Fabbricazione, il funzionamento e la visualizzazione del flusso in superficiali acustiche onda-driven Microfluidics Acoustic-controcorrente

Riepilogo

In questo video vengono descritti i processi di fabbricazione e di funzionamento delle onde acustiche di superficie (SAW), dispositivo controcorrente acustico. Abbiamo quindi dimostrare un apparato sperimentale che consente sia la visualizzazione del flusso analisi qualitativa e quantitativa dei flussi complessi all'interno del dispositivo di pompaggio SAW.

Abstract

Onde acustiche di superficie (SAW) possono essere usati per guidare liquidi in chip microfluidici portatili tramite il fenomeno acustico controflusso. In questo video vi presentiamo il protocollo di fabbricazione di un dispositivo controcorrente acustica SAW multistrato. Il dispositivo è fabbricato a partire da un niobato (LN) substrato di litio su cui due trasduttori interdigitali (IDT) e marcatori appropriati sono modellati. A (PDMS) canale polydimethylsiloxane gettato su uno stampo maestro SU8 è finalmente incollato sul substrato fantasia. Seguendo la procedura di fabbricazione, mostriamo le tecniche che permettono la caratterizzazione e funzionamento del dispositivo controflusso acustico per pompare liquidi attraverso la griglia canale PDMS. Abbiamo finalmente presentiamo la procedura per visualizzare il flusso di liquido nei canali. Il protocollo viene utilizzato per mostrare fluido on-chip di pompaggio sotto diversi regimi di flusso, quali il flusso laminare e le dinamiche più complesse caratterizzate da vortici e domini di accumulo di particelle.

Introduzione

Una delle continue sfide che la comunità microfluidica è la necessità di disporre di un meccanismo di pompaggio efficiente che può essere miniaturizzato per l'integrazione in sistemi micro-totale-analisi veramente portatili (μTAS di). Sistemi di pompaggio macroscopici normali semplicemente non riescono a fornire la portabilità richiesto per μTAS di, a causa della scalatura sfavorevole delle portate volumetriche come dimensione canale diminuisce fino alla gamma micron o inferiore. Al contrario, seghe hanno guadagnato crescente interesse come meccanismi attuatori fluide e appaiono come una strada promettente per la soluzione di alcuni di questi problemi ^1,2.

SAW hanno mostrato di fornire un meccanismo molto efficiente di trasporto di energia in fluidi ^3. Quando una sega si propaga su un substrato piezoelettrico, ad esempio niobato di litio (LN), l'onda saranno irradiate in tutto il liquido nel suo percorso con un angolo noto come l'angolo di Rayleigh θ _R = sin722, 1 (c _f / c _s), a causa della mancata corrispondenza delle velocità del suono nel substrato, c _s, e il fluido c _f. Questa perdita di radiazioni nel fluido genera un'onda di pressione che spinge lo streaming acustiche nel fluido. A seconda della geometria del dispositivo e della potenza applicata al dispositivo, questo meccanismo è stato indicato per azionare una grande varietà di processi on-chip, quali fluidi miscelazione, cernita particella, atomizzazione, e ^1,4 pompaggio. Nonostante la semplicità e l'efficacia di azionamento microfluids con SAW, ci sono solo un piccolo numero di SAW guidato meccanismi di pompaggio microfluidici che sono stati dimostrati per data. La prima dimostrazione è stata la semplice traduzione di goccioline libere poste nel percorso di propagazione SAW su un substrato ³ piezoelettrico. Questo nuovo metodo ha generato molto interesse ad utilizzare SAW come metodo di attuazione microfluidica, tuttavia c'era ancora bisogno di liquidi peressere guidato attraverso canali-una allegate compito più difficile. Tan et al. Ha dimostrato di pompaggio all'interno di un microcanali che è stato asportato laser direttamente nel substrato piezoelettrico. Per modificazione geometrica rispetto al canale e dimensioni IDT, erano in grado di dimostrare flussi sia uniforme e miscelazione ^5. Glass et al. Ha recentemente dimostrato un metodo di fluidi in movimento attraverso microcanali e componenti microfluidici combinando SAW rotazioni azionati con microfluidica centrifughe, come una dimostrazione di vera miniaturizzazione del famoso Concept Lab-on-a-CD ^6,7. Tuttavia, l'unico completamente chiusa SAW guidato meccanismo che è stato dimostrato di pompaggio rimane da Cecchini et al. S 'SAW-driven controcorrente acustica ^8-il focus di questo video. Sfrutta l'atomizzazione e la coalescenza di un fluido da pompare attraverso un canale chiuso nella direzione opposta alla direzione di propagazione del unaonda Coustic. Questo sistema può dare origine a flussi sorprendentemente complesse all'interno di un microcanale. Inoltre, a seconda della geometria del dispositivo, può fornire una serie di schemi di flusso, da flussi laminari a regimi più complessi caratterizzati da vortici e domini particella-accumulo. La capacità di influenzare facilmente le caratteristiche di flusso all'interno del dispositivo mostra le opportunità di manipolazione avanzata delle particelle on-chip.

In questo protocollo vogliamo chiarire gli aspetti principali della pratica microfluidica SAW a base di: fabbricazione del dispositivo, operazione sperimentale, e la visualizzazione del flusso. Mentre stiamo descrivendo esplicitamente queste procedure per la realizzazione e il funzionamento del-driven dispositivi SAW controcorrente acustici, queste sezioni possono essere facilmente modificati per la loro applicazione ad una serie di regimi di microfluidica SAW-driven.

Protocollo

1. Fabbricazione di dispositivi

1. Design a due delle maschere, la prima per patterning l'onda acustica di superficie (SAW) strato, e la seconda per il polidimetilsilossano (PDMS) stampo a microcanali.
   1. La prima fotomaschera ha una coppia di opposti trasduttori interdigitali (IDT), conosciuto anche come SAW linea-e delay marcatori per l'allineamento dei canali e riferimento spaziale durante microscopia. Nel nostro dispositivo di serie abbiamo IDTs singolo elettrodo con una larghezza dito p = 10 micron, apertura di 750 micron, e 25 coppie di dita dritte. La risultante IDT genera SAW con una lunghezza d'onda λ = 4 p = 40 micron corrispondenti ad una frequenza di funzionamento f _o = c _SAW / λ ≈ 100 MHz a 128 ° YX niobato di litio (LN). Ciascuna larghezza IDT dovrebbe essere sopra due volte la larghezza della microcanali per ridurre eventuali effetti di disallineamento mentre incollaggio degli strati. Parametri di progetto IDT sono discussi comprehensively in diversi libri ^9-11. Osserviamo che solo una IDT (posizionato all'uscita del canale) è necessaria per guidare il fluido nel canale in acustico-controcorrente, ma patterning una linea di ritardo completa assiste nel test del dispositivo.
   2. Il secondo ha una struttura semplice microcanale essere allineati lungo la linea di ritardo SAW, con una microcamera per formare l'imbocco del canale. Nei nostri dispositivi tipici, i canali hanno una larghezza w = 300 mm e una lunghezza di 5 mm. Come regola generale, la larghezza del canale dovrebbe essere almeno 10 λ per evitare effetti di diffrazione SAW durante la propagazione nel microcanale, tuttavia a nostro test abbiamo trovato che una larghezza di 7 ~ λ non inciderebbe significativamente propagazione SAW all'interno del canale.
2. Inizia con un wafer di LN e unirà a 2 cm per 2 centimetri campione. Per poter eseguire microscopia a trasmissione è necessario utilizzare un doppio lato wafer lucidato. Si noti che la LN è uno standard per la sua biocompatibilità e la segapolarizzazione ed alto coefficiente di accoppiamento piezoelettrico lungo l'asse maggiore, comunque altri materiali piezoelettrici possono essere utilizzati con considerazioni di progettazione appropriati.
3. Pulire il substrato risciacquandola in acetone, 2-propanolo e asciugatura con una pistola azoto.
4. Spin cappotto il campione con Shipley S1818 a 4000 rpm per 1 min.
5. Morbido cuocere in forno a 90 ° C per 1 minuto su un piatto caldo.
6. Allineare il campione con la maschera di livello SAW utilizzando un allineatore maschera ed esporla ai raggi UV con un 55 mJ / cm ^2. Si deve prestare attenzione ad allineare la direzione IDT lungo l'asse maggiore del substrato LN.
7. Lavare il campione in Microposit MF319 sviluppatore per 30 secondi per rimuovere il photoresist non esposta.
8. Fermare lo sviluppo con il risciacquo del campione con acqua deionizzata e asciugare con una pistola di azoto.
9. Depositare uno strato di adesione in titanio da 10 nm di spessore seguito da strato di 100 nm di spessore in oro per evaporazione termica.
10. Eseguire il decollo da sonicating il sampio in acetone, poi sciacquarlo in 2-propanolo e asciugare con una pistola di azoto.
11. Silanize la superficie periferica per renderla idrofobica nell'area microcanali ^12.
    1. Mascherare l'area microcamera con AR-N-4340 photoresist tono negativo per litografia ottica secondo la scheda del produttore.
    2. Attivare la superficie del campione con un 2 min di ossigeno plasma (Gambetti Kenologia Srl, Colibri) di 0,14 mbar e 100 W dando una tensione di polarizzazione di circa 450 V.
    3. Mescolare 35 ml esadecano, 15 ml di tetracloruro di carbonio (CCl _4), e 20 microlitri octadecyltrichlorosilane (OTS) in un becher all'interno di una cappa aspirante. Posizionare il dispositivo nella soluzione, e lasciare coperto per due ore.
    4. Risciacquare il dispositivo con 2-propanolo e asciugare con una pistola di azoto.
    5. Controllare che l'angolo di contatto di acqua sulla superficie è sopra 90 °. Se l'angolo di contatto è insufficiente, pulire il campione e ri-eseguire la procedura descritta in 1.11.
    6. Rimuovereil residuo resist sul campione da risciacquo in acetone, 2-propanolo e asciugatura con una pistola azoto.
12. Montare il campione su una scheda a circuito stampato con guide d'onda a radiofrequenza e connettori coassiali standard (RF-PCB), e poi mettere assorbitore acustico (Primo contatto polimero) sui bordi del campione e collegare il sistema IDT per saldatura a filo o tramite connettori pogo.
13. Uno stampo maestro del livello del canale è modellato con il SU-8 su un piccolo pezzo di silicio (Si) wafer utilizzando fotolitografia ottica standard. Tipo SU-8 e ricetta fotolitografia dipenderanno dell'altezza canale finale PDMS interno richiesto.
14. Fusioni PDMS sullo stampo
    1. Mescolare PDMS con un agente reticolante con un rapporto di 10:1.
    2. Centrifugare il PDMS per 2 min a 1320 xg per degasaggio.
    3. Versare il PDMS delicatamente sulla SU-8 stampo in una capsula di Petri per un'altezza totale PDMS dell'ordine di 1 mm. La piastra di Petri aperto può essere collocato in un essiccatore sotto vuoto per circa 30 min in order a Degas il PDMS ulteriormente.
    4. Una volta degassato, curare PDMS mediante riscaldamento a 80 ° C per un'ora in un forno. Si noti che il tempo di cottura e la temperatura possono influenzare le proprietà meccaniche del PDMS.
15. Preparare lo strato di PDMS solido
    1. Tagliare tutto il canale con una lama chirurgica, facendo attenzione a non danneggiare il maestro SU8, e staccare.
    2. Bordi replica sono poi raffinati e raddrizzate usando una lama di rasoio lasciando almeno 2 mm di spazio sul lato laterale del canale e senza gioco (tagliare a destra attraverso) all'uscita del canale.
    3. Una apertura nel microcamera utilizzando un Harris Unicore perforatore per formare l'ingresso del fluido-caricamento.
16. Il canale PDMS legame con il substrato LN per semplice incollaggio conforme. In questo modo il legame terrà durante tutta la fase di test fluido pur rimanendo reversibile.
    1. Vengono pulite entrambe le superfici prima di entrare soffiando via i detriti in eccesso con aria azoto compresso. E 'critical quando unisce i pezzi per allineare il canale con l'asse maggiore della LN secondo i segni di allineamento fantasia.
17. Lo schema dispositivo completo è mostrato in Figura 1. Conservare completato dispositivi in ​​un ambiente pulito fino all'utilizzo.

Nota: È importante che tutti i passi di fabbricazione sono eseguite in un ambiente sterile per evitare la contaminazione del dispositivo prima dell'uso.

Nota: qualsiasi dei passi litografia ottica può essere sostituita dai metodi preferiti dall'utente.

Nota: La procedura silanizzazione può essere sostituito da un metodo preferito rivestimento idrofobo ^13.

2. Test dispositivo RF

1. Calibrare la rete o analizzatore di spettro con una guida d'onda open / short sul RF-PCB.
2. Collegare la linea di ritardo SAW alle porte di un analizzatore di spettro e misurare la matrice di scattering deldispositivo. La trasmissione di una coppia di trasduttori a singolo elettrodo sarà simile al valore assoluto di una funzione sinc centrata sulla frequenza operativa del IDT. Nello spettro di riflessione si osserva un tuffo (minimo) alla stessa frequenza ^9-11. Nei nostri dispositivi a frequenza di funzionamento 100 MHz lungo i valori degli assi principali tipici sono -15 dB per la S11 e la S22 e -10 dB per la S ₁₂ (senza canali PDMS).

