Einem mikrofluidischen-basierte Hydrodynamische Trap für einzelne Teilchen

Der hydrodynamische Falle besteht aus einem Zwei-Schicht-Hybrid (Polydimethylsiloxan (PDMS) / Glas) Mikrofluidikvorrichtung für Teilcheneinschluss. Schritte 1-2 beschreiben die Herstellung von mikrofluidischen Bauteilen und die Schritte 3-4 zu diskutieren Gerät Design und Bedienung.

1. SU-8 Mold Fabrication (nicht im Video gezeigt)

1. Saubere zwei Silizium-Wafern (3 "Durchmesser) mit Aceton und Isopropylalkohol (IPA).
2. Dry-Wafer mit N ₂ und legen Sie sie auf einer Heizplatte bei 65 ° C für 1 min, um restliche Feuchtigkeit zu entfernen.
3. Spin Mantel Wafer # 1 mit SU-8 Fotolack 2050 (PR) für 30 sec bei 4000 Umdrehungen pro Minute, eine ca. 40 mu m dicke Form für die Fluidik-Ebene zu erstellen. Spin Mantel Wafer # 2 mit PR für 30 sec bei 1500 rpm zu einem ~ 150 um dicken Form für die Kontrolle Ebene zu erstellen.
4. Weiche backen Wafer # 1 bei 65 ° C für 3 min und dann bei 95 ° C für 6 min. Weiche backen Wafer # 2 bei 65 ° C für 5 min und dann bei 95 ° C für 20 min.
5. Expose Wafer UV mit ihren jeweiligen Masken (Wafer # 1: Anschlüsse und Fluidik-Kanäle, Wafer # 2: Hafen-und Control Layer) und entsprechende Bestrahlungsstärke (~ 150 mJ / cm ^2, ~ 260 mJ / cm ^2).
6. Beitrag backen Wafer # 1 bei 65 ° C für 1 min und dann bei 95 ° C für 6 min. Beitrag backen Wafer # 2 bei 65 ° C für 5 min und dann bei 95 ° C für 10 min.
7. Develop-Wafer mit Propylenglykolmethylether (PGMEA) bis unausgehärtet PR wird entfernt. Rinse-Wafer mit IPA und trocken, mit N _2.

2. Mikrofluidikvorrichtung Fabrication

1. Silanisieren der Oberfläche des SU-8 Formen, indem die Wafer in einem Exsikkator unter Vakuum für ca. 10 min mit einer Glasschale mit ein paar Tropfen von Trichlorsilan. Oberflächensilanisierung hilft bei der Ablösung der (PDMS) Repliken aus dem SU-8 Formen.
2. Mix und Degas PDMS in der Basis: Vernetzer von 15:1 und 5:1 für die Fluidik und Kontrolle Schichten jeweils.
3. Spin beschichten 15.01 PDMS-Mischung auf die Fluidik-Schicht Schimmel (Wafer # 1) für 30 sec bei 750 Umdrehungen pro Minute und dann die Wafer in einer Petrischale. Legen Sie die Kontrolle Schicht Schimmel in eine Petrischale und gieße 05.01 PDMS-Mischung auf die Form zu einer Dicke von ca. 4 mm.
4. Waffeln backen / PDMS 30 min bei 70 ° C, teilweise Heilung der PDMS-Schichten.
5. Nach dem Abkühlen die Wafer / PDMS auf Raumtemperatur, schneiden Sie die PDMS Replik, die die Kontrolle Schicht (Wafer # 2) bilden wird, aus der Petrischale mit einem Skalpell und ziehen Sie aus dem SU-8 Form. Locher einen Zugang Port an den Mikrokanal, der als On-Chip-Membran-Ventil mit einer 21-Gauge-Nadel fungieren wird.
6. Legen Sie die PDMS Replik mit der Steuerung Schicht auf dem Wafer # 1 (was hat das Spin-Coating PDMS Fluidik-Schicht). Sorgfältig ausrichten und dichten die Kontrolle Schicht auf die Fluidik-Schicht mit einem Stereo-Mikroskop. Vergewissern Sie sich, um alle Luftblasen zwischen den Schichten und backen entfernen bei 70 ° C über Nacht vollständig zu heilen beide Schichten. Das Backen Schritt wird in einer monolithischen PDMS Platte mit zwei Schichten.
7. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur, schneiden und schälen die PDMS Replik, die sowohl die Steuerung und die Fluidik-Schichten aus dem SU-8 Form mit einem Skalpell. Entfernen Sie überschüssiges PDMS und trennen Sie die einzelnen Geräte-Einheit mit einer Rasierklinge. Locher Zugänge zu den Mikrokanälen in der fluidischen Schicht mit einer 21-Gauge-Nadel.
8. Bond der PDMS-Stempel auf einem Deckglas eine komplette Gerät zu erhalten. Zuerst reinigen einem Deckglas (No: 1,5, 24 x 45 mm) mit Aceton und IPA. Als nächstes behandeln sowohl das Deckglas und die PDMS Replik Oberflächen mit Sauerstoff-Plasma unter 500 mTorr für 30 sec, und sofort bringen die beiden Oberflächen in Kontakt zu einer irreversiblen Dichtung zu bilden.
9. Backen Sie die Geräte über Nacht, um die Bindung zwischen dem PDMS-Schichten und das Deckglas zu erhöhen.

