一种基于微流控的单颗粒流体动力学捕获装置

本方法的总体目标是利用微流控装置中的层流对单个微米和纳米级颗粒进行捕获和操控。该流体动力学捕获装置由具有交叉槽道结构的微流控芯片构成，可在微通道交汇处形成驻点流。其中一个出口通道中集成了片上阀门，用于主动调控流体流动并实现颗粒的捕获。

通过主动控制驻点位置，可将颗粒限制在用户自定义的设定点。采用反馈控制器追踪颗粒位置，并调节芯片上的阀门以维持颗粒在设定点的位置。利用流体动力学捕获技术，可在稀释或浓缩的颗粒溶液中捕获单个颗粒，并可通过荧光或明场显微镜进行成像。

单个粒子可被限制在捕获中心一微米范围内，如粒子轨迹及粒子相对于捕获中心位移的直方图所示。大家好，我是来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学与生物分子工程系以及生物物理与计算生物学中心Charles Schroer教授实验室的Eric Johnson Rio。大家好，我叫Ari，是Schroeder实验室的博士后研究员。

大家好，我是 Cheryl Schroeder。今天我们将向您展示如何制备并使用一种用于单颗粒流体动力学捕获的微流控装置。与现有的光学或电动力学捕获方法相比，该技术的主要优势在于，流体动力学捕获仅通过流体流动的作用即可实现，从而消除了在捕获纳米颗粒或细胞时可能产生干扰的外部场。该技术有望推动基础科学与应用科学的发展，因为它能够在无需对被捕获颗粒的化学或物理特性作任何特殊要求的情况下，实现对微米和纳米级颗粒在自由溶液中的捕获。

接下来我们开始。为了便于将复制品从SU-8模具上剥离，将晶圆放入真空干燥器中，并在其中放置一个玻璃皿，内含几滴三氯硅烷，抽真空处理10分钟，以钝化SU-8模具表面。使用混合的DGA和PDMS材料分别制作流体层和控制层。将15:1的PDMS混合物在流体层模具上以750 RPM的转速旋涂30秒，然后将晶圆放入培养皿中。

同样，将控制层模具放入培养皿中，并将五比一的PDMS混合物倒入模具，厚度为4毫米。为部分固化PDMS层，将晶圆/PDMS在70摄氏度下烘烤30分钟，随后冷却至室温。用手术刀切割PDMS复制品，并从SU-8模具上剥离下来。

然后使用21号针头在PDMS上打孔，作为通往微通道的入口，该入口将用作芯片上的膜阀。将带有控制层的PDMS复制品对准涂有旋涂PDMS流体层的晶圆。在体视显微镜下仔细对齐，并将控制层与流体层密封。

确保各层之间无任何气泡，于70摄氏度下烘烤过夜，冷却至室温后使两层完全固化为一块整体的PDMS片。使用解剖刀将PDMS复制品从SU-8模具上切割并剥离，并用剃刀片去除多余的PDMS，分离各个装置单元。接着，使用21号针头在流体层的微通道上打孔，作为通路入口。用丙酮和异丙醇（IPA）清洗盖玻片，并用氮气吹干。

将盖玻片和PDMS复制品表面置于500毫托的氧气等离子体中处理30秒。随后立即使两个表面接触，形成不可逆的密封。最后，将装置烘烤过夜，以增强PDMS层与盖玻片之间的结合。

首先，将微流控装置放置在倒置显微镜的载物台上，并用载物台夹固定。接着，分别用缓冲液和样品溶液填充1毫升和250微升的气密性注射器，以向微流控装置输送溶液。在样品注射器与微流控装置的样品进样口之间使用T型阀来控制样品的输送。

现在使用全氟烷氧基烷烃管路、鲁尔锁接头和24号金属管路，将注射器与微流控装置连接起来。然后使用PFA管路和24号金属管路建立微流控装置出口通道的流体连接。为了在注射器与出口通道之间维持恒定的压力降，出口端的PFA管路应保持等长，并且均浸没在一个装有缓冲液的1.5毫升离心管中。

使用一个三毫升螺口塑料注射器将氟化载油注入芯片阀中，以防止操作过程中空气泄漏到流体层。将阀室中的空气通过PDMS膜推入微通道中。在流体层中。

用于芯片上的阀门操作。将加压的惰性气体源连接至控制层的端口。用0.5毫升缓冲溶液冲洗流体连接部分和微流控装置，以确保系统内所有气泡（包括出口通道中的气泡）均被清除。

在冲洗掉微流控通道中的气泡后，用于清除气泡的典型流速范围为每小时 2000 至 5,000 微升，随后将流速降低至每小时 50 至 100 微升，这是颗粒捕获的典型体积流速。现在切换 T 型阀，使样品流入微流控装置。运行自行开发的 LabVIEW 程序，该程序通过实施线性反馈控制算法实现颗粒捕获的自动化。

该代码从CCD相机捕获图像，并向压力调节器传输电信号，从而主动调节芯片上气动阀的位置。使用显微镜的XY平移台，将捕获区域置于相机视野中心。调节至捕获区域位于物镜焦平面，并调整相机设置以优化成像条件。

在相机视场范围内选择一个矩形兴趣区域，使该区域的中心位于光阱中心的位置。现在初始化施加到芯片阀门上的偏置压力。在相对的出口通道处设有一个宽度为100至200微米的收缩结构。

为芯片阀的运行提供偏置压力。启动反馈控制器并调节比例增益以优化捕获器的响应。根据流速和芯片阀的位置，存在一个最佳的比例增益值，该值可提高捕获器的稳定性并消除颗粒的非期望振荡。

实验室视图代码将自动捕获进入捕获区域的其中一个粒子。本视频中，粒子在流入方向上的运动是由于样品入口通道保持开放，以最大化流入方向上的捕获紧密性。用户可在捕获过程中关闭样品流，使流体均匀地流入交叉通道 junction，同时监测被捕获的粒子，并通过手动调焦或自动调焦显微镜系统保持粒子在成像平面内的聚焦。

集成的微流控装置由样品聚焦区、十字槽结和气动阀组成，捕获发生在十字槽结处，通过气动阀主动调节微通道结处的流场来控制粒子的位置。此处图像显示单个微珠被限制在流体动力捕获阱中。除了位于捕获阱中心的微珠外，在十字槽结的捕获区域内还可观察到多个未被捕获的微珠。

记录了一个被捕获的2.2微米荧光聚苯乙烯微球的运动轨迹。该微粒首先被光镊捕获三分钟，随后从光阱中释放，并沿其中一条出口通道逃逸。

沿出口通道方向，被捕获微珠相对于捕获中心位移的直方图显示，该微粒被限制在距捕获中心一微米范围以内。今天，我们介绍了电渗流（EM）捕获技术，该方法利用微流控装置内产生的会聚流场，实现对微米及纳米尺度颗粒在自由溶液中的捕获。流体动力学捕获能够在高浓度颗粒悬浮液中将单个目标颗粒限制在特定区域，而这一任务使用其他基于力场的捕获方法则难以实现。

随着进一步的发展，这项新技术将有助于在生物物理学、细胞力学、流体力学、酶学和系统生物学领域的科学研究。感谢您的观看，希望这项技术对您的实验有所帮助。