3. Microfluidica e il flusso di particelle Dynamics visualizzazione Experiment e analisi

1. Collocare il campione al microscopio. La configurazione ottica specifica dipende dai fenomeni microfluidica SAW da osservare. Ad esempio, un semplice microscopio riflessione equipaggiato con un obiettivo 4X e una video camera 30 fps sarà adatto per studiare la dinamica dei fluidi di riempimento. Per indagare dinamiche microparticelle più complessi, può essere necessario utilizzare un microscopio dotato di un obiettivo 20X e un 100 fps o superiore videocamera. È important che sia l'obiettivo e la velocità dei fotogrammi è abbastanza alto per catturare le caratteristiche importanti e nello spazio di flusso.
2. Collegare la IDT davanti alla presa di canale ad un generatore di segnale RF, alimentandola con la frequenza di risonanza osservata nelle misure matrice di scattering. La tipica potenza di funzionamento in esperimenti acustico-controcorrente è di 20 dBm. Se necessario, utilizzare un amplificatore UHF ad alta potenza. Acoustic-streaming e fenomeni di atomizzazione sono osservati senza controcorrente acustico durante l'esecuzione del dispositivo a bassa potenza: tipicamente ricircolo acustico-streaming inizia da 0 dBm e atomizzazione avviene sopra 14 dBm.
3. Caricare 60 ml di fluido nella microcamera con una micropipetta. Fluido passivamente diffonda nella microcamera. Se necessario, spingere delicatamente sulla superficie microcamera per favorire il riempimento microcamera.
   1. Per visualizzare il flusso è necessario aggiungere microsfere al fluido. Notare che al fine di evitare Clust particellaEring, sonicare la sospensione delle particelle prima degli esperimenti. Per evitare l'adesione delle particelle sul substrato applicare un segnale di 0 dBm al dispositivo durante il caricamento.
4. Avviare la registrazione del video attraverso il microscopio e aumentare la potenza di funzionamento al fine di osservare controflusso acustica. Schemi di flusso differenti saranno determinati dalla potenza in ingresso, progettazione di chip e diametro particellare.
   1. Per catturare qualitativamente la dinamica, flusso di fluido deve essere registrata in prossimità del menisco e l'ingresso in diverse fasi del canale di riempimento utilizzando marcatori come riferimento spaziale.
   2. Al fine di eseguire la misurazione quantitativa della dinamica delle particelle da micro particelle di velocimetria immagine (μPIV) ^14,15 o spettroscopia di correlazione spaziale temporale dell'immagine (STIC) ^16,17, il flusso del fluido deve essere registrato nel punto di interesse con un campo di vista fisso per almeno 100 fotogrammi a un frame rate imposto dalla dinamica delle particelle.
5. Analizzare il video con il software di elaborazione delle immagini. La scelta del software da utilizzare dipende dai fenomeni di interesse. Ad esempio, per quantificare la distribuzione delle dimensioni delle goccioline atomizzate, periodicità spaziale di accumulo di particelle o tracciamento manuale di particelle diluiti, semplice software freeware di analisi delle immagini, come Fiji è adatto ^18; che al fine di ottenere correnti e misure di campo di velocità, personalizzati mPIV ¹⁹ o TICHE ²⁰ codice è richiesto. Nella nostra analisi del codice TICHE personalizzato è scritto in MATLAB, tuttavia una alternativa preferita codifica lingua può essere ugualmente accettabile.

Risultati

La Figura 2 mostra i risultati rappresentativi di test RF dispositivo che sono stati presi prima dell'incollaggio strato LN allo strato microcanali: tipico S ₁₁ e S ₁₂ spettri sono riportati in pannello a) e b), rispettivamente. La profondità della valle a frequenza centrale a S ₁₁ spettro è correlata alla efficienza della conversione di potenza RF SAW in potenza meccanica. Quindi, per un numero fisso di coppie dito IDT, una riduzi...

Discussione

Una delle più grandi sfide per la comunità microfluidica è la realizzazione di una piattaforma di comando per i dispositivi point-of-care realmente portatile. Tra il micropumps integrato proposto ^23, quelli basati su onde acustiche di superficie (SAW) sono particolarmente interessanti grazie alla loro capacità associate a concentrazione del liquido di miscelazione, atomizzazione e la particella e la separazione ^4. In questo lavoro abbiamo dimostrato come fabbricare e utilizzare un dispositivo d...

Materiali

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