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

ייצור והפעלה של Acoustofluidic התקנים התומכים גלים אקוסטיים המתמדת בכמות גדולה עבור Sheathless התמקדות של חלקיקים

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

התקנים Acoustofluidic שימוש בגלי אולטראסאונד בתוך ערוצי microfluidic לתמרן, להתרכז ולבודד מיקרו מושעה וגופים הננוסקופי. פרוטוקול זה מתאר את הייצור ותפעול של מכשיר כזה התומך גלים עומדים אקוסטי בתפזורת להתמקד חלקיקים לייעל מרכזי ללא סיוע של נוזלי נדן.

Abstract

Acoustophoresis מתייחס התזוזה של אובייקטים מושעים בתגובת כוחות כיוונית מאנרגית קול. בהתחשב בכך האובייקטים המושעים חייבים להיות קטנים מאורך גל אירוע צליל ואת הרוחב של ערוצי fluidic הם בדרך כלל עשרות עד מאה מיקרומטרים, מכשירי acoustofluidic משתמשים בדרך כלל גליים קולי המופק מתמר פיזואלקטריים הפועמת בתדרים גבוהים (בטווח מגה-הרץ ). בתדרים מאפיינים שתלויים הגיאומטריה של המכשיר, אפשר לגרום להיווצרות גלים עומדים שיכול להתמקד חלקיקים לאורך מייעלת fluidic הרצוי בתוך זרימה בתפזורת. כאן, אנו מתארים שיטה לייצור של מכשירי acoustophoretic מחומרים נפוצים וציוד חדר נקי. אנו מציגים תוצאות נציג עבור ההתמקדות של חלקיקים עם גורמים בניגוד אקוסטי חיוביים או שליליים, אשר לנוע לכיוון הבלוטות לחץ או antinodes של הגלים העומדים, respectivאיליי. התקנים אלה מציעים שימוש מעשי עצום מיצוב במספרים גדולים בדיוק של גופים מיקרוסקופים (למשל, תאים) ב נייח או זורמים נוזלים עבור יישומים החל cytometry הרכבה.

Introduction

התקנים Acoustofluidic משמשים מפעילים כוחות כיוונית על גופים מיקרוסקופיים (למשל, חלקיקים או תאים) עבור ריכוז, יישור, הרכבה, ריתוק או פרידתם בתוך נוזלים שקט או flowstreams למינרית. ¹ בתוך מעמד רחב של מכשירים, יכול להיווצר כוחות בתפזורת גלים עומדים אקוסטי ומשטחים גלים עומדים אקוסטי (SSAWs) ² או נסיעה אקוסטית גלים. ³ בעוד אנו מתמקדים ייצור ותפעול של מכשירים התומכים גלים עומדים אקוסטי בתפזורת, מכשירים התומכים SSAWs קיבלו תשומת לב רבה לאחרונה בשל יכולתם לתמרן התאים בדיוק יחד משטחים ⁴ ולמיין תאים במהירות ערוצי זרימה רציפים. ⁵ התקנים התומכים גלים עומדים אקוסטי בתפזורת, לעומת זאת, לסדר מחדש חלקיקים מבוססים על התנודות המכאניות של קירות המכשיר שנוצר על ידי מתמר פיזואלקטריים, אשר מעורר את הגלים עומדים בתוך microfluidicחללים בתדרי תהודה מוגדרים גיאומטרי. זה מאפשר פוטנציאל להפקת אמפליטודות לחץ גבוה בהשוואה למכשירים SSAW, וכך, מהר תחבורה acoustophoretic של גופים מיקרוסקופיים. ⁶

גלים עומדים אלה מורכבים מסדרה תקופתית מרחבית של בלוטות לחצו antinodes, אשר קבועות בעמדה כלחץ נע בזמן. חלקיקים להגיב על גלים עומדים על ידי נודדות אל עבר בלוטות לחץ או antinodes, תלוי תכונות מכניות של חלקיקים ביחס לנוזל, ואשר מתוארים על ידי הגורם לעומת אקוסטית:

