, réarranger des particules sur la base des vibrations mécaniques des parois du dispositif généré par un transducteur piézoélectrique qui excite les ondes stationnaires dans microfluidiquedes cavités de résonance à des fréquences définies géométriquement. Cela permet le potentiel pour générer des amplitudes de pression plus élevées par rapport aux dispositifs de SSAW, et le transport ainsi, acoustophoretic plus rapide des entités microscopiques. ⁶

Ces ondes stationnaires consistent en un ensemble spatialement périodique des noeuds et des ventres de pression, qui sont fixés en position que la pression oscille dans le temps. Les particules répondent aux ondes stationnaires en faisant migrer vers les nœuds de pression ou ventres, en fonction des propriétés mécaniques des particules par rapport au fluide, et qui sont décrites par le facteur de contraste acoustique:

dans laquelle les variables ρ et β représentent la densité et la compressibilité et les indices p et ƒ représentent l'objet en suspension (par exemple, une particule ou une cellule) et le fluide, respectivement.7 Les entités qui possèdent un facteur de contraste positif acoustique (c. -à ɸ> 0) migrent vers le noeud (s) de pression; alors, les entités qui possèdent un facteur négatif de contraste acoustique (ie, ɸ <0) migrent vers les ventres de pression. ⁷ Bien que la majorité des matériaux synthétiques (par exemple, des billes de polystyrène) et les cellules présentent contraste acoustique positif, des particules élastomères fabriqués à partir de base de silicone matériaux, ⁸ molécules de gras ⁹ ou d' autres constituants hautement élastiques présentent contraste acoustique négative dans l' eau. Des particules élastomériques dans des dispositifs acoustofluidic peuvent être utilisés pour isoler et de petites molécules ¹⁰ comme des moyens pour confiner des particules synthétiques ou des cellules ¹¹ ¹² pour l'application de tri de la discrimination. ¹³

Dispositifs Acoustofluidic sont généralement fabriqués à partir de matériaux standard (par exemple, du silicium et du verre) qui ont une rigidité suffisante pour suPPort une onde stationnaire acoustique. Dans de nombreux dispositifs acoustofluidic (y compris le dispositif représenté ici), les ondes mécaniques sont conçus pour résonner à la mode harmonique le plus bas, qui est constitué d'une onde stationnaire demi-longueur d'onde couvrant la largeur de microcanal. Cette configuration présente un noeud de pression au centre du canal et de pression le long des ventres pourtours du canal. Il a été montré précédemment que ces systèmes peuvent être utilisés pour des applications de cytométrie à puce ^14-16 et des applications allant de piégeage des cellules à la concentration des cellules. ^17,18

Nous décrivons le processus de fabrication, les méthodes d'utilisation et des capacités de performance représentatives d'un dispositif acoustofluidic qui prend en charge les ondes stationnaires acoustiques de volume. Ce dispositif nécessite une étape de photolithographie, une étape d'attaque chimique et une étape de fusion pour lier de manière permanente un verre "couvercle" du substrat de silicium gravé. Nous notons que d'autres acoustofluidides dispositifs de c qui prennent en charge les ondes stationnaires acoustiques de volume peuvent être fabriqués à partir de tubes capillaires en verre ou en quartz liés à des transducteurs piézo – électriques, qui sont décrits ailleurs. ^19,20 dispositifs à base de silicium offrent des avantages de robustesse et de contrôle de la géométrie du canal d'écoulement, qui permettent ensemble de nombreux types de traitement pour les échantillons contenant des suspensions de particules et de cellules. Les appareils sont réutilisables à condition qu'ils soient correctement nettoyés entre les utilisations (c. – en rinçant le dispositif avec des tampons et des détergents).

