Name: microparticle manipulation by standing surface acoustic waves with dual-frequency excitations
Uploaded: 2018-08-21T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 51 s
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Diese Arbeit wurde von der Academic Research Fund (AcRF) Stufe 1 (RG171/15), Ministerium für Bildung, Singapur gesponsert.

1. Vorbereitung des mikrofluidischen Kanals
<ol><li>Mischen Sie Poly-Dimethylsiloxane (PDMS) mit einem Elastomer Basis im Verhältnis 10:1.</li>
	<li>Die Mischung in einem Vakuumofen entgasen und gießt es auf einem Silizium-Wafer mit einem negativen Ton Photoresist Muster auf der Oberseite.</li>
	<li>Entgasen der gemusterten Silizium-Wafer wieder und Erhitzen Sie es bei 70 ° C für 3 h in einem Inkubator für Erstarrung.</li>
</ol>2. Herstellung von Interdigital Transducer
<ol><li>Anzahlung 20 nm Cr und 400 nm Al auf einem Wafer LiNbO-3 ; Muster 20 Streifen mit einer Breite von 150 µm und eine Blende von 2 cm auf einem Kunststoff-Maske für Photolithographie durch die Hinterlegung der positiven Photoresist auf dem Substrat.</li>
	<li>Entfernen Sie die Cr-Al-Schicht auf der nicht-exponierten Bereich mit Aceton.</li>
	<li>Behandeln sie die Oberfläche mit Sauerstoffplasma (mit einem Stickstoff und Sauerstoff-Verhältnis von 2:1) bei der Leistung von 30 W für 60 s.</li>
	<li>Richten Sie die PDMS Microchannel und binden Sie es an das LiNbO3 Substrat durch Drücken mit dem Daumen für ein paar Sekunden.</li>
	<li>Platzieren Sie das integrierte Gerät in der Heizkammer bei 60 ° C für 3 h.</li>
</ol>(3) Zweifrequenz-Anregung
<ol><li>Gleichzeitig gelten zwei Frequenzkomponenten (f1 und f3, die Grundfrequenz und seine dritte harmonische des vorgefertigten IDT, beziehungsweise) mit der Phase Unterschied φ zwischen ihnen zu dem IDTs, damit die produzierte Säge kann wie folgt ausgedrückt werden. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq1.jpg"> Hier, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq2.jpg">und <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq3.jpg"> = der akustischen Druck.</li>
	<li>Synthetisieren Sie die Zweifrequenz-Wellenform mit dem Formel-Editor von ArbExpress Anwendungs-Software auf die Sampling-Frequenz von 100 MS/s zu und zu speichern Sie, der Funktionsgenerator als beliebigen Eingabe für die Säge Erregung im Experiment über ein USB-Kabel.</li>
	<li>Die Macht der Grundfrequenz, die insgesamt abgestrahlte Leistung variieren <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq4.jpg"> von 100 % (Erregung an den rein Grundfrequenz) auf 0 % (Erregung an den rein dritte harmonische); für einen guten Vergleich ändern, aber der gesamten Leistung beibehalten.</li>
	<li>Variieren Sie die Phasendifferenz der Zweifrequenz-Anregung von 0° bis 360°.</li>
</ol>(4) numerische Simulation
<ol><li>Beschreiben Sie die Bewegung der inkompressiblen Laminar-Flow mit niedrigen Reynolds (d.h., Re = 0,55) und Mach Zahlen wie folgt35. <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq5.jpg"> <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq6.jpg"> Hier, <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq7.jpg">= der fluidgeschwindigkeit, <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq8.jpg">= die dynamische Viskosität, <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq9.jpg">= die flüssigkeitsdichte, <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq10.jpg">= Druck auf die Flüssigkeit, <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq11.jpg">= die Einheitsmatrix und <img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq12.jpg">= eine externe Kraft.</li>
	<li>Beschreiben Sie die produzierte Stoke ziehen Kraft auf das Objekt als folgt36. <img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq13.jpg"> Hier, <img alt="Equation 14" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq14.jpg">= den Radius der Mikropartikel, <img alt="Equation 15" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq15.jpg">= die Geschwindigkeit der Flüssigkeit und <img alt="Equation 16" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq16.jpg">die Geschwindigkeit der Mikropartikel =.</li>