כאשר המשתנים ρ ו β מייצגים צפיפות דחיסה ואת p התחתי ו ƒ לייצג את האובייקט המושעה (למשל, חלקיק או תא) והנוזל, בהתאמה.7 לגופים שמחזיקים בידם גורמים בניגוד אקוסטי חיובי (כלומר, ɸ> 0) נודדים אל צומת הלחץ (ים); ואילו, לגופים שמחזיקים בידם גורמים בניגוד אקוסטי שלילי (כלומר, ɸ <0) נודד אל antinodes הלחץ. ⁷ בעוד שרוב החומרים סינטטיים (למשל, חרוזי פוליסטירן) ותאים מפגינים בניגוד אקוסטי חיובי, חלקיקים אלסטומרי עשויים מבוסס סיליקון חומרים, ⁸ מולקולות שומן ⁹ או בוחרים אלסטי מאוד אחרים מפגינים בניגוד אקוסטי שלילי במים. חלקיקים אלסטומרי בהתקנים acoustofluidic יכול לשמש כדי לבודד מולקולות קטנות ¹⁰ ו כאמצעים להגביל חלקיקים סינתטיים ¹¹ או תאים ¹² לצורך מיון להפלות. ¹³

התקני Acoustofluidic בדרך כלל מיוצרים מחומרים סטנדרטיים (למשל, סיליקון וזכוכית) כי יש קשיחות מספיק כדי support גל עומד אקוסטית. במכשירי acoustofluidic רבים (כולל המכשיר המוצג להלן), הגלים המכאניים נועדו להדהד בבית במצב ההרמוני הנמוך ביותר, אשר המורכב של גל עומד חצי אורך גל פורש את רוחב microchannel. יש תצורה זו צומת לחץ במרכז של antinodes הערוץ ובלחץ לאורך אזורי הגבול של הערוץ. הוכח בעבר כי מערכות אלה יכולים לשמש עבור יישומי cytometry מבוסס שבב ^14-16 ויישומים החלו הלכידה של תאים לריכוז של תאים. ^17,18

אנו מתארים את תהליך הייצור, שיטות לשימוש ויכולות ביצוע נציג מכשיר acoustofluidic שתומך גלים עומדים אקוסטי בתפזורת. מכשיר זה דורש צעד photolithography אחד, צעד תחריט אחד צעד פיוזינג אחד להתחבר כוס "מכסה" לצמיתות למצע סיליקון החרוט. נציין כי acoustofluidi האחרהתקנים ג התומכים גלים עומדים אקוסטי בתפזורת יכול להיות מפוברק מתוך נימי זכוכית או קוורץ כבול מתמרים פיזואלקטריים, אשר מתואר במקומות אחרים. ^19,20 מכשירים מבוססי הסיליקון להציע את היתרונות של עמידות ושליטה על הגיאומטריה ערוץ זרימה, שיחד מאפשרים סוגים רבים של עיבוד עבור דגימות המכילות השעיות של חלקיקים ותאים. המכשירים לשימוש חוזר ניתנים הם ניקו כראוי בין השימושים (כלומר, על ידי שטיפה המכשיר עם מאגרים ודטרגנטים).