Schritte 3-4 beschreiben die Umsetzung der hydrodynamischen Falle mit dem Mikrofluidikvorrichtung oben beschrieben.

3. Hydrodynamische Trap-Versuchsaufbau

1. Legen Sie die Mikrofluidikvorrichtung auf die Bühne eines inversen Mikroskops und sichern Sie sie mit der Bühne Clips.
2. Füllen Sie zwei gasdichten Spritzen separat mit Puffer und Probe-Lösungen und legen sie auf ein Harvard Apparatus Spritzenpumpe (PHD 2000 Programmable). Der Puffer und die Probe-Lösungen sind die Mikrofluidik-Gerät über eine 1 ml und 250 ul Spritze geliefert bzw.. In der Regel mit einem 50 mM Tris / Tris-HCl-Puffer (pH 8,0) 0,02% v / v Triton X-100 wird als Puffer-Lösung verwendet. Die Probe-Lösung besteht aus einer Partikelsuspension (z. B. fluoreszierende Polystyrolkügelchen) in der Pufferlösung.
3. Stellen Sie die fluidischen Verbindungen zwischen den Spritzen (Bereitstellung der Probe und der buffer) und der Mikrofluidik-Gerät. Schließen Sie die Spritzen zu 1 / 16 "Außendurchmesser (OD) x 0,020" Innendurchmesser (ID) Perfluoralkoxy (PFA)-Schlauch mit Luer-Lock-Adapter. Schließen Sie das andere Ende des PFA-Schlauch mit dem Einlass-Ports des mikrofluidischen Gerät mit 24 Gauge metal Schlauch. Ein T-Ventil kann zwischen der Probe Spritze und der Probe-Anschluss auf der mikrofluidischen Gerät Probelieferung Kontrolle gestellt werden.
4. Stellen Sie die fluidischen Anschlüsse für die Auslasskanäle in der mikrofluidischen Gerät. Verbinden Sie die beiden Auslasskanäle zu PFA-Schlauch (16.1 "OD x 0,020" ID) mit 24 Gauge Metallrohr. Die PFA-Schlauch für die Steckdosen sollten gleich lang sein. Tauchen Sie beide Auslaßrohre in ein 1,5 ml Zentrifugenröhrchen mit Puffer-Lösung, die auf einen konstanten Druckabfall zwischen dem Spritzen und der Auslasskanäle zu halten dient gefüllt.
5. Füllen Sie den On-Chip-Ventil mit fluorierten Trägeröl mit einem 3 ml Luer-Lock-Kunststoff-Spritze in die Luft austritt in die Fluidik-Schicht während des Betriebs zu verhindern. Die Luft in der Ventilkammer durch die PDMS-Membran in den Mikrokanal in der fluidischen Schicht geschoben und später aus dem Gerät mit Fluidstrom durch die Auslassöffnungen entfernt.
6. Schließen Sie einen Druck Inertgas (Stickstoff) die Einspeisung in den Hafen in der Steuerungsebene für On-Chip-Ventils. Zu diesem Zweck verwenden wir ein Stickstofftank (2200 psi) und einem elektronischen Druckregler für 0-30 PSI, die On-Chip-Ventil in der Mikrofluidik-Gerät zu versorgen. Der Stickstoff-Tank ist es, den Druckregler mit ¼ "OD x 0,170" ID Schlauch verbunden. Der Druckregler ist die Mikrofluidik-Gerät über 1 / 16 "OD x 0,020" ID PFA-Schlauch mit 24 Gauge Metallrohr an der Endstation verbunden.
7. Spülen Sie die fluidischen Anschlüsse und die Mikrofluidik-Gerät mit 0,5 ml Puffer-Lösung, um sicherzustellen, dass alle Luftblasen aus dem System, einschließlich der Auslasskanäle werden entfernt. Typische Flussraten für das Clearing von Luftblasen zwischen 2000-5000 ul / h eingesetzt. Nach der Luftblasen aus der mikrofluidischen Kanälen gespült werden, reduzieren den Durchfluss von 50-100 ul / h, was einer typischen Volumenstrom für Teilchenphysik Trapping ist.
8. An diesem Punkt sind die fluidischen Verbindungen etabliert, die Probe und die Pufferlösungen sind die Mikrofluidik-Gerät zu einem festen Durchfluss (50-100 ul / h) geliefert, und das Gerät ist bereit für hydrodynamische Trapping.

4. Hydrodynamische Trapping Procedure

1. Führen Sie das custom-built LabVIEW-Code, der Partikel-Trapping automatisiert (siehe Hinweis zur Verwendung von LabVIEW-Code unten).
2. Mit dem Mikroskop xy Übersetzung Bühne, positionieren Sie den Trapping-Region (cross-Slot) in der Mitte der Kamera zu sehen. Bringen Sie das Einfangen Region in den Fokus des Objektivs und passen Sie die Einstellungen der Kamera zur Bildgebung zu optimieren.
3. Wählen Sie einen rechteckigen Bereich von Interesse (ROI) innerhalb der Kamera Sichtfeld, so dass das Zentrum der ROI wird die Position der Falle entfernt werden.
4. Initialisieren Sie den Offset-Druck auf den On-Chip-Ventil. In einer der Auslasskanäle, ist eine 100-200 um breite Engstelle eingeführt, um eine Offset-Druck für die On-Chip-Ventil bieten. Die ständige Off-Set Druck ermöglicht die On-Chip-Ventil zum Staupunkt Position in der Nähe der Mitte des Kanals Kreuzschlitz anzupassen. Bei den meisten Experimenten wird der Offset Druck von 0-12 psi je nach Kanal Abmessungen (Höhe und Breite), die Verengung Breite und die Spezifikationen der On-Chip (Ventil Größe, Membrandicke, etc.) gesetzt.
5. Initiieren Sie die Feedback-Controller und stellen Sie die Proportionalverstärkung zu fangen Reaktion zu optimieren. Das Feedback-Controller passt die Druck auf den On-Chip-Ventil, um den Staupunkt Position, die den Fehler oder den Abstand zwischen den Teilchen und die eingestellte Punkt (trap Mitte) minimiert bewegen. Abhängig von der Fließgeschwindigkeit und der On-Chip-Ventilstellung, gibt es eine optimale Proportionalverstärkung Wert, der Trap-Stabilität erhöht und eliminiert unerwünschte Partikel Schwingungen.
6. Trap-Teilchen. Die LabVIEW-Code wird automatisch Falle eines der Teilchen in die Trapping-Region. Sobald eine gewünschte Partikelgröße gefangen ist, ist es möglich, schalten Sie die Probe fließen und zu isolieren, die gefangenen Partikels in Pufferlösung, falls gewünscht.
7. Überwachen Sie den gefangenen Partikels und pflegen Partikel Fokus innerhalb der Bildebene mit manuellem Fokus oder ein automatisiertes Mikroskop Fokus Setup. Es kann notwendig sein, um etwas Einstellen der Proportionalverstärkung des Feedback-Controller, um Trap Stabilität im Laufe einer langen Zeitskala Fangpro (Minuten bis Stunden) zu gewährleisten.

LabVIEW Code: Hinweis zur Verwendung für Feedback-Controller

Automatisierte Partikel Trapping wird durch eine lineare Regelung Algorithmus implementiert eine benutzerdefinierte LabVIEW-Code. Die LabVIEW-Code erfasst Bilder von einer CCD-Kamera und überträgt ein elektrisches Potential (Spannung) an einen Druckregler, die aktiv moduliert die Position (teilweise offen / geschlossen Zustand) eines On-Chip-dynamischen pneumatisches Ventil. Da das Ventil Position geändert, die hydrodynamischen Durchfluss in einer Ausgangsleitung is angepasst und damit Re-Positionierung der Staupunkt und damit hydrodynamische Trapping. Die Schritte in die Feedback-Schleife werden nacheinander und iterativ in Höhe von Bilderfassung (10-60 Hz) ausgeführt. Die LabVIEW-Code führt die folgenden Schritte bei jeder Feedback-Schleife-Zyklus:

• . Und einer CCD-Kamera: Die Bilderfassung wird ein Bild für ein "Ziel" Teilchen in der Trapping-Region des Mikrofluidikvorrichtung mittels Fluoreszenz-Mikroskopie mit einem 10fach Objektiv (0,4 NA) erworben.
• Particle Tracking-Systems. Particle Schwerpunkt Position bestimmt wird, und die Partikel-Tracking-Algorithmus wird eingeleitet. Die Partikel werden durch den Einbau der Emissionsintensität Profil des Teilchens zu einem Point Spread Function (PSF), aus denen der Schwerpunkt Position ermittelt lokalisiert.
• Flow-Bereich zu kontrollieren. Die aktualisierte Druck für die On-Chip-dynamische Ventil bestimmt wird anhand eines Feedback-Algorithmus mit einem Proportional-Regler. Auf diese Weise wird die Aktion des Ventils neu zu positionieren Staupunkt, die eine hydrodynamische Kraft übt auf die Partikel, um die Teilchen in Richtung der Falle Zentrum zu lenken.