Protocol

1. photolithographie Concevoir le photomasque en utilisant un logiciel approprié et soumettre la conception à une imprimante photomasque qualifié. 21 Dans une salle blanche, rincer un seul côté 6 "poli Si wafer avec un flux régulier d'acétone (≥99.5 de%; voir le tableau 1) suivi d'un flux régulier de méthanol (99,8%; voir le tableau 1). Sécher la plaquette par pulvérisation avec du gaz N2 et à placer la tranche sur une plaque chauffante à 95 ° C pendant 2 min. NOTE: Le profil de dopage et de l'orientation cristalline des plaquettes ne modifie pas les procédures suivantes. Protéger le creux extérieur de la tournette (dans un manteau capuche de spin standard) en couvrant avec une feuille de Al feuille et placer la propre tranche de Si sur le centre du mandrin à vide dans la tournette pour fixer la plaquette. Déposer photorésist positif directement sur le centre de la plaquette en le versant avec précaution jusqu'à ce que la résine photosensible couvre la plupartde la plaquette. Prenez soin de vous assurer qu'il n'y a pas de bulles dans la résine photosensible. REMARQUE: Les procédures exactes dans les étapes de 1,5 à 1,10 correspondent à la résine photosensible montré dans le tableau 1; différentes procédures peuvent être nécessaires pour les différentes résines photosensibles. Démarrez le cycle d'essorage en effectuant les procédures suivantes: Programmer une vitesse de 300 tours par minute, une rampe de 100 rpm / sec, et un temps de rotation de 5 secondes pour commencer le cycle d'essorage. Programme à une vitesse de 1800 tours par minute, une rampe de 1000 tours par minute / seconde et un temps de centrifugation de 60 secondes pour étaler uniformément la résine photosensible. Programme à une vitesse de 0 rpm, une rampe de 1000 rpm / sec, et un temps de rotation de 0 sec pour conclure le cycle d'essorage. Relâchez le vide sur le mandrin et utiliser des pinces de gaufrettes pour récupérer la plaquette du mandrin. Ensuite, placez la plaquette sur une plaque chaude pour cuire au four à 110 ° C pendant 165 sec. NOTE: Cette étape est appelée la "cuisson douce". Chargez le photomasque dans le support d'un masquealigneur / machine de photolithographie. Modifier les paramètres de la machine de photolithographie pour fournir une dose d'énergie de 1 400 mJ / cm 2 (par exemple, pour une intensité de sortie de 13,5 mW / cm2, en utilisant un temps d'exposition de ~103.7 sec). Retirer la plaquette photopatterned du support et placez – le dans une solution de son développeur correspondante (voir le tableau 1) pendant 5 min. Retirez la plaquette du développeur, laver la tranche avec un flux régulier de H 2 O désionisée et la sécher avec du gaz N2. REMARQUE: Over-développement peut entraîner des motifs à gonfler, tandis que sous-développement peut entraîner une élimination incomplète de la résine le long des fonctionnalités photo à motifs. Inspecter la plaquette sous un microscope afin de confirmer les motifs imprimés sur le photomasque a été transférée à la résine photosensible. 2. Deep Reactive Ion Etching Chargez la photo à motif Si plaquette dans la chambre d'une profondeInstrument de gravure ionique réactive et graver les canaux fluidiques dans la tranche de silicium jusqu'à la profondeur désirée en suivant des procédures de gravure standard. 22 décharger soigneusement l'échantillon de la chambre après le processus de gravure est terminée. Pour éliminer l' excès de résine photosensible de la plaquette, préparer un grand bêcher avec une solution de résine photosensible décapant (voir le tableau 1) dans une hotte bien ventilée dédié au solvant utilisé et le placer sur une plaque chaude à 65 ° C. Immerger la plaquette dans la solution d'élimination de résine photosensible et laissez-le tremper pendant 1 heure. NOTE: Les solutions différentes peuvent être utilisées pour enlever photosensible (par exemple, une solution d'acétone (≥99.5%; voir le tableau 1) peut enlever la résine photosensible par trempage pendant la nuit). Retirez la plaquette du bécher et rincer avec flux alternés d'acétone (≥99.5 de%; voir le tableau 1) et d' alcool isopropylique (≥99.7 de%; voir le tableau 1). Sécher la tranche with gaz N 2. 