JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

ويرد بروتوكول للتلاعب المجهرية الدقيقة في قناة موائع جزيئية مع إثارة التردد المزدوج.

Abstract

نظهر وسيلة لزيادة القدرة على ضبط الموجه الصوتية السطحية الدائمة (SSAW) للتلاعب المجهرية الدقيقة في مختبر على رقاقة نظام (خط). يمكن أن تولد الإثارة المتزامنة للتردد الأساسي وبه التوافقي الثالث، الذي وصف بأنه الإثارة التردد المزدوج، إلى زوج من محولات الطاقة الأفوات (أهداف) نوع جديد من الموجات الصوتية في قناة موائع جزيئية الدائمة. متفاوتة القوة والمرحلة في الإثارة التردد المزدوج إشارات النتائج في حقل إعادة التشكيل قوة الإشعاع الصوتية المطبقة على المجهرية الدقيقة عبر microchannel (مثلاً، وعدد وموقع العقد الضغط يمثل تركيزات في العقد الضغط المقابلة). يوضح هذا المقال أنه يمكن تخفيض وقت الحركة يمثل عقده واحدة فقط الضغط ~ إضعاف نسبة الطاقة الأساسية تواتر أكبر من ~ 90%. وفي المقابل، هناك ثلاثة الضغط عقد في microchannel إذا كان أقل من هذا الحد. وعلاوة على ذلك، ضبط المرحلة الأولى بين تواتر الأساسية والنتائج التوافقي الثالث في معدلات الحركة مختلفة من العقد الضغط SSAW الثلاثة، فضلا عن النسبة المئوية المجهرية الدقيقة في كل عقده الضغط في microchannel. وهناك اتفاق جيد بين الملاحظة التجريبية والتنبؤات العددية. يمكن دمج هذا الأسلوب رواية الإثارة بسهولة وغير إينفاسيفيلي في نظام خط، مع تينابيليتي واسعة وتغييرات قليلة فقط للإعداد التجريبية.

Introduction

يدمج تكنولوجيا خط الوظائف واحدة أو عدة على شريحة صغيرة لعلم الأحياء والكيمياء والفيزياء الحيوية والعمليات الطبية. خط التماس يسمح إنشاء مختبر على نطاق أصغر من ملليمتر الفرعية، معدلات رد فعل سريع، وقت استجابة قصيرة، عنصر تحكم عملية عالية، وانخفاض حجم استهلاك (الكواشف النفايات، وانخفاض تكاليف أقل، وأقل من حجم العينة المطلوبة)، إنتاجية عالية نظراً الموازاة، منخفض التكلفة في المستقبل الإنتاج الضخم ومرة واحدة فعالة من حيث التكلفة وسلامة عالية للدراسات الإشعاعية أو الكيميائية أو البيولوجية، ومزايا الجهاز المدمجة والمحمولة1،2. التلاعب الخلية الدقيقة (أيتراكم والانفصال) أمر حاسم خط أساس التحليل والتشخيص3،4. ومع ذلك، قد بالدقة وإمكانية تكرار نتائج التلاعب يمثل مجموعة متنوعة من التحديات. العديد من التقنيات، مثل التناضح الكهربائية5، ديليكتروفوريسيس (DEP)6، ماجنيتوفوريسيس7،8،ثيرموفوريسيس9، ونهج بصري10، نهج البصرية الإلكترونية11 ، نهج هيدرودينامية12، وأكوستوفوريسيس13،14،15، وقد وضعت. وفي المقابل، النهج الصوتية المناسبة لتطبيق خط السيطرة لأنه، من الناحية النظرية، يمكن التلاعب بها فعالية أنواع عديدة من الخلايا المجهرية الدقيقة/ونونينفاسيفيلي مع على النقيض عالية بما فيه الكفاية (الكثافة والانضغاط) مقارنة مع السوائل المحيطة بها. ولذلك، مقارنة بنظيراتها، النهج الصوتية مؤهلة أصلاً لمعظم المجهرية الدقيقة والكائنات البيولوجية، بغض النظر عن الخصائص البصرية والكهربائية والمغناطيسية على16.

الموجات الصوتية السطحية (مناشير) من أهداف نشر معظمها على سطح الركازة كهرضغطية في سمك أطوال موجية عديدة ومن ثم تسرب في زاوية رايليغ إلى السائل في microchannel، وفقا لقانون سنيل17، 18،،من1920،،من2122. لديهم مزايا التقنية كفاءة عالية الطاقة على طول السطح بسبب التعريب على الطاقة، ودرجة من مرونة لتصميم كبير على الترددات العالية، إدماج نظام جيد مع قناة موائع جزيئية والتصغير باستخدام التكنولوجيا الدقيقة الميكانيكية والإلكترونية نظام (MEMS)، وإمكانية عالية للإنتاج الضخم23. في هذا البروتوكول، التي تم إنشاؤها من زوج من أهداف متطابقة مناشير وروج في الاتجاه المعاكس لتوليد موجه دائمة، أو SSAW، في microchannel، حيث يتم دفع المجهرية الدقيقة مع وقف التنفيذ للعقد الضغط، غالباً بواسطة الصوتية التطبيقية قوة الإشعاع24. السعة لهذه القوة الناتجة عن ذلك يتحدد بوتيرة الإثارة وحجمه يمثل به عامل التباين الصوتية22،25.

