JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

В этом видео мы сначала опишем изготовление и оперативных процедур на поверхностных акустических волнах (ПАВ) Устройство акустической противотоком. Затем мы продемонстрировать экспериментальную установку, которая позволяет как для качественной визуализации потока и количественного анализа сложных потоков внутри SAW насосного устройства.

Аннотация

На поверхностных акустических волнах (ПАВ) может быть использован для жидкостей в портативном микрожидкостных чипов через акустический феномен противотоком. В этом видео мы представляем протокол для изготовления многослойных акустических устройств противотока видели. Устройство изготовлено начиная с ниобата лития (LN) подложки, на которой два штыревых преобразователей (ВШП) и соответствующие маркеры образцу. Полидиметилсилоксана (PDMS) канал наложено на SU8 мастер формы, наконец, связан на подложке узорные. После изготовления процедуру, показывают методы, которые позволяют характеристика и работа акустического устройства противотока для того, чтобы накачать жидкости через сетку PDMS канала. Мы, наконец, представить процедуру для визуализации течения жидкости в каналах. Протокол используется, чтобы показать, на-чипе нагнетания жидкости при различных режимах расход, например, ламинарного потока и более сложной динамикой характеризуется вихрями и доменов накопления частиц.

Введение

Одна из задач, стоящих перед продолжением микрожидкостной сообщества является необходимость иметь эффективный механизм накачки, который может быть уменьшен для интеграции в действительно портативным микро-всего-системного анализа (μTAS'S). Стандартный макроскопических насосных систем просто не в состоянии обеспечить необходимый для портативности μTAS, в связи с неблагоприятными масштабирование объемного расхода, как размер канала уменьшается до микрона или ниже. Напротив, пилы пользуются все большей интерес как жидкость исполнительных устройств и появляются как перспективное направление для решения некоторых из этих 1,2 проблемами.

ПАВ было показано, что обеспечивает очень эффективный механизм переноса энергии в жидкости 3. Когда ПАВ распространяется на пьезоэлектрической подложке, например, ниобата лития (LN), волна будет излучаться в жидкость на своем пути под углом известный как Рэлея углом θ = R грех722; 1 (с ж / б ы), в связи с несоответствием скорости звука в субстратом, в с, и жидкость F C. Эта утечка излучения в жидкости вызывает волну давления, которая приводит акустического течения в жидкости. В зависимости от геометрии устройства и мощности, подаваемой на устройство, этот механизм был показан для приведения в самых разнообразных на чипе процессов, таких как перемешивание жидкости, частицы сортировки, распыление, и насосных 1,4. Несмотря на простоту и эффективность исполнительных microfluids под флюсом, есть только небольшое количество ПАВ приводом микрожидкостной перекачивающих механизмов, которые были продемонстрированы на сегодняшний день. Первая демонстрация была простой перевод свободных капель размещены на пути распространения ПАВ на пьезоэлектрической подложке 3. Этот новый метод вызвал большой интерес к использованию в качестве ПАВ микрофлюидном метод приведение в действие, однако, было еще существует потребность в жидкости, чтобымогут работать через закрытые каналы-более трудной задачей. Tan и соавт. Продемонстрировали насосной внутри микроканала, который был лазерной абляции непосредственно в пьезоэлектрической подложки. По геометрические модификации по отношению к каналу и IDT размеры, они смогли продемонстрировать как единый и смешивание потоков 5. Стекло и соавт. Недавно продемонстрировали метод перемещения жидкости через микроканалов и микрожидкостной компонентов путем объединения SAW приводом вращения с центробежными микрофлюидики, как демонстрация истинных миниатюризации популярных Лаборатория на CD-концепции 6,7. Тем не менее, только полностью закрытый SAW приводом насосный механизм, который был продемонстрирован остается Cecchini соавт. ПАВ с управляемой акустической противотоком 8-в центре внимания этого видео. Она эксплуатирует атомизации и слияния жидкости и закачки ее в закрытый канал в направлении, противоположном направлению распространенияОА волны. Эта система может привести к удивительно сложные потоки внутри микроканала. Кроме того, в зависимости от геометрии прибора, он может предоставлять широкий спектр технологические схемы, от ламинарного потоков на более сложные режимы характеризуются вихрей и накопление частиц-доменов. Возможность легко влиять на характеристики потока внутри устройства показывает возможности для продвинутых на кристалле частицы манипуляции.