Protocol

1. ליתוגרפיה לעצב את photomask באמצעות חבילת תוכנה מתאימה ושלח את העיצוב למדפסת photomask מוסמך. 21 בתוך מתקן חדר נקי, לשטוף 6 "חד בצד מלוטש Si רקיק עם זרם יציב של אצטון (≥99.5%; ראו טבלה 1) ואחריו זרם יציב של מתנול (99.8%; ראו טבלה 1). יבש את רקיק על ידי ריסוס בגז N 2 והצבת רקיק על פלטה חשמלית ב 95 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות. הערה: פרופיל הסימום וכיוון קריסטל של הוופלים אינם משפיעים על הנהלים הבאים. הגנו על שוקת מחוץ coater ספין (במנדף מעיל ספין סטנדרטי) על ידי כיסוי עם יריעת אל ומניחים את פרוסות Si נקי על מרכז צ'אק ואקום coater ספין כדי לאבטח את רקיק. להפקיד photoresist חיובי ישירות על גבי במרכז רקיק ידי שפיכת בזהירות עד photoresist מכסה את רובשל פרוסות סיליקון. תשמור על עצמך כדי לוודא שאין בועות photoresist. הערה: הליכים המדויקים שלבי 1.5-1.10 מתאימים את photoresist שניתן לראות בטבלת 1; הליכים שונים עשויים להידרש photoresists השונה. הפעל את מחזור סחיטה על ידי ביצוע הפעולות הבאות: לתכנת מהירות של 300 סל"ד, רמפה של 100 סל"ד / sec, ועת ספין של 5 שניות כדי להתחיל את המחזור הסחיט. תוכנית למהירות של 1,800 סל"ד, רמפה של 1,000 סל"ד / sec, ועת ספין של 60 שניות כדי להפיץ את photoresist שווה. תכנית למהירות של 0 סל"ד, רמפה של 1,000 סל"ד / sec, ועת ספין של 0 שניות לסיים את המחזור הסחיט. לשחרר את הוואקום על צ'אק להשתמש בפינצטה רקיק כדי לאחזר את אפיפית צ'אק. ואז מניח את הפרוסות על צלחת חמה לאפות ב 110 מעלות צלזיוס למשך 165 שניות. הערה: שלב זה הוא המכונה "לאפות רך". טענתי את photomask לתוך המחזיק של מסכהaligner / מכונת photolithography. ערוך את הפרמטרים של המכונה photolithography לספק מינון האנרגיה של 1,400 mJ / 2 ס"מ (למשל, עבור בעוצמה פלט של 13.5 mW / 2 ס"מ, להשתמש זמן חשיפה של ~103.7 שניות). הסר את רקיק photopatterned מבעל ולמקם אותו בתמיסה של היזם המתאים (ראה טבלה 1) במשך 5 דקות. הסר את הפרוסות מן היזם, לשטוף את הרקיק עם זרם קבוע של יוני H 2 O ולייבש אותו עם גז N 2. הערה: Over-פיתוח הגורמים לדפוס להתנפח, בעוד תת-פיתוח עלול לגרום להסרת חלקית של photoresist לאורך תכונות בדוגמת התמונה. בדוק את הפרוסות תחת מיקרוסקופ כדי לאשר את הדפוסים מודפסים על photomask הועברו photoresist. 2. תגובתי העמוקה תחריט יון טענת את רקיק Si בדוגמת צילום ההחדרה של עמוקמכשיר תחריט היון מגבה לחרוט את ערוצי fluidic לתוך רקיק Si על תחושת העומק המתבקש בעקבות הליכי תחריט סטנדרטיים. 22 בזהירות לפרוק מדגם מהאולם לאחר תהליך האיכול הושלם. כדי להסיר photoresist עודף רקיק, להכין כוס גדולה עם תמיסה של מסיר photoresist (ראו טבלה 1) במנדף מאוורר היטב מוקדש ממס שימוש ומניחים אותו על פלטה חשמלית על 65 מעלות צלזיוס. להטביע את פרוסות בפתרון הסרת photoresist ולתת לו להשרות למשך 1 שעה. הערה: פתרונות שונים שניתן להשתמש בהם כדי להסיר photoresist (למשל, פתרון של אצטון (≥99.5%; ראו טבלה 1) ניתן להסיר את photoresist על ידי השריית לילה). הסר את הפרוסות מן הקנקן ולשטוף אותו עם זרמי חילופין של אצטון (≥99.5%; ראה טבלה 1) ואלכוהול איזופרופיל (≥99.7%; ראה טבלה 1). לייבש את פרוסות wגז ה- i N 2. 