وقد أكوستوفوريسيس هذه الحد أنماط محددة سلفا التلاعب غير قابل للتعديل بسهولة. وتيرة الإثارة أهداف تحددها المسافة الدورية، حيث يتم عرض النطاق الترددي محدودة للغاية. وضعت عدة استراتيجيات لتعزيز القدرة على ألواح والتلاعب. ويمكن فصل وسائط الأولى والثانية من موجات دائمة الصوتية المطبقة في أجزاء مختلفة من microchannel المجهرية الدقيقة أكثر فعالية وفقا لسرعة حركة مختلفة تجاه خطوط العقدي26. يمكن أن تطبق أيضا على جزء كامل من microchannel هذين الوضعين وتحولت بدلاً من27،،من2829. ومع ذلك، لهذا، عدد كبير من المعدات (أي، ثلاثة مولدات وظيفة، ووحدتين معاوقة مطابقة، وتتابع كهرومغناطيسية) المطلوبة، مع ازدياد تعقد البنية التجريبية نظراً لمختلف التكاليف والتحكم لوحة ممانعات الكهربائية على التردد الأساسي والتوافقي الثالث من بيزوسيراميك30. وعلاوة على ذلك، يمكن تطبيق يميل الإصبع محولات الطاقة الأفوات (سفيتس) لضبط الخلايا والمجهرية الدقيقة الزخرفة بإثارة فترة أصابع مائلة لبعض رنين20،31. بعد ذلك، عرض النطاق الترددي غير تناسبا عكسيا مع عدد أصابع مائلة. خطوط العقدي ضغوط متعددة تحتوي على مستوى أعلى من الكفاءة الانفصال وحساسية بالمقارنة مع الخط العقدي واحد في الفاصل يمثل التقليدية المستندة إلى SSAW. وبدلاً من ذلك، يمكن أيضا تغيير موقع العقد الضغط ببساطة عن طريق ضبط الفرق مرحلة تطبيق أهداف اثنين في تصميم32،33.

التردد الأساسي والتوافقي الثالث من أهداف يكون مماثلة التردد الردود بحيث أنها يمكن أن تكون متحمس في نفس الوقت، الذي يوفر المزيد من ألواح ل التلاعب المجهرية الدقيقة34. بالمقارنة مع الإثارة الصندوق الاستئماني المستقل التقليدية في تردد واحد، ضبط الضغوط الصوتية من الإثارة التردد المزدوج ومرحلة بينهما يوفر التفرد التقني، مثل ما يصل إلى ~ 2-fold تخفيض وقت الحركة للضغط العقدي خط أو مركز microchannel، وعدد متنوع وموقع خطوط الضغط العقدي، وتركيزات يمثل.

Protocol

1-إعداد القناة موائع جزيئية

  1. مزيج بولي-ديميثيلسيلوكساني (PDMS) مع الاستومر أساس بنسبة 10:1.
  2. ديغا الخليط في فرن فراغ، ومن أجل ذلك على رقاقة سيليكون مع نمط مقاوم الضوء نبرة سلبية في الجزء العلوي.
  3. ديغا رقاقة السيليكون منقوشة مرة أخرى، والحرارة عند 70 درجة مئوية ح 3 في حاضنة للتجميد.

2-تصنيع محولات الطاقة الأفوات

  1. إيداع 20 نانومتر من الجمهورية التشيكية و 400 نانومتر بن على رقاقة3 لينبو؛ نمط 20 شرائط بعرض 150 ميكرومتر وفتحه 2 سم على قناع بلاستيك للطباعة التصويرية بإيداع مقاوم الضوء الإيجابي على الركازة.
  2. إزالة طبقة Cr القاعدة في المنطقة غير مكشوف مع الأسيتون.
  3. علاج السطح منهم مع الأكسجين في البلازما (بنسبة 2:1 النيتروجين والأكسجين) في سلطة 30 ث ل 60 ثانية.
  4. قم بمحاذاة PDMS microchannel والسندات هو الركيزة3 لينبو بالضغط بابهام لبضع ثوان.
  5. مكان جهاز متكامل في قاعة التدفئة عند 60 درجة مئوية ح 3.

