Een Microfluïdische-gebaseerde Hydrodynamische Trap voor Single Particles

Het algemene doel van deze methode is het opsluiten en manipuleren van individuele micro- en nanodeeltjes met behulp van laminaire stroming in een microfluïdisch apparaat. De hydrodynamische val bestaat uit een microfluïdisch apparaat met een kruisvormige kanaalgeometrie, wat resulteert in een stagnatiepuntstroom bij de aansluiting van de microkanalen. Een on-chip klep in een van de uitlaatkanalen wordt gebruikt om de vloeistofstroom actief te regelen en deeltjes op te vangen.

Deeltjes worden op een door de gebruiker gedefinieerd instelpunt vastgehouden door actieve controle van de positie van het stagnatiepunt. Een feedbackregelaar wordt gebruikt om de positie van de deeltjes te volgen en om de on-chip klep te regelen, zodat de positie van de deeltjes op het instelpunt behouden blijft. Met behulp van de hydrodynamische val worden individuele deeltjes gevangen in verdunde of geconcentreerde deeltjesoplossingen, welke kunnen worden afgebeeld met fluorescentie- of brightfieldmicroscopie.

Een enkel deeltje kan worden vastgehouden binnen één micron van het centrum van de val, zoals blijkt uit het partikeltraject en het histogram van de verplaatsing van het deeltje ten opzichte van het centrum van de val. Hallo, ik ben Eric Johnson Rio van het lab van professor Charles Schroer in de afdeling Chemical and Biomolecular Engineering, en het Center for Biophysics and Computational Biology hier aan de University of Illinois. Hallo, mijn naam is Ari, een postdoctoraal onderzoeker in het Schroeder-lab.

Hallo, ik ben Cheryl Schroeder, en vandaag gaan we laten zien hoe u een microfluïdisch apparaat kunt vervaardigen en implementeren voor het hydrodynamisch vangen van enkelvoudige deeltjes. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals optische of elektrokinetische vallen, is dat hydrodynamisch vangen uitsluitend door de werking van de vloeistofstroom wordt bereikt, waardoor potentieel storende externe velden voor het vangen van nanodeeltjes of cellen worden geëlimineerd. Deze techniek heeft de potentie om de fundamentele en toegepaste wetenschap te transformeren door het mogelijk te maken om micro- en nanoschaal-deeltjes in vrije oplossing te vangen, zonder eisen te stellen aan de chemische of fysische eigenschappen van het gevangen deeltje.

Laten we beginnen. Om het afpellen van de replica's van de SU-8 malen te vergemakkelijken, wordt het oppervlak van de SU-8 malen behandeld door de wafers 10 minuten in een vacuümdesiccator te plaatsen met een glazen schaaltje dat enkele druppels trichloorsilaan bevat, waarbij gemengde en DGAs PDMS wordt gebruikt voor de fluïdische en controlelagen. Spin-coat het 15:1 PDMS-mengsel gedurende 30 seconden bij 750 RPM op de mal van de fluïdische laag en plaats de wafer vervolgens in een Petrischaal.

Plaats op dezelfde manier de mal voor de controllaag in een petrischaal en giet een PDMS-mengsel in een verhouding van vijf op één over de mal tot een dikte van 4 mm. Om de PDMS-lagen gedeeltelijk uit te harden, worden de wafers/PDMS gedurende 30 minuten gebakken bij 70 °C, waarna ze worden afgekoeld tot kamertemperatuur. Snijd de PDMS-replica met het scalpel los en pel deze van de SU-8 mal af.

Maak vervolgens met de naald van 21 gauge een gaatje in de PDMS als toegangspoort tot het microkanaal, dat zal dienen als het on-chip membraanventiel. Plaats de PDMS-replica met een controllaag op de wafer met de gespin-coate PDMS-fluidielaag. Lijn de controllaag zorgvuldig uit met de fluidielaag en verzegel deze met behulp van een stereomicroscoop.

Zorg ervoor dat alle luchtbellen tussen de lagen worden verwijderd en bak het geheel een nacht lang bij 70 °C om beide lagen volledig uit te harden tot een monolithische PDMS-plaat; na afkoeling tot kamertemperatuur gebruikt u een scalpel om de PDMS-replica van de SU-8 mal te snijden en af te pellen, en een scheermesje om overtollig PDMS te verwijderen en elke device-unit te scheiden. Maak vervolgens met een 21 gauge naald toegangsopeningen in de microkanalen van de fluidische laag. Reinig een dekglas met aceton en IPA en droog dit met stikstof.

Behandel zowel het dekglas als de oppervlakken van de PDMS-replica met zuurstofplasma bij 500 millitorr gedurende 30 seconden. Breng vervolgens de twee oppervlakken direct met elkaar in contact om een onomkeerbare afdichting te vormen. Bak de apparaten tot slot een nacht om de hechting tussen de PDMS-lagen en het dekglas te vergroten.

Plaats eerst het microfluidische apparaat op de tafel van een omgekeerde microscoop en zet het vast met tafelklemmen. Om de oplossingen naar het microfluidische apparaat te transporteren, vult u vervolgens een gasdichte spuit van één milliliter met buffer en een gasdichte spuit van 250 microliter met monsteroplossingen. Gebruik een T-ventiel tussen de monsterspuit en de monsterpoort van het microfluidische apparaat om de toevoer van het monster te regelen.

Maak nu de vloeistofverbindingen tussen de spuiten en het microfluïdische apparaat, met behulp van perfluoro-oxy-slangen, lure lock-adapters en metalen buisjes van 24 gauge. Maak vervolgens de vloeistofverbindingen voor de uitlaatkanalen in het microfluïdische apparaat met PFA-slangen en metalen buisjes van 24 gauge. Om een constant drukverval tussen de spuiten en de uitlaatkanalen te handhaven, moeten de PFA-slangen voor de uitlaten van gelijke lengte zijn en beide ondergedompeld zijn in een centrifugebuis van 1,5 milliliter gevuld met bufferoplossing.

Vul het on-chip ventiel met gefluoreerde dragerolie met behulp van een plastic luer-lock spuit van drie milliliter om te voorkomen dat er tijdens het gebruik lucht in de fluïdische laag lekt. Duw de lucht in de ventielkamer door het PDMS-membraan in het microkanaal van de fluïdische laag.

Voor de bediening van de kleppen op de chip. Sluit een onder druk staande toevoer van inert gas aan op de poort in de controllaag. Spoel de vloeistofverbindingen en het microfluïdische apparaat met 0,5 milliliters bufferoplossing om te garanderen dat alle luchtbellen uit het systeem zijn verwijderd, inclusief de uitlaatkanalen.

Typische stroomsnelheden die worden gebruikt voor het verwijderen van bellen variëren tussen 2000 en 5,000 microliters per uur. Nadat de luchtbellen uit de microfluïdische kanalen zijn gespoeld, wordt de stroomsnelheid verlaagd naar 50 tot 100 microliters per uur, wat een typische volumetrische stroomsnelheid is voor het invangen van deeltjes. Zet nu de T-klep om zodat het monster in het microfluïdische apparaat kan stromen. Voer de op maat gemaakte LabVIEW-code uit die het invangen van deeltjes automatiseert door middel van een lineair feedback-regelalgoritme.

De code legt beelden vast met een CCD-camera en zendt een elektrisch potentiaal naar een drukregelaar die de positie van een pneumatische klep op de chip actief moduleert. Positioneer met behulp van de XY-verplaatstafel van de microscoop het vanggebied in het centrum van het camerabeeld. Breng het vanggebied in focus met de objectieflens en pas de camera-instellingen aan om de beeldvormingscondities te optimaliseren.

Kies een rechthoekig interessegebied (ROI) binnen het gezichtsveld van de camera, zodanig dat het midden van de ROI de positie van het centrum van de val is. Initialiseer nu de offsetdruk die op de on-chip klep wordt uitgeoefend. Een 100 tot 200 micron breie vernauwing bevindt zich bij het tegenoverliggende uitlaatkanaal.

Biedt een offsetdruk voor de werking van de on-chip klep. Start de feedbackregelaar en pas de proportionele versterking aan om de respons van de val te optimaliseren. Afhankelijk van de stroomsnelheid en de positie van de on-chip klep is er een optimale waarde voor de proportionele versterking, die de stabiliteit van de val verhoogt en ongewenste particle-oscillaties elimineert.

De LabVIEW-code zal automatisch een van de deeltjes vangen die het vanggebied binnenkomen. In deze video ontstaat de beweging van deeltjes in de instroomrichting doordat de monsterinlaatstroom open blijft om de nauwkeurigheid van de opsluiting in de instroomrichting te maximaliseren. De gebruiker kan de monsterstroom tijdens het vangen sluiten, waardoor de stroming gelijkmatig over de kruiskanaalverbinding wordt verdeeld, het gevangen deeltje wordt gemonitord en de focus van het deeltje binnen het beeldvlak wordt behouden met behulp van handmatige focus of een geautomatiseerde focusmicroscoopopstelling.

Het geïntegreerde microfluïdische apparaat bestaat uit een monsterfocus, een kruisvormige sleufverbinding en een pneumatische klep; het vangen vindt plaats bij de kruisvormige sleufverbinding en de positie van het deeltje wordt gecontroleerd door actieve aanpassing van het stromingsveld bij de microkanaalverbinding via de pneumatische klep. Hier is een afbeelding te zien van één enkele kraal die is ingesloten in de hydrodynamische val. Naast de kraal in het centrum van de val, worden er verschillende niet-gevangen kralen getoond in het vanggebied bij de kruisvormige sleufverbinding.

Het traject van een gevangen fluorescent polystyreen bolletje van 2,2 micron wordt in kaart gebracht. Het deeltje wordt aanvankelijk drie minuten lang gevangen gehouden. Vervolgens wordt het uit de val vrijgelaten, waarna het via een van de uitlaatkanalen ontsnapt.

Een histogram van de verplaatsing van een gevangen kraaltje ten opzichte van het centrum van de val in de richting van de uitlaatkanalen geeft aan dat het deeltje beperkt blijft tot binnen één micron van het centrum van de val. Vandaag hebben we de EM-val gepresenteerd als een methode voor het vangen van micro- en nanoscopische deeltjes in een vrije oplossing met behulp van een stagnatiepuntstroom die binnen een microfluïdisch apparaat wordt gegenereerd. Hydrodynamisch vangen maakt het mogelijk om een enkel doeldeeltje te isoleren in geconcentreerde deeltjessuspensies, wat moeilijk te realiseren is met alternatieve vangmethoden op basis van krachtvelden.

Na verdere ontwikkeling zal deze nieuwe techniek wetenschappelijk onderzoek mogelijk maken op het gebied van biofysica, celmechanica, vloeistofdynamica, enzymologie en systeembiologie. Bedankt voor het kijken en we hopen dat deze techniek nuttig zal zijn voor uw experimenten.