Fabricación, operación y visualización del flujo en la superficie-acústico de ondas impulsadas Microfluídica Acústica contraflujo

Resumen

En este video lo primero que describen los procedimientos de fabricación y operación de una onda acústica de superficie (SAW) dispositivo de contraflujo acústico. Se demuestra a continuación, un montaje experimental que permite tanto la visualización del flujo cualitativo y el análisis cuantitativo de los flujos de complejos dentro del dispositivo de bombeo SAW.

Resumen

Las ondas acústicas de superficie (SAW) se pueden utilizar para conducir líquidos en los chips de microfluidos portátiles a través del fenómeno de contracorriente acústica. En este video se presenta el protocolo de fabricación de un dispositivo de contraflujo acústica SAW capas. El dispositivo se fabrica a partir de un substrato de niobato de litio (LN) sobre el que se modelan dos transductores interdigitales (IDT) y los marcadores apropiados. Un canal de polidimetilsiloxano (PDMS) lanzado sobre un molde maestro SU8 finalmente se une al sustrato modelado. Siguiendo el procedimiento de fabricación, se muestran las técnicas que permiten la caracterización y el funcionamiento del dispositivo de contracorriente acústica con el fin de bombear fluidos a través de la trama del canal de PDMS. Finalmente se presenta el procedimiento para visualizar el flujo de líquido en los canales. El protocolo se utiliza para mostrar el fluido en el chip de bombeo bajo diferentes regímenes de flujo, tales como flujo laminar y la dinámica más complicados caracterizado por vórtices y dominios de acumulación de partículas.

Introducción

Uno de los retos continuos que enfrenta la comunidad de microfluidos es la necesidad de tener un mecanismo de bombeo eficiente que puede ser miniaturizado para la integración en sistemas de micro-análisis total de verdaderamente portátiles (de μTAS). Sistemas de bombeo macroscópicas estándar simplemente no pueden proporcionar la portabilidad necesaria para μTAS de, debido a la escala desfavorable de los caudales volumétricos como el tamaño del canal disminuye hacia abajo a la orden de micras o por debajo. Por el contrario, las sierras han ganado un creciente interés como mecanismos de accionamiento de fluido y aparecen como una vía prometedora para la solución de algunos de estos problemas ^1,2.

SAW se muestran para proporcionar un mecanismo muy eficiente de transporte de energía en los líquidos ^3. Cuando una sierra propaga sobre un sustrato piezoeléctrico, por ejemplo, niobato de litio (LN), la onda se irradiaron en ningún fluido a su paso en un ángulo conocido como el ángulo θ Rayleigh _R = sen722; 1 (c _f / c _s), debido a la falta de coincidencia de velocidades del sonido en el sustrato, c _s, y el c _f fluido. Esta fuga de radiación en el líquido da lugar a una onda de presión que impulsa corriente acústica en el líquido. Dependiendo de la geometría del dispositivo y la potencia aplicada al dispositivo, este mecanismo se muestra para accionar una amplia variedad de procesos en el chip, como líquido de mezcla, la clasificación de partículas, la atomización, y ^1,4 de bombeo. A pesar de la sencillez y la eficacia de la actuación de microfluidos con SAW, sólo hay un pequeño número de SAW impulsado mecanismos de bombeo de microfluidos que se ha demostrado hasta la fecha. La primera demostración fue la simple traducción de las gotitas libres colocados en la trayectoria de propagación SAW en un sustrato piezoeléctrico ^3. Este nuevo método generó mucho interés en el uso de SAW como un método de accionamiento de microfluidos, sin embargo, había todavía una necesidad de fluidos aser conducido a través de canales-una cerrados tarea más difícil. Tan et al. Demostró bombeo dentro de un microcanal que se realizó ablación con láser directamente en el sustrato piezoeléctrico. Por modificación geométrica con respecto al canal y las dimensiones IDT, que fueron capaces de demostrar los flujos tanto uniformes y de mezcla ^5. Glass et al. Demostró recientemente un método para mover los fluidos a través de microcanales y componentes de microfluidos mediante la combinación de SAW rotaciones accionados con microfluidos centrífugas, como una demostración de la verdadera miniaturización del popular concepto de Lab-on-a-CD ^6,7. Sin embargo, el único completamente cerrado SAW impulsado mecanismo que se ha demostrado de bombeo sigue siendo Cecchini et al. 'S contracorriente acústica ^{SAW-8-impulsado} por el foco de este vídeo. Se aprovecha para ello la atomización y la coalescencia de un fluido para bombear a través de un canal cerrado en la dirección opuesta a la dirección de propagación de la unaola Coustic. Este sistema puede dar lugar a los flujos sorprendentemente complejos dentro de un microcanal. Por otra parte, dependiendo de la geometría del dispositivo, se puede proporcionar una gama de esquemas de flujo, a partir de flujos laminares a regímenes más complejas caracterizadas por vórtices y dominios de acumulación de partículas. La capacidad de influir fácilmente las características de flujo dentro del dispositivo muestra oportunidades para manipulación avanzada de partículas en el chip.