3-ثنائي التردد الإثارة

  1. في نفس الوقت تطبيق عنصرين التردد (إف1 و واو3وتواتر الأساسية وبه التوافقي الثالث من الصندوق الاستئماني المستقل ملفقة، على التوالي) مع اختلاف المرحلة φ بينهما إلى زوج أهداف، حيث أن يمكن التعبير عن رأي المنتجة على النحو التالي.
    figure-protocol-1299
    هنا،
    figure-protocol-1376و figure-protocol-1443 = الضغوط الصوتية.
  2. توليف ثنائي التردد الموجي باستخدام محرر المعادلات من برنامج "التطبيق أربيكسبريس" في تواتر أخذ العينات من 100 MS/s وثم تخزينها لمولد الدالة كمدخل التعسفي للإثارة ورأى في التجربة عبر كبل USB.
  3. تختلف قوة تواتر الأساسية إلى إجمالي الطاقة المنبعثة figure-protocol-1815 من 100% (الإثارة في تواتر بحتة الأساسية) إلى 0% (الإثارة في التوافقي بحتة الثالث)؛ لمقارنة جيدة، تغيير ولكن تبقى قوة الكلية نفسها.
  4. تختلف الفرق مرحلة من الإثارة التردد المزدوج من 0° إلى 360 درجة.

4. المحاكاة العددية

  1. وصف حركة تدفق الصفحي incompressible مع رينولدز منخفضة (أي إعادة = 0.55) وأرقام ماخ على النحو التالي35.
    figure-protocol-2298
    figure-protocol-2367
    هنا،
    figure-protocol-2444= سرعة السوائل،
    figure-protocol-2528= اللزوجة الدينامية،
    figure-protocol-2617= كثافة السائل،
    figure-protocol-2701= الضغط على السائل،
    figure-protocol-2791= مصفوفة الهوية، و
    figure-protocol-2880= قوة خارجية.
  2. تصف قوة جر ستوك المنتجة على الكائن كالتالي36.
    figure-protocol-3044
    هنا،
    figure-protocol-3123= نصف قطر يمثل،
    figure-protocol-3209= سرعة السوائل، و
    figure-protocol-3297= سرعة يمثل.
  3. تستمد القوة الصوتية الإشعاع المطبقة على يمثل في microchannel على طول x-المحور (عبر عرض microchannel) في تردد واحد كالتالي16 .
    figure-protocol-3549
    هنا،
    figure-protocol-3628= حجم يمثل،
    figure-protocol-3710= كثافة يمثل،
    figure-protocol-3794= كثافة المتوسطة،
    figure-protocol-3882= الإنضغاط ليمثل، و
    figure-protocol-3972= الإنضغاط المتوسطة.
  4. وتستمد قوة الإشعاع الصوتية الناتجة من الإثارة التردد المزدوج كما يلي.
    figure-protocol-4143
  5. التعبير عن حركة عرضية عبر عرض القناة (على طول y-المحور) تحت كل من قوة الإشعاع الصوتية ويوقد سحب القوة التي يحكمها قانون نيوتن الثاني على النحو التالي.
    figure-protocol-4385
  6. حل المعادلات التفاضلية العادية (قصائد) أعلاه باستخدام الأمر الرابع رونج Kutta الأسلوب على كمبيوتر الشخصي. تعيين خطوة الوقت والمدة الإجمالية المايكروثانيه 1 و 20 ثانية، على التوالي.

5-الملاحظة تجريبي

  1. تدور الحل في تركيز 5.9 × 107 مع 4 ميكرومتر أخضر نيون الخرز البوليسترين كل 1 مل من دوامة لحوالي 2-3 دقيقة وثم تزج أنه في سونيكاتور بالموجات فوق الصوتية لمدة 10 دقائق لعرقلة أي تجمع سكاني قبل كل اختبار.
  2. تعبئة الخليط في محقن 3 مللي، وثم محرك الأقراص مع مضخة الحقن بمعدل تدفق من 3-5 ميليلتر/دقيقة.
  3. محرك الصندوق الاستئماني المستقل مع إشارة التردد المزدوج من مولد دالة متبوعاً مضخم.
  4. مراقبة المجهرية الدقيقة استقرت في microchannel المصب تحت مجهر خفيفة في تكبير X 40 وتسجيل الصورة مع كاميرا رقمية.
  5. قياس موقع المجهرية الدقيقة المتراكمة في الصور الرقمية الملتقطة باستخدام إيماجيج وجدول الأنصبة المقررة، ومن ثم تحديد الكمية تركيز يمثل المتراكمة مع الإضاءة الفلورية تم تسويتها في كل عقده الضغط.

