表面弾性波駆動型アコースティック·逆流マイクロフルイディクスで製作、操作と流れの可視化

このビデオでは、第1の弾性表面波（SAW）音響向装置の製作および操作手順を説明する。我々はその後、質的流れの可視化とSAWポンプ装置内の複雑な流れの定量分析の両方を可能にした実験のセットアップを示しています。

表面弾性波（弾性表面波）が音響逆流現象を介して携帯型マイクロ流体チップ内の液体を駆動するために使用することができる。このビデオでは、多層SAW音響向装置の製造プロトコルを提示します。デバイスは、2つのすだれ状電極（IDTの）及び適切なマーカーがパターニングされ、その上にニオブ酸リチウム（LN）基板から出発して製造される。 SU8マスターモールド上にキャストポリジメチルシロキサン（PDMS）チャネルは、最終的にパターニングされた基板上に接合されている。製作手順に続いて、我々はPDMSチャネルグリッドを通して流体をポンプするために、音響向デバイスの特性評価と動作を可能な技術を示しています。我々は最終的にチャネル内の液体の流れを可視化する手順を紹介します。プロトコルは、そのような層流と渦と粒子の蓄積ドメインによって特徴付けられる、より複雑なダイナミクス異なるフローレジームの下で圧送流体チップ上で表示するために使用される。

マイクロ流体のコミュニティが直面している継続的な課題の一つは、真にポータブルマイクロトータル分析システム（μTASの）への統合のために小型化することができる効率的なポンプ機構を持っている必要がある。チャネルサイズはミクロン範囲まで低下させるか、または以下のように標準的な巨視的なポンプシステムは、単に体積流量の不利なスケーリングにより、μTASのために必要な移植性を提供することができない。それどころか、のこぎりは、流体作動機構として関心の高まりを得て、これらの問題の^1,2のうちのいくつかのソリューションのための有望な手段として表示されます。

弾性表面波は、流体³へのエネルギー輸送の非常に効率的なメカニズムを提供することが示された。圧電基板、 例えばニオブ酸リチウム（LN） ​​の上にSAWの伝播は、波はレイリー角_θR =罪として知られている角度でそのパスに任意の流体に放射されたとき722、図1（c _F / C _秒 ）、基板内の音速度の不一致、C _s、および流体C _fに起因。流体中への放射線の漏洩これは、流体の音響流を駆動する圧力波を生じさせる。デバイスに適用されたデバイスの形状とパワーに応じて、このメカニズムは、オンチップなどの流体混合、粒子ソーティングなどのプロセス、噴霧、及びポンプ^1,4の様々を作動させることが示された。 SAWとmicrofluidsを作動させるのシンプルさと有効性にもかかわらず、これまでに実証されているマイクロ流体ポンプ機構を駆動SAWのほんのいくつかあります。最初のデモは、圧電基板³上のSAW伝搬路に配置された無料の滴の簡単な翻訳だった。この新規な方法は、マイクロ流体作動方法として、弾性表面波を使用する際に大きな関心を生成し、一方の流体が依然として必要であった同封のチャネル·より難しいタスクを介して駆動される。タンらは、レーザーは、圧電基板に直接アブレーションれたマイクロチャネル内にポンプを実証した。チャネルとIDT寸法に関して幾何修飾により、彼らは一様と流れを混合⁵の両方を示すことができた。グラスらは、最近人気のあるラボ·オン·-CDのコンセプト^6,7の真の小型化のデモンストレーションとして、遠心マイクロフルイディクスとSAW作動回転を組み合わせることにより、マイクロチャネル及びマイクロ流体コンポーネントを介して流体を移動させる方法を示した。しかし、実証されているだけで完全に囲まれたSAW駆動ポンプ機構はなりチェッキーニらのSAW主導音響向⁸このビデオの焦点に残っている。それは伝搬方向に対向する方向に密閉流路を介して圧送する流体の霧化と合一を利用するcoustic波。このシステムは、マイクロチャネル内で驚くべきことに、複雑なフローを生じさせることができる。また、デバイスの幾何学的形状によっては、層流から渦と粒子蓄積領域によって特徴付けられる、より複雑なレジームに、フロースキームの範囲を提供することができる。簡単に装置内の流動特性に影響を与える能力は、高度なオンチップ粒子操作のための機会を示している。

デバイス製造、実験操作、および流れの可視化：このプロトコルでは、実用的なSAWベースのマイクロ流体の主要な側面を明確にしたい。我々は明示的にSAW主導音響向装置の製造及び操作のためにこれらの手順を記述しているが、これらのセクションは簡単にSAW駆動型マイクロ流体制度の範囲への応用のために変更することができます。

1。デバイス製造

1. デザインつのフォトマスクをパターニングするための第1の弾性表面波（SAW）層、およびポリジメチルシロキサン（PDMS）マイクロモールドする第。
   1. 第1のフォトマスクは、すだれ状電極（IDTの）は、SAWディレイラインおよびチャネル·アライメント顕微鏡との間の空間参照のためのマーカーとして知られている一対の対向している。私達の標準的なデバイスでは、指の幅で、単極のIDTを持つpは= 10ミクロン、750ミクロン、25まっすぐ指ペアの開口。結果IDTは128で波長λ= 4 P動作周波数に対応した= 40μmのfは_O = Cλ/ _SAW≈100 MHzの°YXニオブ酸リチウム（LN） ​​と弾性表面波を生成します。各IDT幅層を接合しながら、任意の位置ずれの影響を低減するためにマイクロチャネル幅の2倍を超えるべきである。 IDTの設計パラメータはCOMPRを議論するehensivelyいくつかの書籍で^9-11。我々は一IDTは、（チャネル出口に配置された）、音響向流中のチャンネルに流体を駆動する必要があるが、パターニング完全な遅延線は、デバイスのテストを支援することをマーキングする。
   2. 第二は、チ​​ャネル入口を形成するマイクロチャンバと、SAW遅延線に沿って整列させるための単純なマイクロチャネル構造を有している。我々の典型的なデバイスにおいて、チャネルは、幅w = 300ミリメートル5mmの長さを有する。一般的なルールとして、チャネル幅はマイクロチャネル内のSAW伝播中に回折効果を避けるために、少なくとも10λでなければなりません、しかし、我々のテストで我々は〜7λの幅が大幅にチャネル内のSAWの伝搬に影響を与えないことがわかった。
2. LNウェーハを切断2センチメートルサンプルを2 CMに始まる。透過顕微鏡法を実行するためには、両面研磨されたウェーハを使用する必要がある。 LNは、その生体適合性のための標準であり、SAWあることに注意してください長軸に沿って偏光および高い圧電結合係数は、しかし、他の圧電材料は、適切な設計上の考慮事項で使用することができる。
3. 2 - プロパノール、アセトンですすぎ、窒素銃で乾燥することにより、基板をクリーニングします。
4. 1分間4,000 rpmでシプリーS1818とコートサンプルをスピン。
5. 90でソフトベーク℃のホットプレート上で1分間。
6. マスクアライナを用いたSAWのレイヤーマスクでサンプルを合わせ、55 MJ / cm ^2とで紫外線にさらされている。注意をLN基板の長軸に沿ってIDT方向を揃えるために取られるべきである。
7. 未露光レジストを除去するために30秒間Microposit MF319現像液にサンプルを洗浄します。
8. 脱イオン水でサンプルをすすぐことによって、開発を停止し、窒素銃でそれを乾燥させます。
9. 熱蒸発によって厚さ100nmの金層、続いて10nmの厚さのチタン接着層を堆積させる。
10. Sを超音波処理することによりリフトオフ行うアセトンで十分、その後窒素ガンで2 - プロパノールとドライでそれをすすいでください。
11. マイクロチャネル領域¹²で、それが疎水性にするために、デバイスの表面をSilanize。
    1. メーカーのデータシートに記載の光リソグラフィによりAR-N-4340ネガ型フォトレジストでマイクロチャンバー領域をマスク。
    2. 約450のバイアス電圧を与える0.14ミリバールの圧力と100 W電源の2分酸素プラズマ（Gambetti Kenologia SRL、コリブリ）で試料表面をアクティブV.
