Fabrikasyon ve Acoustofluidic Cihazlarının Çalışma Parçacıkların yoğunlaşırken Sheathless için Toplu Akustik Daimi Dalgalar desteklenmesi
Summary
Acoustofluidic cihazlar, manipüle konsantre ve asma mikro ve Ortaölçek varlıkları izole etmek için mikroakışkan kanalları içinde ultrasonik dalgaları kullanır. Bu protokol, kılıf sıvılar yardımı olmadan merkezi bir düzene partiküllerin odak toplu akustik duran dalgaları destekleyici bu tür bir cihazın imalat ve işlem tarif etmektedir.
Abstract
Acoustophoresis ses enerjisinden yönlü kuvvetlere karşılık içinde süspansiyon haline nesnelerin yer değiştirmesini belirtmektedir. boyunca yüzlerce mikrometreye tipik olarak onlarca asılı nesneleri ses dalga boyu ve akışkan kanal genişliğinden daha küçük olmalıdır olan göz önüne alındığında, acoustofluidic aygıtları genellikle megahertz aralığında (yüksek frekanslarda darbeli bir piezoelektrik transdüser oluşturulan ultrasonik dalgalar kullanmaktadırlar ). Cihazın geometrisine bağlıdır karakteristik frekanslarda, kütle akış içinde arzu edilen akışkan akım çizgileri boyunca taneciklerin odak duran dalgaların oluşumunu teşvik etmek mümkündür. Burada, ortak malzeme ve temiz oda ekipmandan acoustophoretic cihazların imalatı için bir yöntem tarif eder. Biz ayakta dalgalarının basıncı düğümleri veya antinod doğru hareket olumlu ya da olumsuz akustik kontrast faktörleri ile parçacıkların odaklama için temsili sonuçlar göstermektedir respectively. Bu cihazlar hassas sabit mikroskobik varlıklar (örneğin, hücreler) çok sayıda konumlandırma veya sitometri gelen montaj kadar çeşitli uygulamalar için sıvıları akan için muazzam pratik yarar sunuyoruz.
Introduction
Acoustofluidic cihazlar mikroskopik kişiler konsantrasyonları, hizalama, montaj, sargı ya da hareketsiz sıvılarında veya laminer flowstreams olan ayırma. 1 cihaz Bu genel sınıfın içinde (örneğin, parçacıklar ya da hücrelerin) yön kuvvetleri uygulamak için kullanılır, bu kuvvetler dökme oluşturulabilir akustik duran dalgalar, akustik duran dalgaları (SSAWs) 2 veya akustik seyahat dalgaları yüzey. 3 Yakın zamanda çok dikkat almış imalat ve SSAWs destekleyen aygıtları toplu akustik duran dalgaları destekleyen cihazların çalışması odaklanırken nedeniyle hassas hücreleri manipüle etme yeteneği yüzeyleri boyunca 4 ve hızla sürekli akış kanallarında hücreleri sıralamak. 5 Aygıtlar toplu akustik duran dalgalar, ancak, mikro-akışkan duran dalgalar heyecanlandıran bir piezoelektrik transdüser tarafından üretilen cihazın, duvarların mekanik titreşimler dayalı parçacıkları yeniden destekgeometrik olarak tanımlanan rezonans frekanslarda boşluklar. Bu SSAW cihazlara kıyasla daha yüksek basınç genlikleri üretmek için potansiyel sağlar ve mikroskobik varlıkların böylece daha hızlı acoustophoretic ulaşım. 6
Bu kararlı dalgalar basınç sürede salınır şekilde bir pozisyonda sabitlenir basınç Karın ve düğüm, bir uzamsal periyodik grubu oluşur. Parçacıklar sıvıya göre parçacıkların mekanik özelliklerine bağlı olarak, basınç düğümleri veya antinod göç etmek suretiyle ayakta dalgalarına tepki ve hangi akustik kontrast faktörü ile tarif edilmektedir:
