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

Fabricação e operação de Acoustofluidic dispositivos que suportam a granel ondas acústicas pe para Sheathless Focando de Partículas

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

dispositivos Acoustofluidic usar ondas ultra-sônicas no prazo de canais microfluídicos para manipular, concentrar e isolar micro suspenso e entidades nanoscópicas. Este protocolo descreve a fabricação e operação de um tal dispositivo de suporte de ondas estacionárias acústicas granel para concentrar partículas em uma linha de corrente central, sem a ajuda de fluidos de bainha.

Abstract

Acoustophoresis refere-se ao deslocamento de objectos suspensos em resposta às forças de direcção de energia sonora. Tendo em conta que os objectos em suspensão deve ser menor do que o comprimento de onda incidente de som e a largura dos canais de fluidos são geralmente dezenas a centenas de micrómetros de diâmetro, dispositivos acoustofluidic tipicamente utilizar ondas de ultra-sons gerados a partir de um transdutor piezoeléctrico pulsante a altas frequências (na gama megahertz ). No frequências características que dependem da geometria do dispositivo, é possível induzir a formação de ondas estacionárias que pode se concentram as partículas ao longo de linhas de fluxo de fluidos desejados dentro de um fluxo de massa. Aqui, nós descrevemos um processo para a fabricação de dispositivos acoustophoretic de materiais comuns e equipamentos da sala limpa. Nós mostramos resultados representativos para a concentração de partículas com fatores de contraste acústicos positivas ou negativas, que se movem em direção aos gânglios pressão ou ventres das ondas estacionárias, respectivEly. Estes dispositivos oferecem um enorme utilidade prática para posicionar precisamente um grande número de entidades microscópicas (por exemplo, células) em parado ou fluindo fluidos para aplicações que vão desde a citometria de montagem.

Introduction

Dispositivos Acoustofluidic são usados para exercer forças de direcção em entidades microscópicas (por exemplo, partículas ou células) para a sua concentração, o alinhamento, a montagem, confinamento ou separação dentro fluidos quiescentes ou flowstreams laminares. ¹ Dentro desta ampla classe de dispositivos, as forças podem ser gerados a partir de grandes quantidades ondas estacionárias acústicas, superfície ondas estacionárias acústicas (SSAWs) ² ou viajando acústica ondas. ³ Enquanto nos concentramos na fabricação e operação de dispositivos que suportam a ondas estacionárias acústicas volumétricas, dispositivos que suportam SSAWs têm recebido muita atenção recentemente devido à sua capacidade de manipular com precisão células ao longo de superfícies ⁴ e rapidamente ordenar células em canais de fluxo contínuo. ⁵ dispositivos que suportam a ondas estacionárias acústicas volumétricas, no entanto, reorganizar as partículas com base nas vibrações mecânicas das paredes do dispositivo gerado por um transdutor piezoelétrico, que excita as ondas estacionárias em microfluídicocavidades em frequências ressonantes geometricamente definidas. Isso permite que o potencial de geração de amplitudes de pressão mais elevados em comparação com dispositivos de SSAW, e os transportes, assim, mais rápido acoustophoretic de entidades microscópicas. ⁶

Estas ondas estacionárias consistem de um conjunto espacialmente periódica dos nodos de pressão e antinodos, que são fixados em posição, como a pressão oscila no tempo. Partículas responder às ondas estacionárias por migração para os nodos de pressão ou antinodos, dependendo das propriedades mecânicas das partículas em relação ao fluido, e que são descritos pelo factor de contraste acústico:

em que as variáveis ρ e β representam densidade e a compressibilidade e o subscritos P ƒ e representa o objecto suspenso (por exemplo, partículas ou células) e o fluido, respectivamente.7 As entidades que possuem um factor de contraste acústica positiva (isto é, ɸ> 0) migram para o nó (s) de pressão; enquanto que, as entidades que possuem um factor de contraste acústico negativo (ou seja, ɸ <0) migram para os antinodos pressão. ⁷ Embora a maioria dos materiais sintéticos (por exemplo, pérolas de poliestireno) e as células apresentam um contraste acústica positiva, partículas elastoméricas feitos a partir de base de silicone materiais, ⁸ moléculas de gordura ⁹ ou outros constituintes altamente elásticas apresentam contraste acústico negativo em água. Partículas elastoméricas em dispositivos acoustofluidic pode ser utilizada para isolar moléculas pequenas ¹⁰ e como um meio para confinar as partículas sintéticas ¹¹ ou células ¹² para as finalidades de classificação discriminar. ¹³