В этом протоколе мы хотим прояснить основные аспекты практического на ПАВ микрофлюидики: изготовление устройства, опытная эксплуатация и визуализация потока. Пока мы явного описания этих процедур для изготовления и эксплуатации SAW устройствами, управляемыми акустических противотоком, эти участки могут быть легко изменены для их применения к ряду ПАВ управляемой микрожидкостной режимов.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

1. Изготовление устройства

  1. Дизайн две фотошаблонов, первое для структурирования на поверхностных акустических волнах (ПАВ) слой, а второе для полидиметилсилоксана (ПДМС) микроканальной формы.
    1. Первый фотошаблон имеет пару противоположных штыревых преобразователей (ВШП), также известные как линии задержки ПАВ и маркеры для выравнивания канала и пространственной привязки во время микроскопии. В нашем стандартном аппарата мы имеем одноэлектродной ВШП пальцем Ширина P = 10 мкм, отверстия 750 мкм, и 25 пар прямых пальца. Полученные IDT генерирует пил с длиной волны λ = 4 р = 40 мкм и соответствует рабочей частоте F O = C пила / λ ≈ 100 МГц на 128 ° ух ниобата лития (LN). Каждый ширина IDT должна быть выше два раза больше ширины микроканала с целью уменьшения смещения эффекты при соединении слоев. Параметры IDT дизайна обсуждаются компрессорehensively в нескольких книгах 9-11. Отметим, что только один IDT (помещены в выходной канал) необходимо проехать жидкости в канал акустической противотоком, но структурирование полную линию задержки помогает в устройстве тестирования.
    2. Второй имеет простую структуру микроканальной быть выровнены вдоль линии задержки ПАВ с Микрокамера для формирования входного канала. В нашем типичных устройств, каналы имеют ширину W = 300 мм и длиной 5 мм. Как правило, ширина канала должна быть не менее 10 λ чтобы избежать дифракционных эффектов во время распространения ПАВ в микроканала, однако во время тестирования мы обнаружили, что ширина ~ 7 λ не будет существенно влиять на распространение ПАВ в канале.
  2. Начните с пластины LN и прилепится 2 см на 2 см образца. Для того, чтобы выполнять передачу микроскопии необходимо использовать двойной стороны полированной пластине. Обратите внимание, что LN является стандартом для своей биосовместимости и ПАВполяризации и высокий пьезоэлектрический коэффициент связи вдоль главной оси, однако другие пьезоэлектрические материалы могут быть использованы с соответствующим конструктивных соображений.
  3. Очистка подложки путем промывки ее в ацетон, 2-пропанол и сушка с помощью азота пистолета.
  4. Спин слой образца с Шипли S1818 при 4000 оборотах в минуту в течение 1 мин.
  5. Мягкие выпекать при температуре 90 ° С в течение 1 мин на горячей плите.
  6. Выравнивание образца с маской ПАВ слой с помощью маски выравниватель и подвергать его воздействию ультрафиолетового света с длиной 55 мДж / см 2. Следует соблюдать осторожность, чтобы выровнять направление IDT вдоль главной оси LN подложки.
  7. Промыть образца в Microposit MF319 разработчика в течение 30 секунд для удаления фоторезиста неэкспонированная.
  8. Остановить развитие путем промывки образца в деионизированной воде и высушить его с азотом пистолет.
  9. Депозит 10 нм толщины адгезионного слоя титана, а затем 100 нм толстый слой золота термическим испарением.
  10. Выполните отрыва от ультразвуком сдостаточно в ацетоне, затем промыть его в 2-пропанола и сухим азотом пистолет.
