Fabricação, Operação e Visualização de Fluxo em superfície acústico de ondas orientadas Microfluidics acústico contrafluxo

Resumo

Neste vídeo podemos primeira descrever procedimentos de fabricação e operação de uma onda acústica de superfície (SAW) dispositivo contra-acústico. Nós, então, demonstrar uma configuração experimental que permite tanto a visualização do fluxo análise qualitativa e quantitativa dos fluxos complexos dentro do dispositivo de bombeamento SAW.

Resumo

Ondas acústicas de superfície (SAW) pode ser usado para conduzir líquidos em chips microfluídicos portáteis via o fenômeno contra-acústico. Neste vídeo, apresentamos o protocolo de fabricação de um dispositivo contra-SAW acústico de várias camadas. O aparelho é fabricado a partir de um niobato (LN) de lítio substrato sobre o qual dois transdutores interdigitais (ADIs) e marcadores apropriados são padronizados. A (PDMS) canal polidimetilsiloxano lançado em um molde mestre SU8 é finalmente ligado na carcaça padronizada. Seguindo o processo de fabricação, que mostram as técnicas que permitem a caracterização e o funcionamento do dispositivo de contra-acústico para bombear fluidos através da rede de canais de PDMS. Finalmente, apresentamos o procedimento para visualizar o fluxo de líquido nos canais. O protocolo é usado para mostrar fluido no chip de bombeamento sob diferentes regimes de fluxo, tais como fluxo laminar e dinâmicas mais complicadas caracterizado por vórtices e domínios de acumulação de partículas.

Introdução

Um dos desafios enfrentados pela comunidade continuadas microfluídico é a necessidade de ter um mecanismo de bombagem eficiente, que pode ser miniaturizado para integração em sistemas de análise de micro-total verdadeiramente portátil (μTAS 's). Sistemas de bombagem macroscópicas padrão simplesmente deixam de proporcionar a portabilidade necessária para μTAS de, devido ao dimensionamento desfavorável dos caudais volumétricos, como o tamanho do canal diminui para a faixa de micron ou inferior. Pelo contrário, as serras ganharam cada vez mais interesse como mecanismos de actuação de fluido e aparecem como uma avenida promissora para a solução de alguns destes problemas ^1,2.

SAWs foram mostrados para fornecer um mecanismo muito eficiente de transporte de energia em fluidos ^3. Quando uma serra propaga num substrato piezoeléctrico, por exemplo, de niobato de litio (LN), a onda vai ser irradiada para o fluido no seu percurso em ângulo conhecido como o ângulo de Rayleigh θ _R = sin722, 1 (c _f / c _s), devido à incompatibilidade das velocidades de som no substrato, c _s e o fluido c _f. Esta fuga de radiação para o líquido dá origem a uma onda de pressão que acciona transmissão acústica no líquido. Dependendo da geometria do dispositivo e potência aplicada ao dispositivo, este mecanismo foi mostrado para accionar uma ampla variedade de processos on-chip, tais como fluido de mistura, separação das partículas, a atomização, e de bombeamento ^1,4. Apesar da simplicidade e eficácia de atuar microfluidos com SAW, há apenas um pequeno número de SAW impulsionado mecanismos de bombeamento microfluídicos que demonstraram até o momento. A primeira demonstração foi a tradução simples de gotículas livres colocados no caminho de propagação SAW em um ³ de substrato piezoelétrico. Este novo método gerado muito interesse em utilizar SAWs como um método de atuação de microfluídica, porém ainda havia a necessidade de fluidos paraser conduzido através de canais fechados a tarefa mais difícil. Tan et al. Demonstrado bombagem dentro de um microcanal que foi feita a ablação a laser directamente no substrato piezoeléctrico. Pela modificação geométrica em relação ao canal e dimensões IDT, eles foram capazes de demonstrar tanto fluxos uniformes e misturar ^5. Glass et ai. Demonstrado recentemente um método de transferência de fluidos através de microcanais e componentes microfluídicas combinando SAW rotações accionados com microfluidos centrífugos, como uma demonstração da verdadeira miniaturização do popular conceito Lab-on-a-CD de ^6,7. No entanto, a única totalmente fechado SAW impulsionado mecanismo que tem sido demonstrado de bombagem continua a ser Cecchini et ai. 'S contracorrente acústico SAW orientada ^8-o foco deste vídeo. Ela explora a atomização e coalescência de um fluido a bombear através de um canal fechado na direcção oposta à direcção de propagação de uma aonda coustic. Este sistema pode dar origem a fluxos surpreendentemente complexos dentro de um microcanal. Além disso, dependendo da geometria do dispositivo, que podem proporcionar uma variedade de regimes de fluxo, a partir de fluxos laminares para regimes mais complexos, caracterizados por domínios de vórtices e de acumulação de partículas. A capacidade de influenciar facilmente as características de fluxo dentro do dispositivo mostra oportunidades para manipulação avançada de partículas on-chip.

