Microparticle מניפולציה על ידי עמידה גלי אקוסטית המשטח עם כפול בתדר Excitations
Summary
פרוטוקול מניפולציות של microparticles בערוץ microfluidic עם עירור כפול-תדירות מוצג.
Abstract
נדגים שיטה להגדלת יכולת כוונון של פני השטח אקוסטית גל עומד (SSAW) עבור microparticles מניפולציה במערכת (LOC) מעבדה-על-שבב. עירור סימולטני של התדירות הבסיסית, הרמוני השלישי שלה, אשר נקראת כמו עירור כפול-תדירות, לזוג של מתמרים מאמבטיה (IDTs) יכול ליצור סוג חדש של עומד גלים אקוסטיים בערוץ microfluidic. משתנה הכוח, את השלב עירור כפול-תדירות אותות תוצאות שדה reconfigurable של הכוח האקוסטי קרינה להחיל את microparticles על פני microchannel (למשל, מספר ומיקום מצמתי הלחץ ו microparticle ריכוזים-הצמתים הלחץ המתאים). מאמר זה מדגים כי בזמן תנועה microparticle לצומת לחץ אחד בלבד, ניתן להפחית ~ 2-fold-היחס כוח של התדר יסוד גדול מ ~ 90%. לעומת זאת, ישנם שלושה צמתים לחץ microchannel אם פחות מ לגודל הסף הזה. יתר על כן, התאמת השלב הראשוני בין התדירות הבסיסית לבין התוצאות הרמונית השלישי בשיעורי תנועה שונים של בלוטות לחץ SSAW שלושה, כמו גם באחוזים של microparticles על כל צומת לחץ microchannel. יש הסכם טוב בין התצפית ניסיוני של תחזיות המספרי. שיטת עירור הרומן הזה יכול בקלות, לא פולשני להשתלב במערכת LOC, ועם ולהיצמדות רחב של שינויים מעטים בלבד שיבנו ניסיוני.
Introduction
LOC טכנולוגיה משלבת פונקציות אחד או מספר על שבב ביולוגיה, כימיה, ביופיזיקה של התהליכים הביו-רפואית. LOC מאפשר הצגה מעבדה בקנה מידה קטן יותר משנה מילימטרים, מהיר התגובה המחירים, זמן תגובה קצר, פקד תהליך גבוהה, של צריכת בנפח נמוך (פחות עלות ריאגנטים הפסולת, נמוך יותר, וכן אחסון מדגם נדרש פחות), של תפוקה גבוהה בשל parallelization, עלות נמוכה בעתיד הייצור ההמוני חד פעמי חסכונית, ביטחון גבוה ללימודי כימי, רדיואקטיבי או ביולוגי, ואת היתרונות של התקן קומפקטי ונייד1,2. תא מדויק מניפולציה (קרי, הצטברות ההפרדה) הוא קריטי מבוסס-LOC ניתוח ואבחון3,4. אולם, הדיוק ואת הפארמצבטית של מניפולציה microparticle יש מגוון רחב של אתגרים. טכניקות רבות, כגון אלקטרו-אוסמוזה5, dielectrophoresis (DEP)6, magnetophoresis7,8,thermophoresis9, הגישה אופטי של10, מעגל הגישה11 , הגישה hydrodynamic12, ו acoustophoresis13,14,15, פותחו. לשם השוואה, גישות אקוסטית מתאימים עבור יישום LOC כי, תיאורטית, סוגים רבים של microparticles/תאים יכולים להיות מניפולציות ביעילות noninvasively עם ניגוד גבוה מספיק (‘ צפיפות ‘, ‘ דחיסות ‘) לעומת עם הנוזל שמסביב. לכן, לעומת עמיתיהם, גישות אקוסטית זכאים מטבעו רוב microparticles וחפצים ביולוגי, לא משנה שלהם אופטי, חשמל ומגנטיות כשמשפשפים16.
גלים אקוסטיים משטח (מסורי) מ IDTs להפיץ בעיקר על פני מצע פיזואלקטריים על עובי מספר אורכי גל, ולאחר מכן הדליפה בזווית ריילי לתוך הנוזל, microchannel, על פי חוק סנל17, 18,19,20,21,22. יש להם יתרונות טכניים של יעילות אנרגיה גבוהה לאורך פני השטח בשל שלהם לוקליזציה של האנרגיה, גמישות עיצוב נהדר בתדירות גבוהה, שילוב מערכת טובה עם ערוץ microfluidic, באמצעות מזעור טכנולוגיית מערכת מיקרו-אלקטרוניים-מכניים (MEMS), פוטנציאל גבוה של ייצור המוני23. ב פרוטוקול זה, מסורים המופקים זוג IDTs זהה, מופצות בכיוון ההפוך כדי ליצור גל עומד, או SSAW, ב microchannel, איפה microparticles על תנאי יידחפו לבלוטות הלחץ, בעיקר על ידי הגיטרה האקוסטית יישומית קרינה לאלץ24. משרעת של כוח כזה הנובעת נקבעת לפי התדר עירור, microparticle בגודל22,שלה גורם ניגודיות אקוסטית25.
Acoustophoresis כאלה יש המגבלה של דפוסי בתפעול מראש שאינן מתכוונן בקלות. תדירות עירור של IDTs נקבעת לפי מרחק תקופתיים, כך רוחב הפס הוא די מוגבל. מספר אסטרטגיות פותחו כדי לשפר את יכולת tunability ומניפולציה. דרכי אקוסטית גלים עומדים חלה בחלקים שונים של microchannel הראשון ואת השני יכול להפריד microparticles באופן יעיל יותר על-פי מהירויות שונים בתנועה לכיוון קווי קטרי26. שני מצבים אלה יכול לחול גם על כל חלק microchannel, החליף לחלופין27,28,29. עם זאת, בשביל זה, מספר גדול של ציוד (קרי, שלוש הפונקציה גנרטורים, שתי יחידות התאמת עכבה ו של ממסר אלקטרומגנטית) נדרשת, עם המורכבות עלות ושליטה מוגברת של הסידור ניסיוני בשל השונות impedances חשמל תדירות היסוד, הרמוני השלישי של piezoceramic צלחת30. יתר על כן, יכול להיות מיושם אצבע מלוכסנות מתמרים מאמבטיה (SFITs) כדי להתאים את התאים ואת microparticles של תכנים על ידי מרגש תקופה של האצבעות מלוכסנות מסוימים תהודה20,31. לאחר מכן, רוחב הפס זאת, ביחס הפוך למספר של האצבעות מלוכסנות. מספר שורות קטרי לחץ יש יעילות הפרדה גבוהה יותר של רגישות לעומת הקו קטרי יחיד בתו ההפרדה המקובלת microparticle מבוססי SSAW. לחלופין, המיקום של הצמתים לחץ יכול להשתנות גם פשוט על-ידי התאמת ההבדל שלב להחיל את IDTs שני ב ה32,עיצוב33.
התדירות הבסיסית, הרמוני השלישי של IDTs יש תגובות שכיחות דומה כך שהם יכולים להיות שמחים בו זמנית, אשר מספקת tunability יותר מניפולציה microparticles34. בהשוואה עירור IDT קונבנציונאלי בתדר יחיד, התאמת הלחצים אקוסטית של עירור כפול-תדירות, לשלב ביניהם מספק ייחודיות טכניים, כגון עד ~ קיפול כפול זמן תנועה מופחת ללחצים קטרי קו או המרכז את microchannel, מגוונת מספר ומיקום של הקווים קטרי לחץ, ריכוז microparticle.
Protocol
Representative Results
Discussion
התנועה microparticle, microchannel על ידי SSAW-עירור כפול-תדר נחקר בהרחבה במחקר זה, טכניקת המתבנת tunable ביעילות על ידי שינוי את האותות בתדר כפול עירור היה פיתח ובחן. ייצור כזה waveform בקלות ממומש על ידי רוב פונקציה גנרטורים, הגישה התאמת נוח מאוד. S12– והן S11-תגובות בתדר IDTs מפוברק להמחיש מצבי תהודה מספ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו התקיים בחסות הרמה של קרן מחקרים אקדמיים (AcRF) 1 (RG171/15), משרד החינוך, סינגפור.
Materials
| poly-dimethylsiloxane | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| poly-dimethylsiloxane elastomer base | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| silicon wafer | Bonda Technology | SI8PSPD | |
| negative tone photoresist | Microchem | SU-8 | |
| double-side polished LiNbO3 wafer | University Wafer | Y-128° | |
| positive photoresist | Nicolaus-Otto-Straße | AZ 9260 | |
| oxygen plasma | Harrick Plasma | ||
| plastic mask | Infinite Graphics |
References
- Chin, C. D., Linder, V., Sia, S. K. Commercialization of microfluidic point-of-care diagnostic devices. Lab on a Chip. 12 (12), 2118-2134 (2012).
- Figeys, D., Pinto, D. Lab-on-a-chip: a revolution in biological and medical sciences. Analytical Chemistry. 72 (9), 330 A-335 A (2000).
- den Toonder, J. Circulating tumor cells: the Grand Challenge. Lab on a Chip. 11 (3), 375-377 (2011).
- Yu, L., et al. Advances of lab-on-a-chip in isolation, detection and post-processing of circulating tumour cells. Lab on a Chip. 13 (16), 3163-3182 (2013).
- Jorgenson, J. W., Lukacs, K. D. High-resolution separations based on electrophoresis and electroosmosis. Journal of Chromatography A. 218, 209-216 (1981).
- Gascoyne, P. R., Vykoukal, J. Particle separation by dielectrophoresis. Electrophoresis. 23 (13), 1973 (1973).
- Xia, N., et al. Combined microfluidic-micromagnetic separation of living cells in continuous flow. Biomedical Microdevices. 8 (4), 299-308 (2006).
- Garcés-Chávez, V., et al. Extended organization of colloidal microparticles by surface plasmon polariton excitation. Physical Review B. 73 (8), 085417 (2006).
- Zhu, T., Ye, W. Origin of Knudsen forces on heated microbeams. Physical Review E. 82 (3), 036308 (2010).
- Ashkin, A., Dziedzic, J., Yamane, T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature. 330 (6150), 769-771 (1987).
- Chiou, P. Y., Ohta, A. T., Wu, M. C. Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images. Nature. 436 (7049), 370-372 (2005).
- Yamada, M., Seki, M. Hydrodynamic filtration for on-chip particle concentration and classification utilizing microfluidics. Lab on a Chip. 5 (11), 1233-1239 (2005).
- Burguillos, M. A., et al. Microchannel acoustophoresis does not impact survival or function of microglia, leukocytes or tumor cells. PLoS One. 8 (5), e64233 (2013).
- Lin, S. -. C. S., Mao, X., Huang, T. J. Surface acoustic wave (SAW) acoustophoresis: now and beyond. Lab on a Chip. 12 (16), 2766-2770 (2012).
- Petersson, F., Åberg, L., Swärd-Nilsson, A. -. M., Laurell, T. Free flow acoustophoresis: microfluidic-based mode of particle and cell separation. Analytical Chemistry. 79 (14), 5117-5123 (2007).
- Ding, X., et al. On-chip manipulation of single microparticles, cells, and organisms using surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (28), 11105-11109 (2012).
- Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647 (2011).
- Destgeer, G., Lee, K. H., Jung, J. H., Alazzam, A., Sung, H. J. Continuous separation of particles in a PDMS microfluidic channel via travelling surface acoustic waves (TSAW). Lab on a Chip. 13 (21), 4210-4216 (2013).
- Guo, F., et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (1), 43-48 (2015).
- Ding, X., et al. Cell separation using tilted-angle standing surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (36), 12992-12997 (2014).
- Roshchupkin, D., et al. X-ray diffraction by standing surface acoustic waves. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 142 (3), 432-436 (1998).
- Shi, J., Mao, X., Ahmed, D., Colletti, A., Huang, T. J. Focusing microparticles in a microfluidic channel with standing surface acoustic waves (SSAW). Lab on a Chip. 8 (2), 221-223 (2008).
- Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab on a Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
- King, L. V. On the acoustic radiation pressure on spheres. Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. , 212-240 (1934).
- Yosioka, K., Kawasima, Y. Acoustic radiation pressure on a compressible sphere. Acta Acustica United with Acustica. 5 (3), 167-173 (1955).
- Ratier, C., Hoyos, M. Acoustic programming in step-split-flow lateral-transport thin fractionation. Analytical Chemistry. 82 (4), 1318-1325 (2010).
- Mandralis, Z., Feke, D., Bolek, W., Burger, W., Benes, E. Enhanced synchronized ultrasonic and flow-field fractionation of suspensions. Ultrasonics. 32 (2), 113-122 (1994).
- Laurell, T., Petersson, F., Nilsson, A. Chip integrated strategies for acoustic separation and manipulation of cells and particles. Chemical Society Reviews. 36 (3), 492-506 (2007).
- Liu, Y., Lim, K. -. M. Particle separation in microfluidics using a switching ultrasonic field. Lab on a Chip. 11 (18), 3167-3173 (2011).
- Brissaud, M. Characterization of piezoceramics. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 38 (6), 603-617 (1991).
- Ding, X., et al. Tunable patterning of microparticles and cells using standing surface acoustic waves. Lab on a Chip. 12 (14), 2491-2497 (2012).
- Jo, M. C., Guldiken, R. Particle manipulation by phase-shifting of surface acoustic waves. Sensors and Actuators A: Physical. 207, 39-42 (2014).
- Meng, L., et al. Transportation of single cell and microbubbles by phase-shift introduced to standing leaky surface acoustic waves. Biomicrofluidics. 5 (4), 044104 (2011).
- Sriphutkiat, Y., Zhou, Y. Particle manipulation using standing surface acoustic waves (SSAW) at dual frequency excitation: effect of power ratio. Sensors and Actuators A: Physical. 263, 521-529 (2017).
- Batchelor, G. K. . An Introduction to Fluid Dynamics. , (2000).
- Glynne-Jones, P., Hill, M. Acoustofluidics 23: acoustic manipulation combined with other force fields. Lab on a Chip. 13 (6), 1003-1010 (2013).
- Winkler, A., Brünig, R., Faust, C., Weser, R., Schmidt, H. Towards efficient surface acoustic wave (SAW)-based microfluidic actuators. Sensors and Actuators A: Physical. 247, 259-268 (2016).
- Chen, Y., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW)-based microfluidic cytometer. Lab on a Chip. 14, 916-923 (2014).
- Devendran, C., et al. The importance of travelling wave components in standing surface acoustic wave (SSAW) systems. Lab on a Chip. 16, 3756-3766 (2016).
- Destgeer, G., et al. Submicron separation of microspheres via travelling surface acoustic waves. Lab on a Chip. 14, 4665-4672 (2014).
- Ding, X., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting. Lab on a Chip. 12, 4228-4231 (2012).
- Chen, Y., et al. Continuous enrichment of low-abundance cell samples using standing surface acoustic waves (SSAW). Lab on a Chip. 14, 924-930 (2014).