Dispositivos Acoustofluidic são geralmente fabricados a partir de materiais padrão (por exemplo, silício e vidro) que têm rigidez suficiente para support uma onda estacionária acústico. Em muitos dispositivos acoustofluidic (incluindo o dispositivo aqui mostrado), as ondas mecânicas se destinam a entrar em ressonância com o menor modo harmónico, que consiste de uma onda estacionária meio comprimento de onda que mede a largura do microcanal. Esta configuração tem um nó de pressão no centro dos ventres de canal e de pressão ao longo da periferia do canal. Demonstrou-se anteriormente que estes sistemas podem ser usados para aplicações de citometria à base de chip ^14-16 e aplicações que vão desde a captura de células na concentração de células ^17,18.

Nós descrever o processo de fabricação, métodos de utilização e capacidades de desempenho representativos de um dispositivo acoustofluidic que suporta ondas estacionárias acústicas volumétricas. Este dispositivo requer uma etapa de fotolitografia, um passo de ataque químico e um passo de fusão para unir permanentemente uma "tampa" de vidro ao substrato de silício gravado. Notamos que outra acoustofluididispositivos c que suportam ondas estacionárias acústicas volumétricas podem ser fabricados a partir de vidro ou de quartzo capilares ligados a transdutores piezoeléctricos, que é descrita em outro lugar. ^19,20 dispositivos baseados em silício oferecem as vantagens de robustez e controle sobre a geometria do canal de fluxo, que, juntos, permitem numerosos tipos de processamento para as amostras que contêm suspensões de partículas e células. Os dispositivos são reutilizáveis, desde que sejam devidamente limpo entre os usos (ou seja, através de lavagem do dispositivo com tampões e detergentes).

Protocol

1. fotolitografia Projetar o photomask usando um pacote de software apropriado e apresentar o projeto para uma impressora photomask qualificado. 21 Em uma instalação de sala limpa, lavar um "single-side 6 polido Si wafer com um fluxo constante de acetona (≥99.5%; ver Tabela 1) seguido por um fluxo constante de metanol (99,8%; ver Tabela 1). Seque o wafer por pulverização com gás N2 e colocando a bolacha sobre uma placa quente a 95 ° C durante 2 min. NOTA: O perfil de dopagem e orientação de cristal das bolachas não afectam os seguintes procedimentos. Proteger a calha exterior do revestidor de rotação (em uma capa de revestimento de centrifugação padrão) por revestimento com uma folha de alumínio e coloque Al do limpa bolacha de Si no centro do mandril de vácuo no dispositivo de revestimento de rotação para fixar a bolacha. Depositar fotorresistente positiva directamente sobre o centro da bolacha por cuidadosamente despejar até que o fotorresistente cobre a maiorda pastilha. Tome cuidado para garantir que não haja bolhas no fotorresiste. NOTA: Os procedimentos exactos nos Passos 1,5-1,10 correspondem ao fotorresistente mostrado na Tabela 1; podem ser necessários diferentes processos de fotorresistentes diferentes. Inicie o ciclo de centrifugação, executando os seguintes procedimentos: Programar uma velocidade de 300 rpm, uma rampa de 100 rpm / seg, e um tempo de centrifugação de 5 segundos para iniciar o ciclo de centrifugação. Programa para uma velocidade de 1800 rpm, uma rampa de 1000 rpm / seg, e um tempo de centrifugação de 60 seg para espalhar uniformemente o fotorresistente. Programa para uma velocidade de 0 rpm, uma rampa de 1.000 rpm / s, e um tempo de rotação de 0 segundos para concluir o ciclo de centrifugação. Libertar o vácuo na bucha e usar pinças wafer para recuperar o wafer do mandril. Em seguida, coloca a bolacha sobre uma placa quente a cozer a 110 ° C durante 165 seg. NOTA: Este passo é referido como o "cozer macio". Carregar o photomask no suporte de uma máscaraalinhador / máquina de fotolitografia. Editar os parâmetros da máquina de fotolitografia para proporcionar uma dosagem de energia de 1400 mJ / cm2 (por exemplo, para uma intensidade de 13,5 mW / cm2 de saída, utilizar um tempo de exposição de ~103.7 seg). Remover a bolacha photopatterned do suporte e coloca-se numa solução de revelador sua correspondente (ver Tabela 1) durante 5 min. Remova o wafer do desenvolvedor, lavar o wafer com um fluxo constante de H2O desionizada e seque com gás N 2. NOTA: Over-desenvolvimento pode causar padrões a inchar, enquanto sub-desenvolvimento pode causar a remoção incompleta do fotorresiste ao longo das características-padrão de fotos. Inspeccionar a bolacha sob um microscópio para confirmar os padrões impressos sobre a foto-mascara foram transferidos para o foto-resistente. 2. profundo Reactive Ion Etching Carregar o modelou-photo Si wafer na câmara de uma profundainstrumento de iões de gravura reativa e gravar os canais fluídicos na lâmina de silício para a profundidade desejada seguintes procedimentos gravura padrão. 22 Cuidadosamente descarregar a amostra da câmara após o processo de decapagem é completa. Para remover o excesso de material fotosensitivo da bolacha, preparar um copo grande com uma solução de removedor de foto-resistente (ver Tabela 1), numa câmara bem ventilada dedicada ao uso de solventes e colocá-lo sobre uma placa quente a 65 ° C. Submergir o wafer na solução de remoção de fotorresiste e deixe de molho por 1 hora. NOTA: Diferentes soluções podem ser usadas para remover o material fotosensitivo (por exemplo, uma solução de acetona (≥99.5%; ver Tabela 1) pode remover o material fotosensitivo por imersão durante a noite). Remover a bolacha do copo e lave-o com correntes alternadas de acetona (≥99.5%; ver Tabela 1) e álcool isopropílico (≥99.7%; ver Tabela 1). Seca-se a pastilha Wom N 2 gás. 3. Limpeza Piranha Em uma hotte bem ventilada (dedicada ao uso de ácidos), preparar uma solução piranha por adição de H 2 O 2 (30,0% em peso em água;. Ver Tabela 1) e H 2 SO 4 (95,0-98,0%; ver Tabela 1) a em uma razão de 1: 3 numa proveta grande, limpo. CUIDADO: soluções Piranha são altamente corrosivo, é um oxidante forte e são altamente perigoso. Tenha muito cuidado na manipulação de soluções de piranha e vestir o equipamento de segurança adequado. Submergir o wafer ion gravado com as características-gravado voltado para cima e deixe por 5 min. Retire cuidadosamente o wafer e totalmente lavar com H 2 O. deionizada Re-submergir a bolacha na solução piranha durante 2 min. Retire cuidadosamente o wafer e totalmente enxaguar com abundante H 2 O. deionizada Em uma hotte bem ventilada separada dedicada ao uso de solventes, lavar a bolacha com um fluxo constante deacetona (≥99.5%; ver Tabela 1), seguido por um fluxo constante de metanol (99,8%; ver Tabela 1) e secar a bolacha com N 2 gasoso. Descarte a solução piranha, seguindo os procedimentos de segurança adequados. 4. Prepare o Lid vidro borosilicato Usando uma ferramenta de escrivão, gravar linhas retas no vidro borosilicato para criar segmentos retangulares (por exemplo, 8 x 4 cm2). Cuidadosamente tirar o vidro para recuperar os segmentos retangulares. Pegue um desses segmentos de vidro e colocá-lo no topo de uma cópia impressa do desenho desejado (com dimensões reais) para marcar a localização das entradas e saídas no vidro com um marcador preto. Perfurar os orifícios de entrada e de saída para o vidro de borosilicato. NOTA: o equipamento de segurança apropriado deve ser usado em todos os momentos. Corrigir um "broca de 1/8 na boca de imprensa de broca. Coloque o segmento de vidro retangular no topouma chapa de Al com buracos perfurados de modo a que as marcas no vidro são acima dos furos na placa de Al. Fixe o copo na placa Al com fita adesiva. Cuidadosamente diminuir o manípulo de alimentação para iniciar a perfuração de pequenos orifícios dentro do copo e continuar a baixar a pega até que o orifício é feita através do vidro. Uma vez que o furo é terminado, remover a fita e lentamente levantar o vidro para remover o pó de vidro. Coloque o pó de vidro num copo com água e descartar usando os procedimentos de segurança apropriados. Secar cuidadosamente o vidro com um pano absorvente não produzir fiapos e siga os mesmos procedimentos (Passos 4.3.1-4.3.2) para perfurar os outros orifícios de entrada e saída. Siga o mesmo procedimento (Seção 3, acima) para limpar o segmento de vidro retangular com solução piranha. CUIDADO: soluções Piranha são altamente corrosivo, é um oxidante forte e são altamente perigoso. Tenha muito cuidado na manipulação de soluções de piranha e vestir o equipamento de segurança adequado. 5. anódica Bonding Utilizando uma ferramenta de escriba, etch linhas rectas para a bolacha de Si em torno do perímetro do chip de microfluidos de tal forma que é ligeiramente menor do que o segmento de vidro rectangular (por exemplo, 7 x 3 cm2). Cuidadosamente tirar a bolacha ao longo das linhas gravadas. Lavar o segmento Si com um fluxo constante de acetona (≥99.5%; ver Tabela 1), seguido por um fluxo constante de metanol (99,8%; ver Tabela 1). Coloque a bolacha sobre uma placa quente a 95 ° C durante 2 minutos para secar. Com as características-gravadas no segmento Si voltado para cima, adicione cuidadosamente o vidro limpo no topo do segmento de Si e certifique-se os buracos alinhar corretamente. Cuidadosamente virar os segmentos assegurando ao mesmo tempo os buracos são mantidos alinhados. Uma vez que o segmento de vidro é maior do que o segmento de Si, fixar os dois segmentos com fita adesiva de dupla face onde a metade da fita prende as arestas verticais do segmento SI e a outra metadeda fita protege o vidro saliente. Em seguida, vire os segmentos novamente tais que o segmento de vidro está em cima, e coloque os segmentos em cima de uma laje de metal em uma placa quente. Adiciona-se cuidadosamente uma segunda placa de metal (por exemplo, de aço) de um peso suficientemente pesada (isto é, pelo menos, 5 kg), directamente para a parte superior do vidro montado e segmentos Si. NOTA: Este laje de metal não deve estar em contacto com o segmento Si ou a fita condutiva. Utilizando uma fonte de alimentação de alta tensão, ligar um chumbo (energia) para a placa metálica no topo do vidro montado e segmentos Si e o outro condutor (solo) à laje de fundo metálico. Ligue a tensão sobre a placa de aquecimento subjacente para 1000 V. Verificar a tensão aplicada usando multímetro; pressione uma sonda contra a placa de fundo e a outra sonda contra a placa superior. CUIDADO: A alta tensão é extremamente perigoso; tenha cuidado para não tocar as placas metálicas ou os fios de ligação. Deixe a quenteem placas a 450 ° C durante 2 h, para permitir a "tampa" de vidro para ligação anodicamente ao substrato de Si. Voltar depois de 2 horas para desligar a placa quente, desligue a fonte de alimentação DC e remover o dispositivo a partir das placas metálicas. AVISO: As placas metálicas estão extremamente quentes durante e após o processo de ligação, de modo permitir que os materiais para esfriar por pelo menos 1 hora depois de desligar a placa quente. 6. Finalizando o Dispositivo Acoustofluidic Raspar a superfície do vidro com uma lâmina de barbear para remover fuligem produzida pela ligação anódica e limpar a superfície do vidro com acetona. Prepara-se uma folha de polidimetilsiloxano (PDMS) de aproximadamente 5 mm de espessura e cortar diversas lajes, quadrados pequenos de aproximadamente 10 x 10 mm 2 (ver Tabela 1). 23 Use um perfurador de biópsia de 3 mm a cortar um furo no centro de cada placa de PDMS de modo a inserir o tubo de silicone através dele. Coloque as placas diretamente em cima do buracos sobre o substrato de vidro e cola as lajes com epoxi. NOTA: Tenha cuidado para não usar muita cola uma vez que irá obstruir os orifícios do dispositivo. Cuidadosamente cola o transdutor titanato zirconato de chumbo (PZT) para o segmento de Si no lado de trás do dispositivo, centrado no debaixo do microcanal. Soldar dois fios para as duas áreas condutivas sobre o transdutor de PZT. Tome cuidado para que os fios estão bem presos ao transdutor PZT. Insira o tubo de silicone através dos furos nas placas de PDMS e adicionar cola adicional em torno lajes e da tubulação para garantir a sua fixação. 7. Utilizar o Dispositivo Acoustofluidic De forma segura montar o dispositivo em um estágio do microscópio com o microcanal diretamente abaixo do objectivo. NOTA: Verifique se o transdutor de PZT não faz contato com o palco, colocando uma pequena inserção por baixo do aparelho. Usando conectores padronizados, conectar os tubos de silicone do outlets do dispositivo para seringas garantidos por bombas de seringa. NOTA: Esta configuração destina-se ao "modo de saída"; bombas de seringa pode, alternativamente, ser utilizada para injectar a amostra no dispositivo. Colocar o tubo de silicone que conduz à entrada do dispositivo num frasco contendo a amostra de fluido (por exemplo, uma suspensão de pérolas de poliestireno ou células). Colocar o frasco contendo a amostra de fluido sobre uma placa de agitação para misturar continuamente a amostra e assegurar que uma concentração constante de partículas ou de células é mantida ao longo do curso do experimento. Conectar os fios do transdutor PZT para a saída de um amplificador de potência em série com um gerador de função. Programar as configurações no gerador de função (por exemplo, tensão de pico-a-pico e freqüência) e monitorar o sinal de saída do amplificador usando um osciloscópio. Ligue o gerador de função e amplificador de potência para começar a accionar o transdutor de PZT. 6 Para estimar a frequência de ressonância do dispositivo, seguem a equação C = λ * ƒ, em que c é a velocidade do som do meio (isto é, água), λ é o comprimento de onda acústica e ƒ é a frequência do transdutor de PZT. No caso de um meio comprimento de onda harmónica (que se mostram nos resultados representativos Secção), a largura dos microcanais deve ser metade do comprimento da onda estacionária. Use uma configuração de tensão de pico-a-pico dentro do intervalo de 0-50 V. NOTA: Um aumento nos resultados da tensão aplicada em amplitudes de pressão mais altas, e assim, acoustophoresis mais rápida. Ligue o microscópio e assegurar o canal microfluídico é claramente em foco. Ligar a bomba de seringa para aplicar o fluxo e introduzir a amostra no dispositivo. Monitorizar as entidades que fluem através do dispositivo com o microscópio no modo de fluorescência. Verifique se o dispositivo se concentra de forma eficiente particles ajustando a tensão pico-a-pico fornecida ao transdutor PZT para modificar a amplitude de pressão e através da realização de um varrimento de frequência perto da frequência de ressonância esperado para identificar a frequência ressonante empírica.

Representative Results

Concebemos o dispositivo acoustofluidic para conter uma entrada de trifurcating, um canal principal com uma largura de 300 mm e uma tomada trifurcating (Figura 1A – B). Notamos que nós só usamos uma entrada para todos os experimentos neste estudo (ou seja, para alcançar sheathless com foco de partículas através de forças de radiação acústica), bloqueando as outras entradas com plugues removíveis. Seguindo os procedimentos descritos acima, nós construímos um chip possuindo uma largura de canal de 313 mm, com um erro de ~ 4% devido a imperfeições durante o processo de microfabricação (Figura 1C – D). Operamos o dispositivo a uma frequência de condução de 2.366 MHz para induzir uma onda harmônica pé meio comprimento de onda. Foi utilizado um gerador de sinal ligado a um amplificador de potência para gerar a forma de onda sinusoidal de frequência alta para accionar a tr PZTansducer. Utilizou-se um osciloscópio para medir a tensão de saída pico-a-pico (V pp) gerado a partir do amplificador de potência para verificar a fidelidade da forma de sinal e amplitude. Utilizando uma bomba de seringa, primeiro injectada uma suspensão de pérolas de poliestireno fluorescentes verdes a uma taxa de 100 ul / min, sem o accionamento do transdutor PZT como um controlo negativo (Figura 2A). A seguir, o dispositivo accionado em 2.366 MHz, para formar uma onda de meio comprimento de onda de pé em toda a largura do microcanal (V pp = 40 V; Figura 2B). Descobrimos que estas partículas, que têm um factor de contraste positivo acústica focada, ao longo do nó de pressão conforme o esperado. 6 Nós também injectado partículas fluorescentes vermelho, com um factor de contraste acústico negativo (ou seja, ɸ ≈ -0,88, sintetizado a partir de um processo descrito anteriormente) 8 para verificar se o nosso dispositivo poderia induzir a sua concentração ao longo dos ventres de pressão ( <strong> Figura 2C). Finalmente, exploramos a extensão da concentração das partículas com um factor de contraste acústica positiva a uma gama de taxas de fluxo (isto é, 0 a 1000 ul / min como regulados por uma bomba de seringa) e tensões (isto é, 0 a 50 VPP). Vídeos composta de 15 quadros foram coletadas para cada condição. software ImageJ foi usado para amostrar cinco do perfil de intensidade de fluorescência em toda a largura do microcanal. Um programa de computação numérica foi utilizada para calcular a média dos perfis de intensidade para cada condição e para suavizar os dados médios usando um programa de filtragem em linha. Como esperado, a extensão da partícula de focagem (isto é, tal como definido pela largura do pico de fluorescência, que corresponde à largura da corrente de partículas) diminuiu com taxas de fluxo crescentes (Figura 3A). Descobrimos também que a extensão da partícula focagem aumentou com o aumento tensões aplicadas (Fifigura 3B). Figura 1:. Dispositivo Acoustofluidic apoio ondas estacionárias acústicas volumétricas vista esquemática da parte superior (A) e inferior (B) de um dispositivo constituído por um substrato de silício gravado fundido com um vidro de borosilicato "tampa", polidimetilsiloxano (PDMS) blocos ligados ao silicone tubagem e um transdutor piezoeléctrico soldadas a fios colados à parte inferior do dispositivo. Fotografias de topo (C) e inferior (D) do dispositivo também são mostrados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2: Acoustic focalização dapartículas com factores de contraste acústicos positivos e negativos. (A) antes do accionamento do transdutor titanato zirconato de chumbo (PZT), partículas com um factor positivo acústico contraste (10 uM, esferas de poliestireno amarelo-verde) com um caudal de 100 ul / min ocuparam o largura do microcanal. (B) Depois o transdutor é accionado PZT (V pp = 40 V e ƒ = 2.366 MHz), as partículas em (A) são mostrados a concentrar-se ao longo do nó pressão da onda estacionária. (C) Partículas com um fator de contraste acústico negativo focado ao longo dos ventres de pressão da onda estacionária na ausência de fluxo aplicada (V pp = 40 V e ƒ = 2.366 MHz). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt = "Figura 3" src = "/ files / ftp_upload / 53861 / 53861fig3.jpg" /> Figura 3:. Concentrando o desempenho de um dispositivo de acoustofluidic parcelas intensidade de fluorescência das esferas de poliestireno (mostrado na Figura 2A – B) são mostrados para várias taxas de fluxo (A) (variando de 0 a 1000 ul / min) com um pico-a- constante pico de tensão de 40 V e (B) várias tensões aplicadas (variando de 0 a 50 Vpp) com uma taxa de fluxo constante de 100 mL / min. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Acoustophoresis oferece uma abordagem simples e rápido para organizar precisamente entidades microscópicas dentro de microcanais fluídicos, sem a necessidade de fluidos bainha usado em abordagens centradas hidrodinâmicas. ²⁴ Estes dispositivos fornecem várias vantagens sobre outros métodos de partícula ou célula de manipulação (por exemplo, magnetoforese, ^25,26 dieletroforese ²⁷ ou inercial forçando ²⁸⁾ devido à sua capacidade para processar entidades sem altas suscetibilidades magnéticas, polarizabilidades elétrica ou um dispersity tamanho estreita. Além disso, os nós com foco de uma onda estacionária acústico pode ser posicionado longe da fonte de excitação, que é algo que não é possível por campos elétricos ou magnéticos estáticos de acordo com o teorema de Earnshaw. ²⁹ Uma vantagem adicional é que os dispositivos acústicos pode se concentrar partículas através uma vasta gama de taxas de fluxo aplicadas e independente da direcção do fluxo, o que não é possível em dispositivos THAt dependem de forças inerciais para focar, ²⁸ fornecendo os meios para transportar de forma eficiente partículas ou células para inspeção por partículas reforçada para aplicações tais como citometria de fluxo e de partículas dimensionamento ^30,31. A facilidade de fabricação e operação do dispositivo pode permitir que diretamente para a implementação de semelhante dispositivos para focar, concentrar, fracionamento e classificando objetos suspensos em fluidos. ³²

Demonstramos que as forças da radiação primária, que são as forças mais fortes produzidos por ondas estacionárias acústicas, ^um pode concentrar micropartículas que flui através de um canal microfluídico a taxas de fluxo superiores a 10 mL / h para um único desenho do orifício. Para um caudal fixo de 100 ul / min, mostra-se que o nosso dispositivo pode concentrar partículas em uma linha de corrente estreita (ou seja, 50 um de diâmetro), sem quaisquer fluidos bainha em tensões tão baixas quanto 20 V pico-a-pico, que permite uma baixa método -power para o descontínuo com foco de 10 milhões de partiCiclos / min durante o processamento de soluções densamente concentrados (por exemplo, 6 x 10 ^{8 de} partículas / ml), como um exemplo. Além disso, este processamento pode ser aumentada dramaticamente por fabricar múltiplos orifícios fichas acoustofluidic ou canais que são actuados com harmónicos mais elevados para produzir conjuntos de nós paralelas. ³³

Embora o dispositivo apresentado neste documento exige apenas materiais e métodos utilizados nos microfabricação convencional, salienta-se que há um pequeno número de outras técnicas que podem ser usadas para a construção de dispositivos semelhantes. ^19,34,35 As vantagens desta abordagem incluem a sua simplicidade, bem como a durabilidade do dispositivo final.

Os passos críticos para a fabricação desses dispositivos incluem fotolitografia para definir a geometria do microcanal, gravação iónica reactiva para formar o canal na ligação anódica de silício e para fundir o silício a uma "tampa" transparente para observação por fluorescenmicroscopia ce. Todos estes passos requerem instalações de sala limpa para evitar a coleta de poeira ou detritos dentro do dispositivo. Quando essas etapas forem concluídas, no entanto, a ligação de um transdutor de PZT e portos fluídicos são relativamente simples e pode ser realizado fora de uma sala limpa.

No entanto, o tratamento adequado do aparelho é essencial para a sua longevidade. Isto inclui (1) incubar o dispositivo com reagentes de passivação (por exemplo, poli (etileno-glicol) silano) antes de cada experiência para proteger o canal de acumulação de resíduo e (2) o dispositivo de lavagem com detergentes, após cada experiência. Acumulação de resíduos podem comprometer a fidelidade da onda estacionária acústico e pode reduzir a capacidade de se concentrar eficientemente partículas ou células no interior do dispositivo. Observamos também que estes dispositivos não são adequados para amostras altamente polidispersos ou amostras contendo entidades que se aproximam metade do tamanho da onda estacionária.

Acoustofluidic dispositivos proporcionam uma enorme utilidade para uma variedade de aplicações que vão desde a montagem coloidal a separação das células e citometria de fluxo. A capacidade de processar amostras biológicas com precisão em altas taxas de fluxo pode permitir a possibilidade de aumento dos débitos por estes dispositivos microfluídicos, enquanto reduz os custos de reagentes supérfluos, grandes volumes de amostra ou equipamentos volumosos para distribuição de fluidos bainha. Os métodos de fabricação necessários para fazer dispositivos acoustofluidic são simples e os procedimentos necessários para o seu funcionamento são de fácil utilização. Esperamos que esses procedimentos irão incentivar o desenvolvimento generalizado de dispositivos semelhantes para catalisar novas áreas de investigação para aplicações em ciência dos materiais, biotecnologia e medicina.

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

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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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