değişkenler ρ ve β yoğunluk ve sıkıştırılabilirlik ve indisler p temsil ve ƒ sırasıyla askıya nesneyi (örneğin, parçacık veya hücre) ve sıvıyı temsil eder.Olumlu bir akustik kontrast faktörü sahip 7 Ortaklıklar (yani ɸ> 0) basınç düğüm (ler) göç; Negatif bir akustik kontrast faktörü sahip kişiler, ise (yani, ɸ <0) Basınç antinod göç eder. 7. da sentetik malzemeler (ör polistiren tanecikler) ve hücreler pozitif akustik bir kontrasta sahip çoğunluğu, silikon bazlı yapılmış elastomerik parçacıklar malzemeler, 8 yağlı molekülleri 9 ya da son derece esnek bileşenler su içinde negatif bir akustik bir kontrasta sahip. Acoustofluidic cihazlarda elastomerik parçacıklar 10 küçük moleküllerin izole edilmesi için kullanılabilir ve sentetik parçacıklar diskriminant sıralama amacıyla 11 veya hücreleri 12 sınırlandırmak anlamına gelir. 13
Acoustofluidic cihazlar genellikle su için yeterli sertliğe sahip standart malzemeler (örneğin, silikon ve cam) imal edilirakustik duran dalga versitenin. (Bu tarifnamede gösterilen cihazın dahil) pek çok acoustofluidic cihazlarda, mekanik dalgalar mikrokanalın eni kadar bir yarım dalga boyu duran dalga oluşur düşük harmonik modunda, önceki rezonansa tasarlanmıştır. Bu yapılandırma kanalın çevrelerine boyunca kanal ve basınç antinod merkezinde bir basınç düğüm vardır. Sistemler hücrelerin konsantrasyonuna hücreleri yakalama kadar çipli sitometri uygulamalar 14-16 ve uygulamalar için kullanılabilir daha önce gösterilmiştir. 17,18
Biz imalat, kullanım ve toplu akustik duran dalgalar destekleyen bir acoustofluidic cihazın temsili performans yetenekleri yöntemleri sürecini açıklar. Bu cihaz kalıcı kazınmış silikon yüzeye bir cam "kapak" bağ bir fotolitografi adım, bir aşındırma adım ve bir fırınlama adımı gerektirir. Biz diğer acoustofluidi dikkatToplu akustik duran dalgaları destekleyen c cihazları yerde açıklanan piezoelektrik dönüştürücüler bağlı cam veya kuvars kılcal imal edilebilir. 19,20 Silikon tabanlı aygıtlar birlikte izin akış kanalı geometrisi üzerinde sağlamlık ve kontrol avantajları sunuyoruz parçacıklar ve hücre süspansiyonları ihtiva eden numuneler için işlem pek çok türleri. Cihazları yeniden (tamponlar ve deterjan ile cihazı yıkayarak, yani) düzgün kullanımlar arasında temizlenir sağlanmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Acoustophoresis hidrodinamik odaklama yaklaşımlar kullanılan kılıf sıvıların gerek kalmadan tam olarak akışkan mikro olan mikroskopik varlıkları düzenlemek için basit ve hızlı bir yaklaşım sunmaktadır. 24 Bu cihazlar, parçacık ya da hücre manipülasyon diğer yöntemlere kıyasla bazı avantajlar sağlarlar (ör magnetophoresis, 25,26 dielektroforez 27 veya yüksek olmasından dolayı manyetik duyarlılıkları, elektrik polarizebilite ya da dar bir boyut dağılma olmadan varlıkları işleme kabiliyetlerine) 28 zorlama atalet. Ayrıca, akustik dalganın odaklanan düğümleri Earnshaw teoremi olarak başına statik manyetik ya da elektrik alanlar ile mümkün değildir şeydir uyarma kaynağı, uzak yerleştirilmiş olabilir. 29 ek bir avantaj akustik cihazlar arasında parçacıkları odak olmasıdır cihazları tha mümkün değildir akış yönü, bağımsız olarak uygulanan akış hızları ve geniş birt 28 verimli bir şekilde sitometri akışı ve parçacık boyutlandırma gibi uygulamalar için geliştirilmiş parçacık muayene için partiküller veya hücreleri taşımak için araçlar sağlayan odaklama için atalet güçlerine güveniyor. 30,31 cihaz imalat ve kullanım kolaylığı ile doğrudan benzer uygulanması için izin verebilir odaklama konsantre bölme ve sıvılarda asılı nesneleri sıralamak için cihazlar. 32
Biz akustik duran dalgalar tarafından üretilen en güçlü güçler birincil radyasyon kuvvetleri, 1 10 ml / tek delik tasarımı için saat aşan akış hızlarında bir mikroakışkan kanal üzerinden akan mikropartiküller odak olduğunu göstermiştir. 100 ul / dakikalık bir sabit akış oranı için, biz araç ince bir düzene halinde parçacıklar odak göstermektedir (yani, 50 mm çapında) 20 V tepe-tepe kadar düşük gerilimlerde bir kılıf sıvıları olmadan düşük etkinleştirme 10.000.000 Parti odaklama kesintili için Güç yöntemikartılması / dakika, örnek olarak yoğun konsantre solüsyonlar (ör 6 x 10 8 parçacık / mi), işlenirken. Bundan başka, bu hacimli büyük ölçüde paralel bir düğüm kümeleri üretilmesi için daha yüksek harmonikler ile harekete geçirilir çok delikli acoustofluidic cips ya da kanal imal arttırılabilir. 33
Burada sadece gösterilen cihaz, geleneksel mikrofabrikasyon kullanılan malzemeleri ve yöntemleri gerektirir iken, biz benzeri cihazlar oluşturmak için kullanılabilecek diğer teknikler bir avuç olduğunu vurgulamak. 19,34,35 Bu yaklaşımın avantajları sadeliği dahil yanı sıra nihai cihazın dayanıklılık.
Bu cihazların imalatı için önemli adımları flüoresan gözlem için şeffaf "kapak" olarak silikon birleştirmek için silikon ve anodik bağlama kanalı oluşturmak için mikrokanal, tepkisel iyonla hakketme geometrisini tanımlamak fotolitografi içerirce mikroskopi. Bu adımların hepsi cihaz içinde toz veya enkaz toplama önlemek için temiz oda imkanı gerektirir. Bu adımlar Ancak, bir kez tamamlandığında, bir PZT verici bağ ve akışkan bağlantı noktası nispeten basittir ve bir temiz oda dışında gerçekleştirilebilir.
Bununla birlikte, cihazın uygun tedavi olan uzun ömürlü için gereklidir. Bu (1) her bir deney sonrası deterjanlarla Tortu birikimi ve (2) yıkama cihazından kanal korumak için her bir deney öncesi pasifleştirme maddeleri (örneğin, poli (etilen glikol) silan) ile cihaz inkübe içerir. enkaz birikimi akustik dalganın sadakat tehlikeye atabilir ve verimli cihaz içinde parçacıklar veya hücreleri odaklanma yeteneğini azaltabilir. Ayrıca bu cihazlar dalganın boyutunun yarısı yaklaşan mevcudiyeti içeren yüksek dağılımlı bir numune veya numunelerin için uygundur edilmemektedir.
Acoustofluidic cihazlar ayrımı hücre ve flow sitometri koloidal montaj uzanan çeşitli uygulamalar için büyük yarar sağlamaktadır. kılıf sıvıları dağıtmak için gereksiz reaktif, geniş örneklem hacimleri veya hantal ekipmandan maliyetleri düşürürken yüksek akış hızlarında hassasiyetle biyolojik numunelerin işleme yeteneği, bu mikroakışkan cihazlar artarak iş hacimleri yeteneği için izin verebilirsiniz. acoustofluidic cihazları yapmak için gerekli üretim yöntemleri basit ve onların çalışması için gerekli prosedürler kullanıcı dostudur. Biz bu işlemler malzeme bilimi, biyoteknoloji ve tıp karşısında uygulamalar için yeni araştırma alanları katalize benzer cihazlar yaygın gelişmesini teşvik edeceğini umuyorum.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the National Science Foundation (through grants DMR-1121107, CMMI-1363483 and Graduate Research Fellowships (GRF-1106401) to C.W.S., D.F.C. and K.A.O.) and the National Institutes of Health (R21GM111584). The authors have no conflicts of interest.
Materials
| Silicon wafers | Addison Engineering, Inc. | 3P1 | 6” mechanical grade silicon wafer <111> |
| AZ® 9260 photoresist | MicroChemicals GmbH | AZ9260-Q | Positive photoresist |
| AZ® 400K developer | MicroChemicals GmbH | AZ400K CONC-CS | Dilute 1 part AZ 400k in 4 parts deionized H2O |
| H2O2 | Sigma Aldrich, Co. | 216763 | 30 wt.% in H2O |
| H2SO4 | Sigma Aldrich, Co. | 320501 | ACS reagent, 95.0-98.0% |
| 1165 Photoresist Remover | Dow Chemical, Co. | DEM-10018073 | 1-methyl-2-pyrrolidinone based |
| Acetone | Sigma Aldrich, Co. | 320110 | ACS reagent, ≥99.5% |
| Isopropyl alcohol | Sigma Aldrich, Co. | W292907 | ≥99.7%, FCC, FG |
| Methanol | Sigma Aldrich, Co. | 322415 | Anhydrous, 99.8% |
| Borosilicate glass (Nexterion glass B) | Schott AG | 2098576 | Size: 120×60 ±0.1 mm, Thickness: 1 ±0.005 mm |
|
|||
| Thickness: 1 | |||
|
|||
| Drill bit for glass and ceramic | McMaster-Carr, Inc. | 2954A1 | Drill bit size: 1/8” Overall length: 2 3/16” Shank diameter: 7/64” |
| Overall length: 2 3/16” | |||
| Shank diameter: 7/64” | |||
| Polydimethylsiloxane (PDMS) kit | Sigma Aldrich, Co. | 761036 | Dow Corning, Co.; Sylgard 184®; 10 g clip-pack |
| Biopsy punch | Ted Pella, Inc. | 15078 | Harris uni-core Tip ID: 3.0 mm Tip OD: 3.40 mm |
| Tip ID: 3.0 mm | |||
| Tip OD: 3.40 mm | |||
| Lead zirconate titanate (PZT) transducer | APC International, Ltd. | Custom order, (841 WFB) | Length: 30.0 mm, Width: 5.0mm, Freq.: 2.46 MHz, 2.0 mm end wrap for leads |
| (841 WFB) | Width: 5.0mm | ||
| Freq.: 2.46 MHz | |||
| 2.0 mm end wrap for leads | |||
| Silicone tubing | Cole Parmer Instrument, Co. | 07625-22 | 0.6 mm I.D. |
| Polystyrene beads | Thermo Fischer Scientific, Inc. | F-8836 | 10 µm yellow-green fluorescence |
References
- Laurell, T., Petersson, F., Nilsson, A. Chip integrated strategies for acoustic separation and manipulation of cells and particles. Chem Soc Rev. 36 (3), 492-506 (2007).
- Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
- Schmid, L., Weitz, D. A., Franke, T. Sorting drops and cells with acoustics: acoustic microfluidic fluorescence-activated cell sorter. Lab Chip. 14 (19), 3710-3718 (2014).
- Guo, F., et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (1), 43-48 (2015).
- Li, P., et al. Acoustic separation of circulating tumor cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (16), 4970-4975 (2015).
- Gao, L., et al. Two-dimensional spatial manipulation of microparticles in continuous flows in acoustofluidic systems. Biomicrofluidics. 9 (1), 014105 (2015).
- Bruus, H. Acoustofluidics 7: The acoustic radiation force on small particles. Lab Chip. 12 (6), 1014-1021 (2012).
- Shields, C. W., et al. Nucleation and growth synthesis of siloxane gels to form functional, monodisperse, and acoustically programmable particles. Angew Chem Int Ed Engl. 53 (31), 8070-8073 (2014).
- Petersson, F., Nilsson, A., Holm, C., Jonsson, H., Laurell, T. Separation of lipids from blood utilizing ultrasonic standing waves in microfluidic channels. Analyst. 129 (10), 938-943 (2004).
- Cushing, K. W., et al. Elastomeric negative acoustic contrast particles for affinity capture assays. Anal Chem. 85 (4), 2208-2215 (2013).
- Johnson, L. M., et al. Elastomeric microparticles for acoustic mediated bioseparations. J Nanobiotechnology. 11, 22 (2013).
- Shields, C. W., Johnson, L. M., Gao, L., Lopez, G. P. Elastomeric negative acoustic contrast particles for capture, acoustophoretic transport, and confinement of cells in microfluidic systems. Langmuir. 30 (14), 3923-3927 (2014).
- Shields, C. W., Reyes, C. D., Lopez, G. P. Microfluidic cell sorting: a review of the advances in the separation of cells from debulking to rare cell isolation. Lab Chip. 15, 1230-1249 (2015).
- Goddard, G., Martin, J. C., Graves, S. W., Kaduchak, G. Ultrasonic particle-concentration for sheathless focusing of particles for analysis in a flow cytometer. Cytometry A. 69 (2), 66-74 (2006).
- Goddard, G. R., Sanders, C. K., Martin, J. C., Kaduchak, G., Graves, S. W. Analytical Performance of an Ultrasonic Particle Focusing Flow Cytometer. Anal Chem. 79 (22), 8740-8746 (2007).
- Goddard, G., Kaduchak, G. Ultrasonic particle concentration in a line-driven cylindrical tube. J Acoust Soc Am. 117 (6), 3440 (2005).
- Lenshof, A., Magnusson, C., Laurell, T. Acoustofluidics 8: applications of acoustophoresis in continuous flow microsystems. Lab Chip. 12 (7), 1210-1223 (2012).
- Carugo, D., et al. A thin-reflector microfluidic resonator for continuous-flow concentration of microorganisms: a new approach to water quality analysis using acoustofluidics. Lab Chip. 14 (19), 3830-3842 (2014).
- Austin Suthanthiraraj, P. P., et al. One-dimensional acoustic standing waves in rectangular channels for flow cytometry. Methods. 57 (3), 259-271 (2012).
- Wiklund, M., Nilsson, S., Hertz, H. M. Ultrasonic trapping in capillaries for trace-amount biomedical analysis. J App Phys. 90 (1), 421 (2001).
- Shields, C. W., et al. Field-directed assembly of patchy anisotropic microparticles with defined shape. Soft Matter. 9 (38), 9219 (2013).
- Yeom, J., Wu, Y., Selby, J. C., Shannon, M. A. Maximum achievable aspect ratio in deep reactive ion etching of silicon due to aspect ratio dependent transport and the microloading effect. J Vac Sci Technol B Microelectron Nanometer Struct Process Meas Phenom. 23 (6), 2319 (2005).
- McDonald, J. C., Whitesides, G. M. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices. Acc Chem Res. 35 (7), 491-499 (2002).
- Golden, J. P., Justin, G. A., Nasir, M., Ligler, F. S. Hydrodynamic focusing–a versatile tool. Anal Bioanal Chem. 402 (1), 325-335 (2012).
- Hejazian, M., Li, W., Nguyen, N. T. Lab on a chip for continuous-flow magnetic cell separation. Lab Chip. 15 (4), 959-970 (2015).
- Shields, C. W., Livingston, C. E., Yellen, B. B., Lòpez, G. P., Murdoch, D. M. Magnetographic array for the capture and enumeration of single cells and cell pairs. Biomicrofluidics. 8 (4), 041101 (2014).
- Voldman, J. Electrical forces for microscale cell manipulation. Annu Rev Biomed Eng. 8, 425-454 (2006).
- Di Carlo, D. Inertial microfluidics. Lab Chip. 9 (21), 3038-3046 (2009).
- Earnshaw, S. On the nature of the molecular forces which regulate the constitution of the luminferous ether. Trans Camb Phil Soc. 7, 97-112 (1842).
- Piyasena, M. E., Graves, S. W. The intersection of flow cytometry with microfluidics and microfabrication. Lab Chip. 14, 1044-1059 (2014).
- Grenvall, C., Antfolk, C., Bisgaard, C. Z., Laurell, T. Two-dimensional acoustic particle focusing enables sheathless chip Coulter counter with planar electrode configuration. Lab Chip. 14 (24), 4629-4637 (2014).
- Au, A. K., Lee, W., Folch, A. Mail-order microfluidics: evaluation of stereolithography for the production of microfluidic devices. Lab Chip. 14 (7), 1294-1301 (2014).
- Piyasena, M. E., et al. Multinode acoustic focusing for parallel flow cytometry. Anal Chem. 84 (4), 1831-1839 (2012).
- Lenshof, A., Evander, M., Laurell, T., Nilsson, J. Acoustofluidics 5: Building microfluidic acoustic resonators. Lab Chip. 12 (4), 684-695 (2012).
- Evander, M., Tenje, M. Microfluidic PMMA interfaces for rectangular glass capillaries. J Micromech Microeng. 24 (2), 027003 (2014).
