ייצור, תפעול ויזואליזציה זרימה במיקרופלואידיקה אקוסטית-נגדית Surface--מונע גל אקוסטי

Summary

בסרטון זה אנו מתארים ראשון ייצור ותפעול הליכים של גל אקוסטי פני השטח (SAW) מכשיר נגדי אקוסטי. לאחר מכן, אנו מדגימים התקנה ניסיונית שמאפשרת לשניהם להדמיה איכותית זרימה וניתוח כמותי של תזרים מורכב בתוך מכשיר השאיבה ראה.

Abstract

גלים אקוסטיים פני שטח (מסורים) ניתן להשתמש כדי לנהוג נוזלים בשבבי microfluidic ניידים באמצעות התופעה הנגדית אקוסטי. בסרטון הזה אנו מציגים פרוטוקול לייצור מכשיר נגדי אקוסטית SAW רב שכבתי. המכשיר הוא מפוברק החל ממצע ליתיום niobate (LN) על גבי שבו שני מתמרים interdigital (IDTs) וטושים מתאימים הם בדוגמת. ערוץ (PDMS) polydimethylsiloxane להטיל על עובש אב SU8 סוף הסוף מלוכדים על המצע בדוגמת. בעקבות הליך הייצור, אנו מציגים את הטכניקות המאפשרות אפיון וההפעלה של המכשיר הנגדי אקוסטית על מנת לשאוב נוזלים דרך רשת ערוץ PDMS. אנחנו סוף סוף להציג את ההליך כדי להמחיש את זרימת נוזל בצינורות. הפרוטוקול משמש להצגת נוזל על שבב שאיבה תחת משטרי זרימה שונים כגון זרימה למינרית ודינמיקה מורכבת יותר מאופיינות במערבולות ותחומים הצטברות חלקיקים.

Introduction

אחד האתגרים העומדים בפני המשך קהילת microfluidic הוא הצורך יש מנגנון שאיבה יעיל, כי יכול להיות מוקטנת להשתלבות במערכות מיקרו כולל-ניתוח באמת ניידים (μTAS של). מערכות סטנדרטיות מקרוסקופיים שאיבה פשוט לא מצליח לספק את הניידות הנדרשת לμTAS של, בגלל קנה המידה השלילית של ספיקות הנפח כגודל הערוץ יורד למטה לטווח מיקרון ומטה. להיפך, מסורים צברו עניין גובר במנגנוני actuation נוזלים ומופיעים כשדרה מבטיחה פתרון של חלק מהבעיות אלה ^1,2.

מסורים הוצגו לספק מנגנון יעיל מאוד של תחבורה אנרגיה לתוך נוזלי ^3. כאשר ראו מתפשט על מצע פיזואלקטריים, למשל ליתיום niobate (LN), הגל יהיה הקרין לכל נוזל שנקרו בדרכה בזווית המכונה זווית ריילי θ _R = חטא722; 1 (ג _ו / ג _ים), וזאת בשל חוסר ההתאמה של מהירויות קול במצע, ג _{ים, וF} ג הנוזלים. זליגה זו של קרינה לתוך הנוזל מעורר גל לחץ אשר מניע הזרמה אקוסטיים בנוזל. בהתאם לגיאומטרית המכשיר וכוח מוחל על המכשיר, מנגנון זה הוצג להפעיל מגוון רחב של תהליכים על שבב, כגון נוזל ערבוב, מיון חלקיקים, atomization, ^ו1,4 שאיבה. למרות הפשטות והיעילות של actuating microfluids עם מסור, יש רק מספר קטן של ראה מונע מנגנוני שאיבת microfluidic שהוכחו עד כה. ההפגנה הראשונה הייתה תרגום פשוט של טיפות חופשיות להציב את נתיב ההתפשטות ראה במצע ³ פיזואלקטריים. שיטה חדשנית זו יצרה עניין רב בשימוש במסורי כשיטה actuation microfluidic, עם זאת יש עדיין צורך בנוזלים כדילהיות מונע בערוצים-סגורים משימה קשה יותר. טאן ואח'. הפגין שאיבה בתוך microchannel שליזר ablated ישירות לתוך מצע פיזואלקטריים. על ידי שינוי גיאומטרי ביחס לממדי IDT הערוץ ו, הם הצליחו להדגים תזרים הן אחיד וערבוב ^5. זכוכית et al. לאחרונה הפגין שיטה של העברת נוזלים דרך microchannels ורכיבי microfluidic על ידי שילוב של SAW סיבובים תצורת עם מיקרופלואידיקה צנטריפוגלי, כהפגנה של מזעור האמיתי של מושג Lab-on-a-CD ^6,7 הפופולרי. עם זאת, רק סגור לחלוטין SAW מונע שאיבת מנגנון שכבר הוכיח נשארה להיות Cecchini et al. של זרימה נגדית אקוסטית מסור מונחה ^8-המוקד בסרטון זה. הוא מנצל atomization וההתמזגות של נוזלים כדי לשאוב אותו דרך ערוץ סגור בכיוון המנוגד לכיוון ההתפשטות שלגל coustic. מערכת זו יכולה להצמיח תזרים מורכב מפתיע בתוך microchannel. יתר על כן, בהתאם לגיאומטרית המכשיר, זה יכול לספק מגוון רחב של תוכניות זרימה, מתזרים למינרית למשטרים מורכבים יותר המתאפיינים במערבולות ותחומים חלקיק הצטברות. היכולת להשפיע על מאפייני הזרימה בתוך המכשיר בקלות ניתן לראות הזדמנויות למניפולציה של חלקיקים על שבב מתקדם.

בפרוטוקול זה ברצוננו להבהיר את ההיבטים העיקריים של מיקרופלואידיקה מבוססת SAW מעשי: ייצור מכשיר, הפעלה ניסיונית, והדמית זרימה. למרות שאנו מתארים במפורש נהלים אלה לייצור והתפעול של מכשירים נגדית אקוסטיים מונעים ראה, יכולים בקלות להיות שונה סעיפים אלה ליישום שלהם למגוון של משטרי microfluidic מסור מונחה.

Protocol

1. ייצור מכשיר

1. שני photomasks עיצוב, הראשון עבור דפוסי גל שטח אקוסטי (SAW) שכבה, והשנייה לעובש (PDMS) microchannel polydimethylsiloxane.
   1. יש photomask הראשון זוג יריב מתמרים interdigital (IDTs), הידוע גם בשורה ועיכוב SAW סמנים ליישור ערוץ והתייחסות המרחבית במיקרוסקופ. במכשיר הרגיל שלנו שיש לנו IDTs יחידה אלקטרודה ברוחב אצבע p = 10 מיקרומטר, צמצם של 750 מיקרומטר, ו -25 זוגות אצבעות ישרים. IDT וכתוצאה מייצר מסורים עם אורך גל λ = 4 P = 40 מיקרומטר המתאים לתדר הפעלה F _מ = ג _SAW / λ ≈ 100 MHz על 128 ° YX ליתיום niobate (LN). כל רוחב IDT צריך להיות מעל שתי פעמים הרוחב של microchannel להפחית תופעות חוסר תיאום בזמן מליטה את השכבות. פרמטרים עיצוב IDT נדונים comprehensively בכמה ספרים ^9-11. אנחנו הערה כי רק אחד IDT (ממוקם במוצא הערוץ) יש צורך לנהוג את הנוזל לתוך הערוץ באקוסטית-נגדי, אבל דפוסי קו עיכוב מלא מסייע בבדיקות התקן.
   2. יש מבנה השני microchannel פשוט להיות מיושר לאורך קו העיכוב ראה, עם microchamber כדי ליצור את כניסת הערוץ. במכשירים הטיפוסיים שלנו, יש את ערוצי רוחב w = 300 מ"מ ובאורך של 5 מ"מ. ככלל, רוחב הערוץ צריך להיות לפחות 10 λ כדי למנוע תופעות עקיפה במהלך ההתפשטות ראה בmicrochannel, עם זאת בבדיקה שלנו מצאנו כי רוחב של 7 ~ λ לא ישפיע SAW התפשטות בתוך הערוץ באופן משמעותי.
2. להתחיל עם רקיק LN ודבק ב2 ס"מ על 2 ס"מ מדגם. על מנת לבצע מיקרוסקופיה שידור יש צורך להשתמש רקיק מלוטש צד כפול. שימו לב שLN הוא תקן לbiocompatibility והיראקיטוב ומקדם צימוד פיזואלקטריים גבוה לאורך הציר המרכזי, לעומת זאת חומרי piezoelectric אחרים עשויים להיות בשימוש עם שיקולי עיצוב מתאימים.
3. נקה את המצע על ידי שטיפתו באצטון, 2-propanol וייבוש עם אקדח חנקן.
4. ספין מעיל המדגם עם יפלי S1818 ב 4000 סל"ד דקות 1.
5. רך אופה בחום של 90 מעלות צלזיוס במשך דקות 1 על פלטה חשמלית.
6. יישר את המדגם עם מסיכת שכבת SAW באמצעות aligner מסכה ולחשוף אותו לאור UV עם 55 mJ / ² ס"מ. יש להקפיד ליישר את כיוון IDT לאורך הציר המרכזי של מצע LN.
7. יש לשטוף את המדגם במפתח Microposit MF319 למשך 30 שניות כדי להסיר photoresist שלא נחשף.
8. לעצור את הפיתוח על ידי שטיפה במי מדגם deionized ולייבש אותו עם אקדח חנקן.
9. להפקיד רובד הידבקות טיטניום 10 ננומטר בעובי שכבת זהב ואחריו 100 ננומטר עבה על ידי אידוי תרמי.
10. לבצע המראה על ידי sonicating יםשפע באצטון, ולאחר מכן לשטוף אותו ב2-propanol ויבש עם אקדח חנקן.
11. Silanize פני השטח את המכשיר כדי לעשות את זה באזור הידרופובי microchannel ^12.
    1. להסוות את אזור microchamber עם AR-N-4340 photoresist נימה שלילי על ידי יתוגרפיה אופטית פי גליון הנתונים של היצרן.
    2. הפעל את מדגם שטח עם 2 דקות חמצן פלזמה (Gambetti Kenologia Srl, Colibri) של לחץ 0.14 mbar וW 100 כוח לתת מתח הטיה של כ 450 V.
    3. מערבבים 35 מ"ל hexadecane, 15 מיליליטר פחמן טטרא (CCL _4), ו -20 octadecyltrichlorosilane μl (OTS) לתוך מבחנה בתוך מנדף. הנח את המכשיר בפתרון, ולהשאיר מכוסה למשך שעתיים.
    4. יש לשטוף את המכשיר עם 2-propanol ולייבש אותו עם אקדח חנקן.
    5. בדקו שזווית המגע של מים על פני השטח היא מעל 90 מעלות. אם זווית המגע אינה מספיקה, לנקות והמדגם מחדש לבצע את השלבים ב1.11.
    6. להסירשיורי להתנגד במדגם על ידי השטיפה באצטון, 2-propanol וייבוש עם אקדח חנקן.
12. הר מדגם על לוח מעגל מודפס עם גלבו תדר הרדיו ומחברים קואקסיאליים רגילים (RF-PCB), ולאחר מכן לשים את בולם אקוסטי (הראשון לתקשר עם פולימר) על הקצוות המדגם ולהתחבר IDT על ידי מליטה חוט או באמצעות מחברים פוגו.
13. עובש אב של שכבת הערוץ הוא בדוגמת עם SU-8 על גבי פיסה קטנה של רקיק (Si) הסיליקון באמצעות photolithography האופטי סטנדרטי. SU-8 סוג ומתכון photolithography יהיו תלוי בגובה הערוץ הסופי PDMS הפנימי הנדרשים.
14. להטיל PDMS על העובש
    1. מערבבים PDMS עם סוכן ריפוי ביחס של 10:1.
    2. צנטריפוגה PDMS למשך 2 דקות ב1320 XG לdegassing.
    3. יוצקים את PDMS בעדינות על SU-8 העובש בצלחת פטרי לגובה PDMS מוחלט על הסדר של 1 מ"מ. צלחת פטרי הפתוחה יכולה להיות ממוקמת בייבוש ואקום לכ 30 דקות בORDאה לדגת PDMS נוסף.
    4. ברגע שdegassed, לרפא PDMS על ידי חימום עד 80 מעלות צלזיוס במשך שעה אחת בתנור. שימו לב שזמן אפייה וטמפרטורה יכולים להשפיע על התכונות מכאניות של PDMS.
15. הכן את שכבת PDMS המוצק
    1. חותכים סביב הערוץ באמצעות סכין כירורגית, נזהר שלא לפגוע בהורי SU8, ולקלף אותו.
    2. קצות העתק אז מעודנים ויישרו באמצעות סכין גילוח משאיר אישור מ"מ לפחות 2 בצד הלטרלי של הערוץ ולא אישור (לחתוך ישר דרך) במוצא הערוץ.
    3. ניקוב חור בmicrochamber באמצעות אגרופן Unicore האריס כדי ליצור את כניסת נוזל הטעינה.
16. בונד ערוץ PDMS עם מצע LN ידי מליטה קונפורמי פשוט. בדרך זו את הקשר יחזיק לאורך כל שלב בדיקת הנוזל תוך שמירה הפיכה.
    1. שני המשטחים מנוקים טרם הצטרפות על ידי פיצוץ משם את כל פסולת עודפת עם אוויר חנקן דחוס. זה גritical כאשר מצטרפים לחתיכות כדי ליישר את הערוץ עם הציר המרכזי של LN על פי סימני יישור הדוגמת.
17. סכמטי מכשיר המלא מוצג באיור 1. החנות השלימה התקנים בסביבה נקיות עד לשימוש.

הערה: חשוב שכל שלבי הייצור מתבצעים בסביבת חדר נקי, כדי למנוע זיהום של המכשיר לפני השימוש.

הערה: כל אחד משלבי יתוגרפיה האופטיים עשוי להיות מוחלף על ידי השיטות המועדפות של המשתמש.

הערה: הליך silanization ניתן להחליף לשיטת ציפוי הידרופובי מועדפת ^13.

2. בדיקת מכשיר RF

1. לכייל את הרשת או מנתח ספקטרום עם מוליך גל פתוח / קצר על RF-PCB שלך.
2. חבר את קו העיכוב המסור ליציאות של מנתח ספקטרום ולמדוד את מטריצת פיזורמכשיר. השידור עבור זוג של מתמרים יחידה אלקטרודה יהיה דומה לערך המוחלט של פונקצית sinc מרוכזת בתדירות ההפעלה של IDT. בספקטרום השתקפות טבילה (מינימום) הוא ציין באותה התדירות ^9-11. במכשירים שלנו בתדירות ההפעלה MHz 100 לאורך ציר הערכים האופייניים העיקריים הם -15 דציבלים לS11 וS22 ו-10 דציבלים _ל12 S (בלי ערוצי PDMS).

3. מיקרופלואידיקה ולהתנסות חלקיקים זרימת Dynamics הדמיה וניתוח

1. הנח את הדוגמא תחת מיקרוסקופ. ההתקנה האופטית הספציפית תלויה בתופעות מיקרופלואידיקה ראו שנצפתה. לדוגמה, מיקרוסקופ השתקפות פשוט מצויד במטרת 4X ומצלמת וידאו fps 30 יהיה מתאים ללמוד דינמיקת מילוי נוזל. כדי לחקור את דינמיקת microparticle מורכבת יותר, ייתכן שיהיה צורך להשתמש במיקרוסקופ מצויד במטרה 20X ו100 fps או מצלמת וידאו גבוהה יותר. זה importanלא כי הן אובייקטיביות ומסגרת השיעור גבוהים מספיק כדי ללכוד את כל תכונות זרימה חשובות מרחב ובזמן.
2. חבר את IDT מול לשקע ערוץ למחולל אותות RF ולהפעיל אותו בתדר התהודה נצפה במדידות מטריצת פיזור. כוח ההפעלה הטיפוסי בניסויים אקוסטית-נגדית הוא 20 dBm. אם יש צורך, להשתמש במגבר UHF הספק גבוה. תופעות atomization אקוסטית-Streaming והם נצפו ללא נגדיים אקוסטית תוך כדי ריצת המכשיר בהספק נמוך יותר: בדרך כלל סחרור אקוסטית-הזרמה מתחיל בשעה 0 dBm וatomization מתרחש מעל 14 dBm.
3. טען 60 μl של נוזל לתוך microchamber עם micropipette. נוזל פסיבי יהיה לפזר את microchamber. במידת צורך, בעדינות על פני השטח microchamber כדי להעדיף את מילוי microchamber.
   1. על מנת להמחיש את הזרימה יש צורך להוסיף microbeads לנוזל. שימו לב שעל מנת להימנע מclust החלקיקיםering, sonicate ההשעיה החלקיק לפני הניסויים. כדי להימנע מהידבקות חלקיקים במצע להחיל אות dBm 0 למכשיר בעת טעינה.
4. להתחיל להקליט וידאו מבעד למיקרוסקופ ולהגדיל את כוח התפעולי כדי לצפות נגדי אקוסטי. תוכניות זרימה שונות תיקבע על ידי כוח קלט, תכנון שבבים וקוטר חלקיקים.
   1. על מנת ללכוד את הדינמיקה איכותית, יש זרימת נוזל שיירשם בקרבתו של המניסקוס והכניסה בשלבים שונים של ערוץ תדלוק באמצעות סמנים כהתייחסות מרחבית.
   2. על מנת לבצע מדידת כמותית של דינמיקה של חלקיקים על ידי מיקרו חלקיקי velocimetry תמונה (μPIV) ^14,15 או ספקטרוסקופיה המרחבי הזמנית תמונת מתאם (STICS) ^16,17, יש זרימת נוזל שתירשם בנקודת העניין עם שדה קבוע של השקפה לפחות 100 מסגרות במסגרת שיעור שהוטל על ידי הדינמיקה של החלקיקים.
5. נתח את הווידאו עם תוכנה לעיבוד תמונה. הבחירה של תוכנה לשימוש תלויה בתופעות של עניין. לדוגמה, כדי לכמת את התפלגות הגודל של טיפות מופרדות לחלקיקים, מחזוריות המרחבית של הצטברות חלקיקים, או מעקב הידני של חלקיקים בדילול מלא, תוכנת ניתוח תמונת התוכנה החופשית פשוטה כגון פיג'י מתאימה ^18, ואילו על מנת לקבל המייעל ומדידות שדה מהירות, אישית mPIV ¹⁹ או ²⁰ STICS קוד הנדרש. בניתוח שלנו קוד STICS אישית כתוב בMATLAB, לעומת זאת חלופה מועדפת קידוד שפה יכולה להיות באותה מידה מקובלת.

תוצאות

תרשים 2 מציג תוצאות נציג של בדיקות RF מכשיר אשר נלקחו לפני הדבקת שכבת LN לשכבת microchannel: ספקטרום אופייני _{12 11} S ו-S מדווחים בפנל) ו ב) בהתאמה. עומקו של העמק בתדר מרכזי בספקטרום S ₁₁ קשור ליעילות המרה של כוח RF בראה את כוחו מכאני. לפיכך, עבור ?...

Discussion

אחד האתגרים הגדולים ביותר העומדים בפני קהילת microfluidic הוא המימוש של פלטפורמת actuation עבור התקני נקודה של טיפול באמת ניידים. בקרב המשולב micropumps המוצע ^23, אלה המבוססים על גלים אקוסטיים על פני השטח (מסורים) הם אטרקטיביים במיוחד בשל היכולות הקשורים בם בערבוב, atomization וריכו...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Double side polished 128° YX lithium niobate wafer	Crystal Technology, LLC
Silicon wafer	Siegert Wafers		We use <100>
IDT Optical lithography mask with alignment marks (positive)	Any vendor
Channel Optical lithography mask (negative)	Any vendor
Positive photoresist	Shipley	S1818
Positive photoresist developer	Microposit	MF319
Negative tone photoresist	Allresist	AR-N-4340
Negative tone photoresist developer	Allresist	AR 300-475
SU8 thick negative tone photoresist	Microchem	SU-8 2000 Series
SU8 thick negative tone photoresist developer	Microchem	SU-8 developer
Hexadecane	Sigma-Aldrich	H6703
Carbon tetrachloride (CCl4)	Sigma-Aldrich	107344
Octadecyltrichlorosilane (OTS)	Sigma-Aldrich	104817
Acetone CMOS grade	Sigma-Aldrich	40289
2-propanol CMOS grade	Sigma-Aldrich	40301
Titanium	Any vendor	99.9% purity
Gold	Any vendor	99.9% purity
PDMS	Dow Corning	Sylgard 184 silicone elastomer kit with curing agent
Petri dish	Any vendor
5 mm ID Harris Uni-Core multi-purpose coring tool	Sigma-Aldrich	Z708895	Any diameter greater than 2 mm is suitable
Acoustic absorber	Photonic Cleaning Technologies	First Contact regular kit
RF-PCB	Any vendor
Spinner	Laurell technologies corporation	WS-400-6NPP	Any spinner can be used
UV Mask aligner	Karl Suss	MJB 4	Any aligner can be used
Thermal evaporator	Kurt J. Lesker	Nano 38	Any thermal, e-beam evaporator or sputtering system can be used
Oxygen plasma asher	Gambetti Kenologia Srl	Colibrì	Any plasma asher or RIE machine can be used
Centrifuge	Eppendorf	5810 R	Any centrifuge can be used
Wire bonder	Kulicke Soffa	4523AD	Any wire bonder can be used if the PCB is used without pogo connectors
Contact Angle Meter	KSV	CAM 101	Any contact angle meter can be used
Spectrum analyzer	Anristu	56100A	Any spectrum or network analyzer can be used
RF signal generator	Anristu	MG3694A	Any RF signal generator can be used
RF high power amplifier	Mini Circuits	ZHL-5W-1	Any RF high power amplifier can be used
Microbeads suspension	Sigma-Aldrich	L3280	Depending on the experimental purpose different suspension of different diameter and different material properties can be used
Optical microscope	Nikon	Ti-Eclipse	Any optical microscope with spatial resolution satisfying experimental purposes can be used
Video camera	Basler	A602-f	Any video camera that has enough frame rate and sensitivity satisfying experimental purposes can be used
Camera acquisition software	Advanced technologies	Motion Box	Any software enabling high and controlled frame rate acquisition can be used