3. פיראנה ניקוי במנדף מאוורר היטב (מוקדש שימוש בחומצות), להכין פתרון פיראניה ידי הוספת H 2 O 2 (30.0% WT במים;. ראו טבלה 1) ל- H 2 SO 4 (95.0-98.0%; ראו טבלה 1) כדי ב יחס של 1: 3 בכוס גדולה, נקייה. זהירות: פתרונות פיראנה הם מאכלים מאוד, הם מחמצן חזק והם מאוד מסוכנים. קח בזהירות רבה בטיפול פתרונות פיראניה וללבוש בציוד הבטיחות המתאים. להטביע את פרוסות חרוט יון עם-התכונות החרוטות פונה כלפי מעלה ולהשאיר למשך 5 דקות. מוציאים בזהירות את פרוסות ולשטוף היטב עם deionized H 2 O. Re-להטביע את הפרוסות בפתרון פיראניה למשך 2 דקות. מוציאים בזהירות את פרוסות ולשטוף היטב עם H deionized שופע 2 O. במנדף מאוורר היטב נפרד מוקדש ממס שימוש, לשטוף את הרקיק עם זרם קבוע שלאצטון (≥99.5%; ראו טבלה 1) ואחריו זרם יציב של מתנול (99.8%; ראו טבלה 1) ומייבשים את רקיק עם גז N 2. השלך את הפתרון פיראניה על פי נהלי הבטיחות המתאימים. 4. מכינים את מכסה זכוכית בורוסיליקט באמצעות כלי סופר, לחרוט קווי ישר אל תוך הכוס בורוסיליקט כדי ליצור מקטעים מלבניים (למשל, 8 x 4 ס"מ 2). בזהירות להצמיד את הכוס להתאושש המגזרים מלבני. קח אחד מקטעי זכוכית אלה ומניחים אותו על גבי עותק מודפס של העיצוב הרצוי (עם המידות בפועל) כדי לסמן את המיקום של פתחי הכניסה שקעים על זכוכית בטוש שחור. לקדוח את חורי הכניסה ויציאה לתוך הכוס בורוסיליקט. הערה: ציוד בטיחות תקין צריך להיות משוחק בכל עת. תקן קצת 1/8 "תרגיל לתוך הפה של מקדחה. מניחים את קטע זכוכית מלבני על גביצלחת של אל עם חורים שנקדחו כך שהסימנים על הזכוכית הן מעל הבורות בצלחת אל. אבטח את הכוס על הצלחת אל עם קלטת. הורד בזהירות את ידית ההזנה להתחיל קידוח חורים קטנים לתוך הכוס להמשיך ולהפחית את הידית עד החור הוא עשה דרך הזכוכית. לאחר החור נגמר, להסיר את הסרט ולאט לאט להרים את הכוס כדי להסיר את אבקת זכוכית. מניחים את אבקת זכוכית בכוס עם מים וזורקים באמצעות נהלי הבטיחות המתאימים. בזהירות לייבש את משטח הזכוכית בעזרת מטלית סופגת הלא מייצרי מוך לפי אותו נוהל (שלבים 4.3.1-4.3.2) לקדוח את החורים הכניסה והיציאה אחרים. בצע את אותו הליך (סעיף 3 לעיל) כדי לנקות את המגזר זכוכית מלבני עם פתרון פיראניה. זהירות: פתרונות פיראנה הם מאכלים מאוד, הם מחמצן חזק והם מאוד מסוכנים. קח בזהירות רבה בטיפול פתרונות פיראניה וללבוש בציוד הבטיחות המתאים. 5. Bonding Anodic באמצעות כלי סופר, לחרוט קווים ישרים לתוך רקיק Si מסביב השבב microfluidic כאלה שזה מעט קטן יותר מאשר במגזר זכוכית מלבני (למשל, 7 x 3 ס"מ 2). בזהירות צמד הרקיק בנוסח החרוט. שוטפים את מגזר Si עם זרם יציב של אצטון (≥99.5%; ראו טבלה 1) ואחריו זרם יציב של מתנול (99.8%; ראו טבלה 1). מניחים את פרוסות על פלטה חשמלית ב 95 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות לייבוש. בזכות התכונות החרוטות על מגזר Si פונות כלפי מעלה, בזהירות להוסיף את הכוס הנקיה על גבי במגזר Si ולוודא החורים ליישר כראוי. בזהירות להעיף מגזרים תוך הקפדה על החורים מוחזקים מיושרים. מאז במגזר הזכוכית הוא גדול ממגזר Si, לאבטח שני המגזרים עם דבק דו-צדדים שבו מחצית הקלטת מאבטחת את הקצוות האנכיים של מגזר Si ואת החצי השנישל קלטת מאבטח הזכוכית התלויה. ואז להעיף את הפלחים שוב כך במגזר הזכוכית הוא על העליונה, ומניח את הפלחים על גבי לוח מתכת על פלטה חשמלית. בזהירות להוסיף לוח מתכת שני (למשל, פלדה) של משקל כבד מספיק (כלומר, לפחות 5 קילו) ישירות לחלק העליון של הזכוכית התאספה מגזרי Si. הערה: זה לוח מתכת לא צריך להיות במגע עם פלח סי או קלטת המוליך. באמצעות אספקת חשמל במתח גבוה, להתחבר כיוון חקירה אחד (כוח) על לוח המתכת על גבי הזכוכית התאספה מגזרי Si ואת להוביל אחרים (קרקע) על לוח המתכת התחתון. הפעל את המתח על הפלטה החשמלית הבסיסית 1,000 V. בדוק את המתח מיושם באמצעות מודד; קש חללית אחד נגד הצלחת התחתונה ואת החללית האחרת נגד הצלחת העליונה. זהירות: המתח הגבוה מאוד מסוכן; לא להיזהר לגעת לוחות מתכת או את הכבלים המחברים. השאר את החםהצלחת ב C 450 מעלות במשך שעה 2 כדי לאפשר את הכוס "מכסה" כדי anodically האג"ח למצע Si. חזור אחרי שעה 2 כדי לכבות את הכיריים, לכבות את אספקת החשמל DC ולהסיר את המכשיר מתוך לוחות מתכת. האזהרה: לוחות המתכת יהיו חמים מאוד במהלך ואחרי התהליך המליט, כדי לאפשר את החומרים להתקרר במשך לפחות שעה 1 לאחר כיבוי הצלחת החמה. 6. השלמת התקן Acoustofluidic לגרד את פני השטח של הזכוכית עם סכין להסיר לכלוך המיוצר על ידי מליטה anodic לנקות את השטח של הזכוכית עם אצטון. הכן גיליון polydimethylsiloxane (PDMS) כ 5 מ"מ עובי ו לחתוך כמה לוחות קטנים, מרובע כ 10 x 10 מ"מ 2 (ראה טבלה 1). 23 השתמש ביופסיה 3 מ"מ לחתוך חור אחד במרכז כל לוח PDMS כדי להכניס את צינורות סיליקון דרכו. מניח את הלוחות ישירות על החור העליוןים על מצע זכוכית ודבק מלוחות עם אפוקסי. הערה: היזהר שלא להשתמש בדבק יותר מדי, כפי שיופיע לחסום את החורים של המכשיר. בזהירות להדביק את titanate zirconate להוביל (PZT) מתמר למגזר Si בצד האחורי של המכשיר, מרוכז-מתחת microchannel. הלחמת שני חוטים לשני האזורים מוליכים על מתמר PZT. תשמור על עצמך כי החוטים מחוברים היטב מתמר PZT. הכנס את צינורות סיליקון דרך חורי הלוחות של PDMS ולהוסיף דבק נוסף באיזור לוחות ואת הצינורות כדי להבטיח את זיקתם. 7. הפעלת המכשיר Acoustofluidic מאובטח לעלות את המכשיר על הבמה מיקרוסקופ עם microchannel ישירות מתחת אובייקטיבי. הערה: ודא מתמר PZT לא ליצור קשר עם הבמה על ידי צבת כנס קטן מתחת למכשיר. באמצעות מחברים סטנדרטיים, לחבר את צינורות סיליקון מן outlETS של המכשיר כדי מזרקים מאובטחים על משאבות מזרק. הערה: תצורה זה מיועד "במצב נסיגה"; משאבות מזרק עשויות לחלופין לשמש להזריק המדגם לתוך המכשיר. מניח את צינור סיליקון מוביל אל המפרצון של המכשיר בבקבוקון המכיל מדגם הנוזל (למשל, השעיה של חרוזי פוליסטירן או תאים). מניח את הבקבוקון המכיל מדגם נוזל על צלחת ומערבבים לערבב המדגם ברציפות ולהבטיח כי ריכוז קבוע של חלקיקים או תאים נשמר לאורך כל מהלך הניסוי. חברו את החוטים מן מתמר PZT אל הפלט של מגבר כוח בסדרה עם גנרטור פונקציה. לתכנת את ההגדרות על הגנרטור פונקציה (למשל, מתח שיא-לשיא ותדירות) ולנטר את אות המוצא מהמגבר באמצעות אוסצילוסקופ. הפעל את מחולל פונקציה מגבר כוח להתחיל מפעילים מתמר PZT. 6 כדי להעריך את תדירות התהודה של המכשיר, בצע את ƒ * λ = ג המשוואה, כאשר c הוא מהירות הקול של המדיום (כלומר, מים), λ הוא אורך הגל האקוסטי ƒ הוא תדר של מתמר PZT. במקרה של חצי אורך גל הרמוני (אשר אנו מציגים במדור נציג תוצאות), רוחב של microchannel צריך להיות חצי אורך גל עומד. השתמש בהגדרת מתח שיא-לשיא בטווח של 0-50 V. הערה: גידול בתוצאות המתח מיושמות אמפליטודות בלחץ גבוהה, ובכך, acoustophoresis מהירה יותר. הפעל את המיקרוסקופ ולהבטיח את ערוץ microfluidic הוא בבירור בפוקוס. הפעל את משאבת מזרק ליישם זרימת להציג את המדגם לתוך המכשיר. לפקח על הגופים זורמים דרך המכשיר עם מיקרוסקופ על מצב קרינה. ודא שההתקן ביעילות מתמקד particles ידי התאמת שיא-לשיא המתח המסופק כדי מתמר PZT לשנות את משרעת הלחץ על ידי ביצוע לטאטא תדירות ליד תדר התהודה צפוי לזהות את תדר התהודה אמפירי.

Representative Results

עצבנו את מכשיר acoustofluidic להכיל כניסת trifurcating, ערוץ עיקרי עם רוחב של 300 מיקרומטר ולשקע trifurcating (איור 1 א '- ב'). נציין כי אנו נעשינו שימוש רק מפרצון אחד עבור כל הניסויים במחקר זה (כלומר, להשיג sheathless התמקדות של חלקיקים באמצעות כוחות קרינת אקוסטי) על ידי חסימת פתחי הכניסה האחרת עם אטמי נשלף. בעקבות ההליכים המתוארים לעיל, אנו נבנינו שבב בעל רוחב ערוץ של 313 מיקרומטר, עם שגיאה של ~4% בשל פגמים בתהליך microfabrication (התרשים 1C – D). פעלנו המכשיר בתדר נהיגה של 2.366 MHz לגרום גל עומד הרמוני חצי אורך גל. השתמשנו מחולל אותות מחובר מגבר כוח על מנת ליצור את צורת הגל בתדירות הגבוהה סינוסי כדי להניע את TR PZTansducer. השתמשנו אוסצילוסקופ למדוד את מתח מוצא שיא-לשיא (עמ 'V) המופק מגבר הכח כדי לאמת את הנאמנות של האותות, מודדים משרעת. באמצעות משאבת מזרק, אנו מזריקים ראשונים השעיה של חרוזי פוליסטירן ניאון ירוקים בשיעור של 100 μl / min ללא actuation של מתמר PZT בתור (איור 2 א) כביקורת שלילית. בשלב בא, אנחנו ומונעים את המכשיר 2.366 MHz כדי ליצור גל עומד חצי אורך גל לרוחב של microchannel (עמ 'V = 40 V; איור 2 ב). מצאנו כי חלקיקים אלה, אשר יש גורם בניגוד אקוסטי חיובית, התמקד לאורך הצומת לחץ כצפוי. 6 גם הזרקנו חלקיקים ניאון אדום עם מקדם בניגוד אקוסטי שלילי (כלומר, ɸ -0.88 ≈, מסונתז מתהליך שתואר לעיל) 8 כדי לוודא כי המכשיר שלנו יכול להשרות ריכוזם לאורך antinodes הלחץ ( <strong> איור 2 ג). לבסוף, בחנו את מידת המיקוד של חלקיקים עם מקדם בניגוד אקוסטי חיובית בטווח של ספיקות (כלומר, 0 1,000 μl / min כמו מוסדר על ידי משאבת מזרק) ומתחים (כלומר, 0 עד 50 VPP). סרטונים הכוללים 15 מסגרות נאספו עבור כל תנאי. תוכנת ImageJ שמשה לדגום חמש של הפרופיל עוצם קרינה לרוחב של microchannel. תכנית מחשוב מספרית שמשה סכום ממוצע של הפרופילים העוצמים עבור כל תנאי וכדי להחליק את הנתונים הממוצעים באמצעות תכנית סינון מוטבע. כצפוי, היקף חלקיקי התמקדות (כלומר, כפי שהוגדר על ידי הרוחב של שיא הקרינה, המתאימים את רוחב הזרם של חלקיקים) ירד עם ספיקות הגדלה (איור 3 א). מצאנו גם כי היקף חלקיקי התמקדות מוגבר עם הגדלת מתח מיושם (אלחוטיאיור 3B). איור 1:. המכשיר Acoustofluidic תמיכה גלים עומדים אקוסטי בתפזורת נוף סכמטי של העליון (א) והתחתון (B) של מכשיר המורכב מצע סיליקון חרוט התמזגו כוס בורוסיליקט "מכסה", polydimethylsiloxane (PDMS) בלוקים