    3. 35ミリリットルヘキサデカン、15ミリリットル四塩化炭素（ _四塩化炭素）、及びヒュームフード内部のビーカーに20μlのオクタデシルトリクロロシラン（OTS）を混ぜる。溶液中のデバイスを配置し、二時間のために覆われたまま。
    4. 2 - プロパノールでデバイスをすすぎ、窒素銃でそれを乾燥させます。
    5. 表面の水の接触角が90°を超えていることを確認する。接触角が不十分な場合は、サンプルをきれいにし、1.11の手順を再実行してください。
    6. 削除する残差は、アセトン、2 - プロパノール中でリンスし、窒素ガンで乾燥させることによって試料上のレジスト。
12. 無線周波数波路と標準同軸コネクタ（RF-PCB）を有するプリント回路基板上に試料をマウントした後、試料の縁に音響吸収体（ファーストコンタクトポリマー）を貼り付け、ワイヤボンディングやポゴ·コネクタを使用して、IDTに接続します。
13. チャネル層の母型は、標準的なフォトリソグラフィを用いて光学シリコン（Si）のウエハの小片上にSU-8を用いてパターニングされる。 SU-8型フォトリソグラフィレシピが必要な最終的なPDMS内部チャネルの高さに依存することになる。
14. 金型にPDMSをキャスト
    1. 午前10時01分の割合で硬化剤とPDMSを混ぜる。
    2. 脱気のための1,320×gで2分間PDMSを遠心分離。
    3. 1ミリメートルのオーダーの合計PDMSの高さにシャーレにSU-8鋳型の上にそっとPDMSを注ぐ。開いたペトリ皿をオードで約30分間真空デシケーター内に配置することができるさらにドガPDMSへえー。
    4. 一度脱気し、オーブン中で1時間80°Cに加熱することによりPDMSを治す。焼成時間および温度はPDMSの機械的特性に影響を与えることができることに留意されたい。
15. 固体PDMS層を準備
    1. 、外科刃を使用してチャネルの周りカットSU8マスターを傷つけないように注意しながら、オフそれはがし。
    2. レプリカエッジはその後洗練され、少なくとも2ミリメートルチャネルの側面に隙間、チャネル出口のないクリアランスを（右カットスルー）を残しカミソリの刃を使ってまっすぐにしている。
    3. 流体ローディング入口を形成するために、ハリスunicoreにパンチャーを使ってマイクロチャンバーに穴を開ける。
16. シンプルなフォーマルボンディングによってLN基板とPDMSチャネル結合。可逆ままこのように債券は、流体試験段階にわたって開催します。
    1. 両面を圧縮窒素空気で余分なゴミを吹き飛ばすことで入社前に清掃されます。それはcパターン化されたアライメントマークによるLNの長軸とのチャネルを整列させる部分を結合するときritical。
17. 完全なデバイスの概略図を図1に示されている。使用するまでクリーンな環境で完成したデバイスに格納します。

注：すべての製 ​​造工程は、使用する前に、装置の汚染を避けるためにクリーンルーム環境で行われることが重要である。

注：光リソグラフィ工程の任意の好適な方法は、ユーザによって置換されてもよい。

注：シラン化手順は、好ましい疎水性コーティング法¹³に代えることができる。

2。 RFデバイスのテスト

1. あなたのRF-PCB上のオープン/ショート導波路とのネットワークやスペクトラムアナライザのキャリブレーションを行います。
2. スペクトラム·アナライザのポートにSAW遅延線を接続した散乱行列を測定するデバイス。単一の電極トランスデューサのペアの送信は、IDTの動作周波数を中心とするシンク関数の絶対値のようになります。反射スペクトルではディップ（最小）同じ周波数^9-11で観測される。長径代表値に沿って100 MHzの動作周波数で我々のデバイスでは-15 S11とS22のためのdBで、S _12（PDMSチャネルなし）のための-10 dBである。

3。マイクロフルイディクスとパーティクルフローダイナミクス可視化実験と解析

1. 顕微鏡下でサンプルを置きます。特定の光学セットアップが観察されるようにSAWのマイクロ流体現象に依存します。例えば、4X客観的かつ30 fpsのビデオカメラを搭載したシンプルな反射顕微鏡は、流体充填力学を研究するのに適したようになります。より複雑な微粒子のダイナミクスを調べるためには、対物レンズ20Xと100のfps以上のビデオカメラを備えた顕微鏡を使用する必要があるかもしれない。それはimportanですが対物レンズとフレームレートの両方は、任意の空間的及び時間的に重要な流れ特性を捕捉するのに十分高いことトン。
2. RF信号発生器にチャネル出口の目の前でIDTを接続し、散乱行列測定で観測された共鳴周波数でそれを操作する。音響逆流実験における標準動作電力は20 dBmです。必要であれば、UHFハイパワーアンプを使用する。低い電力でデバイスを実行中に音響ストリーミングと微粒化現象は音響逆流せずに観察されています：一般的にアコースティックストリーミング再循環は0 dBmで始まり、霧化は、上記の14 dBmに発生します。
3. マイクロピペットでマイクロチャンバーに流体60μlのをロードします。流体は、受動的マイクロチャンバ内に拡散する。必要であれば、静かにマイクロチャンバーの充填を支持するために、マイクロチャンバー表面に押し込みます。
   1. 流れを可視化するためには、流体にマイクロビーズを追加する必要がある。順番に粒子CLUSTを避けるために注意してくださいering、実験前に粒子懸濁液を超音波処理。ロード中に、基板上の粒子の付着を回避するには、デバイスに0 dBmの信号を印加。
4. 顕微鏡でビデオの録画を開始し、音響逆流を観察するために、動作電力を増加させる。異なる流れ方式は、入力電力、チップ設計と粒径によって決定される。
   1. 定性的にダイナミクスをキャプチャするためには、流体の流れは、空間基準としてマーカーを用いて充填通路のさまざまな段階でメニスカスと入口の近傍で記録されなければならない。
   2. ミクロ粒子画像流速^{（μPIV）14,15}又は時空間画像相関分光法^{（STICS）16,17}によって粒子ダイナミクスの定量的測定を行うために、流体の流れは、ビューの固定フィールドに関心のある地点で記録されなければならない粒子力学に​​よって課さフレームレートで少なくとも100フレームである。
5. 画像処理ソフトウェアを使用してビデオを分析する。使用するソフトウェアの選択は、関心のある現象に依存します。例えば、霧状の液滴は、粒子の蓄積の空間的周期性、又は希釈された粒子、例えばフィジーなどの単純なフリー画像解析ソフトウェアのマニュアルトラッキングのサイズ分布を定量化するためには^、18好適であるために取得するのに対し合理化速度場測定は、mPIV、カスタマイズ¹⁹またはSTICS ²⁰のコードが必要になります。我々の分析でカスタマイズSTICSコードはMATLABで書かれている、しかし、言語のコーディング好ましい代替も同様に許容できるかもしれません。