Neste protocolo, gostaria de esclarecer os principais aspectos práticos baseados em microfluídica SERRA: fabricação de dispositivos, a operação experimental, e visualização de fluxo. Enquanto estamos descrevendo explicitamente esses procedimentos para a fabricação e operação de dispositivos acústicos de contra-driven SAW, estas seções podem ser facilmente modificados para a sua aplicação a uma série de regimes microfluídicos SAW-driven.

Protocolo

1. Fabricação de dispositivos

1. Projeto duas máscaras, o primeiro para padronização da onda acústica de superfície (SAW) camada, ea segunda para o polidimetilsiloxano (PDMS) molde de microcanais.
   1. O primeiro photomask tem um par de opostos transdutores interdigitais (ODI), também conhecido como linha e demora SAW marcadores para alinhamento de canal e de referência espacial durante a microscopia. Em nosso dispositivo padrão que temos ADIs single-eletrodo com um dedo de largura p = 10 mM, abertura de 750 pm, e 25 pares de dedo em linha reta. O IDT resultante gera SAWs com um comprimento de onda λ = 4 p = 40 mM correspondentes a uma freqüência de operação f _o = c _SERRA / λ ≈ 100 MHz em 128 ° YX niobato de lítio (LN). Cada largura IDT deve estar acima de duas vezes a largura dos microcanais para reduzir os efeitos de desvio, enquanto a ligação das camadas. Parâmetros de projeto IDT são discutidos comprehensively em vários livros ^9-11. Observamos que apenas uma IDT (colocado na saída do canal) é necessário para conduzir o fluido para dentro do canal em contracorrente-acústicas, mas padronização uma linha de atraso total auxilia no teste do dispositivo.
   2. A segunda tem uma estrutura simples de microcanais para ser alinhado ao longo da linha de atraso de serra, com uma microcâmara para formar o canal de entrada. Nos nossos dispositivos típicos, os canais têm uma largura w = 300 mm e um comprimento de 5 mm. Como regra geral, a largura do canal deve ser de pelo menos 10 λ para evitar os efeitos de difracção durante a propagação da serra no microcanal, no entanto, no nosso teste verificou-se que uma largura de 7 ~ λ não afectariam significativamente propagação SAW no canal.
2. Comece com um wafer LN e se unir a 2 cm por 2 centímetros de amostra. A fim de realizar a microscopia de transmissão, é necessário utilizar uma pastilha de dupla face polida. Note-se que LN é um padrão para a sua biocompatibilidade e da serrapolarização e acoplamento de alto coeficiente piezoeléctrico ao longo do eixo principal, no entanto outros materiais piezoeléctricos podem ser utilizados com as considerações de design adequado.
3. Limpar o substrato por enxaguamento em acetona, 2-propanol e secagem com uma pistola de azoto.
4. Gire casaco da amostra com Shipley S1818 a 4.000 rpm por 1 min.
5. Mole cozer no forno a 90 ° C durante 1 minuto numa placa quente.
6. Alinhe a amostra com a camada de máscara SAW usando um alinhador de máscara e expô-la à luz UV com a 55 mJ / cm ^2. Deve ser tomado cuidado para alinhar o IDT direcção ao longo do eixo principal do substrato LN.
7. Lavar a amostra em Microposit MF319 desenvolvedor por 30 segundos para remover o fotorresiste não exposto.
8. Parar o desenvolvimento de lavagem a amostra com água deionizada e seque-o com uma arma de nitrogênio.
9. Depositar uma camada de adesão de titânio de 10 nm de espessura, seguido de camada de ouro de 100 nm de espessura por evaporação térmica.
10. Realizar a decolagem por sonicando o samplo em acetona, em seguida, lave-o em 2-propanol e seco, com uma arma de nitrogênio.
11. Silanizadas superfície do dispositivo para torná-la hidrófoba na área de microcanais ^12.
    1. Mascarar a área da microcâmara com AR-N-4340 fotosensitivo tom negativo por litografia óptica de acordo com a ficha técnica do fabricante.
    2. Activar a superfície da amostra com um plasma de oxigénio de 2 min (Gambetti Kenologia Srl, Colibri) de 0,14 mbar e 100 W de potência que dá uma tensão de polarização de cerca de 450 V.