النتائج

وترد في الشكل 1توزيع الضغط الصوتي وقوة الإشعاع الصوتية SSAW في الإثارة التردد المزدوج (6.2 و 18.6 ميغاهيرتز). هنا، تحدث الإثارة التردد المزدوج على المجهرية الدقيقة البوليستيرين (4 ميكرومتر في القطر) في microchannel مع عرض 300 ميكرومتر في طاقة صوتية من 146 ميغاواط. الضغط ا...

Discussion

كان التحقيق يمثل الحركة في microchannel SSAW في الإثارة المزدوج-تردد على نطاق واسع في هذه الدراسة، وأسلوب الزخرفة الانضباطي فعلياً باختلاف إشارات الإثارة التردد المزدوج تم تطويره واختباره. إنتاج هذه الموجي يتحقق بسهولة بمعظم الدالة المولدات، ونهج ضبط مريحة جداً. S12-وق11-استجابات التر?...

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgements

ورعت هذا العمل "صندوق البحث الأكاديمي" (أكرف) المستوى 1 (RG171/15)، وزارة التربية والتعليم، سنغافورة.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
poly-dimethylsiloxaneDow CorningSylgard 184
poly-dimethylsiloxane elastomer baseDow CorningSylgard 184
silicon waferBonda TechnologySI8PSPD
negative tone photoresistMicrochemSU-8
double-side polished LiNbO3 waferUniversity WaferY-128°
positive photoresistNicolaus-Otto-StraßeAZ 9260
oxygen plasmaHarrick Plasma
plastic maskInfinite Graphics

References

  1. 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).
  2. Figeys, D., Pinto, D. Lab-on-a-chip: a revolution in biological and medical sciences. Analytical Chemistry. 72 (9), 330 A-335 A (2000).
  3. den Toonder, J. Circulating tumor cells: the Grand Challenge. Lab on a Chip. 11 (3), 375-377 (2011).
  4. 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).
  5. Jorgenson, J. W., Lukacs, K. D. High-resolution separations based on electrophoresis and electroosmosis. Journal of Chromatography A. 218, 209-216 (1981).
  6. Gascoyne, P. R., Vykoukal, J. Particle separation by dielectrophoresis. Electrophoresis. 23 (13), 1973 (1973).
  7. Xia, N., et al. Combined microfluidic-micromagnetic separation of living cells in continuous flow. Biomedical Microdevices. 8 (4), 299-308 (2006).
  8. Garcés-Chávez, V., et al. Extended organization of colloidal microparticles by surface plasmon polariton excitation. Physical Review B. 73 (8), 085417 (2006).
  9. Zhu, T., Ye, W. Origin of Knudsen forces on heated microbeams. Physical Review E. 82 (3), 036308 (2010).
  10. Ashkin, A., Dziedzic, J., Yamane, T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature. 330 (6150), 769-771 (1987).
  11. 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).
  12. Yamada, M., Seki, M. Hydrodynamic filtration for on-chip particle concentration and classification utilizing microfluidics. Lab on a Chip. 5 (11), 1233-1239 (2005).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647 (2011).
  18. 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).
  19. Guo, F., et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (1), 43-48 (2015).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab on a Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
  24. 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).
  25. Yosioka, K., Kawasima, Y. Acoustic radiation pressure on a compressible sphere. Acta Acustica United with Acustica. 5 (3), 167-173 (1955).
  26. Ratier, C., Hoyos, M. Acoustic programming in step-split-flow lateral-transport thin fractionation. Analytical Chemistry. 82 (4), 1318-1325 (2010).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Liu, Y., Lim, K. -. M. Particle separation in microfluidics using a switching ultrasonic field. Lab on a Chip. 11 (18), 3167-3173 (2011).
  30. Brissaud, M. Characterization of piezoceramics. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 38 (6), 603-617 (1991).
  31. Ding, X., et al. Tunable patterning of microparticles and cells using standing surface acoustic waves. Lab on a Chip. 12 (14), 2491-2497 (2012).
  32. Jo, M. C., Guldiken, R. Particle manipulation by phase-shifting of surface acoustic waves. Sensors and Actuators A: Physical. 207, 39-42 (2014).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Batchelor, G. K. . An Introduction to Fluid Dynamics. , (2000).
  36. Glynne-Jones, P., Hill, M. Acoustofluidics 23: acoustic manipulation combined with other force fields. Lab on a Chip. 13 (6), 1003-1010 (2013).
  37. 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).
  38. Chen, Y., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW)-based microfluidic cytometer. Lab on a Chip. 14, 916-923 (2014).
  39. 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).
  40. Destgeer, G., et al. Submicron separation of microspheres via travelling surface acoustic waves. Lab on a Chip. 14, 4665-4672 (2014).
  41. Ding, X., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting. Lab on a Chip. 12, 4228-4231 (2012).
  42. 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

138

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved