Method Article
Bu videoda ilk bir yüzey akustik dalga (SAW) akustik ters akışlı cihazın imalat ve operasyon prosedürleri açıklar. Daha sonra SAW pompa cihaz içinde nitel akış görselleştirme ve karmaşık akış kantitatif analiz her ikisi için izin veren bir deney düzeneği göstermektedir.
Yüzey akustik dalgaları (SAW) akustik ters akışlı fenomen ile taşınabilir mikroakışkan fiş sıvı sürmek için kullanılabilir. Bu videoda bir çok katmanlı SAW akustik ters akışlı cihaz için üretim protokol mevcut. Cihaz iki interdijital dönüştürücüler (IDTs) ve uygun işaretleri desenli edildiği üzerine bir lityum niobat (LN) substrat başlayarak imal edilir. Bir SU8 ana kalıp üzerinde döküm bir polidimetilsiloksan (PDMS) kanal nihayet desenli yüzeye yapıştırılır. Imalat prosedürü takip ederek, PDMS kanal şebekesi yoluyla sıvı pompalamak için akustik karşı yönden cihazın karakterizasyonu ve çalışma sağlar teknikleri göstermektedir. Sonunda kanallarda sıvı akışını görselleştirmek için prosedürü mevcut. Protokol, girdapları ve partikül birikimi etki ile karakterize laminer akış ve daha karmaşık dinamikleri gibi farklı akış rejimleri altında pompalama on-chip sıvı göstermek için kullanılır.
Mikroakışkan toplumun karşılaştığı devam zorluklardan biri gerçekten taşınabilir mikro-toplam-analiz sistemleri (μTAS en) entegrasyon için minyatür edilebilir etkin bir pompalama mekanizması olması ihtiyacıdır. Standart makroskopik pompalama sistemleri sadece kanal boyutu mikron aralığı aşağı düşer ya da aşağıdaki gibi nedeniyle hacimsel akış oranlarının olumsuz ölçekleme için, μTAS en için gerekli olan taşınabilirlik sağlamak için başarısız. Aksine, sıvı SAW tahrik mekanizmaları olarak artan bir ilgi kazanmıştır ve bu sorunların 1,2 bazı çözümü için umut verici bir yol olarak ortaya çıkmaktadır.
SAW sıvılar 3, enerji ulaşım çok etkili mekanizması sağlamak için gösterildi. Bir piezoelektrik yüzey, örneğin lityum niobat (LN) üzerine bir SAW yayar, dalga Rayleigh açısı θ R = sin olarak bilinen bir açıyla yolunda herhangi bir sıvı içine yayılan ne zaman722, 1 (C-F / C s), sayesinde substrat, C S, ve sıvı C-F ses hızları uyumsuzluğu. Sıvısına radyasyon Bu sızıntı sıvısı akışı sağlayan bir akustik basınç dalgası sebebiyet verir. Cihaza uygulanan cihaz geometri ve gücüne bağlı olarak, bu mekanizma, bu karıştırma akışkan, partikül sıralama, atomizasyon ve pompalama 1,4 olarak çip süreçler, geniş bir yelpazede harekete geçirmek için gösterilmiştir. SAW ile microfluids Aktüatör basitlik ve etkinlik rağmen, bugüne kadar gösterilmiştir mikroakışkan pompalama mekanizmaları tahrik SAW sadece az sayıda vardır. İlk gösteri, bir piezoelektrik yüzey 3 SAW yayılım yolu yerden serbest damlacıklarının basit çeviri oldu. Bu yeni yöntem, bir mikroakışkan harekete geçirme yöntemi olarak SAW kullanılarak çok ilgi uyandırmıştır Ancak, sıvıları için bir ihtiyaç hala oldukapalı kanalları daha zor bir görev kurulabilir. Tan ve arkadaşları. Lazer piezoelektrik yüzeye doğrudan ablasyon olduğunu bir Mikrokanallı içinde pompalama gösterdi. Kanal ve IDT boyutları ile ilgili geometrik değişiklik, onlar düzgün ve karıştırma hem akışları 5 göstermek başardık. Cam ve ark. Son zamanlarda popüler Lab-on-a-CD kavram 6,7 gerçek minyatür bir göstergesi olarak, santrifüj Mikroakiskan ile SAW harekete rotasyonlar birleştirerek mikro ve mikroakışkan bileşenleri ile sıvı hareket eden bir yöntem gösterdi. Ancak, sadece tam kapalı gösterilmiştir mekanizması pompalama Cecchini ark olmaya devam etmektedir. 'S SAW-odaklı akustik ters akışlı 8-Bu videonun odak tahrik SAW. Bu, bir sıvının, atomizasyon ile birleşme, bir yayılma yönü karşı yönde kapalı bir kanal vasıtasıyla pompalamak için patlatırkostik dalga. Bu sistem bir Mikrokanallı içinde şaşırtıcı derecede karmaşık akımları ortaya çıkmasına neden olabilir. Ayrıca, cihaz geometri bağlı olarak, laminar akışlarından girdapları ve partikül-birikimi etki ile karakterize daha karmaşık rejimlere, akış şemaları bir dizi sağlayabilir. Kolay bir cihaz içinde akış özelliklerini etkilemek için yeteneği gelişmiş çip üzerinde parçacık manipülasyon için fırsatlar gösterir.
