Name: 一个单粒子为基础的微流控液力陷阱 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-01-21T17:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 13 s
Description: 了解基于微流控液力陷阱的单粒子捕获技术，利用层流和反馈控制实现微纳米粒子的稳定限域。该方法适用于稀溶液和浓溶液中的粒子操控，可结合荧光或明场显微镜进行成像观察。

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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。

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）
<ol>
	<li>用丙酮和异丙醇（IPA）清洁两片硅片（直径3英寸）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）冲洗硅片，并用氮气（N2）吹干。</li>
</ol>
2. 微流控装置的制备
<ol>
	<li>将SU-8模具的晶圆置于真空干燥器中，并在其中放置一个装有数滴三氯硅烷的玻璃皿，抽真空约10分钟，以实现模具表面的硅烷化处理。表面硅烷化有助于将聚二甲基硅氧烷（PDMS）复制品从SU-8模具上顺利剥离。</li>
	<li>分别按照15:1和5:1的基础剂与交联剂比例混合并脱气PDMS，用于制备流体层和控制层。</li>
	<li>将15:1的PDMS混合物在750 rpm转速下旋涂于流体层模具（晶圆#1）上，持续30秒，然后将晶圆放入培养皿中。将控制层模具也放入另一培养皿中，并将5:1的PDMS混合物浇注至模具上，厚度约为4 mm。</li>
	<li>将晶圆和PDMS在70°C下烘烤30分钟，使PDMS层部分固化。</li>
	<li>待晶圆和PDMS冷却至室温后，用手术刀从培养皿中切割并剥离出形成控制层的PDMS复制品（晶圆#2），并从SU-8模具上剥离。使用21号针头在微通道处打孔，作为芯片上膜阀的接入端口。</li>
	<li>将带有控制层的PDMS复制品放置在晶圆#1（已旋涂PDMS流体层）上。在体视显微镜下仔细对准，并将控制层与流体层密封。确保两层之间无任何气泡残留，然后在70°C下烘烤过夜，使两层完全固化。此烘烤步骤将形成一个具有两层结构的整体式PDMS块。</li>
	<li>冷却至室温后，使用手术刀切割并从SU-8模具上剥离包含控制层和流体层的PDMS复制品。去除多余的PDMS材料，并用剃刀片将各个器件单元分离。使用21号针头在流体层的微通道处打孔，形成接入端口。</li>
	<li>将PDMS块键合到盖玻片上以获得完整的器件。首先，用丙酮和异丙醇（IPA）清洗盖玻片（No: 1.5，24 × 45 mm）。然后，将盖玻片和PDMS复制品表面在500 mTorr条件下进行30秒的氧气等离子体处理，并立即使两表面接触，形成不可逆密封。</li>
	<li>将器件烘烤过夜，以增强PDMS层与盖玻片之间的键合强度。</li>
</ol>
步骤3-4描述了使用上述微流控装置实现流体动力学捕获的方法。
3. 流体动力阱实验装置
<ol>
	<li>将微流控装置放置在倒置显微镜的载物台上，并用载物台夹具固定。</li>
	<li>分别用缓冲液和样品溶液填充两个气密性注射器，并将其安装在哈佛仪器注射泵（PHD 2000 可编程型）上。缓冲液和样品溶液分别通过 1 ml 和 250 μl 的注射器输送至微流控装置。通常使用含有 0.02% v/v Triton X-100 的 50 mM Tris/Tris HCl 缓冲液（pH 8.0）作为缓冲液。样品溶液由缓冲液中的颗粒悬浮液（例如荧光聚苯乙烯微球）组成。</li>