3. Piranha Nettoyage Dans une hotte bien ventilée (dédiée à l'utilisation d'acides), préparer une solution de piranha en ajoutant H 2 O 2 (30,0% en poids dans l' eau;. Voir le tableau 1) à H 2 SO 4 (95,0 à 98,0%; voir le tableau 1) dans un rapport 1: 3 dans un grand bêcher propre. ATTENTION: solutions Piranha sont très corrosifs, sont un comburant fort et sont très dangereux. Prenez un soin extrême dans le traitement de solutions de piranhas et de porter l'équipement de sécurité approprié. Immerger la tranche d'ions gravé avec les caractéristiques-gravées vers le haut et laisser reposer pendant 5 min. Retirez délicatement la plaquette et rincer complètement avec H 2 O. désionisée Re-submergent la plaquette dans la solution de piranha pendant 2 min. Retirez délicatement la plaque et rincer complètement avec copieux H désionisée 2 O. Dans une hotte bien ventilée séparée dédiée au solvant utilisation, lavez la tranche avec un flux régulier deacétone (≥99.5%; voir le tableau 1) suivi d'un flux régulier de méthanol (99,8%; voir le tableau 1) et sécher la plaquette avec du gaz N2. Éliminer la solution de piranha en suivant les procédures de sécurité appropriées. 4. Préparer le couvercle en verre borosilicate L' utilisation d' un outil de scribe, graver des lignes droites dans le verre borosilicate pour créer des segments rectangulaires (par exemple, 8 x 4 cm 2). casser délicatement le verre pour récupérer les segments rectangulaires. Prenez un de ces segments de verre et le placer sur le dessus d'une copie imprimée de la conception souhaitée (avec les dimensions réelles) pour marquer l'emplacement des entrées et des sorties sur le verre avec un marqueur noir. Percer les trous d'entrée et de sortie dans le verre de borosilicate. REMARQUE: l'équipement de sécurité approprié doit être porté en tout temps. Correction d'un "mèche de 1/8 dans la bouche de la perceuse. Placez le segment rectangulaire en verre sur le dessus deune plaque Al avec des trous percés de telle sorte que les marques sur le verre sont au-dessus des trous de la plaque Al. Fixer le verre sur la plaque Al avec du ruban adhésif. abaisser soigneusement la poignée d'alimentation pour commencer le forage de petits trous dans le verre et continuer d'abaisser la poignée jusqu'à ce que le trou est réalisé à travers le verre. Une fois le trou terminé, retirez le ruban et soulevez lentement le verre pour enlever la poudre de verre. Placez la poudre de verre dans un bécher avec de l'eau et jeter en utilisant les procédures de sécurité appropriées. Séchez soigneusement le verre avec un chiffon absorbant non pelucheux produire et suivre les mêmes procédures (étapes 4.3.1-4.3.2) pour percer les autres trous d'entrée et de sortie. Suivre la même procédure (Section 3, ci-dessus) pour nettoyer le segment rectangulaire en verre avec une solution de piranha. ATTENTION: solutions Piranha sont très corrosifs, sont un comburant fort et sont très dangereux. Prenez un soin extrême dans le traitement de solutions de piranhas et de porter l'équipement de sécurité approprié. 5. anodique Bonding À l' aide d' un outil de découpe, la gravure des lignes droites dans la tranche de silicium autour du périmètre de la puce microfluidique telle sorte qu'il soit légèrement plus petit que le segment de verre rectangulaire (par exemple, 7 x 3 cm 2). encliqueter soigneusement la plaquette le long des lignes gravées. Rincer le segment Si avec un flux régulier de l' acétone (≥99.5%; voir le tableau 1) suivi d'un flux régulier de méthanol (99,8%; voir le tableau 1). Placer la plaque sur une plaque chauffante à 95 ° C pendant 2 minutes pour sécher. Avec les caractéristiques-gravées sur le segment Si tourné vers le haut, ajouter avec précaution le verre propre au-dessus du segment Si et assurez-vous que les trous soient alignés correctement. retourner avec précaution les segments tout en assurant que les trous sont maintenus alignés. Étant donné que le segment de verre est plus grande que le segment Si, fixer les deux segments avec du ruban adhésif double face, où la moitié de la bande fixe les bords verticaux du segment Si et l'autre moitiéde la bande assure le verre en surplomb. Puis retournez les segments à nouveau tels que le segment de verre est sur le dessus, et placer les segments sur le dessus d'une plaque de métal sur une plaque chauffante. Ajouter avec précaution une seconde plaque de métal (par exemple, l' acier) d'un poids suffisamment lourd (ie, au moins 5 kg) directement sur le dessus du verre assemblé et segments Si. NOTE: Cette dalle de métal ne doit pas être en contact avec le segment Si ou la bande conductrice. En utilisant une alimentation électrique à haute tension, relier un conducteur (puissance) de la plaque de métal au-dessus du verre assemblé et les segments Si et l'autre conducteur (masse) à la plaque métallique inférieure. Tourner la tension sur la plaque chauffante sous-jacente à 1000 V. Vérifiez la tension appliquée à l'aide d'un multimètre; appuyez sur une sonde contre la plaque de fond et l'autre sonde contre la plaque supérieure. ATTENTION: La haute tension est extrêmement dangereux; attention à ne pas toucher les plaques métalliques ou les fils de connexion. Laissez le chaudplaque à 450 ° C pendant 2 heures pour permettre au verre "couvercle" pour anodique liaison au substrat Si. Retour après 2 heures pour éteindre la plaque chauffante, coupez l'alimentation en courant continu et retirer le dispositif de dalles métalliques. AVERTISSEMENT: Les plaques métalliques sont extrêmement chaudes pendant et après le processus de liaison, afin de permettre aux matériaux refroidir pendant au moins 1 heure après avoir éteint la plaque chaude. 6. Finaliser le périphérique Acoustofluidic Racler la surface du verre avec une lame de rasoir pour éliminer la crasse produite par le collage anodique et nettoyer la surface du verre avec de l'acétone. Préparer une feuille de polydiméthylsiloxane (PDMS) d' environ 5 mm d' épaisseur et couper plusieurs petites dalles carrées d' environ 10 x 10 mm 2 (voir le tableau 1). 23 Utilisez une biopsie poinçon 3 mm pour couper un trou dans le centre de chaque dalle PDMS afin d'insérer le tube de silicone à travers elle. Placez les dalles directement sur le trous sur le substrat en verre et la colle des dalles d'époxy. REMARQUE: Veillez à ne pas utiliser trop de colle car il obturer les trous du dispositif. coller soigneusement le titanate zirconate de plomb (PZT) transducteur pour le segment Si sur le côté arrière de l'appareil, centrée sous le microcanal. Souder deux fils aux deux zones conductrices sur le transducteur PZT. Veillez à ce que les fils sont solidement fixés au transducteur PZT. Insérer le tube de silicone à travers les trous dans les plaques de PDMS et d'ajouter de la colle supplémentaire autour des dalles et du tube pour assurer leur fixation. 7. Utilisation du dispositif Acoustofluidic Fixer solidement le dispositif sur une platine de microscope avec le micro-canal directement au-dessous de l'objectif. REMARQUE: Vérifiez que le transducteur PZT ne fait pas contact avec la scène en plaçant un petit insert en dessous du dispositif. Utilisation des connecteurs standardisés, relier les tubes de silicone de la outlets du dispositif à seringues sécurisées sur les pompes à seringues. REMARQUE: Cette configuration est destinée à "mode de retrait»; pompes à seringues peuvent également être utilisés pour injecter l'échantillon dans le dispositif. Placer le tube de silicone conduisant à l'entrée du dispositif dans un flacon contenant l'échantillon de fluide (par exemple une suspension de billes de polystyrène ou des cellules). Placer le flacon contenant l'échantillon de fluide sur une plaque d'agitation pour mélanger en continu l'échantillon et de veiller à ce qu'une concentration constante de particules ou de cellules est maintenue pendant toute la durée de l'expérience. Connecter les fils du transducteur PZT à la sortie d'un amplificateur de puissance en série avec un générateur de fonctions. Programmer les paramètres du générateur de fonction (par exemple, la tension de crête à crête et de fréquence) , et surveiller le signal de sortie de l'amplificateur à l' aide d' un oscilloscope. Activer le générateur de fonction et l' amplificateur de puissance pour commencer l' actionnement du transducteur PZT. 6 Pour estimer la fréquence de résonance du dispositif, suivent l'équation c = λ * ƒ, où c est la vitesse du son dans le milieu ( par exemple, eau), λ est la longueur d' onde acoustique et ƒ est la fréquence du transducteur de PZT. Dans le cas d'une demi-longueur d'onde harmonique (que nous montrons dans la section des résultats représentatifs), la largeur des microcanaux devrait être la moitié de la longueur de l'onde stationnaire. Utilisez un réglage de crête à crête de tension dans la plage de 0-50 V. Remarque: Une augmentation des résultats de tension appliqués à des amplitudes de pression supérieures, et ainsi, acoustophorèse plus rapide. Allumez le microscope et d'assurer le canal microfluidique est clairement mise au point. Allumez la pompe à seringue pour appliquer le flux et d'introduire l'échantillon dans le dispositif. Surveiller les entités circulant à travers le dispositif avec le microscope en mode de fluorescence. Vérifiez que le dispositif se concentre efficacement particles en ajustant la tension de crête à crête fournie au transducteur PZT pour modifier l'amplitude de la pression et en effectuant un balayage de fréquence proche de la fréquence de résonance attendue pour identifier la fréquence de résonance empirique.

Representative Results

Nous avons conçu le dispositif acoustofluidic pour contenir une entrée trifurcating, un canal principal avec une largeur de 300 um et une sortie trifurcating (Figure 1A – B). Nous notons que nous avons seulement utilisé une entrée pour toutes les expériences dans cette étude (c. – à réaliser introducteur focalisation des particules par les forces de rayonnement acoustique) en bloquant les autres entrées avec des bouchons amovibles. En suivant les procédures décrites ci – dessus, nous avons construit une puce possédant une largeur de canal de 313 um, avec une erreur de ~4% en raison des imperfections au cours du processus de microfabrication (Figure 1C – D). Nous avons opéré le dispositif à une fréquence d'entraînement de 2.366 MHz pour induire une onde stationnaire harmonique demi-longueur d'onde. Nous avons utilisé un générateur de signal connecté à un amplificateur de puissance pour générer la forme d'onde sinusoïdale à haute fréquence pour actionner le tr PZTansducer. Nous avons utilisé un oscilloscope pour mesurer la tension de crête à crête sortie (V pp) généré à partir de l'amplificateur de puissance afin de vérifier la fidélité de la forme du signal et de l' amplitude. En utilisant une pompe à seringue, on injecte d' abord une suspension de billes de polystyrène vertes fluorescentes à un débit de 100 ul / min sans actionnement du transducteur PZT en tant que témoin négatif (figure 2A). Ensuite, nous avons mus l'appareil à 2.366 MHz pour former une vague de demi-longueur d' onde permanente sur toute la largeur du microcanal (V pp = 40 V; Figure 2B). Nous avons constaté que ces particules, qui ont un facteur de contraste acoustique positif, centré sur le noeud de pression comme prévu. 6 On a également injecté des particules fluorescentes rouges avec un facteur négatif de contraste acoustique (c. -à- ɸ ≈ -0,88, synthétisé à partir d' un procédé décrit précédemment) 8 pour vérifier que notre dispositif pourrait induire leur concentration sur les ventres de pression ( <strong> Figure 2C). Enfin, nous avons exploré l'étendue de la focalisation des particules avec un facteur de contraste acoustique positif à une gamme de débits (ie, 0 à 1000 pi / min comme réglé par une pompe seringue) et les tensions (ie, 0 à 50 Vcc). Vidéos composées de 15 images ont été recueillies pour chaque condition. le logiciel ImageJ a été utilisé pour échantillonner cinq du profil d'intensité de fluorescence à travers la largeur du microcanal. Un programme de calcul numérique a été utilisé pour la moyenne des profils d'intensité pour chaque état et pour lisser les données moyennées à l'aide d'un programme de filtrage en ligne. Comme prévu, le degré de focalisation des particules ( à savoir, tel que défini par la largeur du pic de fluorescence, correspondant à la largeur du courant de particules) a diminué avec l' augmentation des débits (figure 3A). Nous avons également constaté que le degré de focalisation des particules augmente avec la tension appliquée (Figurer 3B). Figure 1:. Dispositif Acoustofluidic de support des ondes stationnaires acoustiques de volume des vues schématiques de la partie supérieure (A) et inférieur (B) d'un dispositif constitué d'un substrat de silicium gravé fusionné à un verre de borosilicate «couvercle», les huiles polydiméthylsiloxanes (PDMS) , les blocs reliés à la silicone tubage et un transducteur piézoélectrique soudés à des fils collés sur le fond du dispositif. Photographies de la partie supérieure (C) et en bas (D) de l'appareil sont également indiquées. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 2: Acoustic focalisationdes particules présentant des facteurs de contraste acoustiques positifs et négatifs. (A) avant l'actionnement du transducteur titanate zirconate de plomb (PZT), des particules avec un facteur positif acoustique de contraste (10 um, perles jaune-vert polystyrène) circulant à 100 pi / min occupé le largeur du microcanal. (B) Après le transducteur PZT est actionné (V pp = 40 V et ƒ = 2.366 MHz), les particules dans (A) sont présentés pour se concentrer sur le noeud de pression de l'onde stationnaire. (C) Les particules ayant un facteur de contraste acoustique négatif porté sur les ventres de pression de l'onde stationnaire en l'absence de flux appliqué (V pp = 40 V et ƒ = 2.366 MHz). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. <img alt = "Figure 3" src = "/ files / ftp_upload / 53861 / 53861fig3.jpg" /> Figure 3:. Mise au point des performances d'un dispositif acoustofluidic parcelles d'intensité de fluorescence des billes de polystyrène (représentées sur la figure 2A – B) sont indiquées pour (A) différents débits (allant de 0 à 1000 pi / min) avec un pic-to-constant tension de crête de 40 V et (B) différentes des tensions appliquées (allant de 0 à 50 Vcc) avec un débit constant de 100 pi / min. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

Acoustophorèse offre une approche simple et rapide d'organiser précisément les entités microscopiques dans des microcanaux fluidiques sans avoir besoin de fluides de gaine utilisée dans les approches de focalisation hydrodynamique. ²⁴ Ces dispositifs offrent plusieurs avantages par rapport à d' autres méthodes de manipulation de particules ou d'une cellule (par exemple, magnétophorèse, ^25,26 diélectrophorèse ²⁷ ou inertielle forçant ²⁸⁾ en raison de leur capacité à traiter des entités sans susceptibilité magnétique élevée, polarisabilité électrique ou une taille polydispersité étroite. En outre, les noeuds de focalisation d'une onde stationnaire acoustique peuvent être positionnés loin de la source d'excitation, ce qui est quelque chose qui est impossible par des champs magnétiques ou électriques statiques selon le théorème de Earnshaw. ²⁹ Un avantage supplémentaire est que les dispositifs acoustiques peuvent se concentrer des particules à travers une large gamme de débits appliqués et indépendants de la direction d'écoulement, ce qui est impossible dans les dispositifs that comptent sur les forces d' inertie pour la focalisation, ²⁸ fournissant les moyens pour transporter efficacement les particules ou les cellules d'inspection de particules amélioré pour des applications telles que la cytométrie de flux et de particules encollage. ^30,31 La facilité de fabrication et le fonctionnement dispositif peut directement permettre la mise en œuvre de la même dispositifs de mise au point, la concentration, et le tri des objets de fractionnement en suspension dans les fluides. ³²