	<li>Leiten Sie die akustische Strahlung Krafteinwirkung auf die Mikropartikel in der Microchannel entlang der X-Achse (über die Microchannel-Breite) auf einer einzigen Frequenz wie folgt16 . <img alt="Equation 17" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq17.jpg"> Hier, <img alt="Equation 18" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq18.jpg">= die Menge der Mikropartikel, <img alt="Equation 19" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq19.jpg">= die Dichte der Mikropartikel, <img alt="Equation 20" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq20.jpg">= die Dichte des Mediums, <img alt="Equation 21" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq21.jpg">= die Kompressibilität der Mikropartikel und <img alt="Equation 22" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq22.jpg">= die Kompressibilität des Mediums.</li>
	<li>Die daraus resultierende akustische Strahlung Kraft der Zweifrequenz-Anregung wie folgt ableiten. <img alt="Equation 23" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq23.jpg">
</li>
	<li>Die Querbewegung über die Kanalbreite Express (entlang der y-Achse) ziehen Sie unter die akustische Strahlung Kraft und die Stokes Kraft durch Newtons zweites Gesetz wie folgt geregelt. <img alt="Equation 24" src="/files/ftp_upload/58085/58085eq24.jpg">
</li>
	<li>Lösen Sie die gewöhnlichen Differentialgleichungen (Oden) oben mit der vierte Auftrag Runge-Kutta-Verfahren auf einem Personal Computer. Legen Sie den Zeitschritt und Gesamtdauer als 1 µs und 20 s, beziehungsweise.</li>
</ol>5. experimentelle Beobachtung
<ol><li>Drehen Sie die Lösung in der Konzentration von 5,9 x 107 mit 4 µm grün fluoreszierende Polystyrol-Kügelchen pro 1 mL durch Wirbel für ca. 2-3 min. und dann Tauchen sie in eine Ultraschall-sonikator für 10 min, jede Agglomeration vor jeder Prüfung zu stören.</li>
	<li>Füllen Sie die Masse in eine 3 mL Spritze und dann mit einer Spritzenpumpe bei einer Durchflussmenge von 3 bis 5 µL/min zu fahren.</li>
	<li>Fahren Sie die IDT mit dem Dual-Frequenz-Signal von einem Funktionsgenerator, gefolgt von einer Endstufe.</li>
	<li>Die stabilisierte Mikropartikel in der nachgeschalteten mikrokanal unter einem Lichtmikroskop bei 40 X Vergrößerung zu beobachten und das Bild mit einer digitalen Kamera aufnehmen.</li>
	<li>Messen Sie die Lage des kumulierten Mikropartikel in der digitalen Aufnahmen mit ImageJ und der etablierten Skala zu, und dann bestimmen Sie quantitativ die Konzentration von den angesammelten Mikropartikel mit der normalisierten Fluoreszenz Helligkeit Jeder Druck-Knoten.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Chin, C. D., Linder, V., Sia, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Commercialization+of+microfluidic+point-of-care+diagnostic+devices.">Commercialization of microfluidic point-of-care diagnostic devices.</a> Lab on a Chip. 12 (12), 2118-2134 (2012).</li><li>Figeys, D., Pinto, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lab-on-a-chip:+a+revolution+in+biological+and+medical+sciences.">Lab-on-a-chip: a revolution in biological and medical sciences.</a> Analytical Chemistry. 72 (9), 330 A-335 A (2000).</li><li>den Toonder, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Circulating+tumor+cells:+the+Grand+Challenge.">Circulating tumor cells: the Grand Challenge.</a> Lab on a Chip. 11 (3), 375-377 (2011).</li><li>Yu, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+of+lab-on-a-chip+in+isolation,+detection+and+post-processing+of+circulating+tumour+cells.">Advances of lab-on-a-chip in isolation, detection and post-processing of circulating tumour cells.</a> Lab on a Chip. 13 (16), 3163-3182 (2013).</li><li>Jorgenson, J. 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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Die Mikropartikel-Bewegung in der Microchannel durch ein Tripadvisor auf die Zweifrequenz-Anregung wurde ausgiebig untersucht in dieser Studie, und eine Technik effektiv einstellbaren Strukturierung durch Variation der Zweifrequenz-Erregung Signale wurde entwickelt und getestet. Die Herstellung solch einer Wellenform ist leicht von den meisten Funktion Generatoren realisiert, und die Einstellung ist sehr bequem. Die S12- und S11-Frequenzgänge von vorgefertigten IDTs illustrieren mehrere resonanzmod...

LOC-Technologie integriert eine oder mehrere Funktionen auf einem Mikrochip für Biologie, Chemie, Biophysik und biomedizinischen Prozesse. LOC ermöglicht ein Labor-Setup im Maßstab kleiner als Sub-Millimeter, schnelle Reaktionsgeschwindigkeiten, eine kurze Reaktionszeit, hohe Prozesskontrolle, einen geringen Verbrauch (weniger Abfall, weniger Reagenzien Kosten und weniger erforderlichen Probenvolumen), einen hohen Durchsatz aufgrund Parallelisierung, eine Low cost in Zukunft Massenproduktion und kostengünstige Einwegartikel, einen hohen Sicherheitsstandard für chemische, radioaktive oder biologische Studien und die Vorteile eines kompakten und tragbaren Gerät1,2. Präzise Zelle Manipulation (d.h., Ansammlung und Trennung) ist entscheidend für eine LOC-basierte Analyse und Diagnose3,4. Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Mikropartikel Manipulation haben jedoch eine Vielzahl von Herausforderungen. Viele Techniken, wie z. B. Elektro-Osmose5, Dielektrophorese (DEP)6, Magnetophoresis7, Thermophorese,8,9, eine optische Ansatz10, eine optoelektronische nähern11 , eine hydrodynamische Ansatz12und Acoustophoresis13,14,15, entwickelt worden. Im Vergleich sind akustische Ansätze für eine LOC-Anwendung geeignet, weil theoretisch können viele Arten von Mikropartikeln/Zellen effektiv manipuliert und nicht-invasiv mit einer ausreichend hohen Kontrast (Dichte und Kompressibilität) im Vergleich mit der umgebenden Flüssigkeit. Daher kommen im Vergleich zu ihren Kollegen, akustische Ansätze von Natur aus für die meisten Mikropartikel und biologischen Objekten, unabhängig von ihrer optischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften16.
Akustische Oberflächenwellen (SAWs) aus der IDTs propagieren meist auf der Oberfläche von einem piezoelektrischen Substrat bei der Dicke von mehreren Wellenlängen und dann Leck an der Rayleigh-Winkel in die Flüssigkeit in der Microchannel nach der Snell Gesetz17, 18,19,20,21,22. Sie haben die technischen Vorteile der hohen Energieeffizienz entlang der Oberfläche aufgrund ihrer Lokalisation der Energie, eine tolles Design-Flexibilität bei hoher Frequenz, eine gute Systemintegration mit mikrofluidischen Kanal und Miniaturisierung mit Micro-Elektronik-Mechanical (MEMS) Systemtechnologie und ein hohes Potenzial zur Serienfertigung23. In diesem Protokoll Sägen aus ein paar identische IDTs generiert und in die entgegengesetzte Richtung um eine stehende Welle oder Tripadvisor, in der Microchannel generieren wo abgehängte Mikropartikel an Druck Knoten, vor allem von der angewandten Akustik gedrängt werden vermehrt Strahlung Kraft24. Die Amplitude der so resultierende Kraft richtet sich nach der Erregerfrequenz, Mikropartikel Größe und seine akustischen Kontrast Faktor22,25.
Solche Acoustophoresis hat die Begrenzung der vorgegebenen manipulierende Muster, die nicht leicht verstellbar sind. Die Anregungsfrequenz des der IDTs richtet sich nach ihrer regelmäßigen Entfernung, so ist die Bandbreite sehr begrenzt. Verschiedene Strategien wurden entwickelt, um die Einstellbarkeit und Manipulation Funktionalität zu erweitern. Die erste und zweite Modi akustische stehender Wellen in verschiedenen Teilen der Microchannel angewendet könnte Mikropartikel effektiver nach verschiedenen Bewegung Geschwindigkeit in Richtung der Schwingungsknoten-Linien26trennen. Diese beiden Modi konnten auch auf der ganze Teil der Microchannel angewendet werden und wechselte alternativ27,28,29. Ist jedoch dafür, eine große Anzahl von Geräten (d.h., drei Funktion Generatoren, zwei Impedanzanpassung Einheiten und ein elektromagnetisches Relais) erforderlich, mit der steigenden Kosten und Kontrolle Komplexität der Versuchsaufbau aufgrund der verschiedenen elektrische Impedanzen an der Grundfrequenz und dritte harmonische der piezokeramischen Platte30. Darüber hinaus konnte schräg-Finger interdigital Transducer (SFITs) angewendet werden, um die Zellen und die Strukturierung durch eine Periode der schräge Finger für eine bestimmte Resonanz20,31spannende Mikropartikel anzupassen. Allerdings ist dann die Bandbreite umgekehrt proportional zu der Anzahl der schräge Finger. Mehrere Knoten Druckleitungen haben eine höhere Trennleistung und Sensibilität gegenüber der einzelnen Knotenpunkte Linie im konventionellen Tripadvisor-basierte Mikropartikel Separator. Alternativ könnte die Lage der Druck Knoten auch einfach durch Anpassung der Phasendifferenz angewendet, die zwei IDTs Design32,33geändert werden.
Die Grundfrequenz und die dritte harmonische IDTs haben ähnliche Frequenzgänge so dass sie gleichzeitig angeregt werden können die mehr Einstellbarkeit der Mikropartikel Manipulation34vorsieht. Im Vergleich zu den konventionellen IDT Erregung bei einer einzigen Frequenz, Anpassung der akustischen Druck die Zweifrequenz-Erregung und die Phase zwischen ihnen bietet technische Einzigartigkeit, z. B. bis zu ~ 2-fach Fahrzeit auf der Mondknotenachse Druck reduziert Linie oder die Mitte des der Microchannel, die vielfältige Anzahl und Lage der Knotenpunkte Druckleitungen und Mikropartikel-Konzentrationen.

<table><tbody><tr><td>poly-dimethylsiloxane</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td>poly-dimethylsiloxane elastomer base</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184</td><td></td></tr><tr><td>silicon wafer</td><td>Bonda Technology</td><td>SI8PSPD</td><td></td></tr><tr><td>negative tone photoresist</td><td>Microchem</td><td>SU-8</td><td></td></tr><tr><td>double-side polished LiNbO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt; wafer</td><td>University Wafer</td><td>Y-128&amp;deg;</td><td></td></tr><tr><td>positive photoresist</td><td>Nicolaus-Otto-Stra&amp;szlig;e</td><td>AZ 9260</td><td></td></tr><tr><td>oxygen plasma</td><td>Harrick Plasma</td><td></td><td></td></tr><tr><td>plastic mask</td><td>Infinite Graphics</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

microparticle manipulation by standing surface acoustic waves with dual-frequency excitations

Wir zeigen eine Methode zur Erhöhung der tuning Fähigkeit von einem ständigen akustische Oberflächenwellen (Tripadvisor) für Mikropartikel Manipulation in einem Lab-on-a-Chip (LOC) System. Die gleichzeitige Erregung der Grundfrequenz und seine dritte harmonische, die als Zweifrequenz-Anregung, um ein paar interdigital Transducer (IDTs) bezeichnet wird könnte eine neue Art von stehende Schallwellen in einem Mikrofluidik-Kanal erzeugen. Variation, die Kraft und die Phase der Erregung Zweifrequenz-Ergebnisse in einem rekonfigurierbaren Feld die akustische Strahlung Krafteinwirkung auf die Mikropartikel in der Microchannel Signale (z.B.die Anzahl und Lage der Knoten Druck und die Mikropartikel Konzentrationen an den entsprechenden Druck-Knoten). Dieser Artikel zeigt, dass die Fahrzeit von der Mikropartikel auf nur einem Knoten reduziert werden kann ~ 2-fold auf das Leistungsgewicht der Grundfrequenz größer als ca. 90 %. Im Gegensatz dazu gibt es drei Druck-Knoten in der Microchannel, wenn weniger als diese Schwelle. Des weiteren Anpassung der Anfangsphase zwischen der Grundfrequenz und die dritte harmonische Ergebnisse in andere Bewegung Preise der drei Tripadvisor Druck Knoten sowie des Anteils der Mikropartikel an jedem Druck-Knoten in der Microchannel. Es ist eine gute Übereinstimmung zwischen der experimentellen Beobachtung und der numerischen Vorhersagen. Diese neuartige Erregung Methode integrieren leicht und nicht-invasiv in das LOC-System, mit einem breiten Vertretbarkeit und nur ein paar Änderungen an der Versuchsaufbau.

Die Verteilungen der Schalldruck und die akustische Strahlung Kraft ein Tripadvisor auf die Zweifrequenz-Anregung (6.2 und 18,6 MHz) sind in Abbildung 1dargestellt. Hier tritt die Zweifrequenz-Anregung auf Polystyrol Mikropartikel (4 µm im Durchmesser) in einem mikrokanal mit einer Breite von 300 µm bei einer akustischen Leistung von 146 mW. Die daraus resultierende Schalldruck ist immer in Phase Wenn P1 > 90 % so, dass nur ein Druck Kn...

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Microparticle Manipulation by Standing Surface Acoustic Waves with Dual-frequency Excitations

Ein Protokoll für die Manipulation der Mikropartikel in einem mikrofluidischen Kanal mit einem Zweifrequenz-Erregung wird vorgestellt.

Mikropartikel Manipulation durch ständigen akustischen Oberflächenwellen mit Zweifrequenz-Erregungen

We demonstrate a method for increasing the tuning ability of a standing surface acoustic wave (SSAW) for microparticles manipulation in a lab-on-a-chip ...

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6.9K Aufrufe.  Nanyang Technological University. Ein Protokoll für die Manipulation der Mikropartikel in einem mikrofluidischen Kanal mit einem Zweifrequenz-Erregung wird vorgestellt.

Serie: Microparticle Manipulation by Standing Surface Acoustic Waves with Dual-frequency Excitations

Activating Molecules, Ions, and Solid Particles with Acoustic Cavitation

The chemical and physical effects of ultrasound arise not from a direct interaction of molecules with sound waves, but rather from the acoustic cavitation: the nucleation, growth, and implosive collapse of microbubbles in liquids submitted to power ultrasound. The violent implosion of bubbles leads to the formation of chemically reactive species and to the emission of light, named sonoluminescence. In this manuscript, we describe the techniques allowing study of extreme intrabubble conditions and chemical reactivity of acoustic cavitation in solutions. The analysis of sonoluminescence spectra of water sparged with noble gases provides evidence for nonequilibrium plasma formation. The photons and the "hot" particles generated by cavitation bubbles enable to excite the non-volatile species in solutions increasing their chemical reactivity. For example the mechanism of ultrabright sonoluminescence of uranyl ions in acidic solutions varies with uranium concentration: sonophotoluminescence dominates in diluted solutions, and collisional excitation contributes at higher uranium concentration. Secondary sonochemical products may arise from chemically active species that are formed inside the bubble, but then diffuse into the liquid phase and react with solution precursors to form a variety of products. For instance, the sonochemical reduction of Pt(IV) in pure water provides an innovative synthetic route for monodispersed nanoparticles of metallic platinum without any templates or capping agents. Many studies reveal the advantages of ultrasound to activate the divided solids. In general, the mechanical effects of ultrasound strongly contribute in heterogeneous systems in addition to chemical effects. In particular, the sonolysis of PuO2 powder in pure water yields stable colloids of plutonium due to both effects.

Acoustic cavitation in liquids submitted to power ultrasound creates transient extreme conditions inside the collapsing bubbles, which are the origin of unusual chemical reactivity and light emission, known as sonoluminescence. In the presence of noble gases, nonequilibrium plasma is formed. The "hot" particles and the photons generated by collapsing bubbles are able to excite species in solution.

Aktivieren Moleküle, Ionen und Feststoffpartikeln mit Acoustic Cavitation

The chemical and physical effects of ultrasound arise not from a direct interaction of molecules with sound waves, but rather from the acoustic ...

Forschung

Chemie

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Surface-acoustic-wave-driven Acoustic-counterflow Microfluidics

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we present the fabrication protocol for a multilayered SAW acoustic counterflow device. The device is fabricated starting from a lithium niobate (LN) substrate onto which two interdigital transducers (IDTs) and appropriate markers are patterned. A polydimethylsiloxane (PDMS) channel cast on an SU8 master mold is finally bonded on the patterned substrate. Following the fabrication procedure, we show the techniques that allow the characterization and operation of the acoustic counterflow device in order to pump fluids through the PDMS channel grid. We finally present the procedure to visualize liquid flow in the channels. The protocol is used to show on-chip fluid pumping under different flow regimes such as laminar flow and more complicated dynamics characterized by vortices and particle accumulation domains.

In this video we first describe fabrication and operation procedures of a surface acoustic wave (SAW) acoustic counterflow device. We then demonstrate an experimental setup that allows for both qualitative flow visualization and quantitative analysis of complex flows within the SAW pumping device.

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Oberflächenschallwellen-wave-driven Acoustic-Gegenstrom Mikrofluidik

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we ...

Ingenieurwesen

Fabrication and Operation of Acoustofluidic Devices Supporting Bulk Acoustic Standing Waves for Sheathless Focusing of Particles

Acoustophoresis refers to the displacement of suspended objects in response to directional forces from sound energy. Given that the suspended objects must be smaller than the incident wavelength of sound and the width of the fluidic channels are typically tens to hundreds of micrometers across, acoustofluidic devices typically use ultrasonic waves generated from a piezoelectric transducer pulsating at high frequencies (in the megahertz range). At characteristic frequencies that depend on the geometry of the device, it is possible to induce the formation of standing waves that can focus particles along desired fluidic streamlines within a bulk flow. Here, we describe a method for the fabrication of acoustophoretic devices from common materials and clean room equipment. We show representative results for the focusing of particles with positive or negative acoustic contrast factors, which move towards the pressure nodes or antinodes of the standing waves, respectively. These devices offer enormous practical utility for precisely positioning large numbers of microscopic entities (e.g., cells) in stationary or flowing fluids for applications ranging from cytometry to assembly.

Acoustofluidic devices use ultrasonic waves within microfluidic channels to manipulate, concentrate and isolate suspended micro and nanoscopic entities. This protocol describes the fabrication and operation of such a device supporting bulk acoustic standing waves to focus particles in a central streamline without the aid of sheath fluids.

Herstellung und Betrieb von Acoustofluidic Devices Unterstützung Bulk-Acoustic-Standing Waves für sheathless Fokussierung der Partikel

Acoustophoresis refers to the displacement of suspended objects in response to directional forces from sound energy. Given that the suspended objects must ...

A Microfluidic Platform for Precision Small-volume Sample Processing and Its Use to Size Separate Biological Particles with an Acoustic Microdevice

A major advantage of microfluidic devices is the ability to manipulate small sample volumes, thus reducing reagent waste and preserving precious sample. However, to achieve robust sample manipulation it is necessary to address device integration with the macroscale environment. To realize repeatable, sensitive particle separation with microfluidic devices, this protocol presents a complete automated and integrated microfluidic platform that enables precise processing of 0.15&#8211;1.5 ml samples using microfluidic devices. Important aspects of this system include modular device layout and robust fixtures resulting in reliable and flexible world to chip connections, and fully-automated fluid handling which accomplishes closed-loop sample collection, system cleaning and priming steps to ensure repeatable operation. Different microfluidic devices can be used interchangeably with this architecture. Here we incorporate an acoustofluidic device, detail its characterization, performance optimization, and demonstrate its use for size-separation of biological samples. By using real-time feedback during separation experiments, sample collection is optimized to conserve and concentrate sample. Although requiring the integration of multiple pieces of equipment, advantages of this architecture include the ability to process unknown samples with no additional system optimization, ease of device replacement, and precise, robust sample processing.

This protocol describes a system architecture for performing automated small volume (0.15&#8211;1.5 ml) particle separations using a microfluidic device, and discusses methods to optimize acoustofluidic device performance and operation.

Einem mikrofluidischen Plattform für Präzisions-Kleinvolumen Probenbearbeitung und seine Verwendung zur Größe Separate biologische Partikel mit einem Acoustic Microdevice

A major advantage of microfluidic devices is the ability to manipulate small sample volumes, thus reducing reagent waste and preserving precious sample. ...

Biotechnik

Multiplexing Focused Ultrasound Stimulation with Fluorescence Microscopy

By focusing low-intensity ultrasound pulses that penetrate soft tissues, LIPUS represents a promising biomedical technology to remotely and safely manipulate neural firing, hormonal secretion and genetically-reprogrammed cells. However, the translation of this technology for medical applications is currently hampered by a lack of biophysical mechanisms by which targeted tissues sense and respond to LIPUS. A suitable approach to identify these mechanisms would be to use optical biosensors in combination with LIPUS to determine underlying signaling pathways. However, implementing LIPUS to a fluorescence microscope may introduce undesired mechanical artefacts due to the presence of physical interfaces that reflect, absorb and refract acoustic waves. This article presents a step-by-step procedure to incorporate LIPUS to commercially-available upright epi-fluorescence microscopes while minimizing the influence of physical interfaces along the acoustic path. A simple procedure is described to operate a single-element ultrasound transducer and to bring the focal zone of the transducer into the objective focal point. The use of LIPUS is illustrated with an example of LIPUS-induced calcium transients in cultured human glioblastoma cells measured using calcium imaging.

Low-Intensity Pulsed Ultrasound Stimulation (LIPUS) is a modality for non-invasive mechanical stimulation of endogenous or engineered cells with high spatial and temporal resolution. This article describes how to implement LIPUS to an epi-fluorescence microscope and how to minimize acoustic impedance mismatch along the ultrasound path to prevent unwanted mechanical artefacts.