	<li>建立连接注射器（输送样品和缓冲液）与微流控装置之间的流体通路。使用鲁尔锁接头将注射器连接至外径（OD）1/16"、内径（ID）0.020" 的全氟烷氧基（PFA）管路。将 PFA 管路的另一端通过 24 号金属管连接至微流控装置的进样口。可在样品注射器与微流控装置的样品端口之间安装一个 T 型阀，以控制样品输送。</li>
	<li>建立微流控装置出口通道的流体连接。使用 24 号金属管将两个出口通道连接至 PFA 管路（外径 1/16"，内径 0.020"）。出口所用 PFA 管路应保持等长。将两根出口管均浸入装有缓冲液的 1.5 mL 离心管中，以维持注射器与出口通道之间的恒定压降。</li>
	<li>使用 3 mL 鲁尔锁塑料注射器向芯片上的阀门注入氟化载油，防止操作过程中空气泄漏进入流体层。阀室中的空气通过 PDMS 膜被推入流体层的微通道中，随后随流体经出口通道从装置中排出。</li>
	<li>将加压惰性气体（氮气）源连接至控制层的端口，用于驱动芯片上的阀门。为此，我们使用氮气钢瓶（2200 psi）和电子压力调节器，向微流控装置中的芯片阀门提供 0–30 psi 的压力。氮气钢瓶通过外径 ¼"、内径 0.170" 的管路连接至压力调节器。压力调节器则通过外径 1/16"、内径 0.020" 的 PFA 管路连接至微流控装置，其末端使用 24 号金属管连接。</li>
	<li>用 0.5 mL 缓冲液冲洗流体通路和微流控装置，确保系统中（包括出口通道）的所有气泡均被清除。用于排除气泡的典型流速范围为 2000–5000 μL/hr。当微流控通道中的气泡完全冲洗干净后，将流速降低至 50–100 μL/hr，此为颗粒捕获的典型体积流速。</li>
	<li>此时，流体连接已建立，样品和缓冲液以恒定流速（50–100 μL/hr）输送至微流控装置，装置已准备就绪，可进行流体动力学捕获。</li>
</ol>
4. 流体动力学捕获程序
<ol>
	<li>运行定制的 LabVIEW 代码，该代码可自动完成颗粒捕获（参见下方 LabVIEW 代码的使用说明）。</li>
	<li>使用显微镜的 x-y 平移台，将捕获区域（十字槽）置于相机视野中心。通过物镜对捕获区域进行调焦，并调整相机设置以优化成像条件。</li>
	<li>在相机视野内选择一个矩形兴趣区域（ROI），使该 ROI 的中心即为捕获点的位置。</li>
	<li>初始化施加到芯片上阀门的偏置压力。在其中一个出口通道中，引入一个 100–200 μm 宽的收缩结构，以提供芯片阀门的偏置压力。恒定的偏置压力使芯片上的阀门能够调节滞止点在通道十字槽中心附近的位置。对于大多数实验，偏置压力设定在 0–12 psi 之间，具体取决于通道尺寸（高度和宽度）、收缩段宽度以及芯片阀门的规格（阀门尺寸、膜厚度等）。</li>
	<li>启动反馈控制器，并调节比例增益以优化捕获响应。反馈控制器将调节施加到芯片阀门上的压力，以移动滞止点位置，从而最小化颗粒位置与设定点（捕获中心）之间的误差或距离。根据流速和芯片阀门位置的不同，存在一个最优的比例增益值，可提高捕获稳定性并消除不必要的颗粒振荡。</li>
	<li>捕获颗粒。LabVIEW 代码将自动捕获进入捕获区域的任一颗粒。一旦目标颗粒被捕获，可根据需要关闭样品流，将被捕获的颗粒隔离在缓冲溶液中。</li>
	<li>监测被捕获的颗粒，并使用手动调焦或自动对焦显微镜系统保持颗粒在成像平面内的清晰对焦。在长时间尺度的捕获过程（数分钟至数小时）中，可能需要轻微调整反馈控制器的比例增益，以确保捕获稳定性。</li>
</ol>
LabVIEW 代码：反馈控制器使用说明
采用基于自定义 LabVIEW 代码实现的线性反馈控制算法，实现颗粒的自动捕获。该 LabVIEW 代码从 CCD 相机获取图像，并向压力调节器输出电信号（电压），从而主动调节芯片上动态气动阀的位置（部分开启/关闭状态）。随着阀门位置的变化，一条出口通道中的流体动力学流速被相应调整，进而重新定位滞留点，实现流体动力学捕获。反馈回路中的各个步骤以图像采集速率（10–60 Hz）依次并循环执行。在每次反馈回路周期中，LabVIEW 代码执行以下步骤：