  11. Silanize поверхности устройства, чтобы сделать его гидрофобным в микроканале области 12.
    1. Маска Микрокамера области с AR-N-4340 негативного фоторезиста тон оптической литографии согласно таблице производителя.
    2. Активация поверхности образца 2 мин кислородной плазмы (Gambetti Kenologia Srl, колибри) 0,14 мбар давления и 100 Вт дает напряжение смещения примерно 450 В.
    3. Смешайте 35 мл гексадекан, 15 мл четыреххлористого углерода (CCl 4), и 20 мкл octadecyltrichlorosilane (OTS) в химическом стакане в вытяжном шкафу. Поместите устройство в раствор и оставить покрыты в течение двух часов.
    4. Промойте устройство с 2-пропанола и высушить его с азотом пистолет.
    5. Убедитесь, что угол контакта с водой на поверхности выше 90 °. Если угол контакта недостаточно, очистите образца и повторно выполнить действия, описанные в 1.11.
    6. Удалениеостаточное сопротивление на образце путем промывки в ацетон, 2-пропанол и сушка с помощью азота пистолета.
  12. Установить образец на печатную плату с радиочастотным волноводов и стандартные коаксиальные разъемы (RF-PCB), а затем положить акустический поглотитель (Первый контакт полимера) на краях образца и подключите IDT путем соединения проводов или с помощью разъемов Pogo.
  13. Мастер форм канального слоя с узором SU-8 на небольшой кусок кремния (Si) пластины с использованием стандартных оптических фотолитографии. SU-8 типа и фотолитографии рецепт будет зависеть от конечного PDMS внутренний канал требуемую высоту.
  14. Литые PDMS на форму
    1. Смешайте PDMS с отвердителем в соотношении 10:1.
    2. Центрифуга PDMS течение 2 мин при 1320 мкг в течение дегазации.
    3. Вылейте PDMS мягко на СУ-8 плесень в чашке Петри, чтобы общая высота PDMS порядка 1 мм. Открытой чашке Петри может быть помещен в вакуум-эксикаторе в течение приблизительно 30 мин в аоER для дегазации PDMS дальше.
    4. После дегазации, вылечить PDMS при нагревании до 80 ° С в течение одного часа в печи. Следует отметить, что время выпечки и температура могут влиять на механические свойства PDMS.
  15. Подготовьте твердый слой PDMS
    1. Сокращение вокруг канала с помощью хирургического лезвия, соблюдая осторожность, чтобы не повредить SU8 мастера, и чистить его.
    2. Реплика края затем уточнена и выпрямляются с помощью лезвия бритвы оставляя не менее 2 мм зазор на боковой стороне канала и без зазора (прорваться прямо через) на выходе из канала.
    3. Пробить отверстие в микрокамере использованием перфоратор Harris Unicore чтобы сформировать жидкость загрузкой на входе.
  16. Бонд канала PDMS с LN подложки простым конформной связи. Таким образом, связь будет проводить в течение жидкость стадии тестирования, оставаясь при этом обратимым.
    1. Обе поверхности очищают до прихода продувкой лишнего мусора с воздухом сжатым азотом. Это Critical при вступлении в части, чтобы выровнять канал с большой осью LN в соответствии с узорной знаков совмещения.
  17. Полная схема устройства показана на рисунке 1. Магазин Устройства комплектные в чистой окружающей среде до использования.

Примечание: Очень важно, что все шаги изготовления осуществляется в условиях чистой комнаты, чтобы избежать загрязнения устройства перед использованием.

Примечание: Все оптической литографии шаги могут быть заменены пользователем предпочтительные способы.

Примечание: силанизацией процедуры могут быть заменены предпочтительными гидрофобными метод покрытия 13.

2. РФ тестирования устройства

  1. Калибровка сети или анализатор спектра с открытой / короткое волновода на RF-PCB.
  2. Подключите линии задержки ПАВ к портам анализатора спектра и измерения матрицы рассеянияустройства. Передачи для пары одним электродом преобразователей будет напоминать абсолютное значение синк функции с центром в рабочей частоты IDT. В спектре отражения падения (минимум) наблюдается при той же частоте 9-11. В нашем устройства 100 МГц рабочей частоты вдоль основной оси типичные значения -15 дБ для S11 и S22 и -10 дБ для S 12 (без PDMS каналов).

3. Microfluidics и Particle Flow Dynamics Эксперимент визуализации и анализа

  1. Поместите образец под микроскопом. Удельной оптической установки, зависит от ПАВ микрофлюидики явлений, которые должны соблюдаться. Например, простой микроскоп отражение оснащен 4X цель и 30 кадров в секунду видеокамеры будут пригодны для изучения жидкости, заполняющей динамики. Для исследования более сложной динамики микрочастицы, может возникнуть необходимость в использовании микроскопа, снабженного 20X цель и 100 кадров в секунду или более видеокамеру. Это важныет, что и цель и частота кадров достаточно высока, чтобы захватить любую пространственную и временную важных особенностей потока.
  2. Подключите IDT перед выходом на канал генератор радиочастотного сигнала, и запустить его на резонансной частоте наблюдается при рассеянии измерений матрицы. Типичная рабочая мощность в акустических экспериментах противотоком составляет 20 дБм. Если необходимо, используйте мощных СВЧ усилителя. Акустическая потокового и атомизации явления наблюдаются без акустического противотоком во время работы устройства при низком энергопотреблении: Обычно акустические потоковое рециркуляции начинается при 0 дБм, а распыление происходит выше +14 дБм.
  3. Загрузите 60 мкл жидкости в Микрокамера с помощью микропипетки. Жидкость будет пассивно диффундировать в микрокамере. При необходимости слегка надавите на поверхность микрокамеры, чтобы способствовать микрокамере заполнения.
    1. Для того чтобы визуализировать поток необходимо добавить микрошарики с жидкостью. Обратите внимание, что во избежание частицы Clustтив, разрушать ультразвуком суспензии частиц до экспериментов. Чтобы избежать прилипания частиц на подложке применяться 0 дБм сигнал на устройство в процессе загрузки.
  4. Начать запись видео через микроскоп и увеличить рабочую мощность для наблюдения акустического противотоком. Различные схемы потока будет определяться мощность, микросхем и диаметра частиц.
    1. Для того, чтобы качественно уловить динамику, поток текучей среды должен быть записан в непосредственной близости от мениска и впускные на различных этапах канал наполнения с использованием маркеров, как пространственное ссылки.
    2. Для выполнения количественного измерения динамики частиц микро велосиметрии изображения частицы (μPIV) 14,15 или пространственно-временной корреляционной спектроскопии изображения (Stics) 16,17, жидкости должно быть записано в достопримечательность с фиксированным полем зрения по меньшей мере 100 кадров с частотой кадров введенные динамики частиц.
  5. Анализ видео изображения с программным обеспечением. Выбор программного обеспечения для использования зависит от явлений, представляющих интерес. Например, для количественного определения распределения по размерам распыленные капельки, пространственной периодичности накопления частиц или ручного отслеживания разбавленного частиц, простой бесплатного программного обеспечения для анализа изображений, таких как Фиджи подходит 18, в то время как для получения тока и поля скоростей измерений, настроить mPIV 19 или 20 Stics кода не требуется. В нашем анализе настроены Stics код написан на языке MATLAB, однако предпочтительной альтернативой кодирования язык может быть одинаково приемлемы.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

На рисунке 2 показаны характерные результаты тестирования устройства РФ, которые были приняты перед склеиванием LN слоя к слою микроканальным: типичные S 11 и S 12 спектры представлены в панели) и б) соответственно. Глубина долины на центральной часто...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

Одна из самых больших проблем, стоящих перед сообществом микрожидкостной является реализация платформы для срабатывания действительно портативным точка-санитарной помощи устройств. Среди предлагаемой комплексной микронасосы 23, те, которые основаны на поверхностных акустичес...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

Авторы не имеют никого, чтобы иметь в виду.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
Double side polished 128° YX lithium niobate waferCrystal Technology, LLC 
Silicon waferSiegert WafersWe use <100>
IDT Optical lithography mask with alignment marks (positive)Any vendor 
Channel Optical lithography mask (negative)Any vendor 
Positive photoresistShipleyS1818 
Positive photoresist developerMicropositMF319 
Negative tone photoresistAllresistAR-N-4340 
Negative tone photoresist developerAllresistAR 300-475 
SU8 thick negative tone photoresistMicrochemSU-8 2000 Series 
SU8 thick negative tone photoresist developerMicrochemSU-8 developer 
HexadecaneSigma-AldrichH6703 
Carbon tetrachloride (CCl4)Sigma-Aldrich107344 
Octadecyltrichlorosilane (OTS)Sigma-Aldrich104817 
Acetone CMOS gradeSigma-Aldrich40289 
2-propanol CMOS gradeSigma-Aldrich40301 
TitaniumAny vendor99.9% purity 
GoldAny vendor99.9% purity 
PDMSDow CorningSylgard 184 silicone elastomer kit with curing agent 
Petri dishAny vendor 
5 mm ID Harris Uni-Core multi-purpose coring toolSigma-AldrichZ708895Any diameter greater than 2 mm is suitable
Acoustic absorberPhotonic Cleaning TechnologiesFirst Contact regular kit 
RF-PCBAny vendor 
SpinnerLaurell technologies corporationWS-400-6NPPAny spinner can be used
UV Mask alignerKarl SussMJB 4Any aligner can be used
Thermal evaporatorKurt J. LeskerNano 38Any thermal, e-beam evaporator or sputtering system can be used
Oxygen plasma asherGambetti Kenologia SrlColibrìAny plasma asher or RIE machine can be used
CentrifugeEppendorf5810 RAny centrifuge can be used
Wire bonderKulicke Soffa4523ADAny wire bonder can be used if the PCB is used without pogo connectors
Contact Angle MeterKSVCAM 101Any contact angle meter can be used
Spectrum analyzerAnristu56100AAny spectrum or network analyzer can be used
RF signal generatorAnristuMG3694AAny RF signal generator can be used
RF high power amplifierMini CircuitsZHL-5W-1Any RF high power amplifier can be used
Microbeads suspensionSigma-AldrichL3280Depending on the experimental purpose different suspension of different diameter and different material properties can be used
Optical microscopeNikonTi-EclipseAny optical microscope with spatial resolution satisfying experimental purposes can be used
Video cameraBaslerA602-fAny video camera that has enough frame rate and sensitivity satisfying experimental purposes can be used
Camera acquisition softwareAdvanced technologiesMotion BoxAny software enabling high and controlled frame rate acquisition can be used

Ссылки

  1. Masini, L., Cecchini, M., Girardo, S., Cingolani, R., Pisignano, D., Beltram, F. Surface-acoustic-wave counterflow micropumps for on-chip liquid motion control in two-dimensional microchannel arrays. Lab on a Chip. 10 (15), 1997-2000 (2010).
  2. Travagliati, M., De Simoni, G., Lazzarini, C. M., Piazza, V., Beltram, F., Cecchini, M. Interaction-free, automatic, on-chip fluid routing by surface acoustic waves. Lab on a Chip. 12 (15), 2621-2624 (2012).
  3. Wixforth, A. Acoustically driven planar microfluidics. Superlattices and Microstructures. 33 (5), 389-396 (2003).
  4. Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647-64 (2011).
  5. Tan, M. K., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Rapid fluid flow and mixing induced in microchannels using surface acoustic waves. Europhysics Letters. 87, 47003(2009).
  6. Glass, N., Shilton, R., Chan, P., Friend, J., Yeo, L. Miniaturised Lab-on-a-Disc (miniLOAD). SMALL, Small. 8 (12), 1880-1880 (2012).
  7. Madou, M. J., Kellogg, G. J. LabCD: a centrifuge-based microfluidic platform for diagnostics. Proceedings of SPIE. 3259, 80(1998).
  8. Cecchini, M., Girardo, S., Pisignano, D., Cingolani, R., Beltram, F. Acoustic-counterflow microfluidics by surface acoustic waves. Applied Physics Letters. 92 (10), 104103(2008).
  9. Campbell, C. Surface acoustic wave devices for mobile and wireless communications. 1, Academic Press. San Diego, Toronto. (1998).
  10. Hashimoto, K. Y. Surface acoustic wave devices in telecommunications: modelling and simulation. , Springer. (2000).
  11. Royer, D., Dieulesaint, E. Elastic Waves in Solids II. Generation, Acousto-Optic Interaction, Applications. 2, Springer. (2000).
  12. Renaudin, A., Sozanski, J. P., Verbeke, B., Zhang, V., Tabourier, P., Druon, C. Monitoring SAW-actuated microdroplets in view of biological applications. Sensors and Actuators B: Chemical. 138 (1), 374-382 (2009).
  13. Glass, N. R., Tjeung, R., Chan, P., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Organosilane deposition for microfluidic applications. Biomicrofluidics. 5 (3), 036501(2011).
  14. Wereley, S. T., Meinhart, C. D. Recent advances in micro-particle image velocimetry. Annual Review of Fluid Mechanics. 42, 557-576 (2010).
  15. Augustsson, P., Barnkob, R., Wereley, S. T., Bruus, H., Laurell, T. Automated and temperature-controlled micro-PIV measurements enabling long-term-stable microchannel acoustophoresis characterization. Lab on a Chip. 11 (24), 4152-4164 (2011).
  16. Hebert, B., Costantino, S., Wiseman, P. W. Spatiotemporal image correlation spectroscopy (STICS) theory, verification, and application to protein velocity mapping in living CHO cells. Biophysical Journal. 88 (5), 3601(2005).
  17. Rossow, M., Mantulin, W. W., Gratton, E. Spatiotemporal image correlation spectroscopy measurements of flow demonstrated in microfluidic channels. Journal of Biomedical Optics. 14 (2), 024014(2009).
  18. Schindelin, J., Arganda-Carreras, I., Frise, E., Kaynig, V., Longair, M., Pietzsch, T., Preibisch, S., Rueden, C., Saalfeld, S., Schmid, B., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
  19. mpiv - MATLAB PIV Toolbox. , Available from: http://www.oceanwave.jp/softwares/mpiv/ (2012).
  20. mpiv - MATLAB PIV Toolbox. , Available from: http://wiseman-group.mcgill.ca/software.php (2012).
  21. Rogers, P. R., Friend, J. R., Yeo, L. Y. Exploitation of surface acoustic waves to drive size-dependent microparticle concentration within a droplet. Lab on a Chip. 10 (21), 2979-2985 (2010).
  22. Muller, P. B., Barnkob, R., Jensen, M. J. H., Bruus, H. A numerical study of microparticle acoustophoresis driven by acoustic radiation forces and streaming-induced drag forces. Lab on a Chip. 12 (22), 4617-4627 (2012).
  23. Luo, J. K., Fu, Y. Q., Li, Y., Du, X. Y., Flewitt, A. J., Walton, A. J., Milne, W. I. Moving-part-free microfluidic systems for lab-on-a-chip. Journal of Micromechanics and Microengineering. 19 (5), 054001-05 (2009).
  24. Lindken, R., Rossi, M., Große, S., Westerweel, J. Micro-particle image velocimetry (μPIV): recent developments, applications, and guidelines. Lab on a Chip. 9 (17), 2551-2567 (2009).
  25. Gedge, M., Hill, M. Acoustofluidics 17: Theory and applications of surface acoustic wave devices for particle manipulation. Lab on a Chip. 12 (17), 2998-3007 (2012).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

78MicrofluidicsacoustofluidicsMEMSSticsPIV

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены