Çift frekanslı uyarilmalar ile yüzey akustik dalgalar ayakta tarafından Microparticle manipülasyon
Summary
Microparticles bir çift frekanslı uyarma ile bir mikrosıvısal kanal değiştirmek için bir iletişim kuralı sunulur.
Abstract
Bir duran yüzey akustik dalga (SSAW) ayarlama yeteneğini artırmak için bir yöntem microparticles manipülasyon için bir laboratuvar-on-a-chip (LOC) sisteminde göstermektedir. Temel frekans ve çift frekanslı uyarma, ayak parmak güç çeviriciler (IDTs) bir çift olarak adlandırılır, üçüncü harmonik eşzamanlı uyarma akustik dalgalar halinde bir mikrosıvısal kanal duran yeni bir tür yaratacaktır. Güç ve çift frekanslı uyarma aşamasında farklı sinyalleri reconfigurable alan sonuçlarını microparticles için microchannel uygulanan akustik radyasyon Kuvvetleri (Örneğin, sayısı ve konumu basınç düğümlerinin ve microparticle konsantrasyonları karşılık gelen basınç düğümlerin). Bu makalede, microparticle tek bir basınç düğüme hareket saati azaltılabilir gösterilir ~ logosuna 2 kat temel frekans ~ 90 %’den büyük güç oranında. Buna ek olarak, orada üç basınç düğüm microchannel içinde daha az Eğer bu eşik. Ayrıca, temel frekans ve üçüncü harmonik sonuçlara microparticles microchannel her basınç düğümdeki yüzdesi yanı sıra Üç SSAW basınç düğüm farklı hareket oranları arasında ilk aşaması ayarlama. Deneysel gözlem ve sayısal tahminler arasında iyi bir anlaşma var. Bu roman uyarma Yöntem kolayca ve non-invaziv LOC sisteme entegre edebilirsiniz geniş bir tenability ve yalnızca birkaç değişiklik deneysel kurulur.
Introduction
LOC teknolojisinin bir veya birkaç işlev bir mikroçip biyoloji, kimya, Biyofizik ve Biyomedikal işlemleri için entegre. LOC alt milimetre, hızlı tepki oranları, kısa tepki süresi, yüksek işlem denetimi, bir düşük güç tüketimi (daha az reaktifler atık, daha düşük maliyet ve daha az gerekli numune hacmi), yüksek işlem hacmi nedeniyle daha küçük bir ölçekte sağlar bir laboratuvar kurulumu parallelization, seri üretim ve uygun maliyetli tek kullanımlık, kimyasal, radyoaktif ve biyolojik araştırmalar yüksek bir güvenilirlik ve kompakt ve taşınabilir aygıt1,2avantajları gelecekte bir düşük maliyetli. Kesin hücre manipülasyon (yani, birikimi ve ayırma) bir LOC tabanlı analiz ve tanı3,4‘ te kritik olduğunu. Ancak, hassasiyet ve tekrarlanabilirlik microparticle işlemlerinde sorunlar çeşitli var. Elektro-Ozmoz5, dielectrophoresis (DEP)6, magnetophoresis7, thermophoresis8,9, bir optik yaklaşım10, gibi birçok teknik bir opto-elektronik yaklaşım11 , hidrodinamik yaklaşım12ve acoustophoresis13,14,15, geliştirdik. Çünkü teorik olarak, adl tip-in microparticles/hücre etkin bir şekilde manipüle edilebilir ve noninvazif yeterince yüksek kontrast (yoğunluk ve sıkışma kabiliyeti) karşılaştırıldığında, buna karşılık, akustik yaklaşımlar LOC uygulama için uygun çevresindeki sıvı ile. Bu nedenle, kendi muadilleri için karşılaştırıldığında, akustik yaklaşımlar doğal olarak çoğu microparticles ve onların, elektrik, optik ve manyetik özellikleri16olursa olsun biyolojik nesneler için uygundur.
Yüzey akustik dalgalar (testere) IDTs dan çoğunlukla birkaç dalga boylarında kalınlığı, piezoelektrik bir substrat ve sonra sızıntı microchannel sıvı içine Rayleigh açıyla yüzeyinde Snell Yasası17göreyaymak, 18,19,20,21,22. Onlar yüksek enerji verimliliği enerji, büyük tasarım esnekliği yüksek frekansta, iyi sistem entegrasyonu mikrosıvısal kanal ve minyatür kullanarak onların lokalizasyonu nedeniyle yüzey boyunca teknik avantajları var Mikro-elektronik-mekanik sistem (MEMS) teknolojisi ve yüksek potansiyel yığın üretim23. Bu protokol için testere bir çift aynı IDTs oluşturulan ve duran dalga veya SSAW, nerede askıya alınmış microparticles tarafından çoğunlukla uygulamalı akustik basınç düğümlerine itilir microchannel oluşturmak için ters yönde yayılır radyasyon kuvvetleri24. Böyle bir sonuç güç genliği uyarma sıklığını, microparticle boyutu ve onun akustik kontrast faktör22,25tarafından belirlenir.
Böyle acoustophoresis kolayca ayarlanabilir değildir önceden belirlenmiş manipüle desen sınırlaması vardır. Bant genişliği çok sınırlıdır bu yüzden IDTs uyarma sıklığını periyodik onların mesafe tarafından belirlenir. Ayar ve düzenleme özelliğini geliştirmek için çeşitli stratejiler geliştirilmiştir. Akustik duran dalgalar microchannel farklı bölgelerinde uygulanan ilk ve ikinci modları farklı hareket hızları nodal hatları26doğru göre daha etkili bir şekilde microparticles ayrı. Bu iki mod da microchannel bütün bölümüne uygulanan ve alternatif olarak27,28,29açık. Ancak, bunun için donatım (yani, üç işlevi jeneratörler, iki empedans Uyarlayıcıları ünite ve bir elektromanyetik röle) çok sayıda, farklı sayesinde deneysel set-up artan maliyet ve kontrol karmaşıklığı ile gereklidir temel frekans ve piezoceramic üçüncü harmonik elektrik impedances30plaka. Ayrıca, eğimli-parmak ayak parmak güç çeviriciler (SFITs) hücreleri ve eğimli parmak bir süre bir belirli rezonans20,31için heyecan verici tarafından biçimlenme microparticles ayarlamak için uygulanabilir. Ancak, daha sonra bant genişliği ters eğimli parmak sayısıyla doğru orantılı olduğunu. Birden fazla basınç nodal satır bir daha yüksek ayırma verimliliği ve duyarlılık tek nodal satır ile karşılaştırıldığında geleneksel SSAW tabanlı microparticle ayırıcısı olarak var. Alternatif olarak, basınç düğümlerin konumunu da sadece tasarım32,33iki IDTs uygulanan faz farkı ayarlayarak değiştirilebilir.
Onlar aynı zamanda, microparticles manipülasyon34için daha fazla ayar sağlayan heyecanlı böylece temel frekans ve IDTs üçüncü harmonik benzer frekans yanıt var. Bir tek frekansta geleneksel IDT uyarma ile karşılaştırıldığında çift frekanslı uyarma ve aralarındaki faz akustik baskıları ayarlamak belgili tanımlık ilâ gibi teknik benzersiz sağlar ~ 2 kat hareket zaman basınç nodal azaltılmış satır veya microchannel, çeşitli numarası ve basınç nodal hatları ve microparticle konsantrasyonları konumunu ortasına.
Protocol
Representative Results
Discussion
Microchannel çift frekanslı uyarma, bir SSAW tarafından microparticle çekimde kapsamlı bu çalışmada araştırıldı ve çift frekanslı uyarma sinyalleri değişen tarafından etkili bir şekilde akort desenlendirme tekniği geliştirilmiş ve test edilmiştir. Böyle bir dalga üretimi kolayca çoğu işlev jeneratörleri tarafından gerçekleştirilen ve ayar yaklaşım çok uygundur. S12– ve S11-fabrikasyon IDTs frekans tepkiler göstermek birkaç rezonans modları34</su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser akademik araştırma fonu (AcRF) Tier 1 (RG171/15), Milli Eğitim Bakanlığı, Singapur tarafından sponsor oldu.
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).