מחובר סיליקון צינורות מתמרים פיזואלקטריים מולחמים חוטים מודבקים לתחתית המכשיר. תמונות של העליון (C) והתחתון (D) של המכשיר גם מוצגות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 2: אקוסטית התמקדות שלחלקיקים עם גורמים בניגוד אקוסטי חיוביות ושליליות. (א) לפני actuation של titanate zirconate להוביל (PZT) מתמר, חלקיקים עם מקדם בניגוד אקוסטי חיובית (10 מיקרומטר, צהוב-ירוק קלקר חרוזים) זורם ב 100 μl / min כבשו את רוחב של microchannel. (ב) לאחר מתמר PZT הוא ומונעת (עמ 'V = 40 V ו ƒ = 2.366 MHz), חלקיקים (א) מוצגים להתמקד לאורך הצומת הלחץ של גל עומד. (C) חלקיקים עם מקדם בניגוד אקוסטי שלילי התמקדה לאורך antinodes הלחץ של גל עומד בהעדר זרימת מיושם (עמ 'V = 40 V ו ƒ = 2.366 MHz). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <imalt G = "3 איור" src = "/ files / ftp_upload / 53,861 / 53861fig3.jpg" /> איור 3:. ביצועי התמקדות של מכשיר acoustofluidic מגרשים עוצמים קרינה של חרוזי פוליסטירן (שניתן לראות בתרשים 2A – B) מוצגים עבור (א) ספיקות שונות (בטווח שבין 0 ל -1,000 μl / min) עם שיא-ל-מתמיד מתח שיא של 40 V ו- (ב) מתח יישומית שונה (בטווח שבין 0 ל 50 VPP) עם קצב זרימה מתמיד של 100 μl / min. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

Acoustophoresis מציע גישה פשוטה ומהירה כדי לארגן גופים מיקרוסקופיים דווקא בתוך microchannels fluidic ללא צורך נוזלים נדן המשמש גישות התמקדות הידרודינמית. ²⁴ מכשירים אלה מספקים מספר יתרונות על פני שיטות אחרות של מניפולציה החלקיקים או התא (לדוגמא, magnetophoresis, ^25,26 dielectrophoresis ²⁷ או אינרציה מכריחה ²⁸⁾ בשל יכל לעבד גופים ללא רגישויות מגנטיות גבוהות, polarizabilities חשמלי או dispersity גודל צר. יתר על כן, בלוטות ההתמקדות של גל עומד אקוסטי ניתן למקם הרחק מהמקור של עירור, וזה משהו שלא ניתן על ידי שדות מגנטיים או חשמליים סטטיים לפי משפט Earnshaw. ²⁹ יתרון נוסף הוא כי התקנים אקוסטיים יכולים להתמקד חלקיקים על פני מגוון רחב של ספיקות שיושמו עצמאיות של כיוון הזרימה, הדבר שאינו אפשרית במכשירי that להסתמך על כוחות אינרצית התמקדות, ²⁸ אספקת האמצעים להסעת חלקיקים או תאים ביעילות לבדיקת חלקיקים משופרים עבור יישומים כגון אומדת cytometry זרימת חלקיקים. ^30,31 ההקלות של ייצור מכשיר ותפעול יכול להרשות ישירות ליישום דומה התקנים עבור התמקדות, ריכוז, הפרדה ומיון חפצי מרחפי נוזלים. ³²

הראינו כי כוחות קרינה העיקרי, אשר הם הכוחות החזקים המיוצר על ידי גלים עומדים אקוסטית, ¹ יכול להתמקד microparticles הזורמים בתעלה microfluidic ברמות ספיקה העולה על 10 מ"ל / שעה עבור עיצוב פתח יחיד. עבור קצב זרימה קבועה של 100 μl / min, אנו מראים כי המכשיר שלנו יכול להתמקד חלקיקים לתוך לייעל צר (כלומר, 50 מיקרומטר לרוחב) ללא כל נוזלים נדן במתח נמוך כמו 20 V משיא לשיא, מה שמאפשר לשפל שיטת -power עבור batchwise התמקדות של 10 מיליון PartiCles / min בעת עיבוד תמיסות מרוכזות בצפיפות (למשל, 6 x 10 ⁸ חלקיקים / מ"ל), כדוגמה. יתר על כן, התפוקה זו ניתן להגדיל באופן דרמטי על ידי בודה שבבי acoustofluidic רב-פתח או ערוצים הנמצאים ומונעת עם הרמוניות גבוהות לייצר סטים של צמתים מקבילים. ³³

כאשר המכשיר המוצג במסמך זה רק דורש חומרים ושיטות המשמשים microfabrication הקונבנציונלי, אנו מדגישים כי יש קומץ של טכניקות אחרות שיכול לשמש לבניית מכשירים דומים. ^19,34,35 יתרונותיה של גישה זו כוללים הפשטות שלה, כמו גם את העמידות של המכשיר הסופי.

השלבים הקריטיים כדי הייצור של מכשירים אלה כוללים photolithography להגדיר את הגיאומטריה של microchannel, תחריט יון תגובתי כדי ליצור את הערוץ המליט סיליקון anodic פתיל סיליקון על "מכסה" שקוף להסתכלות על ידי fluorescenמיקרוסקופיה לסה"נ. כל הצעדים האלה דורשים מתקני חדר נקי כדי למנוע גביית אבק או פסולת בתוך המכשיר. לאחר שתבצע שלבים אלה הושלמו, אולם מליטה מתמר PZT ויציאות fluidic הם פשוט יחסית וניתן לבצעו מחוץ לחדר נקי.

עם זאת, הטיפול המתאים של המכשיר הוא חיוני לאריכות ימיה. זה כולל (1) דוגרי המכשיר עם ריאגנטים passivating (למשל, פולי (אתילן גליקול) silane) לפני כל ניסוי כדי להגן על ערוץ הצטברות שאריות (2) שטיפה המכשירה עם דטרגנטים לאחר כל ניסוי. הצטברות של פסולת עלולה לפגוע נאמנות של גל עומד אקוסטית עשויה להפחית את היכולת להתמקד חלקיקים או תאים ביעילות בתוך המכשיר. נציין כי התקנים אלה אינם מתאימים היטב עבור דגימות polydisperse מאוד או דגימות המכילות גופים מתקרב מחצית גודלו של גל עומד.

Acoustofluiהתקנים דסק"ש לספק שירות עצום עבור מגוון רחב של יישומים הפורשים מן ההרכבה קולואידים לתא פרדת cytometry זרימה. היכולת לעבד דגימות ביולוגיות בדייקנות ברמות ספיקה גבוהה יכולה לאפשר את היכולת של תפוקה מוגברת על ידי מכשירי microfluidic אלה, תוך צמצום עלויות מ ריאגנטים מיותר, כרכי מדגם גדולים או ציוד מגושם עבור מחלק נוזלי נדן. שיטות הייצור הנדרשות כדי להפוך התקני acoustofluidic הן פשוט ואת ההליכים ההנדרשים להפעלתם הם ידידותיים למשתמש. אנו מקווים נהלים אלה יעודדו פיתוח נרחב של מכשירים דומים לזרז תחומי מחקר חדשים עבור יישומים על פני מדע החומרים, הביוטכנולוגיה והרפואה.

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