En este protocolo se quiere aclarar los principales aspectos prácticos de microfluidos basados ​​en SAW: fabricación del dispositivo, la operación experimental, y la visualización de flujo. Mientras que estamos describiendo explícitamente estos procedimientos para la fabricación y el funcionamiento de los dispositivos de contraflujo acústicas impulsadas por SAW, estas secciones se pueden modificar fácilmente para su aplicación a una amplia gama de regímenes de microfluidos SAW-impulsados.

Protocolo

1. Fabricación del dispositivo

1. Diseño dos máscaras, la primera para el patrón de la onda acústica de superficie (SAW) capa y la segunda para el polidimetilsiloxano (PDMS) molde de microcanales.
   1. La primera fotomáscara tiene un par de oponerse a transductores interdigitales (IDT)-también conocida como una línea de retardo SAW-y marcadores para la alineación y el canal de referencia espacial durante la microscopía. En nuestro dispositivo estándar tenemos IDT solo electrodo con un dedo de ancho p = 10 m, abertura de 750 m, y 25 pares de dedos rectos. La IDT resultante genera sierras con una longitud de onda λ = 4 p = 40 micras correspondientes a una frecuencia de funcionamiento f _o = c _SIERRA / λ ≈ 100 MHz en 128 ° YX niobato de litio (LN). Cada anchura de IDT debe estar por encima de dos veces la anchura del microcanal para reducir cualquier efecto de desalineación, mientras que la unión de las capas. Parámetros de diseño IDT se discuten comprehensively en varios libros ^9-11. Estamos observación de que sólo una IDT (colocado en el canal de salida) es necesario para conducir el fluido en el canal en acústico contracorriente, pero los patrones de una línea de retardo completo ayuda en las pruebas del dispositivo.
   2. El segundo tiene una estructura de microcanal simple para ser alineado a lo largo de la línea de retardo SAW, con una microcámara para formar el canal de entrada. En nuestros dispositivos típicos, los canales tienen una anchura w = 300 mm y una longitud de 5 mm. Como regla general, la anchura del canal debe ser de al menos 10 λ para evitar los efectos de difracción durante la propagación SAW en el microcanal, sin embargo, en nuestras pruebas, se encontró que una anchura de 7 ~ λ no afectaría significativamente a la propagación SAW dentro del canal.
2. Comience con una oblea de LN y se unirá a 2 cm por 2 cm de la muestra. Con el fin de realizar microscopía de transmisión que es necesario el uso de una oblea pulida de doble lado. Tenga en cuenta que LN es un estándar para su biocompatibilidad y la sierrapolarización y alto coeficiente de acoplamiento piezoeléctrico a lo largo del eje mayor, sin embargo, otros materiales piezoeléctricos pueden ser usados ​​con las consideraciones de diseño apropiados.
3. Limpiar el sustrato por lavado en acetona, 2-propanol y secado con una pistola de nitrógeno.
4. Girar la capa de la muestra con Shipley S1818 a 4000 rpm durante 1 min.
5. Hornear suave a 90 ° C durante 1 min en un plato caliente.
6. Alinear la muestra con la máscara de capa SAW con un alineador de máscara y exponga a la luz UV con un 55 mJ / cm ^2. Se debe tener cuidado para alinear la dirección IDT a lo largo del eje mayor del sustrato LN.
7. Lavar la muestra en Microposit MF319 desarrollador durante 30 segundos para eliminar la resina fotosensible no expuesta.
8. Detener el desarrollo de un enjuague de la muestra en agua desionizada y séquelo con una pistola de nitrógeno.
9. Deposita una capa de adhesión de titanio de 10 nm de espesor seguido de capa de oro de 100 nm de espesor por evaporación térmica.
10. Lleve a cabo el despegue sonicando la samplia en acetona, luego enjuague en 2-propanol y secar con una pistola de nitrógeno.
11. Silanizar la superficie del dispositivo para que sea hidrófobo en la zona microcanal ^12.
    1. Cubra el área con microcámara AR-N-4340 fotoprotector tono negativo por la litografía óptica de acuerdo con la hoja de datos del fabricante.
    2. Active la superficie de la muestra con un mínimo de oxígeno plasma (Gambetti Kenologia Srl, Colibri) de 0,14 mbar y una potencia de 100 W da una tensión de polarización de aproximadamente 2 450 V.
    3. Mezclar 35 ml de hexadecano, 15 ml de tetracloruro de carbono (CCl _4), y 20 l octadeciltriclorosilano (OTS) en un vaso de precipitados en el interior de una campana de humos. Coloque el dispositivo en la solución, y dejar cubierto durante dos horas.
    4. Enjuague el aparato con 2-propanol y séquelo con una pistola de nitrógeno.
    5. Compruebe que el ángulo de contacto del agua en la superficie está por encima de 90 °. Si el ángulo de contacto es insuficiente, limpie la muestra y vuelva a realizar los pasos de 1.11.
    6. Eliminarel residuo resistir en la muestra mediante lavado en acetona, 2-propanol y secado con una pistola de nitrógeno.
12. Coloque la muestra sobre una placa de circuito impreso con guías de ondas de radiofrecuencia y conectores coaxiales estándar (RF-PCB), y luego poner absorbente acústico (First Contact polímero) en los bordes de la muestra y conecte el IDT por unión de cables o mediante conectores pogo.
13. Un molde maestro de la capa de canal se modela con SU-8 en una pequeña pieza de silicio de la oblea (Si) usando fotolitografía óptica estándar. SU-8 tipo y la receta de fotolitografía será dependiente de la altura de PDMS canal interno final requerido.
14. Moldeada en el molde de PDMS
    1. Mezclar PDMS con un agente de curado en una relación de 10:01.
    2. Centrifugar el PDMS durante 2 min a 1.320 xg durante desgasificación.
    3. Verter el PDMS suavemente sobre el SU-8 molde en una placa de Petri a una altura total de PDMS en el orden de 1 mm. El plato de Petri abierta puede ser colocado en un desecador de vacío durante aproximadamente 30 min en order para desgasificar la PDMS más.
    4. Una vez desgasificada, curar PDMS por calentamiento a 80 ° C durante una hora en un horno. Tenga en cuenta que el tiempo de cocción y la temperatura pueden afectar a las propiedades mecánicas de PDMS.
15. Preparar la capa de PDMS sólida
    1. Corte alrededor del canal utilizando una cuchilla quirúrgica, teniendo cuidado de no dañar el SU8 amo, y despegarlo.
    2. Bordes de réplica son entonces refinados y enderezadas usando una cuchilla de afeitar dejando al menos 2 mm de separación en el lado lateral de la canal y hay holgura (cortar a través de) a la salida del canal.
    3. Haz un agujero en la microcámara usando un golpeador Unicore Harris para formar la entrada de fluido de carga.
16. Bonos del canal de PDMS con el sustrato LN por simple unión conforme. De esta manera el vínculo celebrará durante la etapa de análisis del líquido sin dejar de ser reversible.
    1. Ambas superficies se limpian antes de unirse al soplar el exceso de suciedad con aire comprimido, nitrógeno. Es critical cuando se unen las piezas para alinear el canal con el eje mayor de la LN de acuerdo con las marcas de alineación estampados.
17. El esquemática dispositivo completo se muestra en la Figura 1. Tienda completó dispositivos en un entorno limpio hasta su uso.

Nota: Es importante que se llevan a cabo todos los pasos de fabricación en un entorno de sala limpia para evitar la contaminación del dispositivo antes de su uso.

Nota: Cualquiera de los pasos de litografía óptica puede ser reemplazado por los métodos preferidos por los usuarios.

Nota: El procedimiento de silanización puede ser sustituido por un método de recubrimiento hidrófobo preferido ^13.

2. Verificación de Dispositivos de RF

1. Calibrar la red o analizador de espectro con una guía de onda abierta / a en tu RF-PCB.
2. Conecte la línea de retardo SAW a los puertos de un analizador de espectro y medir la matriz de dispersión deldispositivo. La transmisión de un par de transductores de un solo electrodo se parecerá al valor absoluto de una función sinc centrada en la frecuencia de funcionamiento de la IDT. En el espectro de reflexión se observa un baño (mínimo) a la misma frecuencia ^9-11. En nuestros dispositivos a 100 MHz frecuencia de funcionamiento a lo largo de los principales valores típicos son eje -15 dB para S11 y S22 y -10 dB para S ₁₂ (sin canales de PDMS).