それぞれ）典型的なS ₁₁とS ₁₂スペクトル）パネルで報告されており、B：図2はマイクロチャネル層にLN層を接着する前に撮影されたデバイスのRFテストの代表的な結果を示しています。 S ₁₁スペクトルの中心周波数での谷の深さでRF電力の変換効率に関係していると、機械力を見ました。従って、IDTフィンガ対の固定数のため、谷の最小値の減少は、デバイスの動作に必要な電力の低減につながる。この最小の周波数で、装置が最も効率的に流体ポンプを作動させるために音響波を生成するため、我々がデバイスを操作することを選択した時点である。に沿って100 MHzの動作周波数での我々のデバイスでは長径典型的な値は、以下のS _11-10dBである。 -10 dBmより上の値は、仕事であれば破損または短絡トランスデューサを示すことがINGは、増加した入力電力が必要になります。この値は、IDTインピーダンスを整合外部整合ネットワークを使用するか、IDT設計^9-11ことによって低減することができる。 S ₁₂スペクトルの最大のIDTと遅延線に沿ってSAWの減衰により、RFパワーとSAW機械力の変換効率に関連する両方です。この値の減少は、（一般的に我々のデバイスで-10 dBmの周り）のIDTの欠陥（S11スペクトルのディップの大きさの減少によっても観察）、SAW遅延線のずれ、または亀裂に由来することができます。

図3は、4つの異なる特徴的な流れパターンは、500nmのラテックスビーズを用いて観察示している。各パネルには、粒子がSTICS起因する合理化を示しています。分析は、光伝送顕微鏡法によって得られた100 fpsで2秒の記録を行った。粒子に作用する2支配的な力のバランスから詳細ダイナミクスの結果：抗力とアコースティックRadiation力^21,22。充填チャネルによる大量輸送から、1つの結果、音響流として知られる循環で生じる流体における音響エネルギーの散逸から他の結果：抗力、音響向の2つのコンポーネントがあります。音響流、水の圧力波として音響放射力の減衰の両方が減衰する。パネル）およびb）チャネル入口二つの異なる結果を示す。パネルで）2つの対称渦が充填音響向チャネルの開始時に音響ストリーミング現象による観察される。チャネルが部分的に満たされているいくつかの時間の後、パネルb）は進ん流体フロントによって入口acoustofluidic効果の抑制による層流を示しています。パネルC）とパネルd）は、チャネルが部分的に満たされているメニスカス近傍の2つの異なる状況を示しています。パネルc）において粒子は、ラインに蓄積し、メニスカスと同じ速度で移動が観察される。これは、粒子のダイナミクスが音響放射力によって支配されている代表的な場合である。抗力と音響流の効果の優位性の代表ダイナミクス、粒子には、2つの渦に従うと、メニスカスから300ミリメートル以内のバンドだけに蓄積されている）パネルDに示すように、基板表面に近接しています。

図1。上面図（a）と等角図（b）に完成した向流デバイス（正確な縮尺ではない）のデバイスが2つの層から構成され、。下段はLNに金模様のIDTをで構成し、PDMSマイクロチャネルの上限。 RF信号は、左のIDTに印加され、対応するSAW右に伝播する。流体が上の円形の流体入口から流れます左IDTへ右。典型的なチップの寸法は、PDMS層のためのX SAW層のための10ミリメートル×0.5ミリメートル、および10×5×4ミリメートル25ミリメートルである。フィーチャー寸法は、プロトコルのステップ1で与えられる。

図2。 SAW-逆流デバイスのSパラメータ典型。スペクトルの共振周波数（）S ₁₁と、（b）S _12は 95 MHzで見ることができますより大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください 。

図3。四つの異なる特徴的な流れのパターンは、音響逆流チャネル内500nmのラテックスビーズを用いて観察した。簡素化し、各パに示す2秒の光伝送顕微鏡で100 fpsで録画、およびSTICS分析からネル結果は各ビデオの最後のフレームにオーバーレイされます。流路入口（a）は時刻t =チャネルが満杯になり始める0、およびチャネルが部分的に充填された後、（b）は、後でで見ることができます。メニスカスの先端粒子蓄積ラインと（c）は、層流の場合について見られ、（d）は 、より複雑な渦流れすることができ、装置の幾何学的形状によって決定される方式。流れのパターンは、20 dBmで動作さ典型的なデバイスで得た。渦の平均流速を1mm /秒と高いかもしれませんが、チャネルを介して10 NL /秒 - これらの実験のための流量は1のオーダーであった。