    3. Misturar 35 ml de hexadecano, 15 ml de tetracloreto de carbono (CCl _4), e 20 ul octadecyltrichlorosilane (OTS), para um copo dentro de um extractor de fumo. Colocar o dispositivo na solução e deixar coberto por duas horas.
    4. Lavar o dispositivo com 2-propanol e secam com uma pistola de azoto.
    5. Verificar que o ângulo de contacto da água na superfície seja superior a 90 °. Se o ângulo de contato é insuficiente, limpar a amostra e voltar a executar as etapas 1,11.
    6. Removero resíduo em resistir a amostra por lavagem com acetona, 2-propanol e secagem com uma pistola de azoto.
12. Monte a amostra em uma placa de circuito impresso com guias de onda de freqüência de rádio e conectores coaxiais de RF-padrão (PCB) e, em seguida, colocar absorvente acústico (primeiro polímero de contato) nas bordas da amostra e conecte o IDT por soldagem de fios ou por meio de conectores de pogo.
13. Um molde mestre da camada de canal é modelado com SU-8 em um pequeno pedaço de wafer de silício (Si) usando fotolitografia óptica padrão. SU-8 tipo de receita de fotolitografia e será dependente da altura do canal definitivo PDMS interna necessária.
14. Elenco PDMS sobre o molde
    1. Misturar PDMS com um agente de cura numa proporção de 10:1.
    2. Centrifuga-se o PDMS durante 2 min a 1320 xg durante a desgaseificação.
    3. Despeje a PDMS suavemente sobre o SU-8 molde numa placa de Petri a uma altura total de PDMS na ordem de 1 mm. A placa de Petri aberta pode ser colocada num exsicador de vácuo durante cerca de 30 min em order para desgaseificar a PDMS mais.
    4. Uma vez desgaseificada, cura PDMS por aquecimento a 80 ° C durante uma hora num forno. Note-se que o tempo e temperatura de cozimento pode afectar as propriedades mecânicas de PDMS.
15. Preparar a camada de PDMS sólido
    1. Corte em torno do canal utilizando uma lâmina cirúrgica, tendo o cuidado para não danificar o mestre SU8, e retire-a.
    2. Bordas Replica são refinados e endireitou usando uma lâmina de barbear deixando mm distância mínima de 2 na lateral do canal e sem folga (corte direito through) na saída do canal.
    3. Perfurar um buraco na microcâmara através de um Harris Unicore perfurador para formar a entrada de fluido de carga.
16. Vínculo do canal PDMS com o substrato LN por simples colagem conforme. Desta forma, o vínculo vai realizar toda a fase de testes de fluido mantendo-se reversível.
    1. Ambas as superfícies são limpas antes de entrar, soprando o excesso de detritos com ar comprimido, nitrogênio. É critical ao juntar as peças para alinhar o canal com o eixo maior da LN de acordo com as marcas de alinhamento modeladas.
17. O esquema completo do dispositivo é mostrado na Figura 1. Loja completada dispositivos num ambiente limpo até à utilização.

Nota: É importante que todos os passos de fabrico são realizadas num ambiente de sala limpa para evitar a contaminação do dispositivo antes da utilização.

Nota: Qualquer um dos passos de litografia óptica podem ser substituídos pelos métodos preferenciais do utilizador.

Nota: O procedimento de silanização pode ser substituída por um método de revestimento hidrofóbico preferido ^13.

2. RF Testes de Dispositivos

1. Calibrar a rede ou o analisador de espectro com um guia de onda aberta / short em seu RF-PCB.
2. Ligue a linha de atraso SAW para os portos de um analisador de espectro e medir a matriz de dispersão dadispositivo. A transmissão de um par de transdutores de um único eléctrodo será semelhante ao valor absoluto da função de sincronismo centrado na frequência de funcionamento do IDT. No espectro de reflexão de um mergulho (mínimo) é observada na mesma frequência, ^9-11. Em nossos dispositivos de freqüência de operação de 100 MHz ao longo dos principais eixos são os valores típicos -15 dB para S11 e S22 e -10 dB para S ₁₂ (sem canais PDMS).

3. Microfluídica e Particle Fluxo Dynamics Experiment visualização e análise

1. Colocar a amostra sob um microscópio. A configuração óptica específica depende da serra microfluídica fenômenos a serem observados. Por exemplo, uma simples reflexão microscópio equipado com uma objectiva de 4X e um FPS de câmara de vídeo 30 será apropriado para estudar a dinâmica de enchimento de fluidos. Para investigar a dinâmica de micropartículas mais complexos, pode ser necessário o uso de um microscópio equipado com uma objectiva 20x e 100 fps ou câmara de vídeo superior. É important que tanto o objetivo e taxa de quadros são altos o suficiente para captar recursos de fluxo importantes espacialmente e temporalmente.
2. Ligue o IDT em frente da saída de canal para um gerador de sinal de RF e operam na frequência de ressonância observada nas medições matriz de dispersão. O poder operacional típico em experimentos acústico-contrafluxo é de 20 dBm. Se necessário, use um amplificador de UHF de alta potência. Fenômenos de atomização acústico-streaming e são observados sem contra-acústico durante a execução do dispositivo de baixo consumo de energia: geralmente a recirculação acústico-streaming começa em 0 dBm e atomização ocorre acima de 14 dBm.
3. Carregar 60 ml de fluido para dentro da microcâmara com uma micropipeta. Fluido irá difundir-se passivamente a microcâmara. Se necessário, empurrar suavemente na superfície da microcâmara de modo a favorecer o enchimento microcâmara.
   1. A fim de visualizar o fluxo que é necessário adicionar ao fluido de micropérolas. Note-se que, a fim de evitar clust partícularando, sonicar a suspensão das partículas, antes das experiências. Para evitar a aderência das partículas sobre o substrato se aplica um sinal de 0 dBm para o dispositivo durante o carregamento.
4. Comece a gravar o vídeo através do microscópio e aumentar a potência de funcionamento, a fim de observar contracorrente acústico. Diferentes sistemas de fluxo será determinada pela energia de entrada, cartão chip e do diâmetro das partículas.
   1. A fim de captar qualitativamente a dinâmica, o fluxo de fluido tem de ser registada na proximidade do menisco e de entrada em diferentes fases de enchimento de canal, utilizando marcadores como uma referência espacial.
   2. Para realizar a medição quantitativa da dinâmica de partículas por micro velocimetria por imagem de partículas (μPIV) ^14,15 ou espectroscopia de correlação de imagem temporal, espacial (TICA) ^16,17, o fluxo de fluido tem que ser registrado no ponto de interesse com um campo de vista fixo para pelo menos 100 quadros em uma taxa de quadros imposta pela dinâmica de partículas.
5. Analisar o vídeo com software de processamento de imagem. A escolha do software a ser utilizado depende dos fenómenos de interesse. Por exemplo, para quantificar a distribuição de tamanho das gotículas atomizadas, periodicidade espacial da acumulação de partículas, ou rastreamento manual de partículas diluídas, software de análise de imagem gratuito simples, como Fiji é adequado ¹⁸ e que, a fim de obter simplifica e medições de campo de velocidade, personalizado mPIV ¹⁹ ou código TICAS ²⁰ é necessária. Em nossa análise de código STICS personalizado é escrito em MATLAB, no entanto, uma alternativa preferida linguagem de codificação pode ser igualmente aceitável.

Resultados

A Figura 2 mostra resultados representativos de testes ampliada do dispositivo que foram efectuadas antes da colagem a camada de LN para a camada de microcanais: típico S ₁₁ e S ₁₂ Os espectros estão indicados no painel a) e b), respectivamente. A profundidade do vale na frequência central do espectro em S ₁₁ está relacionada com a eficiência de conversão de energia de RF em SAW energia mecânica. Assim, para um determinado número...

Discussão

Um dos maiores desafios enfrentados pela comunidade de microfluídica é a realização de uma plataforma de atuação para dispositivos point-of-care realmente portáteis. Entre o proposto integrado microbombas ^23, aqueles baseados em ondas acústicas de superfície (SAW) são particularmente atractivas devido à sua capacidade de concentração e de associados de separação ⁴ de mistura, e partículas de fluido de atomização. Neste artigo demonstramos como fabricar e operar um dispositivo de l...

Materiais

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