本文介绍了一种基于流体动力学流动的微流控粒子束缚方法。我们通过反馈控制机制，在流体停滞点实现了粒子的稳定捕获，从而能够在集成化的微流控器件中对任意粒子进行束缚和微操控。
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本文内容
摘要
摘要
在自由溶液中实现对单个粒子的限制与操控，是推动基础科学与应用科学发展的关键技术。基于光学、磁学、电动力学和声学技术的粒子捕获方法，已在从分子到细胞水平的物理学和生物学领域取得重大进展。本文介绍一种全新的、完全基于流体动力学流动的微流控粒子捕获与操控技术。利用该方法，我们实现了在水溶液中对微米及纳米尺度粒子的长期捕获。该流体动力学捕获装置由集成式微流控芯片构成，其通道结构为交叉槽设计，两股相对的层流在此交汇，从而产生具有流体停滞点（零速度点）的平面拉伸流动。在此装置中，通过主动调控流场以维持粒子位于流体停滞点，从而实现对粒子在捕获中心的有效限制。通过定制开发的 LabVIEW 程序实现反馈控制算法，可在自由溶液中高效地捕获粒子。该控制算法包括：获取微流控装置中粒子的图像，随后进行粒子追踪、确定粒子质心位置，并通过压力调节器调节施加于芯片上气动阀的压力，从而主动调节流体流动。通过这种方式，芯片上的动态计量阀可调节出口通道中的相对流速，进而实现对停滞点位置和粒子捕获的精细控制。基于微流控的流体动力学捕获技术在粒子捕获方面具有多项优势。该方法适用于任意类型的粒子，对被捕获物体的物理或化学性质无特殊要求。此外，在高浓度或拥挤的粒子悬浮液中，流体动力学捕获仍可实现对“单个”目标粒子的限制，而这一点在其他基于力场的捕获方法中难以实现。该流体动力学捕获装置操作简便、易于实施，可集成至现有的微流控系统中，便于实现粒子的捕获与长期分析。总体而言，流体动力学捕获为无需表面固定的粒子限制、微操控与观察提供了一个全新平台，同时避免了在自由溶液中捕获小粒子时可能带来干扰的光学、磁学和电场的使用。
方案
流体动力阱由一种双层杂化（聚二甲基硅氧烷（PDMS）/玻璃）微流控装置构成，用于颗粒的限域。步骤1-2描述了微流控装置的制备，步骤3-4讨论了装置的设计与操作。
1. SU-8 模具制备（视频中未展示）
- 用丙酮和异丙醇（IPA）清洁两片硅片（直径3英寸）。
- 用氮气（N2）吹干硅片，并将其置于65°C的加热板上1分钟，以去除残留水分。
- 在硅片#1上旋涂SU-8 2050光刻胶（PR），转速4000 rpm，持续30秒，以制备厚度约为40 μm的流体层模具；在硅片#2上旋涂光刻胶，转速1500 rpm，持续30秒，以制备厚度约为150 μm的控制层模具。
- 将硅片#1在65°C下预烘3分钟，然后在95°C下预烘6分钟；将硅片#2在65°C下预烘5分钟，然后在95°C下预烘20分钟。
- 使用相应的掩膜版对硅片进行紫外光曝光（硅片#1：进样口和流体通道；硅片#2：进样口和控制层），并采用适当的曝光强度（分别为约150 mJ/cm2和约260 mJ/cm2）。
- 将硅片#1后烘处理：65°C下1分钟，随后95°C下6分钟；将硅片#2后烘处理：65°C下5分钟，随后95°C下10分钟。
- 用丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）显影硅片，直至未曝光的光刻胶完全去除。随后用异丙醇（IPA）冲洗硅....
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讨论
基于流体动力流的现有微流控粒子操控方法可分为接触式和非接触式方法。接触式方法利用流体流动将粒子物理性地限制并固定在微加工通道壁上9，而非接触式方法则依赖循环流动或微涡流10。在本研究中，我们提出一种仅依靠流体流动作用实现溶液中自由粒子捕获的方法。该流体动力捕获技术可在微流控十字槽装置中的流体停滞点处实现对微小粒子的限制与操控。在此装置中，通过自动化反馈控制机制，对流动流体中停滞点的位置进行精细且主动的调节，从而实现粒子的稳定捕获。
流体动力阱对粒子的束缚紧密程度如何？又该如何优化？将粒子精确束缚在阱中心的准确性，取决于定位粒子位置时质心确定的精度。为了实现稳定的粒子捕获，用户应确保粒子与背景之间具有最大的图像对比度，以实现最佳的追踪和定位效果。此外，应特别注意避免微通道中存在气泡或碎屑，这些因素可能影响粒子的追踪。应使用稳定的流体源以尽量减少流体流动中的扰动，因为停滞点位置的稳定性对流动波动非常敏感。采用这种方法，测得对于约2 μm的粒子，流体动力阱的刚度约为~1E-4 pN/nm1，与电动力阱或光镊等其他方法相当.......
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致谢
感谢伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的 Kenis 团队提供了有益的讨论以及洁净室设施的使用权限。
本工作由美国国立卫生研究院（NIH）独立研究者发展路径奖资助，资助号为4R00HG004183-03（Charles M. Schroeder 和 Melikhan Tanyeri）。
本工作得到了美国国家科学基金会向 Eric M. Johnson-Chavarria 提供的研究生研究奖学金的支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 21号钝头针 | Zephyrtronics | ZT-5-021-1-L | 用于在PDMS中打孔 |
| 3 ml塑料注射器 | BD Biosciences | 309585 | 用于向阀中注入油 |
| 硅晶圆 | University Wafer | 3” P(100)单面抛光 380 μm测试级 | |
| 盖玻片 | VWR international | 48404-428 | 24 x 40 mm #1.5 |
| 数据采集卡 | National Instruments | PCI 6229 | |
| 荧光微球 | Spherotech, Inc. | FP-2056-2 | 2.2 μm尼罗红标记 |
| 氟化液 | 3M | FC 40 | 氟化载油 |
| 倒置显微镜 | Olympus Corporation | IX-71 | |
| LabVIEW | National Instruments | 版本 9.0f3 (32位) | |
| 体视显微镜 | Leica Microsystems | MZ6 | 用于对齐PDMS控制层与流体层 |
| 机械对流烘箱 | VWR international | 1300U | 用于烘烤器件，形成双层一体式PDMS块 |
| 微流控管路与接头 | Upchurch Scientific | 1/16 x 0.020英寸PFA管路及超无法兰接头 | |
| PDMS | GE Healthcare | RTV 615 A&B | |
| 等离子体腔室 | Harrick Scientific Products, Inc. | PDC-001 | |
| 压力传感器 | Proportion Air | DQPV1 | |
| 旋涂仪 | Specialty Coating Systems | G3P-8 Spin Coat | |
| 光刻胶 | MicroChem Corp. | SU 8 2050 | |
| 注射泵 | Harvard Apparatus | PHD 2000 可编程型 | |
| 接线端子板 | National Instruments | BNC 2110 | 用于向压力调节器输出模拟信号并读取数据 |
| 紫外准直光源与曝光系统 | OAI | Model 30 增强型光源 |
参考文献
- Tanyeri, M., Johnson-Chavarria, E. M., Schroeder, C. M. Hydrodynamic Trap for Single Particles and Cells. Applied Physics Letters. 96, 224101-224101 (2010).
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. Observation of a Single-Beam Gradient Force Optical Trap for Di....
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重印与许可
