단일 입자 Microfluidic 기반 유체 트랩

이 방법의 전반적인 목적은 미세유체 장치 내의 층류를 이용하여 단일 마이크로 및 나노 스케일 입자를 가두고 조작하는 것입니다. 유체역학적 트랩은 십자형 슬롯 채널 구조의 미세유체 장치로 구성되며, 이는 미세채널 접합부에서 정체점 흐름(stagnation point flow)을 발생시킵니다. 배출 채널 중 하나에 위치한 온칩 밸브를 사용하여 유체 흐름을 능동적으로 제어하고 입자를 포획합니다.

정체점(stagnation point) 위치의 능동 제어를 통해 입자를 사용자가 정의한 설정 지점에 가둡니다. 피드백 컨트롤러를 사용하여 입자 위치를 추적하고 칩 내부 밸브를 조절함으로써 입자 위치가 설정 지점에서 유지되도록 합니다. 이 유체역학적 트랩을 사용하면 희석되었거나 농축된 입자 용액 내의 단일 입자를 가둘 수 있으며, 형광 또는 명시야 현미경을 사용하여 이미징할 수 있습니다.

입자 궤적과 트랩 중심으로부터의 입자 변위 히스토그램에서 볼 수 있듯이, 단일 입자를 트랩 중심으로부터 1 micron 이내로 가둘 수 있습니다. 안녕하세요, 저는 일리노이 대학교 화학 및 생명분자 공학과, 그리고 생물물리학 및 계산생물학 센터의 Charles Schroer 교수님 연구실 소속 Eric Johnson Rio입니다. 안녕하세요, 저는 Schroer 연구실의 박사후 연구원 Ari입니다.

안녕하세요, 저는 Cheryl Schroeder입니다. 오늘은 단일 입자의 유체역학적 포획(hydrodynamic trapping)을 위한 미세유체 장치를 제작하고 구현하는 방법을 보여드리겠습니다. 광학적 또는 전기역학적 트랩과 같은 기존 방식과 비교했을 때 이 기술의 주된 장점은, 유체 흐름만으로 유체역학적 포획이 이루어지므로 나노입자나 세포 포획 시 발생할 수 있는 잠재적인 외부 전장의 영향을 배제할 수 있다는 점입니다. 이 기술은 포획되는 입자의 화학적 또는 물리적 성질에 관계없이 마이크로 및 나노 규모 입자의 자유 용액 포획을 가능하게 함으로써 기초 및 응용 과학 분야에 변혁을 가져올 잠재력을 가지고 있습니다.

이제 시작하겠습니다. SU-8 몰드에서 복제물을 쉽게 떼어낼 수 있도록, 트라이클로로실란(trichloro silane) 몇 방울이 담긴 유리 접시와 함께 웨이퍼를 진공 데시케이터에 10분 동안 넣어 SU-8 몰드의 표면을 처리하십시오. 유체 층과 제어 층에는 혼합된 DGAs PDMS를 사용합니다. 15:1로 혼합된 PDMS 용액을 유체 층 몰드 위에 750 RPM으로 30초 동안 스핀 코팅한 후, 웨이퍼를 페트리 접시에 넣으십시오.

마찬가지로, 대조군 층 몰드를 페트리 접시에 넣고 PDMS 혼합물을 5:1 비율로 몰드 위에 4 mm 두께가 되도록 붓습니다. PDMS 층을 부분적으로 경화시키기 위해 웨이퍼/PDMS를 70 °C에서 30분 동안 굽고 실온까지 식힙니다. 메스로 PDMS 복제물을 절단한 후 SU-8 몰드에서 떼어냅니다.

그런 다음 21 gauge 바늘을 사용하여 PDMS에 구멍을 뚫어, 칩 상의 멤브레인 밸브 역할을 할 마이크로채널의 액세스 포트를 만듭니다. 제어층이 포함된 PDMS 복제물을 스핀 코팅된 PDMS 유체층이 있는 웨이퍼 위에 놓습니다. 실체 현미경을 사용하여 제어층과 유체층을 주의 깊게 정렬하고 밀봉합니다.

층 사이의 모든 기포를 제거하고 70 °C에서 하룻밤 동안 구워 두 층이 완전히 경화되어 하나의 일체형 PDMS 슬랩이 되도록 합니다. 실온으로 식힌 후, 메스를 사용하여 SU-8 몰드에서 PDMS 복제물을 자르고 떼어내며, 면도날을 사용해 과잉 PDMS를 제거하고 각 장치 단위를 분리합니다. 이제 21 gauge 바늘로 유체 층의 미세 채널에 접근 포트를 펀칭합니다. 커버슬립을 아세톤과 IPA로 세척하고 질소로 건조합니다.

커버슬립과 PDMS 복제본 표면 모두를 500 millitorr에서 30초 동안 산소 플라스마로 처리합니다. 그 후 즉시 두 표면을 접촉시켜 되돌릴 수 없는 밀봉 상태를 형성합니다. 마지막으로, 장치를 하룻밤 동안 베이킹하여 PDMS 층과 커버슬립 사이의 결합력을 높입니다.

먼저, 마이크로유체 장치를 도립현미경의 스테이지 위에 놓고 스테이지 클립으로 고정합니다. 다음으로, 마이크로유체 장치에 용액을 공급하기 위해 1 mL 및 250 µL 가스 밀폐형 시린지를 각각 완충액과 시료 용액으로 채웁니다. 시료 시린지와 마이크로유체 장치의 시료 포트 사이에 T 밸브를 사용하여 시료 공급을 제어합니다.

이제 per fluoro oxy 튜빙, 루어 락 어댑터 및 24 gauge 금속 튜빙을 사용하여 주사기와 미세유체 장치 사이의 유체 연결을 구축하십시오. 그런 다음 PFA 튜빙과 24 gauge 금속 튜빙을 사용하여 미세유체 장치의 배출 채널에 대한 유체 연결을 구축하십시오. 주사기와 배출 채널 사이의 일정한 압력 강하를 유지하기 위해, 배출구용 PFA 튜빙의 길이는 서로 동일해야 하며 두 튜빙 모두 버퍼 용액이 채워진 1.5 milliliter 원심분리 튜브에 담겨 있어야 합니다.

작동 중 공기가 유체층으로 유입되는 것을 방지하기 위해, 3 mL 루어 락(lure lock) 플라스틱 주사기를 사용하여 온칩 밸브를 불소화 운반유로 채웁니다. 밸브 챔버 내의 공기를 PDMS 막을 통해 유체층의 미세유체관으로 밀어냅니다.

온칩 밸브 작동을 위한 단계입니다. 제어층의 포트에 가압 불활성 가스 공급원을 연결하십시오. 유체 연결부와 미세유체 장치를 0.5 milliliters의 완충 용액으로 헹구어, 배출 채널을 포함한 시스템 내의 모든 기포가 제거되었는지 확인하십시오.

기포를 제거하는 데 사용되는 일반적인 유속은 2000에서 5,000 µL/h 범위이며, 미세유체 채널에서 기포가 모두 씻겨 나간 후에는 입자 포획을 위한 일반적인 체적 유속인 50에서 100 µL/h로 유속을 낮춥니다. 이제 T 밸브를 전환하여 시료가 미세유체 장치로 흐르도록 합니다. 선형 피드백 제어 알고리즘을 구현하여 입자 포획을 자동화하는 맞춤 제작된 LabVIEW 코드를 실행합니다.

코드는 CCD 카메라에서 이미지를 캡처하고 압력 조절기로 전기 전위를 전송하여 온-칩 공압 밸브의 위치를 능동적으로 조절합니다. 현미경 XY 이동 스테이지를 사용하여 트래핑 영역을 카메라 뷰의 중심에 위치시키십시오. 트래핑 영역을 대물렌즈의 초점에 맞추고 카메라 설정을 조정하여 이미징 조건을 최적화하십시오.

ROI의 중심이 트랩 중심의 위치가 되도록 카메라의 시야 내에서 직사각형 관심 영역을 선택하십시오. 이제 온칩 밸브에 인가되는 오프셋 압력을 초기화하십시오. 반대편 배출 채널에는 100 내지 200 micron 너비의 협착부가 위치합니다.

온칩 밸브의 작동을 위한 오프셋 압력을 제공합니다. 피드백 컨트롤러를 가동하고 비례 이득(proportional gain)을 조정하여 트랩 응답을 최적화하십시오. 유량과 온칩 밸브의 위치에 따라 최적의 비례 이득 값이 존재하며, 이를 통해 트랩 안정성을 높이고 원치 않는 입자 진동을 제거할 수 있습니다.

LabVIEW 코드는 포집 영역으로 진입하는 입자 중 하나를 자동으로 포집합니다. 본 영상에서 유입 방향으로 입자 운동이 발생하는 이유는 유입 방향의 포집 구속력을 극대화하기 위해 시료 주입 스트림을 열어두었기 때문입니다. 사용자는 포집 중에 시료 스트림을 닫아 교차 채널 접합부로 흐르는 유량을 균등하게 조절할 수 있으며, 포집된 입자를 모니터링하고 수동 초점 또는 자동 초점 현미경 설정을 사용하여 이미지 평면 내에서 입자 초점을 유지할 수 있습니다.

통합 마이크로플루이딕 장치는 샘플 포커스, 크로스 슬롯 접합부 및 공압 밸브로 구성되어 있으며, 포획은 크로스 슬롯 접합부에서 발생하고 입자의 위치는 공압 밸브를 통한 마이크로채널 접합부의 유동장 능동 조절로 제어됩니다. 여기에서 단일 비드가 유체역학적 트랩에 갇혀 있는 이미지가 나타나 있습니다. 트랩 중심에 있는 비드 외에도, 크로스 슬롯 접합부의 포획 영역에 포획되지 않은 여러 개의 비드들이 보입니다.

포획된 2.2 micron 형광 폴리스티렌 비드의 궤적을 매핑합니다. 입자는 처음에 3분 동안 포획됩니다. 그 후 트랩에서 방출되어 유출 채널 중 하나를 통해 빠져나갑니다.

배출 채널 방향을 따라 트랩 중심으로부터 포획된 비드의 변위를 나타낸 히스토그램은 입자가 트랩 중심으로부터 1 µm 이내로 제한되어 있음을 보여줍니다. 오늘 우리는 미세유체 소자 내에서 생성된 정체점 흐름(stagnation point flow)을 이용하여 마이크로 및 나노 스케일 입자를 유리 용액 상태로 포획하는 방법인 EM 트랩을 제시하였습니다. 유체역학적 포획은 다른 힘의 장 기반 포획 방법으로는 어려웠던 고농도 입자 현탁액 내 단일 표적 입자의 가둠을 가능하게 합니다.

추가적인 개발을 통해, 이 새로운 기술은 생물물리학, 세포 역학, 유체 역학, 효소학 및 시스템 생물학 분야의 과학적 탐구를 가능하게 할 것입니다. 시청해주셔서 감사드리며, 이 기술이 귀하의 실험에 유용하게 활용되기를 바랍니다.