Nous avons montré que les forces de rayonnement primaires, qui sont les forces les plus fortes produites par les ondes stationnaires acoustiques, ¹ peuvent se concentrer microparticules circulant à travers un canal microfluidique à des débits dépassant 10 ml / h pour une conception de l' orifice unique. Pour un débit fixe de 100 pi / min, nous montrons que notre dispositif peut concentrer des particules dans une ligne de courant étroite (soit 50 micromètres de diamètre) sans aucun liquide de gaine à des tensions aussi basses que 20 V crête à crête, ce qui permet une faible méthode -puissance pour la mise au point discontinu de 10 millions de particules / min lors du traitement de solutions densément concentrées (par exemple, 6 x 10 ⁸ particules / ml), à titre d'exemple. En outre, ce débit peut être augmenté de façon spectaculaire par la fabrication multi-orifice puces ou canaux acoustofluidic qui sont actionnés avec des harmoniques plus élevés pour produire des ensembles de noeuds parallèles ^33.

Alors que le dispositif représenté ici ne nécessite que les matériaux et les méthodes utilisées dans la microfabrication conventionnelle, nous insistons sur le fait qu'il ya une poignée d'autres techniques qui peuvent être utilisées pour construire des dispositifs similaires. ^19,34,35 Les avantages de cette approche sont sa simplicité ainsi que la durabilité du dispositif final.

Les étapes essentielles de la fabrication de ces dispositifs comprennent photolithographie pour définir la géométrie du microcanal, la gravure ionique réactive pour former le canal dans la liaison de silicium et anodique pour faire fondre le silicium à un «couvercle» transparent pour l'observation par fluorescenLa microscopie CE. Toutes ces étapes nécessitent salles blanches pour éviter la collecte de la poussière ou des débris dans le dispositif. Une fois ces étapes terminées, cependant, la liaison d'un transducteur PZT et ports fluidiques sont relativement simples et peuvent être effectuées en dehors d'une salle blanche.

Cependant, le traitement correct du dispositif est essentiel pour sa longévité. Cela comprend (1) l' incubation du dispositif avec des réactifs de passivation (par exemple, le poly (éthylène glycol) silane) avant chaque expérience afin de protéger le canal à partir de l' accumulation de résidus et (2) le rinçage du dispositif avec des détergents après chaque expérience. Accumulation de débris peut compromettre la fidélité de l'onde stationnaire acoustique et peut réduire la capacité de se concentrer efficacement des particules ou des cellules dans le dispositif. Nous notons également que ces dispositifs ne sont pas bien adaptés pour des échantillons ou des échantillons hautement polydispersées contenant des entités approchant la moitié de la taille de l'onde stationnaire.

Acoustofluidic dispositifs fournissent d'énormes utilité pour une variété d'applications allant de l'assemblage colloïdale à la cellule de séparation et cytométrie de flux. La capacité de traiter des échantillons biologiques avec précision à des débits élevés peut permettre la possibilité d'une augmentation des débits de ces dispositifs microfluidiques, tout en réduisant les coûts de réactifs superflus, de grands volumes d'échantillons ou d'équipements encombrants pour distribuer des fluides de gaine. Les procédés de fabrication nécessaires pour fabriquer des dispositifs acoustofluidic sont simples et les procédures nécessaires à leur fonctionnement sont faciles à utiliser. Nous espérons que ces procédures favoriseront la généralisation de dispositifs similaires pour catalyser de nouveaux domaines de recherche pour les applications à travers la science des matériaux, la biotechnologie et de la médecine.

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

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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).

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