3. Microfluídica y flujo de partículas Dinámica Visualización experimento y análisis

1. Colocar la muestra bajo un microscopio. La configuración óptica específica depende de la sierra de microfluidos fenómenos que deben ser observadas. Por ejemplo, un microscopio simple reflexión equipado con un objetivo 4x y una cámara de 30 fps de vídeo será adecuado para estudiar la dinámica de llenado de fluido. Para investigar la dinámica de micropartículas más complejos, puede ser necesario el uso de un microscopio equipado con un objetivo 20X y 100 fps o una cámara de vídeo superior. Es IMPORTANTESt que tanto el objetivo y la velocidad de fotogramas son lo suficientemente alto como para captar las características de flujo importantes espacial y temporalmente.
2. Conectar el IDT en frente de la salida del canal a un generador de señal de RF y funcionar a la frecuencia de resonancia se observa en las mediciones de matriz de dispersión. La potencia de funcionamiento típica en experimentos acústico contracorriente es de 20 dBm. Si es necesario, utilice un amplificador de UHF de alta potencia. Acoustic-streaming y los fenómenos de atomización se observan sin contracorriente acústica mientras se ejecuta el dispositivo en una energía más baja: normalmente recirculación acústica-streaming comienza en 0 dBm y la atomización se produce por encima de 14 dBm.
3. Cargar 60 l de fluido en la microcámara con una micropipeta. Fluido se difundirá pasivamente en la microcámara. Si es necesario, empuje suavemente la superficie microcámara para favorecer el llenado microcámara.
   1. Con el fin de visualizar el flujo es necesario para añadir microperlas al fluido. Tenga en cuenta que con el fin de evitar CLUST partículaERING, someter a ultrasonidos la suspensión de partículas antes de los experimentos. Para evitar la adhesión de las partículas sobre el sustrato se aplica una señal de 0 dBm para el dispositivo mientras se carga.
4. Comienza la grabación del vídeo a través del microscopio y aumentar la potencia de funcionamiento con el fin de observar contracorriente acústica. Diferentes esquemas de flujo serán determinados por la potencia de entrada, el diseño de chips y diámetro de partícula.
   1. Con el fin de capturar cualitativamente la dinámica, el flujo de fluido tiene que ser registrada en la proximidad del menisco y de entrada en diferentes etapas del canal de llenado utilizando marcadores como una referencia espacial.
   2. Para realizar la medición cuantitativa de la dinámica de las partículas por micro partículas velocimetría de imagen (μPIV) ^14,15 o espectroscopia de correlación de imágenes espacio-temporal (Tablas) ^16,17, el flujo de fluido tiene que ser grabada en el lugar de interés con un campo de vista fijo por lo menos 100 fotogramas a una velocidad impuesta por la dinámica de partículas.
5. Analizar el vídeo con el software de procesamiento de imágenes. La elección del software a utilizar depende de los fenómenos de interés. Por ejemplo, para cuantificar la distribución del tamaño de las gotitas atomizadas, periodicidad espacial de la acumulación de partículas o de seguimiento manual de las partículas diluidas, el software de análisis de imagen simple del freeware como Fiji es adecuado ^18, mientras que el fin de obtener corrientes de aire y las mediciones de campo de velocidad, personalizar MPIV se requiere ¹⁹ o código TICAS ^20. En nuestro análisis de código personalizado TICAS está escrito en MATLAB, sin embargo, una alternativa preferida codificación del lenguaje puede ser igualmente aceptable.

Resultados

La Figura 2 muestra los resultados representativos de las pruebas de RF dispositivo que se tomaron antes de unir la capa de LN a la capa de microcanal: típica S ₁₁ y S ₁₂ espectros se informó en el panel a) y b), respectivamente. La profundidad del valle a la frecuencia central en S espectro ₁₁ está relacionado con la eficiencia de conversión de potencia de RF en SAW potencia mecánica. Por lo tanto, para un número fijo de pares de ...

Discusión

Uno de los mayores desafíos que enfrenta la comunidad de microfluidos es la realización de una plataforma de actuación para dispositivos verdaderamente portátiles de punto de cuidado. Entre la propuesta microbombas integrado ^23, que se basan en las ondas acústicas de superficie (SAW) son particularmente atractivas debido a sus capacidades asociadas en la concentración y separación de mezcla ^4, la atomización y la partícula de fluido. En este trabajo hemos demostrado cómo fabricar y utiliz...

Materiales

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