Cihaz imalat, deneysel çalışma, ve akış görselleştirme: Bu protokolde pratik SAW tabanlı Mikroakiskan temel yönlerini açıklığa kavuşturmak istiyoruz. Biz açıkça SAW-odaklı akustik ters akışlı cihazların imalat ve operasyon için bu işlemler açıklayan olsa da, bu bölümler kolayca SAW odaklı mikroakışkan rejimlerin bir dizi uygulama için değiştirilebilir.
1. Cihaz Fabrikasyon
Not: Tüm üretim adımları kullanmadan önce cihazın kirlenmesini önlemek için bir temiz oda ortamında yürütülmektedir önemlidir.
Not: Optik litografi adımların herhangi bir kullanım tercih edilen yöntemler ile ikame edilebilir.
Not: silanizasyon işlemi tercih edilen bir hidrofobik kaplama yöntemi 13 için ikame edilebilir.
2. RF Cihaz Test
3. Mikroakiskan ve Parçacık Akış Dinamiği Görselleştirme Deney ve Analiz
Şekil 2, mikrokanal katmanına LN tabaka yapıştırma öncesinde alınan RF test cihazı için temsili sonuçlarını gösterir: Tipik bir S 11 ve S 12 tayfları paneli a) ve b) 'de rapor edilmiştir. S 11 spektrumda merkezi frekansta vadinin derinliği RF güç dönüşüm verimliliği ile ilgilidir mekanik güç SAW. Bu nedenle, IDT parmak çiftleri sabit sayıda için, vadi az bir azalma Cihazı çalıştırmak için gereken güç bir azalma neden olacaktır. Bu en az frekansta, cihazın en verimli pompalama sıvı harekete geçirmek için akustik dalga oluşturur ve bu nedenle biz Cihazı çalıştırmak için seçtiğiniz noktadır. Birlikte 100 MHz çalışma frekansında bizim cihazlar en önemli eksen tipik değerlerin altında S 11 için -10 dB. -10 DBm Yukarıdaki değerler hasarlı veya kısa dönüştürücü, iş eğer anlamına olabiliring, artan giriş gücü gerektirir. Bu değer, IDT empedans eşleştirme harici bir eşleme ağı kullanarak veya IDT tasarım 9-11 tarafından azaltılabilir. S 12 spektrumunun maksimum RF güç dönüşüm verimliliği ile ilgili hem de ve gecikme hattı boyunca IDTs ve SAW ve zayıflama ile mekanik güç SAW. Bu değer azalması (genellikle bizim cihazlarda -10 dBm civarında) IDTs kusurları (S11 spektrumunda daldırma büyüklükte bir azalma ile de gözlenen), SAW gecikme çizgisinin kayma, ya da çatlak kaynaklanıyor olabilir.
Şekil 3 dört farklı karakteristik akış modelleri 500-nm lateks boncuklar kullanarak gözlenen gösterir. Her panel parçacık İSTİKLERİ kaynaklanan akıcılık gösterir. Analiz optik iletim mikroskobu ile elde edilen 100 fps 2 saniye kayıt üzerinde yapıldı. Parçacıklar etki eden iki egemen güçler arasındaki denge ayrıntılı dinamikleri sonuçları: sürükle kuvvet ve akustik radiation gücü 21,22. Sürtünme kuvveti akustik ters akışlı iki bileşeni vardır:, akustik akışı olarak bilinen bir sirkülasyon ortaya çıkan sıvı akustik enerji dağılımı diğerine sonuçları dolum kanal nedeniyle toplu taşıma gelen bir sonuç. Akustik akışı ve su basınç dalgası olarak akustik radyasyon gücü çürüme hem azaltır. Paneller a) ve b) kanal girişinde iki farklı sonuçlar göstermektedir. Panelinde) simetrik iki girdapları dolum akustik-ters akışlı kanalının başında akustik akış fenomenine bağlı olarak görülmektedir. Kanal kısmen doldurulur Bir süre sonra, panel b) ilerleyen sıvı ön tarafından girişinde acoustofluidic etkileri baskılanması nedeniyle laminer akış gösterir. Panel c) ve panel d) kanal kısmen doldurulur menisküs yakınında iki farklı durum göstermektedir. Panel C olarak)parçacıklar hatlarında biriken ve menisküs ile aynı hızda hareket eden gözlenir. Bu parçacık dinamiği akustik radyasyon gücü hakim olduğu temsilcisi durumdur. Sürükle kuvvet ve akustik akış etkileri egemenliğinin temsilcisi dinamikleri parçacıklar iki girdapları takip ve menisküs 300 mm içinde sadece bantlarında elde ettiğiniz) paneli d gösterilir, yüzey yüzeye yakın.
Şekil 1. Top view (a) ve izometrik görünümü (b) tamamlanmış ters akışlı cihazı (ölçekli değildir) bir Cihaz iki kat inşa edilmiştir,. Alt LN altın desenli IDTs oluşan ve PDMS Mikrokanallı üst. RF sinyal, sol IDT uygulanır, ve karşılık gelen SAW sağa doğru yayılır. Akışkan üzerindeki dairesel sıvı giriş akacakSol IDT doğru doğru. Tipik yonga boyutları PDMS katmanı için x SAW katmanı için 10 mm x 0.5 mm ve 10 mm x 5 mm x 4 mm ile 25 mm. ' Özelliği boyutları protokol adım 1 'de verilmiştir.
Şekil 2. Bir SAW-ters akışlı cihaz için S-parametreleri Tipik. Spektrumları rezonans frekansı (a) S 11 ve (b) S 12 95 MHz görülebilir. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .
Şekil 3,. Dört farklı karakteristik akış modelleri akustik ters akışlı kanal içinde 500-nm lateks boncuklar kullanarak gözlenen. Her pa gösterilen kolaylaştırır2-ikinci optik iletim mikroskobu ile 100 fps kayıt, ve İSTİKLERİ analiz nel sonuç her videonun son çerçeve üzerine üst üste. Kanal giriş (a) zaman kanal doldurmaya başlar ve kanal sonra (b) Daha sonra, t = 0, kısmen doldurulur görülebilir. Menisküsün kenarı parçacık birikimi hatları (C) laminer akış, ve (d) daha karmaşık bir girdap akışı durumunda için görülebilir; düzeni cihaz geometrisi tarafından belirlenmektedir. Akım paternleri 20 dBm çalıştırılan tipik bir cihaz elde edilmiştir. Bu deneyler için akış oranları 1 'vardı - 10 kanaldan nl / s, girdapların içinde ortalama akış hızı 1 mm / sn kadar yüksek olabilir iken.
Mikroakışkan topluluk karşılaştığı en büyük zorluklardan biri gerçekten taşınabilir noktası bakım cihazları için harekete platformu hayata geçirilmesidir. Önerilen entegre mikropompalar 23 arasında, yüzey akustik dalgaları (SAW) üzerine dayalı bu nedeniyle sıvı karıştırma, atomizasyon ve partikül konsantrasyon ve ayırma 4 ilişkili yetenekleri özellikle çekicidir. Bu yazıda ilk Cecchini ve arkadaşları tarafından açıklandığı gibi aktüatör SAW. 8 sıvı-çip üzerinde entegre bir kapalı PDMS mikrokanaldaki kumanda edildiği bir laboratuar-on-chip cihazı imal ve nasıl çalıştırılacağı göstermiştir.
Yukarıdaki prosedür gösterildiği gibi cihaz imalat ile ilgili olarak, aksi IDTs kusurları, Mikrokanallı şekil ve yüzey ıslanabilirliği ortaya çıkabilecek, imalat protokol her noktada temizlik korumak için çok önemlidir. IDTs kusurları inci bir artışa yol açabilirE çalışma gücü veya SAW bile etkisiz iletimi gereklidir. Dikkat Mikrokanallı imalat verilmelidir. Düz temiz yüzey mikroskobu için gereklidir. Mikrokanallı kenarları hatalarına menisküs çivileme neden ve kanal doluş hızı ve yonga güvenilirliği hem de azaltabilir. Bu defektler de akış özelliklerini değiştirebilir ve çekirdekli kabarcıklar tamamen pompalama sıvı devre dışı olabilir. Dikkat yüzey işlevsellik alınmalıdır. Alt tabaka alt arabirim PDMS ve yan ve üst yüzeyleri arasında oluşan kanal duvarları genel olarak hidrofilik ise, kılcal tahrik dolum yüksekliği aktif SAW önler. Bunun tersine, alt-tabaka yüzeyi çok hidrofobik ise, damlacıklar menisküs üzerinden atomize kanalı doldurmak önlenmesi, etkili bir şekilde birleşerek olmaz. Yüzey işlevsellik içinde homojen dolayısıyla noktaları ve kılcallık odaklı bölgeler çivileme ile dinamikleri dolum güvenilmez kanal yol açar.
Vis akışı ile ilgiliualization ve parçacık dinamiği çalışmaları, parçacık çapı elde gözlenen dinamiklerini için çok önemlidir. Parçacıklar (sıvı basınç dalgaları doğrudan momentum transferi nedeniyle) güç sürüklemek için her iki tabi (sıvı akışı nedeniyle) ve akustik radyasyon gücü vardır. Sürtünme kuvveti parçacık uzunluğu ile orantılı olsa da, akustik yayının kuvveti parçacık hacmi ile orantılıdır. Partikül çapı azalır gibi sürtünme kuvveti parçacık dinamiği hakim olacak ve parçacıkların bu nedenle daha yakından sıvı akışı takip eder. Bu şekilde cihaz tasarımı ile ilgili olarak uygun bir şekilde küçük bir partikül çapına seçerek sıvı akışının doğru bir görüntü elde edebilir. Aynı çapa sahip parçacıklar ya da sıvı doğru hızlandırır ya da tam tersine akustik yayının kuvveti hakim olduğu, cihazın geometrisine bağlı üreyebildikleri unutmayın. Boncuklar ve görüntüleme tekniği ve boyutuna bağlı olarak, gerekli olan optik değişebilir.Parçacık konsantrasyonu deneysel amaçla de bağlıdır: mPIV düşük partikül konsantrasyonu durumunda 14,24 tercih edilir, ancak büyük partikül konsantrasyonu daha iyi istatistik için izin verir ve niteliksel olarak görsel tek görüntülerde akıcılık. Parçacık çözümü tek dağılımlı olması ve parçacık hızı alanların nitel ve nicel hem de anlamak için kümeler olmadan gerekir.
Çok çaba da biyolojik örneklerde uygulamaları sıralama görünümünde 25 mikro ölçekli parçacıkların davranışlarını anlamak için ayrıldı. Temel sıralama, boncuklar ile çalışmaları gerçekleştirmek için, partikül ve kanal işlevsel parçacık yapışma ve kanal tıkanma önlemek için büyük önem taşımaktadır.
Bu videoda sıvıları kapalı PDMS Mikrokanallı ızgaraları on-chip tahrik edildiği SAW odaklı akustik ters akışlı cihazlar imal ve nasıl çalıştırılacağı gösterdi. Özellikle dikkat devo olduacoustophoretic sıralama uygulamaları temelinde olan parçacık dinamiği en görselleştirme için ted.
Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.
Yazarlar kabul etmek kimse yok.
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 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır