Microparticle manipulatie door permanent oppervlakte akoestische golven met Dual-frequentie excitaties

LOC technologie integreert één of meerdere functies op een microchip voor biologie, chemie, biofysica en biomedische processen. LOC kunt een laboratorium-opstelling op een schaal kleiner dan sub millimeter snel reactiesnelheden, een korte reactietijd, een hoge procescontrole, een laag volume verbruik (minder reagentia van afval, lagere kosten en minder vereist monstervolume), een hoge doorvoersnelheid due paralellisatie, een lage kosten in de toekomst massaproductie en kosteneffectieve disposables, een hoge veiligheid voor chemische, radioactieve en biologische studies en de voordelen van een compact en draagbaar apparaat^1,2. Precieze cel manipulatie (d.w.z., accumulatie en scheiding) is essentieel in een LOC gebaseerde analyse en diagnose^3,4. De nauwkeurigheid en de reproduceerbaarheid van microparticle manipulatie hebben echter een aantal uitdagingen. Vele technieken, zoals electro-osmose⁵, diëlektroforese (DEP)⁶, magnetophoresis⁷, thermophoresis^8,9, een optische aanpak¹⁰, een opto-elektronische aanpak¹¹ , een hydrodynamische aanpak¹²en acoustophoresis^13,14,15, zijn ontwikkeld. Ter vergelijking: akoestische benaderingen zijn geschikt is voor de toepassing van een LOC omdat, theoretisch, vele soorten microdeeltjes/cellen kunnen worden gemanipuleerd effectief en noninvasively met een voldoende hoog contrast (de dichtheid en de compressibiliteit) in vergelijking met de omliggende vloeistof. Daarom, ten opzichte van hun tegenhangers, akoestische benaderingen zijn inherent in aanmerking komen voor de meeste microdeeltjes en biologische objecten, ongeacht hun optische, elektrische en magnetische eigenschappen¹⁶.

Oppervlakte akoestische golven (zagen) van de IDTs propageren meestal op het oppervlak van een piëzo-elektrische substraat op de dikte van de verschillende golflengten en dan lek bij de Rayleigh hoek in de vloeistof in de microchannel, volgens de Snell de wet^{17, 18,19,20,21,22}. Ze hebben de technische voordelen van een hoge energie-efficiëntie langs het oppervlak als gevolg van hun lokalisatie van de energie, een grote ontwerpflexibiliteit op hoge frequentie, een goed systeemintegratie met het microfluidic-kanaal en het gebruik van miniaturisatie micro-elektronische-mechanische (MEMS) systeemtechnologie, en een hoog potentieel van massaproductie²³. In dit protocol, zijn zagen gegenereerd op basis van een paar identieke IDTs en doorgegeven in de tegenovergestelde richting voor het genereren van een staande golf of SSAW, in de microchannel, waar de zwevende deeltjes worden geduwd te druk knooppunten, meestal door de toegepaste akoestische ²⁴van de kracht van straling. De amplitude van zo’n resulterende kracht wordt bepaald door de frequentie van excitatie, microparticle grootte en zijn akoestische contrast factor^22,25.

Deze acoustophoresis heeft de beperking van vooraf bepaalde manipuleren patronen die niet gemakkelijk verstelbaar. De frequentie van de excitatie van de IDTs wordt bepaald door hun periodieke afstand, dus de bandbreedte vrij beperkt is. Verschillende strategieën hebben ontwikkeld om vergroting van het vermogen van tunability en manipulatie. De eerste en de tweede modus van akoestische staande golven toegepast in verschillende delen van de microchannel kon scheiden microdeeltjes effectiever volgens verschillende motion-snelheden naar de knooppunten lijnen²⁶. Deze twee modi kunnen ook worden toegepast op het hele deel van de microchannel en overgeschakeld als alternatief^27,28,29. Daarvoor is een groot aantal apparatuur (dwz, drie FUNCTIEGENERATOREN twee impedantieaanpassing eenheden en een elektromagnetische relay) echter vereist, met de grotere complexiteit van de kosten en de controle van de experimentele opstelling als gevolg van de verschillende elektrische impedances op de fundamentele frequentie en de derde harmonische van de piezoceramic plaat³⁰. Bovendien, schuin-vinger interdigital omvormers (SFITs) kunnen worden toegepast om de cellen en de microdeeltjes patronen door het spannende van een periode van de schuine vingers voor een bepaalde resonantie^20,31te passen. Echter is, de bandbreedte omgekeerd evenredig aan het aantal schuine vingers. Meerdere druk knooppunten lijnen hebben een hogere scheidend vermogen en de gevoeligheid in vergelijking met de knooppunten enkellijns in het conventionele SSAW gebaseerde microparticle scheidingsteken. Anderzijds kan ook de locatie van de knooppunten druk gewoon door aanpassing van het verschil van de fase toegepast op de twee IDTs in het ontwerp^32,33te worden gewijzigd.

De fundamentele frequentie en de derde harmonische van IDTs hebben soortgelijke frequentie reacties zodat ze kunnen worden opgewonden tegelijk, die meer tunability de microdeeltjes manipulatie^{34 voorziet}. In vergelijking met de conventionele IDT excitatie in een enkele frequentie, aanpassing van de akoestische druk van de dual-frequentie excitatie en de fase tussen hen biedt technische uniciteit, zoals de tot ~ 2-fold gereduceerd beweging tijd tot de knooppunten druk lijn of het midden van de microchannel, het gevarieerd aantal en de locatie van de knooppunten lijnen van de druk en de microparticle concentraties.