<ul>
	<li>图像采集。 使用10倍物镜（NA：0.4）和CCD相机，通过荧光显微镜在微流控装置的捕获区域获取“目标”粒子的图像。</li>
	<li>粒子追踪。 确定粒子的质心位置，并启动粒子追踪算法。通过将粒子的发射强度分布拟合到点扩散函数（PSF），从而确定粒子的位置质心。</li>
	<li>流场控制。 利用带有比例控制器的反馈控制算法，计算施加于芯片上动态阀门的更新压力。通过这种方式，阀门的作用是重新定位停滞点，从而对粒子施加流体动力，引导粒子向捕获中心移动。</li>
</ul>
LabVIEW 代码记录粒子捕获过程中每幅图像的以下数据：1）经过时间，2）被捕获粒子的质心（x, y）位置，3）捕获光阱中心的位置，4）粒子与光阱中心之间的距离，5）施加到芯片上阀门的压力。此外，该代码还会以 AVI 文件格式记录被捕获粒子的视频。
5. 代表性结果
我们使用流体动力学陷阱捕获了不同尺寸（100、540、830 nm 和 2.2 μm 直径）的荧光聚苯乙烯微球。图 1(a) 显示了在微流控装置的十字槽结处被捕获粒子的图像。被捕获粒子的轨迹可通过 LabVIEW 程序在捕获过程中记录的质心位置数据直接确定，或通过追踪并定位所记录视频文件中的被捕获粒子获得。图 1(b) 显示了被捕获粒子（2.2 μm 荧光聚苯乙烯微球）沿出口通道方向的轨迹。该微球最初被捕获（方块标记）3 分钟，随后从陷阱中释放，并沿其中一个出口通道逃逸（圆形标记）。沿压缩流轴方向（入口通道方向；数据未显示）的粒子轨迹与沿拉伸流轴方向（流出方向）的粒子轨迹相似，如图 1(b) 所示。图 1(c) 显示了被捕获微球（直径 2.2 μm）沿出口通道方向相对于陷阱中心的位移直方图。利用本研究中描述的反馈控制算法，被捕获粒子在入口和出口通道方向上被限制在距陷阱中心 ±1 μm 范围内。
用于流体动力学捕获的微流控装置示意图如图2所示。该集成式微流控装置由流体层和控制层组成，采用本文所述的标准多层软光刻技术制备。流体层包含缓冲液通道、样品通道以及用于实现流体动力学捕获的十字槽通道结构。控制层包含一个位于流体层某一出口通道上方的气动阀，控制层与流体层之间由一层薄的弹性膜隔开。在装置运行过程中，向控制层的阀门通入氮气加压，使薄膜压入流体层，从而在出口通道内形成收缩。通过调节施加于控制层的压力大小，动态气动阀可实现出口通道不同程度的收缩，进而调节各出口通道中的相对流速，实现对滞留点的精细控制。
<img src="/files/ftp_upload/2517/2517fig1.jpg" alt="光镊实验示意图，包含粒子分布直方图和运动轨迹图。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图1"> 图1：粒子捕获。（a） 在流体动力学陷阱中被限制的单个微珠图像。除位于陷阱中心的微珠外，捕获区域中还显示了多个未被捕获的微珠。（b） 被捕获粒子沿出口通道的运动轨迹（方块）。当粒子从陷阱中释放后（箭头），它将沿其中一条出口通道逃逸（圆圈）。（c） 被捕获微珠（直径2.2 μm）沿出口通道方向相对于陷阱中心的位移直方图。
<img src="/files/ftp_upload/2517/2517fig2.jpg" alt="用于芯片实验室分析的微流控芯片示意图，包含气动阀、样品聚焦和捕获结构。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 2"> 图 2：用于流体动力学捕获的微流控装置示意图。 流体动力学捕获结构采用双层微流控装置构建。流体层包含一个样品入口、四个缓冲液入口和两个废液出口。控制层包含一个位于流体层某一出口通道上方的气动膜阀。在相对的出口通道中设置一个收缩结构，为气动阀提供偏置压力。典型通道尺寸范围为 100–500 μm。在区域 (A) 中，样品入口由两个缓冲液入口实现流动聚焦。在区域 (B) 中，相对的入口流体在十字交叉结处汇聚并实现捕获。气动阀 (C) 位于其中一个出口通道的上方。通过调节该阀的压力可调控停滞点的位置。

<ol><li>Tanyeri, M., Johnson-Chavarria, E. M., Schroeder, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrodynamic+Trap+for+Single+Particles+and+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Hydrodynamic Trap for Single Particles and Cells.</a> Applied Physics Letters. 96, 224101-224101 (2010).</li>
<li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+a+Single-Beam+Gradient+Force+Optical+Trap+for+Dielectric+Particles%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Observation of a Single-Beam Gradient Force Optical Trap for Dielectric Particles.</a> Optics Letters. 11, 288-290 (1986).</li>
<li>Neuman, K. C., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Optical trapping.</a> Review of Scientific Instruments. 75, 2787-2809 (2004).</li>
<li>Gosse, C., Croquette, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+tweezers%3A+Micromanipulation+and+force+measurement+at+the+molecular+level%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Magnetic tweezers: Micromanipulation and force measurement at the molecular level.</a> Biophysical Journal. 82, 3314-3329 (2002).</li>
<li>Chiou, P. Y., Ohta, A. T., Wu, M. C., C, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Massively+parallel+manipulation+of+single+cells+and+microparticles+using+optical+images%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images.</a> Nature. 436, 370-372 (2005).</li>
<li>Cohen, A. E., Moerner, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Method+for+trapping+and+manipulating+nanoscale+objects+in+solution%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Method for trapping and manipulating nanoscale objects in solution.</a> Applied Physics Letters. 86, 093109-09 (2005).</li>
<li>Evander, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+acoustic+cell+trapping+in+a+microfluidic+perfusion+system+for+online+bioassays%26quot%3B%2C+Analytical+Chemistry+79%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Noninvasive acoustic cell trapping in a microfluidic perfusion system for online bioassays&quot;, Analytical Chemistry 79.</a> , 2984-2991 (2007).</li>
<li>Unger, M. A., Chou, H. P., Thorsen, T., Scherer, A., Quake, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monolithic+microfabricated+valves+and+pumps+by+multilayer+soft+lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Monolithic microfabricated valves and pumps by multilayer soft lithography.</a> Science. 288, 113-116 (2000).</li>
<li>Kim, M. C., Wang, Z. H., Lam, R. H. W., Thorsen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Building+a+better+cell+trap%3A+Applying+Lagrangian+modeling+to+the+design+of+microfluidic+devices+for+cell+biology%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Building a better cell trap: Applying Lagrangian modeling to the design of microfluidic devices for cell biology.</a> Journal of Applied Physics. 103, (2008).</li>
<li>Lutz, B. R., Chen, J., Schwartz, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrodynamic+tweezers%3A+1.+Noncontact+trapping+of+single+cells+using+steady+streaming+microeddies%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Hydrodynamic tweezers: 1. Noncontact trapping of single cells using steady streaming microeddies.</a> Analytical Chemistry. 78, 5429-5435 (2006).</li>
</ol>

无利益冲突声明。

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...

<table><tbody><tr><td>21号钝头针</td><td>Zephyrtronics</td><td>ZT-5-021-1-L</td><td>用于在PDMS中打孔</td></tr><tr><td>3 ml塑料注射器</td><td>BD Biosciences</td><td>309585</td><td>用于向阀中注入油</td></tr><tr><td>硅晶圆</td><td>University Wafer</td><td></td><td>3&amp;#8221; P(100)单面抛光 380 &amp;#x03BC;m测试级</td></tr><tr><td>盖玻片</td><td>VWR international</td><td>48404-428</td><td>24 x 40 mm #1.5</td></tr><tr><td>数据采集卡</td><td>National Instruments</td><td>PCI 6229</td><td></td></tr><tr><td>荧光微球</td><td>Spherotech, Inc.</td><td>FP-2056-2</td><td>2.2 &amp;#x03BC;m尼罗红标记</td></tr><tr><td>氟化液</td><td>3M</td><td>FC 40</td><td>氟化载油</td></tr><tr><td>倒置显微镜</td><td>Olympus Corporation</td><td>IX-71</td><td></td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments</td><td>版本 9.0f3 (32位)</td><td></td></tr><tr><td>体视显微镜</td><td>Leica Microsystems</td><td>MZ6</td><td>用于对齐PDMS控制层与流体层</td></tr><tr><td>机械对流烘箱</td><td>VWR international</td><td>1300U</td><td>用于烘烤器件，形成双层一体式PDMS块</td></tr><tr><td>微流控管路与接头</td><td>Upchurch Scientific</td><td></td><td>1/16 x 0.020英寸PFA管路及超无法兰接头</td></tr><tr><td>PDMS</td><td>GE Healthcare</td><td>RTV 615 A&amp;B</td><td></td></tr><tr><td>等离子体腔室</td><td>Harrick Scientific Products, Inc.</td><td>PDC-001</td><td></td></tr><tr><td>压力传感器</td><td>Proportion Air</td><td>DQPV1</td><td></td></tr><tr><td>旋涂仪</td><td>Specialty Coating Systems</td><td>G3P-8 Spin Coat</td><td></td></tr><tr><td>光刻胶</td><td>MicroChem Corp.</td><td>SU 8 2050</td><td></td></tr><tr><td>注射泵</td><td>Harvard Apparatus</td><td>PHD 2000 可编程型</td><td></td></tr><tr><td>接线端子板</td><td>National Instruments</td><td>BNC 2110</td><td>用于向压力调节器输出模拟信号并读取数据</td></tr><tr><td>紫外准直光源与曝光系统</td><td>OAI</td><td>Model 30 增强型光源</td><td></td></tr></tbody></table>

一种基于微流控的单颗粒流体动力学捕获装置

A Microfluidic-based Hydrodynamic Trap for Single Particles

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。

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。

在自由溶液中实现单个粒子的捕获与操控，是推动基础科学与应用科学发展的关键技术。用于……的方法

本方法的总体目标是利用微流控装置中的层流对单个微米和纳米级颗粒进行捕获和操控。该流体动力学捕获装置由具有交叉槽道结构的微流控芯片构成，可在微通道交汇处形成驻点流。其中一个出口通道中集成了片上阀门，用于主动调控流体流动并实现颗粒的捕获。通过主动控制驻点位置，可将颗粒限制在用户自定义的设定点。采用反馈控制器追踪颗粒位置，并调节芯片上的阀门以维持颗粒在设定点的位置。利用流体动力学捕获技术，可在稀释或浓缩的颗粒溶液中捕获单个颗粒，并可通过荧光或明场显微镜进行成像。单个粒子可被限制在捕获中心一微米范围内，如粒子轨迹及粒子相对于捕获中心位移的直方图所示。大家好，我是来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学与生物分子工程系以及生物物理与计算生物学中心Charles Schroer教授实验室的Eric Johnson Rio。大家好，我叫Ari，是Schroeder实验室的博士后研究员。大家好，我是 Cheryl Schroeder。今天我们将向您展示如何制备并使用一种用于单颗粒流体动力学捕获的微流控装置。与现有的光学或电动力学捕获方法相比，该技术的主要优势在于，流体动力学捕获仅通过流体流动的作用即可实现，从而消除了在捕获纳米颗粒或细胞时可能产生干扰的外部场。该技术有望推动基础科学与应用科学的发展，因为它能够在无需对被捕获颗粒的化学或物理特性作任何特殊要求的情况下，实现对微米和纳米级颗粒在自由溶液中的捕获。接下来我们开始。为了便于将复制品从SU-8模具上剥离，将晶圆放入真空干燥器中，并在其中放置一个玻璃皿，内含几滴三氯硅烷，抽真空处理10分钟，以钝化SU-8模具表面。使用混合的DGA和PDMS材料分别制作流体层和控制层。将15:1的PDMS混合物在流体层模具上以750 RPM的转速旋涂30秒，然后将晶圆放入培养皿中。同样，将控制层模具放入培养皿中，并将五比一的PDMS混合物倒入模具，厚度为4毫米。为部分固化PDMS层，将晶圆/PDMS在70摄氏度下烘烤30分钟，随后冷却至室温。用手术刀切割PDMS复制品，并从SU-8模具上剥离下来。然后使用21号针头在PDMS上打孔，作为通往微通道的入口，该入口将用作芯片上的膜阀。将带有控制层的PDMS复制品对准涂有旋涂PDMS流体层的晶圆。在体视显微镜下仔细对齐，并将控制层与流体层密封。确保各层之间无任何气泡，于70摄氏度下烘烤过夜，冷却至室温后使两层完全固化为一块整体的PDMS片。使用解剖刀将PDMS复制品从SU-8模具上切割并剥离，并用剃刀片去除多余的PDMS，分离各个装置单元。接着，使用21号针头在流体层的微通道上打孔，作为通路入口。用丙酮和异丙醇（IPA）清洗盖玻片，并用氮气吹干。将盖玻片和PDMS复制品表面置于500毫托的氧气等离子体中处理30秒。随后立即使两个表面接触，形成不可逆的密封。最后，将装置烘烤过夜，以增强PDMS层与盖玻片之间的结合。首先，将微流控装置放置在倒置显微镜的载物台上，并用载物台夹固定。接着，分别用缓冲液和样品溶液填充1毫升和250微升的气密性注射器，以向微流控装置输送溶液。在样品注射器与微流控装置的样品进样口之间使用T型阀来控制样品的输送。现在使用全氟烷氧基烷烃管路、鲁尔锁接头和24号金属管路，将注射器与微流控装置连接起来。然后使用PFA管路和24号金属管路建立微流控装置出口通道的流体连接。为了在注射器与出口通道之间维持恒定的压力降，出口端的PFA管路应保持等长，并且均浸没在一个装有缓冲液的1.5毫升离心管中。使用一个三毫升螺口塑料注射器将氟化载油注入芯片阀中，以防止操作过程中空气泄漏到流体层。将阀室中的空气通过PDMS膜推入微通道中。在流体层中。用于芯片上的阀门操作。将加压的惰性气体源连接至控制层的端口。用0.5毫升缓冲溶液冲洗流体连接部分和微流控装置，以确保系统内所有气泡（包括出口通道中的气泡）均被清除。在冲洗掉微流控通道中的气泡后，用于清除气泡的典型流速范围为每小时 2000 至 5,000 微升，随后将流速降低至每小时 50 至 100 微升，这是颗粒捕获的典型体积流速。现在切换 T 型阀，使样品流入微流控装置。运行自行开发的 LabVIEW 程序，该程序通过实施线性反馈控制算法实现颗粒捕获的自动化。该代码从CCD相机捕获图像，并向压力调节器传输电信号，从而主动调节芯片上气动阀的位置。使用显微镜的XY平移台，将捕获区域置于相机视野中心。调节至捕获区域位于物镜焦平面，并调整相机设置以优化成像条件。在相机视场范围内选择一个矩形兴趣区域，使该区域的中心位于光阱中心的位置。现在初始化施加到芯片阀门上的偏置压力。在相对的出口通道处设有一个宽度为100至200微米的收缩结构。为芯片阀的运行提供偏置压力。启动反馈控制器并调节比例增益以优化捕获器的响应。根据流速和芯片阀的位置，存在一个最佳的比例增益值，该值可提高捕获器的稳定性并消除颗粒的非期望振荡。实验室视图代码将自动捕获进入捕获区域的其中一个粒子。本视频中，粒子在流入方向上的运动是由于样品入口通道保持开放，以最大化流入方向上的捕获紧密性。用户可在捕获过程中关闭样品流，使流体均匀地流入交叉通道 junction，同时监测被捕获的粒子，并通过手动调焦或自动调焦显微镜系统保持粒子在成像平面内的聚焦。集成的微流控装置由样品聚焦区、十字槽结和气动阀组成，捕获发生在十字槽结处，通过气动阀主动调节微通道结处的流场来控制粒子的位置。此处图像显示单个微珠被限制在流体动力捕获阱中。除了位于捕获阱中心的微珠外，在十字槽结的捕获区域内还可观察到多个未被捕获的微珠。记录了一个被捕获的2.2微米荧光聚苯乙烯微球的运动轨迹。该微粒首先被光镊捕获三分钟，随后从光阱中释放，并沿其中一条出口通道逃逸。沿出口通道方向，被捕获微珠相对于捕获中心位移的直方图显示，该微粒被限制在距捕获中心一微米范围以内。今天，我们介绍了电渗流（EM）捕获技术，该方法利用微流控装置内产生的会聚流场，实现对微米及纳米尺度颗粒在自由溶液中的捕获。流体动力学捕获能够在高浓度颗粒悬浮液中将单个目标颗粒限制在特定区域，而这一任务使用其他基于力场的捕获方法则难以实现。随着进一步的发展，这项新技术将有助于在生物物理学、细胞力学、流体力学、酶学和系统生物学领域的科学研究。感谢您的观看，希望这项技术对您的实验有所帮助。

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生物工程

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一种基于微流控的单颗粒流体动力学捕获装置

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