A فخ هيدرودينامي ميكروفلويديك المستندة للجسيمات واحدة
January 21st, 2011
في هذه المقالة ، نقدم طريقة ميكروفلويديك قائم على الحبس الجسيمات على أساس تدفق الهيدروديناميكية. علينا أن نظهر استقرارا محاصرة الجسيمات في السائل نقطة الركود باستخدام آلية مراقبة ردود الفعل ، وبالتالي تمكين والحبس التعسفي من الجزيئات المجهرية في microdevice متكاملة.
الهدف العام من هذه الطريقة هو حصر ومعالجة الجسيمات الدقيقة والنانوية المفردة باستخدام التدفق الصفحي في جهاز ميكروفيليديك. يتكون المصيدة الهيدروديناميكية من جهاز مائل دقيق بهندسة قناة ذات فتحة متقاطعة ، مما يؤدي إلى تدفق نقطة ركود عند تقاطع القناة الدقيقة. يتم استخدام صمام على الرقاقة الموجود في إحدى قنوات المخرج للتحكم الفعال في تدفق السوائل واحتجاز الجسيمات.
تقتصر الجسيمات عند نقطة ضبط يحددها المستخدم من خلال التحكم النشط في موضع نقطة الركود. يتم استخدام وحدة التحكم في التغذية الراجعة لتتبع موضع الجسيمات وتنظيم الصمام الموجود على الرقاقة للحفاظ على موضع الجسيمات عند نقطة الضبط. باستخدام المصيدة الهيدروديناميكية ، يتم احتجاز الجسيمات المفردة في محاليل الجسيمات المخففة أو المركزة ويمكن تصويرها باستخدام الفحص المجهري الفلوري أو المجال الساطع.
قد يقتصر جسيم واحد على ميكرون واحد من مركز المصيدة كما هو موضح في مسار الجسيمات والرسم البياني لإزاحة الجسيمات من مركز المصفاة. مرحبا ، أنا إريك جونسون ريو من مختبر البروفيسور تشارلز شرور في قسم الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية ، ومركز الفيزياء الحيوية والبيولوجيا الحاسوبية هنا في جامعة إلينوي. مرحبا ، اسمي آري ، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر شرودر.
مرحبا ، أنا شيريل شرودر ، واليوم سنوضح لك كيفية تصنيع وتنفيذ جهاز موائع دقيقة للاحتجاز الهيدروديناميكي للجسيمات المفردة. الميزة الرئيسية لهذه التقنية على الطرق الحالية مثل المصائد البصرية أو الحركية الكهربائية هي أن الاصطياد الهيدروديناميكي يتحقق من خلال الإجراء الوحيد لتدفق السوائل ، وبالتالي القضاء على أربعة مجالات استباقية محتملة لاحتجاز الجسيمات النانوية أو الخلايا. هذه التقنية لديها القدرة على تحويل العلوم الأساسية والتطبيقية من خلال تمكين محاصرة المحلول الحر للجسيمات الدقيقة والنانوية دون أي متطلبات على الخصائص الكيميائية أو الفيزيائية للجسيمات المحاصرة.
لذلك دعونا نبدأ. من أجل تسهيل تقشير النسخ المتماثلة من قوالب SU الثمانية ، قم بإزالة سطح قوالب SU الثمانية عن طريق وضع الرقائق في مادة مجففة تحت الفراغ لمدة 10 دقائق باستخدام طبق زجاجي يحتوي على بضع قطرات من ثلاثي كلورو سيلين باستخدام PDMS مختلط و DGAs لطبقات السوائل والتحكم. قم بتدوير خليط PDMS من 15 إلى واحد على قالب الطبقة السائلة لمدة 30 ثانية عند 750 دورة في الدقيقة ، ثم ضع الرقاقة في طبق بتري.
وبالمثل ، ضع قالب طبقة التحكم في طبق بتري واسكب خليط PDMS من خمسة إلى واحد على القالب بسمك أربعة ملليمترات. لمعالجة طبقات PDMS جزئيا ، اخبز الرقائق مقطوعة PDMs لمدة 30 دقيقة عند 70 درجة مئوية واتركها تبرد إلى درجة حرارة الغرفة. قم بقص نسخة PDMS المتماثلة بالمشرط وقشرها من قالب SU الثماني.
ثم باستخدام إبرة القياس 21 ، قم بعمل ثقب في PDMS كمنفذ وصول إلى القناة الدقيقة التي ستعمل كصمام غشاء على الرقاقة. ضع النسخة المتماثلة PDMS بطبقة تحكم على الرقاقة مع طبقة سائل PDMS المطلية بالدوران. قم بمحاذاة طبقة التحكم وإغلاقها بعناية مع الطبقة السائلة باستخدام مجهر استريو.
