A فخ هيدرودينامي ميكروفلويديك المستندة للجسيمات واحدة

الهدف العام من هذه الطريقة هو حصر والتحكم في جسيمات منفردة بمقاييس ميكرونية ونانوية باستخدام التدفق الصفائحي في جهاز ميكروفلويديك. يتكون المصيدة الهيدروديناميكية من جهاز ميكروفلويديك به قنوات ذات هندسة شقية متقاطعة، مما يؤدي إلى نشوء تدفق نقطة ركود عند تقاطع القنوات الميكروية. ويُستخدم صمام مدمج في إحدى قنوات المخرج للتحكم الفعال في تدفق السائل وحصر الجسيمات.

يتم حجز الجسيمات عند نقطة تعيين يحددها المستخدم من خلال التحكم النشط في موضع نقطة الركود. ويُستخدم متحكم بالتغذية الراجعة لتتبع موضع الجسيم وتنظيم الصمام الموجود على الشريحة للحفاظ على موضع الجسيم عند نقطة التعيين. وباستخدام المصيدة الهيدروديناميكية، يتم حجز الجسيمات المفردة في محاليل جسيمات مخففة أو مركزة، ويمكن تصويرها باستخدام المجهر الفلوري أو مجهر الحقل المضيء.

يمكن حصر جسيم واحد ضمن ميكرون واحد من مركز المصيدة كما هو موضح في مسار الجسيم والمخطط التكراري لإزاحة الجسيم عن مركز المصيدة. مرحباً، أنا إريك جونسون ريو من مختبر البروفيسور تشارلز شرودر في قسم الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية، ومركز الفيزياء الحيوية وعلم الأحياء الحاسوبي هنا في جامعة إلينوي. مرحباً، اسمي آري، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر شرودر.

مرحباً، أنا شيريل شرودر، وسنوضح لكم اليوم كيفية تصنيع وتطبيق جهاز ميكروفلويديك (microfluidic device) للاحتجاز الهيدروديناميكي للجزيئات المنفردة. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية، مثل المصائد البصرية أو الكهروميكانيكية، في أن الاحتجاز الهيدروديناميكي يتم من خلال تأثير تدفق السائل وحده، مما يلغي الحاجة إلى المجالات الخارجية التي قد تكون مؤثرة عند احتجاز الجسيمات النانوية أو الخلايا. وتملك هذه التقنية القدرة على إحداث تحول في العلوم الأساسية والتطبيقية من خلال تمكين احتجاز الجسيمات ذات المقياس الميكروني والنانوي في محلول حر، دون اشتراط خصائص كيميائية أو فيزيائية معينة للجسيم المحتجز.

لنبدأ الآن. من أجل تسهيل عملية تقشير النسخ المتماثلة من قوالب SU-8، قم بمعالجة سطح قوالب SU-8 عن طريق وضع الرقائق في مجفف تحت تفريغ هوائي لمدة 10 دقائق مع طبق زجاجي يحتوي على بضع قطرات من tri chloro seline، مع استخدام PDMS من شركة mixed وDGAs للطبقات المائعة والتحكم. قم بطلاء خليط PDMS بنسبة 15:1 طلاءً دورانيًا على قالب الطبقة المائعة لمدة 30 ثانية بسرعة 750 RPM، ثم ضع الرقيقة في طبق بتري.

وبالمثل، ضع قالب طبقة التحكم في طبق بتري واسكب خليط PDMS بنسبة خمسة إلى واحد فوق القالب بسماكة 4 mm. ولإتمام المعالجة الجزئية لطبقات PDMS، قم بخبز الرقاقات/PDMS لمدة 30 دقيقة عند 70 °C واتركها تبرد حتى تصل إلى درجة حرارة الغرفة. اقطع نسخة PDMS باستخدام المشرط ثم قم بإزالتها من قالب SU 8.

بعد ذلك، وباستخدام إبرة قياس 21، قم بثقب فتحة في الـ PDMS لتكون منفذ وصول إلى القناة الدقيقة التي ستعمل كصمام غشائي مدمج على الشريحة. ضع نسخة الـ PDMS التي تحتوي على طبقة التحكم فوق الرقاقة التي تحتوي على طبقة الـ PDMS المائعية المطلية بالتدوير. قم بمحاذاة طبقة التحكم مع الطبقة المائعية وإغلاقهما بإحكام بعناية باستخدام مجهر ستيريو.

تأكد من إزالة جميع فقاعات الهواء بين الطبقات، ثم قم بالخبز عند 70 درجة Celsius طوال الليل لمعالجة الطبقتين تماماً وتحويلهما إلى كتلة PDMS متجانسة. بعد التبريد إلى درجة حرارة الغرفة، استخدم مشرطاً لقص وتقشير نسخة PDMS عن قالب SU eight، واستخدم شفرة حلاقة لإزالة الزوائد من PDMS وفصل كل وحدة جهاز. الآن، قم بعمل ثقوب لمنافذ الوصول إلى القنوات الدقيقة في الطبقة المائعية باستخدام إبرة عيار 21 gauge. نظف شريحة غطاء باستخدام الأسيتون و IPA ثم جففها باستخدام النيتروجين.

عالج كلاً من سطح شريحة الغطاء وسطح نسخة الـ PDMS ببلازما الأكسجين تحت ضغط 500 millitorr لمدة 30 ثانية. ومن ثم، قم بإيصال السطحين ببعضهما فوراً لتشكيل ختم غير قابل للعكس. وأخيراً، قم بخبز الأجهزة طوال الليل لزيادة الترابط بين طبقات الـ PDMS وشريحة الغطاء.

أولاً، ضع الجهاز الموائع الدقيقة على منصة مجهر مقلوب وثبته باستخدام مشابك المنصة. بعد ذلك، ولتوصيل المحاليل إلى جهاز الموائع الدقيقة، املأ محقنة محكمة الغلق سعة 1 mL ومحقنة أخرى سعة 250 µL بمحلول المنظم ومحاليل العينة على التوالي. استخدم صمام T بين محقنة العينة ومنفذ العينة في جهاز الموائع الدقيقة للتحكم في توصيل العينة.

قم الآن بتأسيس الوصلات الموائعية بين المحاقن والجهاز الموائعي الدقيق، باستخدام أنابيب per fluoro oxy، ومحولات lure lock، وأنابيب معدنية بقياس 24 gauge. ثم أسس الوصلات الموائعية لقنوات المخرج في الجهاز الموائعي الدقيق باستخدام أنابيب PFA وأنابيب معدنية بقياس 24 gauge. وللحفاظ على انخفاض ثابت في الضغط بين المحاقن وقنوات المخرج، يجب أن تكون أنابيب PFA الخاصة بالمخارج متساوية في الطول، وأن تكون كلتاهما مغمورتين في أنبوب طرد مركزي سعة 1.5 milliliter مملوء بمحلول منظم.

املأ الصمام الموجود على الشريحة بزيت حامل مفلور باستخدام حقنة بلاستيكية ذات قفل لوري بسعة ثلاثة ملليلتر لمنع تسرب الهواء إلى الطبقة المائعية أثناء التشغيل. ادفع الهواء الموجود في حجرة الصمام عبر غشاء PDMS إلى القناة الدقيقة في الطبقة المائعية.

لتشغيل الصمامات الموجودة على الرقاقة، قم بتوصيل مصدر غاز خامل مضغوط بالمنفذ الموجود في طبقة التحكم. اشطف الوصلات المائعية والجهاز الموائع دقيق بـ 0.5 milliliters من المحلول المنظم لضمان إزالة جميع فقاعات الهواء من النظام، بما في ذلك قنوات المخرج.

تتراوح معدلات التدفق النموذجية المستخدمة لإزالة الفقاعات بين 2000 إلى 5,000 microliters per hour؛ وبعد شطف الفقاعات الهوائية من القنوات الموائع دقيقة، خفّض معدل التدفق إلى 50 إلى 100 microliters per hour، وهو معدل تدفق حجمي نموذجي لاحتجاز الجسيمات. الآن، قم بتحويل صمام T للسماح للعينة بالتدفق إلى جهاز الموائع الدقيقة. قم بتشغيل كود LabView المصمم خصيصاً، والذي يعمل على أتمتة عملية احتجاز الجسيمات من خلال تطبيق خوارزمية تحكم ذات تغذية راجعة خطية.

يقوم الكود بالتقاط صور من كاميرا CCD وإرسال جهد كهربائي إلى منظم ضغط يقوم بتعديل موضع صمام نيوماتيكي مدمج على الشريحة بشكل نشط. باستخدام منصة النقل XY للمجهر، قم بوضع منطقة الاحتجاز في مركز مجال رؤية الكاميرا. اجعل منطقة الاحتجاز في بؤرة العدسة الشيئية واضبط إعدادات الكاميرا لتحسين ظروف التصوير.

اختر منطقة اهتمام مستطيلة ضمن مجال رؤية الكاميرا بحيث يكون مركز منطقة الاهتمام هو موقع مركز المصيدة. الآن، قم بضبط ضغط الإزاحة المطبق على الصمام المدمج في الشريحة. يوجد تضييق بعرض 100 إلى 200 ميكرون يقع عند قناة المخرج المقابلة.

يوفر ضغط إزاحة لتشغيل الصمام الموجود على الرقاقة. قم بتشغيل وحدة تحكم التغذية الراجعة وضبط الكسب التناسبي لتحسين استجابة المصيدة. وبناءً على معدل التدفق وموضع الصمام الموجود على الرقاقة، توجد قيمة مثلى للكسب التناسبي، والتي تزيد من استقرار المصيدة وتلغي تذبذبات الجسيمات غير المرغوب فيها.

سيقوم كود LabVIEW تلقائيًا باحتجاز أحد الجسيمات التي تدخل منطقة الاحتجاز. في هذا الفيديو، تنشأ حركة الجسيمات في اتجاه التدفق الداخل لأن تيار مدخل العينة يظل مفتوحًا لزيادة إحكام الاحتجاز في اتجاه التدفق الداخل. يمكن للمستخدم إغلاق تيار العينة أثناء عملية الاحتجاز، مما يوازن التدفق بالتساوي في وصلة القناة المتقاطعة، ومراقبة الجسيم المحتجز والحفاظ على تركيز الجسيم ضمن المستوى الصوري باستخدام التركيز اليدوي أو إعداد مجهر ذو تركيز تلقائي.

يتكون جهاز الموائع الدقيقة المتكامل من وحدة تركيز للعينات، ووصلة شقية متقاطعة، وصمام نيوماتيكي؛ حيث يتم الاحتجاز عند الوصلة الشقية المتقاطعة، ويتم التحكم في موضع الجسيم عن طريق الضبط النشط لمجال التدفق عند وصلة القناة الدقيقة من خلال الصمام النيوماتيكي. تظهر هنا صورة لخرزة واحدة محجوزة في المصيدة الهيدروديناميكية. وبالإضافة إلى الخرزة الموجودة في مركز المصيدة، تظهر عدة خرزات غير محتجزة في منطقة الاحتجاز عند الوصلة الشقية المتقاطعة.

يتم رسم مسار خرزة بولي ستيرين فلورية محاصرة بحجم 2.2 micron. يتم حصر الجسيم في البداية لمدة ثلاث دقائق، ثم يتم تحريره من المصيدة ليهرب عبر إحدى قنوات المخرج.

يشير المدرج التكراري لإزاحة خرزة محتجزة عن مركز المصيدة على طول اتجاه قنوات المخرج إلى أن الجسيم محصور ضمن ميكرون واحد من مركز المصيدة. اليوم، عرضنا مصيدة EM كطريقة لاحتجاز الجسيمات الميكرومترية والنانوية في المحلول الحر باستخدام تدفق نقطة الركود المتولد داخل جهاز ميكروفلويديك. يتيح الاحتجاز الهيدروديناميكي حصر جسيم مستهدف واحد في معلقات الجسيمات المركزة، وهو أمر يصعب تحقيقه باستخدام طرق الاحتجاز البديلة القائمة على مجالات القوة.

بعد مزيد من التطوير، ستسمح هذه التقنية الجديدة بالاستكشاف العلمي في مجالات الفيزياء الحيوية، وميكانيكا الخلايا، وديناميكا السوائل، وعلم الإنزيمات، وبيولوجيا الأنظمة. نشكركم على المشاهدة ونأمل أن تكون هذه التقنية مفيدة في تجاربكم.