Микрожидкостных основе гидродинамической Ловушка для одиночных частиц

Общая цель данного метода заключается в удержании и манипулировании одиночными микро- и наночастицами с помощью ламинарного потока в микрофлюидном устройстве. Гидродинамическая ловушка представляет собой микрофлюидное устройство с геометрией каналов в виде перекрестного слота, что создает поток с точкой стагнации в месте соединения микроканалов. Для активного управления потоком жидкости и захвата частиц используется встроенный в чип клапан, расположенный в одном из выпускных каналов.

Частицы удерживаются в заданной пользователем точке за счет активного управления положением точки стагнации. Контроллер с обратной связью используется для отслеживания положения частицы и регулирования встроенного в чип клапана для поддержания частицы в заданной точке. С помощью гидродинамической ловушки одиночные частицы захватываются из разбавленных или концентрированных растворов частиц, после чего их можно визуализировать с помощью флуоресцентной или светлопольной микроскопии.

Одна частица может быть удержана в пределах одного микрона от центра ловушки, что показано на траектории движения частицы и гистограмме смещения частицы относительно центра ловушки. Здравствуйте, я Эрик Джонсон Рио из лаборатории профессора Чарльза Шроера на факультете химической и биомолекулярной инженерии, а также Центра биофизики и вычислительной биологии здесь, в Университете Иллинойса. Здравствуйте, меня зовут Ари, я постокдокурант в лаборатории Шроера.

Здравствуйте, я Шерил Шредер, и сегодня мы покажем вам, как изготовить и использовать микрофлюидное устройство для гидродинамического захвата одиночных частиц. Основным преимуществом этого метода по сравнению с существующими, такими как оптические или электрокинетические ловушки, является то, что гидродинамический захват осуществляется исключительно за счет потока жидкости, что исключает воздействие потенциально деструктивных внешних полей при захвате наночастиц или клеток. Эта методика обладает потенциалом трансформировать фундаментальную и прикладную науку, обеспечивая захват микро- и наноразмерных частиц в свободном растворе без предъявления требований к химическим или физическим свойствам захватываемой частицы.

Приступим к работе. Чтобы облегчить отделение реплик от форм из SU-8, подвергните поверхность форм из SU-8 воздействию паров, поместив пластины в эксикатор под вакуумом на 10 минут вместе со стеклянным блюдцем, содержащим несколько капель трихлорсилана, используя смесь PDMS от mixed and DGAs для флюидного и контрольного слоев. Нанесите смесь PDMS в соотношении 15:1 на форму флюидного слоя методом центрифугирования в течение 30 секунд при 750 об/мин, а затем поместите пластину в чашку Петри.

Аналогичным образом поместите форму для контрольного слоя в чашку Петри и залейте форму смесью PDMS в соотношении пять к одному до достижения толщины 4 mm. Для частичного отверждения слоев PDMS поместите подложки/PDMS в печь на 30 минут при 70 °C, после чего дайте им остыть до комнатной температуры. Вырежьте реплику из PDMS скальпелем и отделите ее от формы из SU-8.

Затем с помощью иглы 21G проколите отверстие в PDMS, которое будет служить портом доступа к микроканалу и выполнять функцию встроенного мембранного клапана. Поместите реплику PDMS с управляющим слоем на пластину с нанесенным методом центрифугирования флюидным слоем PDMS. Осторожно совместите и герметизируйте управляющий слой с флюидным слоем, используя стереомикроскоп.

Обязательно удалите все пузырьки воздуха между слоями и запекайте при 70 °C в течение ночи для полного отверждения обоих слоев в монолитный блок PDMS; после охлаждения до комнатной температуры с помощью скальпеля вырежьте и отделите реплику из PDMS от формы из SU-8, а затем с помощью лезвия удалите излишки PDMS и разделите отдельные единицы устройств. Теперь с помощью иглы 21-го калибра проделайте отверстия для доступа к микроканалам в флюидном слое. Очистите покровное стекло ацетоном и IPA, затем высушите потоком азота.

Обработайте поверхности покровного стекла и реплики из PDMS кислородной плазмой при давлении 500 millitorr в течение 30 секунд. Затем немедленно соедините эти две поверхности для создания необратимого уплотнения. В завершение выдержите устройства в печи в течение ночи для усиления адгезии между слоями PDMS и покровным стеклом.

Сначала поместите микрофлюидное устройство на предметный столик перевернутого микроскопа и закрепите его зажимами столика. Затем, для подачи растворов в микрофлюидное устройство, заполните герметичные шприцы объемом 1 мл и 250 µL буферным раствором и раствором образца соответственно. Используйте Т-образный клапан между шприцем с образцом и портом для образца на микрофлюидном устройстве для управления подачей образца.

Теперь установите гидравлические соединения между шприцами и микрофлюидным устройством, используя перфторированную трубку, адаптеры Luer Lock и металлические трубки 24 gauge. Затем установите гидравлические соединения для выходных каналов микрофлюидного устройства с помощью трубок из ПФА и металлических трубок 24 gauge. Чтобы поддерживать постоянный перепад давления между шприцами и выходными каналами, трубки из ПФА для выходов должны быть одинаковой длины и погружены в центрифужную пробирку объемом 1.5 milliliter, заполненную буферным раствором.

Заполните встроенный в чип клапан фторированным маслом-носителем, используя пластический шприц объемом 3 мл с соединением Luer Lock, чтобы предотвратить попадание воздуха в жидкостный слой во время работы. Вытесните воздух из камеры клапана через мембрану из ПДМС в микроканал жидкостного слоя.

Для работы клапанов на чипе. Подсоедините источник сжатого инертного газа к порту в управляющем слое. Промойте гидравлические соединения и микрофлюидное устройство 0,5 milliliters буферного раствора, чтобы убедиться в удалении всех пузырьков воздуха из системы, включая выходящие каналы.

Типичная скорость потока, используемая для удаления пузырьков, составляет от 2000 до 5 000 µL/h; после того как пузырьки воздуха вымыты из микрофлюидных каналов, снизьте скорость потока до 50–100 µL/h, что является типичным объемным расходом для захвата частиц. Теперь переключите Т-образный клапан, чтобы обеспечить поступление образца в микрофлюидное устройство. Запустите специально разработанный код LabVIEW, который автоматизирует захват частиц путем реализации алгоритма линейного управления с обратной связью.

Код захватывает изображения с ПЗС-камеры и передает электрический потенциал на регулятор давления, который активно модулирует положение пневматического клапана на чипе. С помощью XY-столика микроскопа расположите область захвата в центре поля зрения камеры. Наведите область захвата в фокус объектива и настройте параметры камеры для оптимизации условий визуализации.

Выберите прямоугольную область интереса в поле зрения камеры таким образом, чтобы центр ROI совпадал с положением центра ловушки. Теперь инициализируйте смещение давления, подаваемого на встроенный в чип клапан. Сужение шириной от 100 до 200 мкм расположено в противоположном выходном канале.

Обеспечивает смещение давления для работы встроенного в чип клапана. Запустите контроллер обратной связи и отрегулируйте коэффициент пропорционального усиления для оптимизации отклика ловушки. В зависимости от скорости потока и положения встроенного в чип клапана существует оптимальное значение коэффициента пропорционального усиления, которое повышает стабильность ловушки и устраняет нежелательные осцилляции частиц.

Код LabVIEW автоматически захватит одну из частиц, попадающих в область захвата. В данном видео движение частиц в направлении притока возникает из-за того, что поток на входе образца остается открытым для обеспечения максимальной плотности удержания в направлении притока. Пользователь может перекрыть поток образца во время захвата, что сбалансирует поток в перекрестном соединении каналов, позволит наблюдать за захваченной частицей и поддерживать фокусировку частицы в плоскости изображения с помощью ручной фокусировки или автоматизированной системы фокусировки микроскопа.

Интегрированное микрофлюидное устройство состоит из узла фокусировки образца, Т-образного перекрестного соединения и пневматического клапана. Захват происходит в перекрестном соединении, а положение частицы контролируется путем активной регулировки поля потока в месте разветвления микроканала с помощью пневматического клапана. На данном изображении представлена одиночная микросфера, удерживаемая в гидродинамической ловушке. Помимо сферы в центре ловушки, в области захвата в перекрестном соединении видны несколько незахваченных микросфер.

Картируется траектория захваченной флуоресцентной полистирольной микросферы размером 2.2 micron. Сначала частица удерживается в ловушке в течение трех минут. Затем она высвобождается из ловушки и выходит через один из выпускных каналов.

Гистограмма смещения захваченной микросферы из центра ловушки вдоль направления выходных каналов показывает, что частица удерживается в пределах одного микрона от центра ловушки. Сегодня мы представили ЭМ-ловушку как метод захвата микро- и наноразмерных частиц в свободном растворе с использованием стагнационной точки потока, создаваемой внутри микрофлюидного устройства. Гидродинамический захват позволяет изолировать одну целевую частицу в концентрированных суспензиях частиц, что затруднительно при использовании альтернативных методов захвата, основанных на силовых полях.

После дальнейшей доработки этот новый метод позволит проводить научные исследования в области биофизики, механики клетки, гидродинамики, энзимологии и системной биологии. Благодарим за просмотр, и мы надеемся, что этот метод окажется полезным в ваших экспериментах.