تأكد من إزالة جميع الجيوب الهوائية بين الطبقات واخبزها على حرارة 70 درجة مئوية طوال الليل لمعالجة كلتا الطبقتين بالكامل في لوح PDMS متجانس بطبقتين بعد التبريد إلى درجة حرارة الغرفة ، استخدم مشرطا لقطع وتقشير النسخة المتماثلة PDMS من قالب SU eight واستخدم شفرة حلاقة لإزالة PDMS الزائدة وفصل كل وحدة جهاز. الآن منافذ الوصول الكاملة إلى القنوات الدقيقة في الطبقة السائلة بإبرة قياس 21. نظف زلة الغطاء باستخدام الأسيتون IPA وجففها بالنيتروجين.
عالج كل من زلة الغطاء والأسطح المتماثلة PDMS ببلازما الأكسجين أقل من 500 مللي تور لمدة 30 ثانية. ثم قم على الفور بتلامس السطحين لتشكيل ختم لا رجعة فيه. أخيرا ، اخبز الأجهزة طوال الليل لزيادة الترابط بين طبقات PDMS وانزلاق الغطاء.
أولا ، ضع جهاز الموائع الدقيقة على مسرح المجهر المقلوب وقم بتثبيته بمشابك المسرح. بعد توصيل المحاليل إلى جهاز الموائع الدقيقة ، املأ حقنة ضيقة سعة 1 ملليلتر و 250 ميكرولتر بمحلول عازل وعينات على التوالي. استخدم صمام T بين حقنة العينة ومنفذ العينة على جهاز الموائع الدقيقة للتحكم في تسليم العينة.
الآن قم بإنشاء الوصلات السائلة بين المحاقن وجهاز الموائع الدقيقة ، باستخدام أنابيب أوكسي لكل فلورو ، ومحولات قفل الإغراء ، وأنابيب معدنية قياس 24. ثم قم بإنشاء الوصلات السائلة لقنوات المخرج في جهاز الموائع الدقيقة باستخدام أنابيب PFA وأنابيب معدنية قياس 24. للحفاظ على انخفاض ضغط ثابت بين المحاقن وقنوات المخرج ، يجب أن تكون أنابيب PFA للمنافذ متساوية الطول وكلاهما مغمور في أنبوب طرد مركزي سعة 1.5 مليلتر مملوء بمحلول عازل.
املأ الصمام الموجود على الرقاقة بزيت ناقل مفلور باستخدام حقنة بلاستيكية بقفل إغراء سعة ثلاثة ملليلتر لمنع تسرب الهواء إلى الطبقة السائلة أثناء التشغيل. ادفع الهواء الموجود في حجرة الصمام عبر غشاء PDMS إلى القناة الدقيقة. في الطبقة السائلة.
لتشغيل الصمام على الرقاقة. قم بتوصيل مصدر غاز خامل مضغوط بالمنفذ في طبقة التحكم. اشطف الوصلات السائلة وجهاز الموائع الدقيقة ب 0.5 مل من المحلول العازل لضمان إزالة جميع فقاعات الهواء من النظام ، بما في ذلك قنوات المخرج.
تتراوح معدلات التدفق النموذجية المستخدمة لإزالة الفقاعات بين 2000 إلى 5,000 ميكرولتر في الساعة بعد شطف فقاعات الهواء من قنوات الموائع الدقيقة ، مما يقلل من معدل التدفق إلى 50 إلى 100 ميكرولتر في الساعة ، وهو معدل تدفق حجمي نموذجي لاحتجاز الجسيمات. الآن قم بتبديل الصمام T للسماح للعينة بالتدفق إلى جهاز الموائع الدقيقة. قم بتنفيذ التعليمات البرمجية لعرض المختبر المبني المخصص الذي يعمل على أتمتة التراكب اللوني للجسيمات من خلال تنفيذ خوارزمية التحكم في التغذية الراجعة الخطية.
يلتقط الكود صورا من كاميرا CCD وينقل إمكانات كهربائية إلى منظم ضغط يعدل بنشاط موضع الصمام الهوائي على الرقاقة. باستخدام مرحلة ترجمة المجهر XY، ضع منطقة التراكب اللوني في وسط عرض الكاميرا. اجعل منطقة التراكب اللوني في بؤرة عدسة الهدف واضبط إعدادات الكاميرا لتحسين ظروف التصوير.