Multiplexen fokussiert Ultraschall-Stimulation mit Fluoreszenz-Mikroskopie

By focusing low-intensity ultrasound pulses that penetrate soft tissues, LIPUS represents a promising biomedical technology to remotely and safely ...

Fabrication of Nanoheight Channels Incorporating Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate for Acoustic Nanofluidics

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order surface acoustic wave (SAW) devices generate tremendous acceleration on their surface, up to 108 m/s2, in turn responsible for many of the observed effects that have come to define acoustofluidics: acoustic streaming and acoustic radiation forces. These effects have been used for particle, cell, and fluid manipulation at the microscale, although more recently SAW has been used to produce similar phenomena at the nanoscale through an entirely different set of mechanisms. Controllable nanoscale fluid manipulation offers a broad range of opportunities in ultrafast fluid pumping and biomacromolecule dynamics useful for physical and biological applications. Here, we demonstrate nanoscale-height channel fabrication via room-temperature lithium niobate (LN) bonding integrated with a SAW device. We describe the entire experimental process including nano-height channel fabrication via dry etching, plasma-activated bonding on lithium niobate, the appropriate optical setup for subsequent imaging, and SAW actuation. We show representative results for fluid capillary filling and fluid draining in a nanoscale channel induced by SAW. This procedure offers a practical protocol for nanoscale channel fabrication and integration with SAW devices useful to build upon for future nanofluidics applications.

We demonstrate fabrication of nanoheight channels with the integration of surface acoustic wave actuation devices upon lithium niobate for acoustic nanofluidics via liftoff photolithography, nano-depth reactive ion etching, and room-temperature plasma surface-activated multilayer bonding of single-crystal lithium niobate, a process similarly useful for bonding lithium niobate to oxides.

Herstellung von Nanohöhenkanälen mit Oberflächen-Akustikwellenbetätigung über Lithiumniobat für akustische Nanofluidik

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order ...

Fabrication of Surface Acoustic Wave Devices on Lithium Niobate

Manipulation of fluids and particles by acoustic actuation at small scale is aiding the rapid growth of lab-on-a-chip applications. Megahertz-order surface acoustic wave (SAW) devices generate enormous accelerations on their surface, up to 108 m/s2, in turn responsible for many of the observed effects that have come to define acoustofluidics: acoustic streaming and acoustic radiation forces. These effects have been used for particle, cell, and fluid handling at the microscale&#8212;and even at the nanoscale. In this paper we explicitly demonstrate two major fabrication methods of SAW devices on lithium niobate: the details of lift-off and wet etching techniques are described step-by-step. Representative results for the electrode pattern deposited on the substrate as well as the performance of SAW generated on the surface are displayed in detail. Fabrication tricks and troubleshooting are covered as well. This procedure offers a practical protocol for high frequency SAW device fabrication and integration for future microfluidics applications.

Two fabrication techniques, lift-off and wet etching, are described in producing interdigital electrode transducers upon a piezoelectric substrate, lithium niobate, widely used to generate surface acoustic waves now finding broad utility in micro to nanoscale fluidics. The as-produced electrodes are shown to efficiently induce megahertz order Rayleigh surface acoustic waves.&#160;

Herstellung von Oberflächen-Akustikwellengeräten auf Lithium-Niobat

Manipulation of fluids and particles by acoustic actuation at small scale is aiding the rapid growth of lab-on-a-chip applications. Megahertz-order ...

Fabrication and Characterization of Thickness Mode Piezoelectric Devices for Atomization and Acoustofluidics

We present a technique to fabricate simple thickness mode piezoelectric devices using lithium niobate (LN). Such devices have been shown to atomize liquid more efficiently, in terms of &#64258;ow rate per power input, than those that rely on Rayleigh waves and other modes of vibration in LN or lead zirconate titanate (PZT). The complete device is composed of a transducer, a transducer holder, and a &#64258;uid supply system. The fundamentals of acoustic liquid atomization are not well known, so techniques to characterize the devices and to study the phenomena are also described. Laser Doppler vibrometry (LDV) provides vibration information essential in comparing acoustic transducers and, in this case, indicates whether a device will perform well in thickness vibration. It can also be used to &#64257;nd the resonance frequency of the device, though this information is obtained more quickly via impedance analysis. Continuous &#64258;uid atomization, as an example application, requires careful &#64258;uid flow control, and we present such a method with high-speed imaging and droplet size distribution measurements via laser scattering.

Fabrication of piezoelectric thickness mode transducers via direct current sputtering of plate electrodes on lithium niobate is described. Additionally, reliable operation is achieved with a transducer holder and &#64258;uid supply system and characterization is demonstrated via impedance analysis, laser doppler vibrometry, high-speed imaging, and droplet size distribution using laser scattering.

Herstellung und Charakterisierung von Piezoelektrischen Geräten für Zerstäubung und Akustofluidik

We present a technique to fabricate simple thickness mode piezoelectric devices using lithium niobate (LN). Such devices have been shown to atomize liquid ...

Induction of Microstreaming by Nonspherical Bubble Oscillations in an Acoustic Levitation System

When located near biological barriers, oscillating microbubbles may increase cell membrane permeability, allowing for drug and gene internalization. Experimental observations suggest that the temporary permeabilization of these barriers may be due to shear stress that is exerted on cell tissues by cavitation microstreaming. Cavitation microstreaming is the generation of vortex flows which arise around oscillating ultrasound microbubbles. To produce such liquid flows, bubble oscillations must deviate from purely spherical oscillations and include either a translational instability or shape modes. Experimental studies of bubble-induced flows and shear stress on nearby surfaces are often restricted in their scope due to the difficulty of capturing shape deformations of microbubbles in a stable and controllable manner. We describe the design of an acoustic levitation chamber for the study of symmetry-controlled nonspherical oscillations. Such control is performed by using a coalescence technique between two approaching bubbles in a sufficiently intense ultrasound field. The control of nonspherical oscillations opens the way to a controlled cavitation microstreaming of a free surface-oscillating microbubble. High-frame rate cameras allow investigating quasi-simultaneously the nonspherical bubble dynamics at the acoustic timescale and the liquid flow at a lower timescale. It is shown that a large variety of fluid patterns may be obtained and that they are correlated to the modal content of the bubble interface. We demonstrate that even the high-order shape modes can create large-distance fluid patterns if the interface dynamics contain several modes, highlighting the potential of nonspherical oscillations for targeted and localized drug delivery.

A fast and reliable technique is proposed to control the shape oscillations of a single, trapped acoustic bubble that is based on coalescence technique between two bubbles. The steady-state, symmetry-controlled bubble shape oscillations allow analysis of the fluid flow generated in the vicinity of the bubble interface.

Induktion von Mikroströmungen durch nichtsphärische Blasenschwingungen in einem akustischen Levitationssystem

When located near biological barriers, oscillating microbubbles may increase cell membrane permeability, allowing for drug and gene internalization. ...

Assembly and Characterization of an External Driver for the Generation of Sub-Kilohertz Oscillatory Flow in Microchannels

Microfluidic technology has become a standard tool in chemical and biological laboratories for both analysis and synthesis. The injection of liquid samples, such as chemical reagents and cell cultures, is predominantly accomplished through steady flows that are typically driven by syringe pumps, gravity, or capillary forces. The use of complementary oscillatory flows is seldom considered in applications despite its numerous advantages as recently demonstrated in the literature. The significant technical barrier to the implementation of oscillatory flows in microchannels is likely responsible for the lack of its widespread adoption. Advanced commercial syringe pumps that can produce oscillatory flow, are often more expensive and only work for frequencies less than 1 Hz. Here, the assembly and operation of a low-cost, plug-and-play type speaker-based apparatus that generates oscillatory flow in microchannels is demonstrated. High-fidelity harmonic oscillatory flows with frequencies ranging from 10-1000 Hz can be achieved along with independent amplitude control. Amplitudes ranging from 10-600 &#181;m can be achieved throughout the entire range of operation, including amplitudes &#62; 1 mm at the resonant frequency, in a typical microchannel. Although the oscillation frequency is determined by the speaker, we illustrate that the oscillation amplitude is sensitive to fluid properties and channel geometry. Specifically, the oscillation amplitude decreases with increasing channel circuit length and liquid viscosity, and in contrast, the amplitude increases with increasing speaker tube thickness and length. Additionally, the apparatus requires no prior features to be designed on the microchannel and is easily detachable. It can be used simultaneously with a steady flow created by a syringe pump to generate pulsatile flows.

The protocol demonstrates a convenient method to produce harmonic oscillatory flow from 10-1000 Hz in microchannels. This is performed by interfacing a computer-controlled speaker diaphragm to the microchannel in a modular manner.

Aufbau und Charakterisierung eines externen Treibers zur Erzeugung von Sub-Kilohertz-Schwingungsströmungen in Mikrokanälen

Microfluidic technology has become a standard tool in chemical and biological laboratories for both analysis and synthesis. The injection of liquid ...