Picoinjection من قطرات ميكروفلويديك بدون أقطاب معدنية

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصميم وتصنيع واستخدام شرائح مائعية دقيقة قادرة على حقن الكواشف بدقة وبشكل يمكن التحكم فيه داخل قطرات مائية في الزيت، وهي عملية تُعرف باسم الحقن البيكو (pico injection). يتم تحقيق ذلك أولاً من خلال تصميم جهاز يحتوي على قناة مستحلب تضيق إلى قطر أصغر من قطر القطرات الكروية، مما يؤدي إلى توزيعها بانتظام داخل زيت حامل خامل. وكخطوة ثانية، يتم إدخال قطرات الماء والزيت إلى الجهاز وتدفقها وصولاً إلى موقع الحقن.

قناة عمودية تحتوي على الكواشف المراد حقنها. بعد ذلك، يتم تطبيق جهد كهربائي عالٍ على سائل الحقن أثناء مرور القطيرات بموقع الحقن لإحداث اندماج بين القطيرات وسائل الحقن. تم الحصول على نتائج تظهر أنه من خلال ضبط مقدار الجهد المطبق، يمكن التحكم بدقة في حجم الكاشف المحقون بدقة تصل إلى مستوى البيكولتر. نشأت هذه التقنية من الحاجة إلى تبسيط تصنيع أجهزتنا عن طريق إلغاء الحاجة إلى الأقطاب الكهربائية المعدنية.

تتمثل المزايا مقارنةً بالتقنيات الحالية في سهولة وبساطة تصميم الجهاز وتصنيعه واستخدامه. فالأقطاب الكهربائية المعدنية المستخدمة في الطرق السابقة كانت عرضة للكسر وحساسة للغبار والرواسب في القنوات أثناء التصنيع. ومن خلال إلغاء هذه الأقطاب، جعلنا أجهزتنا أكثر متانة وحسّنا من كفاءة التصنيع. وتتمثل الخطوة الأولى في تصميم شريحة مائعية دقيقة بناءً على احتياجات التجربة.

استخدم برنامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) في هذه الخطوة لتمكين استخدام تقنيات الطباعة الضوئية لاحقاً. يتميز تصميم هذه الشريحة بوجود قنوات مستحلب تكون أصغر من القطيرات الكروية المستخدمة، وذلك للسماح بعملية حقن بيكو (pico injection) أكثر فعالية. يستند موقع حقن البيكو إلى تصميم موجود في الدراسات المرجعية، مع إزالة الأقطاب الكهربائية المعدنية.

تعمل قنوات إضافية كخندق فاراداي لحماية القطيرات الموجودة في المنبع من المجال الكهربائي. بمجرد اكتمال التصميم، استخدم تقنيات الطباعة الضوئية الرقيقة لتصنيع الأجهزة، ثم قم بربطها بشريحة مجهرية زجاجية ليكون الجهاز جاهزاً للاستخدام. قم بتجهيز مضخة للتحكم في ضغط الهواء لضغط خزان يحتوي على سائل.

قم بذلك عن طريق تعديل مخرج المضخة بحيث يخرج الهواء المضغوط عبر أنبوب من البولي إيثيلين بقطر داخلي يبلغ 2.7 مليمتر. قم بإنهاء الأنبوب بتركيبه فوق الحلمة الموجودة في الجزء الخلفي من طرف المحقنة. وبعد سد الفراغ بين المحقنة والأنبوب باستخدام الإيبوكسي، قم بتثبيت إبرة بقياس 27.5 gauge باستخدام الكواشف المناسبة للتجربة.

قم بتحضير مستحلب متجانس من قطيرات مائية معلقة في زيت حامل. ثم املأ المستحلب في حقنة سعة 1 مل مجهزة بإبرة عيار 27.5. بعد ذلك، ثبت الحقنة في مضخة حقن ووجهها بحيث تكون الإبرة للأعلى.

الخطوة التالية هي تحضير الكواشف لإدخالها في الجهاز الموائع الدقيقية وخزاناتها. ابدأ باستخدام أنبوب طرد مركزي سعة 15 milliliter مع غطائه. استخدم مخرزة خزعة أو أي أداة ملائمة لعمل ثلاث ثقوب بقطر 0.5 millimeter في الغطاء.

قم بتجهيز قطب سلكي بقطر 0.5 millimeters وطول يزيد ببضعة سنتيمترات عن طول أنبوب الطرد المركزي. أدخل هذا القطب في إحدى فتحات الغطاء. تأكد من وصوله إلى قاع الأنبوب وبروزه ببضعة سنتيمترات من الأعلى.

بعد ذلك، قم بتجهيز أنبوب من البولي إيثيلين بطول 20 سنتيمتر تقريبًا. أدخل هذا الأنبوب في الفتحة الثانية. ومجددًا، يجب أن يصل الأنبوب إلى قاع الأنبوب في الفتحة المتبقية.

مرر أنبوبًا من البولي إيثيلين بطول 2.5 سنتيمتر تقريبًا. سيبقى هذا الأنبوب فوق مستوى السائل. ضع إيبوكسي المعالج بالأشعة فوق البنفسجية لسد الفجوات الموجودة في الجزء العلوي من الغطاء.

عند اكتمال عملية المعالجة، املأ الأنبوب هنا بسائل الحقن البيكو المطلوب، وهو كلوريد الصوديوم بتركيز 100 millimolar، ثم قم بربط الغطاء. قم بتوصيل مخرج مضخة التحكم في ضغط الهواء بالقطعة الأقصر من الأنبوب الموجودة في الغطاء. عند إدخال الإبرة في التجويف، يجب أن تستقر الإبرة بشكل محكم.

ضع أنبوب الطرد المركزي في الحامل الخاص به. تابع ذلك بملء محقنة سعة 1 مل من كلوريد الصوديوم بتركيز 1 M. ولتكون بمثابة سائل خندق فاراداي، قم بتوصيل إبرة قياس 27.5 gauge وثبّت المحقنة على مضخة محاقن.

املأ محقنة أخرى سعة one milliliter بزيت الفاصل الحامل. قم بتوصيل إبرة عيار 27.5 gauge وثبتها في مضخة محاقن. عند هذه النقطة، يمكن إجراء التوصيلات بالشريحة الموائعية الدقيقة.

أولاً، تأكد من تثبيت الشريحة على سطح مستوٍ. بعد ذلك، أحضر الطرف المفتوح للأنبوب الطويل المتصل بوعاء سائل الحقن إلى الشريحة. قم بتوصيل هذا الأنبوب بفتحة الإدخال الخاصة بسائل الحقن الميكروني (pico injection fluid) على الشريحة الموائع مجهرية (microfluidic chip).

بعد ذلك، قم بتوصيل أنبوب بولي إيثيلين بالحقنة التي تحتوي على كلوريد الصوديوم ومدّه وصولاً إلى الشريحة. قم بتوصيله بفتحة الإدخال الخاصة بخندق فاراداي. كذلك، استخدم أنبوباً لتوصيل الحقنة التي تحتوي على الزيت الحامل بفتحة الإدخال الخاصة بها في الجهاز.

قم بتوصيل أنبوب ممتد من منفذ مخرج المستحلب إلى وعاء تجميع. وأخيراً، استخدم أنابيب لتوصيل منفذ المخرج الخاص بخندق فاراداي بحاوية معزولة كهربائياً وغير موصلة. في النهاية، تظهر الشريحة الموائعية الدقيقة بهذا الشكل.

الآن، خذ سلكاً من طرف التأريض لمضخم الجهد العالي ومدّه إلى إبرة المحقنة التي تحتوي على كلوريد الصوديوم. استخدم مشبك تمساح لتثبيت السلك بالإبرة. ثم مد سلكاً آخر من مخرج الجهد العالي للمضخم إلى القطب الكهربائي المغمور في سائل الحقن الميكروي (pico injection fluid).

استخدم مشبك تمساح لإجراء التوصيل كمدخل للمضخم. استخدم مخرج الكمبيوتر لمولد موجات يتم التحكم فيه برمجياً. ابدأ عملية التسريب في النظام عن طريق إدخال سائل "faraday mote" المكون من كلوريد الصوديوم بتركيز 1 molar إلى الجهاز بمعدل 100 µL في الساعة.

بعد ذلك، ابدأ بتدفق القطيرات والمستحلب وزيت الحامل للسماح للقطيرات بالمرور عبر الحاقن البيكو (pico injector) على فترات منتظمة، تفصل بينها فجوة من زيت الحامل. اضبط الضغط المطبق على سائل حقن البيكو، بحيث يبرز السائل عند فوهة حقن البيكو داخل قناة القطيرات، ولكن دون أن ينفصل ليشكل قطرات خاصة به. استخدم مولد الموجات لإنتاج إشارة AC بتردد 10 kilohertz وبسعة تتراوح من 0 إلى 10 volts ليتم تضخيمها ألف مرة بواسطة مضخم الجهد العالي.

لتحقيق الحقن البيكومتري، يتم تطبيق هذه الإشارة على القطيرات أثناء مرورها بفتحة الحقن واستخدام السعة كمعامل. يوضح هذا المقطع الحقن الانتقائي للقطيرات بناءً على وجود صبغة فلورية.

في هذه الحالة، مرّ 200 قطرة في الثانية عبر المحقن، ولكن من الممكن الوصول إلى معدلات تصل إلى 10,000 قطرة في الثانية عند استخدام آلية دقيقة للكشف عن القطيرات. وتوضح هذه الأشكال كسر الحجم المحقون كدالة في الجهد الكهربائي المطبق لموائع حقن ذات مولارية مختلفة. ويُعتقد أن الجهود الكهربائية الأعلى تسبب بداية مبكرة لعملية الاندماج، مما يؤدي إلى زيادة مدد وأحجام الحقن.

توضح هذه الخريطة الحرارية ثنائية الأبعاد العلاقة بين مولارية المحلول الأيوني والجهد الكهربائي المطلوب لتحقيق أحجام الحقن. تتطلب المحاليل ذات المولارية المنخفضة جهداً أعلى لأنها تقلل المجال الكهربائي عند موقع الحقن بشكل أسرع. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تصميم وتصنيع أجهزة الموائع الدقيقة بسرعة وكفاءة، بما يسمح بحقن الكواشف في القطيرات بدقة وتحكم تام.

لا تنسَ أن العمل بجهد كهربائي عالٍ قد يكون خطيراً للغاية، لذا يجب دائماً اتخاذ الاحتياطات اللازمة، مثل التأريض السليم، واستخدام معدات الوقاية الشخصية، وتفعيل أنظمة الحماية المدمجة ضد الفشل.