气动驱动的微流体平台，用于微颗粒浓缩

Summary

本方案描述了一种气动微流体平台，可用于高效的微粒浓缩。

Abstract

本文介绍了一种利用微流体平台制造和操作气动阀以控制颗粒浓度的方法。该平台具有具有弯曲流体通道和三个气动阀的三维（3D）网络，通过与聚二甲基硅氧烷（PDMS）的双相复制来创建网络，通道和空间。该装置根据气动阀控制的流体流速的瞬态响应按以下顺序运行:（1）样品上样，（2）样品阻塞，（3）样品浓度和（4）样品释放。颗粒被筛阀（Vs）板的薄隔膜层变形阻挡并积聚在弯曲的微流体通道中。工作流体通过两个开/关阀的驱动排出。由于该操作，所有各种放大倍率的粒子都被成功拦截并脱离。当应用该技术时，操作压力、浓缩所需的时间和浓缩速率可能会根据设备尺寸和粒度放大倍率而变化。

Introduction

由于生物分析的重要性，微流体和生物医学微机电系统（BioMEMS）技术^1，2 用于开发和研究用于纯化和收集微材料的装置^2，3，4。粒子捕获分为主动或被动。主动式阱已用于作用于独立粒子的^外部介电5、磁吞噬⁶、听觉⁷、视觉⁸或热⁹ 力，从而能够精确控制其运动。然而，粒子和外力之间的相互作用是必需的;因此，吞吐量较低。在微流体系统中，控制流速非常重要，因为外力传递到目标颗粒。

一般来说，无源微流体器件在微通道^10，11中具有微柱。颗粒通过与流动流体的相互作用进行过滤，这些设备易于设计且制造成本低廉。然而，它们在微柱中引起颗粒堵塞，因此已经开发出更复杂的装置来防止颗粒堵塞¹²。具有复杂....

Protocol

1. 颗粒浓缩微流控平台设计

1. 设计气动微流体平台，该平台由一个用于 3D 流网络中流体流动的气动阀和三个用于筛网 （V）、流体 （Vf） 和颗粒 （Vp） 操作的气动阀组成（图 1）。
   注意:Vs阻挡液体中的浓缩颗粒，Vf和Vp允许浓缩后释放流体和颗粒。三个气动端口提供来自流体/气动供应层（常开）的压缩空气和气动阀灯出口以驱动阀门。微流体通道网络是用CAD程序^18，19设计的。
2. 将通道设计为气动供应层和 3D 通道网络层（图 2）。
   注意:流体网络与前部的弯曲通道和后部的矩形腔室相互连接。Vs堵塞入口，颗粒积聚在弯曲流体通道的收集区域。无颗粒流体（无颗粒液体）通过Qf出口排出，浓缩颗粒通过Qp出口排出（图3）。
3. 根据以上条件，准备四种类型的SU-8模具。
   注:这四个模具包括一个允许 通过 气动装置控制阀门的模具、两个创建流体通道的模具和一个无形状的干净模具（图 4 和 表 1）。提到的四种类型的模具是使用标准光刻工艺制....

Results

图8 显示了四级平台操作的流体速率的流速，如 表2所示。第一阶段是加载状态（状态）。该平台在所有阀门打开的情况下提供流体，并且工作流体（Qf）和颗粒（Qp）几乎相同，因为微流体通道网络表现出结构对称性。在第二阶段（b状态）中，压缩空气被输送到Vs以阻挡颗粒，并且随着Vs隔膜变形，流路变窄，并且通过液压阻力减小了在出口处测量的流速。Qf和Qp的流速几乎相似，差异小于2.67%。在第三阶段（c状态）中，压缩空气被输送到Vs和Vp进行颗粒浓缩，Vs和Vp关闭，Vf打开。测得的Qp接近于零，Qf约为b态的1.42倍。在大多数情况下，当两个耗散通道都在运行时，流量会加倍，但平台在主流体通道和Vs中具有不同类型的液压阻力，因此减少了工作流体的总流量。最后（d态），压缩空气仅输送到Vf以收集浓缩颗粒，并且Qf和Qp的流速被反转。流量为零，因为Vf阻塞了Qf，Qp约为b状态的1.42倍。颗粒的浓度比（Qp/（Qf+Qp）×100）为3.96~4.53.这表明，由于流量变化，使用气动阀编程的顺序驱动效果很好。

Discussion

该平台提供了一种纯化和浓缩各种尺寸颗粒的简单方法。颗粒通过气动阀控制积聚和释放，并且没有观察到堵塞，因为没有被动结构。使用该装置，呈现三种尺寸的颗粒的浓度。然而，操作压力、浓缩所需的时间和速率可以根据器件尺寸、粒径放大倍率和Vs 18^，20，²¹处的压力而变化。

当执行步骤3.1时，气泡可能残留在通道的弯曲表面上。当气泡仍然存在时，通道中的环境会发生变化，因此在操作前有必要通过显微镜非常仔细地检查通道。

与以前的研究相比，该平台具有一些优点和缺点。在介电泳方法中，使用的目标粒子较少²²个。需要一个额外的过程来制备粒子以增强粒子和外力之间的物理相互作用^22，23。必须考虑复杂的设计.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1.5 毫米穿刺	自我		这种穿孔是通过要求模具制造商根据 Miltex® 进行的。带柱塞的活检打孔器 （15110-15） 产品。
4 英寸硅片/SU-8 模具	4science	29-03573-01	4 英寸 （100） P型硅片/SU-8 模具
羧基聚苯乙烯交联颗粒（24.9 &μ;m）	Spherotech	CPX-200-10	浓缩珠样品1
流量计	Sensirion	SLI-1000	流量测量
高速摄像机	Photron	FASTCAM Mini	浓度观察
热板	作为一个	HI-1000	液体固化加热板 PDMS
KOVAX-SYRINGE 10 mL/注射器	韩国疫苗	22G-10ML	用无气泡的软化水填充微流体通道。
实验室 Conona 处理机/常压等离子体	Electro-Technic	BD-20AC	芯片键合/常压等离子体
液体聚二甲基硅氧烷，PDMS	道康宁公司	Sylgard 184	芯片
显微镜	奥林巴斯	IX-81	浓度观察
PEEK 管	SAINT-GOBAIN PPL CORP.	AAD04103	注射或收集颗粒
聚苯乙烯颗粒（4.16 μm）	Spherotech	PP-40-10	浓缩珠样品3
聚苯乙烯颗粒（8.49 μm）	Spherotech	PP-100-10	浓缩珠样品2
压力控制器/μflucon	AMED	和mu;flucon	气压控制
旋涂机	iNexus	ACE-200	将液体 PDMS 铺布在 SU-8 模具上