اختر منطقة مستطيلة ذات اهتمام داخل مجال رؤية الكاميرا بحيث يكون مركز عائد الاستثمار هو موضع مركز المراكب. الآن قم بتهيئة ضغط الإزاحة المطبق على الصمام الموجود على الرقاقة. انقباض بعرض 100 إلى 200 ميكرون يقع في قناة المخرج المقابلة.
يوفر ضغط تعويض لتشغيل الصمام الموجود على الرقاقة. ابدأ وحدة التحكم في التغذية الراجعة واضبط الكسب النسبي لتحسين استجابة التراكب اللوني. اعتمادا على معدل التدفق وموضع الصمام الموجود على الرقاقة ، هناك قيمة كسب نسبية مثالية ، مما يزيد من استقرار المصيدة ويزيل تذبذبات الجسيمات غير المرغوب فيها.
ستقوم كود عرض المختبر تلقائيا بمحاصرة أحد الجسيمات التي تدخل منطقة التراكب اللوني. في هذا الفيديو ، تنشأ حركة الجسيمات في اتجاه التدفق لأن تيار مدخل العينة يترك مفتوحا لزيادة ضيق المصيدة للحبس في اتجاه التدفق. يمكن للمستخدم إغلاق دفق العينة أثناء التراكب اللوني، الذي يوازن التدفق بالتساوي في تقاطع القناة المتقاطعة، ومراقبة الجسيمات المحبوسة والحفاظ على تركيز الجسيمات داخل مستوى الصورة باستخدام التركيز البؤري اليدوي أو إعداد مجهر التركيز البؤري الآلي.
يتكون جهاز الموائع الدقيقة المتكامل من تركيز عينة ، وتقاطع فتحة متقاطعة ومحاصرة صمام هوائي يحدث عند تقاطع الفتحة المتقاطعة ويتم التحكم في موضع الجسيمات عن طريق الضبط النشط لمجال التدفق عند تقاطع القناة الدقيقة من خلال الصمام الهوائي. هنا ، صورة حبة واحدة محصورة في المصيدة الهيدروديناميكية. بالإضافة إلى مركز المصيدة ، يتم عرض العديد من الخرزات غير المحاصرة في منطقة الاصطياد عند تقاطع الفتحات المتقاطعة.
يتم رسم خريطة لمسار حبة البوليسترين الفلورية المحاصرة 2.2 ميكرون. يتم احتجاز الجسيم في البداية لمدة ثلاث دقائق. ثم يتم إطلاقه من المصيدة ويهرب على طول إحدى قنوات المخرج.
يشير الرسم البياني لإزاحة حبة محاصرة من مركز المصيدة على طول اتجاه قنوات المخرج إلى أن الجسيم محصور في حدود ميكرون واحد من مركز المصيدة اليوم ، قدمنا مصيدة EM كطريقة لمحاصرة المحلول الحر للجسيمات الدقيقة والنانوية باستخدام تدفق نقطة توليد داخل جهاز ميكروفيليديك. يتيح الاصطياد الهيدروديناميكي حبس جسيم مستهدف واحد في معلقات الجسيمات المركزة ، وهو أمر يصعب استخدام طرق الاصطياد البديلة القائمة على مجال القوة.
بعد مزيد من التطوير ، ستسمح هذه التقنية الجديدة بالاستكشاف العلمي في مجالات الفيزياء الحيوية وميكانيكا الخلايا وديناميكيات الموائع وعلم الأنزيمات وبيولوجيا الأنظمة. شكرا لك على المشاهدة ونأمل أن تكون هذه التقنية مفيدة لتجاربك.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
النظرة العامة
تعرض هذه المقالة طريقة قائمة على الميكروهيدروديناميك لاحتواء ومعالجة الجسيمات الدقيقة على نطاق نانومتر باستخدام التدفق الهيدروديناميكي. يتم استخدام آلية تحكم بالارتجاع لتحقيق احتجاز الجسيمات المستقر في نقطة ركود السائل داخل جهاز ميكروي.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الميكروهيدروديناميك
- معالجة الجسيمات
- احتجاز هيدروديناميكي
الخلفية
- تتيح الأجهزة الميكروهيدروديناميكية التحكم الدقيق في تدفق السائل.
- يمكن للأفخاخ الهيدروديناميكية احتواء الجسيمات في مواقع معينة.
- تعزز آليات التحكم النشطة قدرات معالجة الجسيمات.
- يمكن استخدام الميكروسكوب الفلوري والميكروسكوب ذو المجال المشرق لتصوير الجسيمات.
هدف الدراسة
- تطوير طريقة لاحتجاز الجسيمات المفردة في الأجهزة الميكروهيدروديناميكية.
- استخدام التدفق الطبقي لاحتواء الجسيمات بشكل فعال.
- تنفيذ التحكم بالارتجاع للحفاظ على موضع الجسيمات.
الطرق المستخدمة
- جهاز ميكروهيدروديناميكي مع هندسة فتحة متقاطعة.
- صمام على الشريحة للتحكم النشط في تدفق السائل.
- متحكم بالارتجاع لتتبع وتنظيم موضع الجسيمات.
- تقنيات التصوير مثل الميكروسكوب الفلوري وميكروسكوب المجال المشرق.
النتائج الرئيسية
- احتجاز ناجح للجسيمات المفردة في المحاليل المخففة والمركّزة.
- ثبتت استقرارية احتواء الجسيمات عند نقطة ضبط محددة من قبل المستخدم.
- تنظيم فعال لموضع نقطة الركود باستخدام التحكم بالارتجاع.
- القدرة على تصوير الجسيمات المحتجزة باستخدام تقنيات الميكروسكوب.
الاستنتاجات
- توفر الطريقة أسلوبًا قويًا لمعالجة الجسيمات في الأنظمة الميكروهيدروديناميكية.
- تعزز آليات التحكم النشط دقة احتجاز الجسيمات.
- يمكن تطبيق هذه التقنية في مختلف المجالات التي تتطلب احتواء الجسيمات.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
This microfluidic hydrodynamic trap enables label-free, field-free confinement of single micro- and nanoscale particles in complex biological suspensions, supporting early-stage target validation by allowing direct observation of particle behavior without surface immobilization or perturbative fields. The method provides quantitative spatial control and long-term stability for mechanistic de-risking of nanoparticle-biomolecule interactions in discovery workflows. Its compatibility with concentrated samples and arbitrary particle types enhances translational relevance for preclinical screening of drug delivery vehicles and extracellular vesicles.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by trapping single particles in free solution to observe native-state interactions without optical, magnetic, or electric field artifacts.
- Operational Value: Supports functional target validation in crowded environments such as serum or cell lysates where conventional trapping fails due to background interference.
- Predictive Value: Facilitates lead identification by allowing prolonged observation of particle dynamics to assess binding kinetics and stability under near-physiological conditions.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated particle systems for downstream workflows by enabling isolation and manipulation of single entities from heterogeneous populations.
- Quantitative Output: Generates displacement histograms and trajectory data that serve as reproducible metrics for comparing particle behavior across conditions.
- Platform Scalability: Integrates with existing microfluidic devices via on-chip pneumatic valves, allowing reuse across multiple targets and increasing throughput in screening cascades.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Maintains continuity from discovery to preclinical validation by trapping particles in biologically relevant matrices without altering surface chemistry.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables mechanistic de-risking of nanoparticle formulations by quantifying confinement stability as a proxy for colloidal integrity in complex fluids.
- Biomarker Alignment: Supports translational biomarker studies by permitting long-term observation of single extracellular vesicles or lipid nanoparticles in undiluted biofluids.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical assessment, particularly for studies requiring unperturbed particle analysis in native environments.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling direct visualization of single-particle interactions in solution without labels or surface tethering.
- Screening: Enhances assay reproducibility through active flow control that maintains consistent trapping conditions across runs, reducing variability in particle-based assays.
- Analytics: Provides centroid tracking and displacement measurements as quantitative readouts to compare particle responses under different buffer or ligand conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical work by allowing assessment of particle behavior in concentrated biological fluids that mimic in vivo conditions.
- Enterprise Reuse: Functions as a modular trapping module that can be integrated into various microfluidic platforms, reducing redevelopment costs across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by eliminating field-induced artifacts and enabling observation of native particle states in suspension.
- Operational Value: Delivers standardization and reproducibility via feedback-controlled stagnation point positioning, ensuring consistent trap performance across users and sessions.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early, quantitative data on particle stability and interaction propensity in realistic matrices.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of nanoparticle or vesicle candidates based on single-particle trapping stability in complex fluids.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic fabrication, fluorescence microscopy, and feedback control systems such as LabVIEW-based image processing and pressure regulation.
- Depends on pneumatic pressure regulators, on-chip valves, and high-speed imaging infrastructure for real-time particle tracking and flow adjustment.
- Necessitates cross-team standardization of valve calibration protocols and particle tracking parameters to ensure reproducibility between laboratories.
- Involves adaptation considerations when applying to non-spherical or deformable particles, as trapping efficiency may vary with shape and size under extensional flow.
- Includes practical limitations such as the need for particle fluorescence or contrast for reliable tracking, and potential drift during extended runs requiring periodic recalibration.
