一个单粒子为基础的微流控液力陷阱

该方法的总体目标是在微流体装置中使用层流限制和纵单个微米和纳米级颗粒。流体动力疏水阀由一个具有交叉槽通道几何形状的微流体装置组成，该装置在微通道连接处产生停滞点流。位于其中一个出口通道中的片上阀用于主动控制流体流动和捕获颗粒。

通过主动控制停滞点位置，将粒子限制在用户定义的设定点。反馈控制器用于跟踪颗粒位置并调节片上阀以将颗粒位置保持在设定点。使用流体动力学捕集器，单个颗粒被捕获在、稀释或浓缩的颗粒溶液中，并可以使用荧光或明场显微镜进行成像。

单个颗粒可能被限制在捕集中心的 1 微米范围内，如颗粒轨迹和颗粒从捕集中心位移的直方图所示。大家好，我是来自伊利诺伊大学化学与生物分子工程系 Charles Schroer 教授实验室以及生物物理学和计算生物学中心的 Eric Johnson Rio。大家好，我是 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造和实施用于流体动力学捕获单个颗粒的微流控装置。与光学或电动捕集等现有方法相比，该技术的主要优点是流体动力学捕获是通过流体流动的唯一作用实现的，从而消除了纳米颗粒或细胞捕获的潜在 4 个区域。该技术有可能改变基础和应用科学，因为它能够自由溶解捕获微米和纳米级颗粒，而对捕获颗粒的化学或物理性质没有要求。

那么让我们开始吧。为了便于从 SU 8 模具上剥离复制品，将晶圆置于真空干燥液中 10 分钟，用装有几滴三氯环氧烷的玻璃盘使用混合和 DGAs PDMS 对 SU 8 模具的表面进行流体和控制层。以 750 RPM 的转速将 15 比 1 的 PDMS 混合物旋涂到流体层模具上 30 秒，然后将晶片放入培养皿中。

同样，将控制层模具放入培养皿中，然后将 5：1 的 PDMS 混合物倒入模具上，厚度为 4 毫米。要部分固化 PDMS 层，请将晶圆在 70 摄氏度下切割 PDM 30 分钟，然后让它们冷却至室温。用手术刀切割 PDMS 复制品并将其从 SU 8 模具上剥离。

然后用 21 号针头在 PDMS 上打一个孔，作为微通道的接入端口，该微通道将充当片上膜阀。将带有控制层的 PDMS 复制品放在带有旋涂 PDMS 流体层的晶圆上。使用立体显微镜小心地将控制层对齐并密封到流体层。

确保去除各层之间的所有气穴，并在 70 摄氏度下烘烤过夜，以将两层完全固化成两层的整体 PDMS 板，冷却至室温后，使用手术刀从 SU 8 模具上切割并剥离 PDMS 复制品，并使用剃须刀片去除多余的 PDMS 并分离每个器件单元。现在，整个冲头用 21 号针头进入流体层中的微通道。用丙酮 IPA 清洁盖玻片并用氮气干燥。

用低于 500 毫托的氧等离子体处理盖玻片和 PDMS 复制表面 30 秒。然后立即使两个表面接触，形成不可逆的密封。最后，将器件烘烤过夜，以增加 PDMS 层和盖玻片之间的粘合。

首先，将微流体装置放在倒置显微镜的载物台上，并用载物台夹固定。接下来，将溶液输送到微流体装置，分别用缓冲液和样品溶液填充 1 毫升和 250 微升气密注射器。在样品注射器和微流体装置的样品端口之间使用 T 阀来控制样品输送。

现在使用全氟氧管、诱饵锁适配器和 24 号金属管在注射器和微流体装置之间建立流体连接。然后使用 PFA 管和 24 号金属管为微流体装置中的出口通道建立流体连接。为了保持注射器和出口通道之间的压降恒定，用于出口的 PFA 管应具有相同的长度，并且两者都浸入装满缓冲溶液的 1.5 毫升离心管中。

使用 3 ml 诱饵锁塑料注射器向片上阀注入氟化载油，以防止空气在作过程中泄漏到流体层中。将阀室中的空气通过 PDMS 膜推入微通道。在流体层中。

用于片上阀作。将加压惰性气体供应连接到控制层中的端口。用 0.5 毫升缓冲溶液冲洗流体连接和微流体装置，以确保从系统中去除所有气泡，包括出口通道。

清除气泡的典型流速在每小时 2000 至 5， 000 微升之间，将气泡从微流体通道中冲洗出来后，将流速降低到每小时 50 至 100 微升，这是颗粒捕获的典型体积流速。现在切换 T 阀以允许样品流入微流体装置。执行自定义构建的实验室视图代码，该代码通过实施线性反馈控制算法来自动捕获粒子。

该代码从 CCD 相机捕获图像，并将电势传输到压力调节器，该压力调节器主动调节片上气动阀的位置。使用显微镜 XY 平移台，将陷印区域定位在相机视图的中心。将陷印区域置于物镜的焦点中，并调整相机设置以优化成像条件。

在相机的视野内选择一个矩形感兴趣区域，以便 ROI 的中心将是陷印中心的位置。现在初始化施加到片上阀的偏移压力。位于对面出口通道的 100 到 200 微米宽的收缩。

为片上阀的作提供偏移压力。启动反馈控制器并调整比例增益以优化疏水阀响应。根据流速和片上阀的位置，有一个最佳的比例增益值，这可以提高捕集阱的稳定性并消除不必要的颗粒振荡。

实验室视图代码将自动捕获进入捕获区域的颗粒之一。在该视频中，由于样品入口流保持开放状态，以最大限度地提高流入方向上限制的捕集阱密封性，因此出现了颗粒在流入方向上的运动。用户可以在捕获过程中关闭样品流，从而平衡流向交叉通道液络部，监测捕获的颗粒，并使用手动聚焦或自动聚焦显微镜设置将颗粒聚焦保持在图像平面内。

集成的微流体装置由样品焦点、十字槽连接点和气动阀组成，在十字槽连接处发生捕获，颗粒位置通过气动阀主动调节微通道连接处的流场来控制。在这里，单个珠子的图像被限制在流体动力学陷阱中。除了在陷阱中心外，在交叉批次交界处的陷阱区域中还显示了几个未捕获的微珠。

绘制了捕获的 2.2 微米荧光聚苯乙烯珠的轨迹图。颗粒最初被捕获 3 分钟。然后它从陷阱中释放出来，并沿着其中一个出口通道逸出。

捕获珠沿出口通道方向从捕集阱中心位移的直方图表明颗粒被限制在距捕集阱中心 1 微米以内。今天，我们介绍了 EM 捕集作为一种使用微流体装置内产生的离子点流对微米和纳米级颗粒进行自由溶液捕获的方法。流体动力学捕获能够将单个目标颗粒限制在浓颗粒悬浮液中，这是使用基于力场的替代捕获方法难以实现的。

经过进一步开发，这项新技术将允许在生物物理学、细胞力学、流体动力学、酶学和系统生物学领域进行科学探索。感谢您的观看，我们希望该技术对您的实验有用。