マイクロ流体コミュニティが直面する最大の課題の一つは、真の携帯ポイントオブケア·デバイスの作動プラットフォームの実現である。提案された統合されたマイクロポンプ²³のうち、表面弾性波（SAWの）に基づくものが原因で流体混合、霧化粒子濃度および分離⁴におけるそれらの関連付けられた機能に特に魅力的である。本稿ではまずチェッキーニらによって説明されているようにアクチュエータを^SAW。8流体をチップ上に集積によって閉PDMSマイクロチャネルに操舵されているラボオンチップデバイスを作製し、操作方法を実証した。

上記の手順に示すように、デバイス製造に関しては、それ以外のIDTの不完全性、マイクロチャネルの形状、および表面の濡れ性が生じる可能性がある、製造プロトコルのすべての点で清浄度を維持することが非常に重要である。のIDTの不完全性は、番目の増加につながることができますeは、動作電力やSAWのさえ効果のない伝達を必要とした。注目はマイクロ製造に与えられなければならない。平らな表面には顕微鏡のために必要とされる。マイクロエッジの欠陥は、メニスカスピンニングを引き起こし、チャネル充填速度、チップの信頼性の両方を減らすことができます。これらの欠陥はまた流動特性を変化させ、核気泡が完全に流体ポンピングを無効にすることができる。注意表面機能で撮影しなければならない。基板の底インターフェイスとPDMS横方向及び上面からなるチャネル壁は、全体的な親水性である場合には、キャピラリ駆動充填がポンピング活性SAW防止する。基板表面が過度に疎水性である場合は逆に、メニスカスのうち霧化液滴は​​、チャネルの充填を防止するため、効果的に合体しないだろう。基板官能における不均一性は、したがって固定ポイントと毛細管現象主導の地域とダイナミクスを充填信頼できないチャネルにつながる。

可視に関する流れualizationと粒子力学研究は、粒径が得られた観測されたダイナミクスに重要である。粒子は、（流体の圧力波から直接運動量移動に起因する力）をドラッグすることの両方を施す（流体の流れに起因する）と音響放射力れている。ドラグ力は粒子半径に比例する一方、音響放射力は、粒子体積に比例する。粒径が小さくなるようにドラグ力は、粒子のダイナミクスを支配し、したがってこの粒子は、より密接に流体の流れが続く。このようにして、デバイス設計に対して適切に小さな粒径を選択することにより、流体の流れの正確な可視化を得ることができる。同じ直径の粒子がどちら流体が正確に合理化したり、逆に音響放射力によって支配され、デバイスの形状に応じて、再現性があることに注意してください。ビーズの大きさと可視化技術に応じて、必要な光学系は変更されることがあります。粒子濃度は、実験目的にも依存：mPIV低粒子濃度の場合には^14,24が好ましいが、大きな粒子濃度は、より良い統計を可能にし、質的に可視化は、単一の画像では合理化します。粒子溶液は、単分散であると粒子速度フィールドの定性的および定量的な理解の両方のクラスタなしでする必要があります。

多くの努力はまた、生体試料中のアプリケーションを並べ替えるの観点から²⁵マイクロサイズの粒子の挙動を理解することに専念しました。基本的な並べ替えを行うためには、ビーズ、粒子、チャネル官能用いた研究は、粒子の付着及びチャネル詰まりを避けるために極めて重要である。

このビデオでは、流体は、閉じたPDMSマイクログリッドで、オンチップ駆動されるSAW主導音響向デバイスを製造して操作する方法を示しました。特に注意はディーヴォだっacoustophoreticソートアプリケーションの基礎にある粒子ダイナミクスの可視化へのテッド。

著者らは、開示することは何もありません。

著者は認めるために誰を持っていません。