Die LabVIEW-Code zeichnet die folgenden Daten für jedes Bild während der Partikel-Trapping erfasst: 1) Zeit, 2 abgelaufen) Schwerpunkt (x, y) Position des gefangenen Partikels, 3) Position der Falle entfernt, 4) Entfernung des Teilchens von der Trap-Zentrum, 5) Druck auf den On-Chip-Ventil. Darüber hinaus wird der Code auch Aufzeichnungen ein Film des gefangenen Partikels in AVI-Format.

5. Repräsentative Ergebnisse

Wir gefangen fluoreszierenden Polystyrol-Kügelchen unterschiedlicher Größe (100, 540, 830 nm und 2,2 Mikrometer Durchmesser) mit einem hydrodynamischen Falle. Abbildung 1 (a) zeigt ein Bild eines Teilchens auf das Kreuz-Schlitz-Übergang in einer mikrofluidischen Vorrichtung gefangen. Die Flugbahn eines gefangenen Partikels kann direkt aus dem Schwerpunkt Positionsdaten von der LabVIEW-Code in einem Trapping-Ereignis oder durch Verfolgung und Lokalisierung der eingeschlossenen Partikel aus den aufgezeichneten Videodatei aufgezeichnet bestimmt werden. Abbildung 1 (b) zeigt die Flugbahn eines gefangenen Partikels (2,2 um fluoreszierende Polystyrolkugel) entlang der Auslasskanal Richtung. Die Perle ist zunächst gefangen (Quadrate) für 3 min und wird dann aus der Falle und entweicht entlang einer der Auslasskanäle (Kreise) veröffentlicht. Teilchenbahnen entlang der Kompressions-flow-Achse (Einlasskanal Richtung; Daten nicht gezeigt) sind ähnlich Partikeltrajektorien entlang der Dehnströmung Achse (Abfluss Richtung), wie in Abbildung 1 (b) gezeigt. Ein Histogramm der Teilchenphysik Verschiebung aus der Falle Zentrum für ein gefangenes Wulst (2,2 Mikrometer Durchmesser) entlang der Auslasskanal Richtungen ist in Abbildung 1 (c) gezeigt. Mit dem Feedback-Algorithmus in dieser Arbeit beschrieben werden, sind eingeschlossen Partikel im Bereich von ± 1 um die Falle Zentrum entlang der Ein-und Auslass-Kanal Richtungen beschränkt.

Eine schematische Darstellung der mikrofluidischen Vorrichtung zur hydrodynamischen Trapping verwendet wird in Abbildung 2 dargestellt. Die integrierte Mikrofluidik-Gerät besteht aus einem fluidischen Schicht und einer Steuerungsebene und wird hergestellt unter Verwendung von Standard Multilayer Softlithographie wie in diesem Artikel beschrieben. Die fluidische Schicht enthält die Puffer und Probe-Kanäle, sowie das Kreuz-Schlitz-Geometrie zu hydrodynamischen Trapping zu erleichtern. Die Steuerung besteht aus einer pneumatischen Ventils über einen der Auslasskanäle in der fluidischen Schicht positioniert, und der Kontroll-und Fluidik-Schichten sind durch eine dünne elastomere Membran getrennt sind. Während Betrieb des Geräts wird das Ventil in der Kontrollgruppe Schicht unter Druck mit Stickstoff, der die dünne Membran, in die fluidische Schicht Kräfte, dabei wird eine Verengung in den Auslasskanal. Die dynamische pneumatisches Ventil verengt den Auslasskanal durch variable Beträge durch Änderung des Drucks auf das Steuerelement angewendet Schicht, die die relativen Geschwindigkeiten passt in die Auslasskanäle und ermöglicht feinskaligen Kontrolle der Staupunkt.

Abbildung 1: Particle Überfüllung. (A) Bild von einer einzigen Kugel in den hydrodynamischen Falle beschränkt. Zusätzlich zu den Wulst an der Falle entfernt, sind mehrere abgefangene Perlen in der Trapping-Region gezeigt. (B) Bahn eines gefangenen Partikels entlang der Auslasskanäle (Quadrate). Wenn die Teilchen aus der Falle (Pfeil) freigesetzt wird, entweicht es entlang einer der Auslasskanäle (Kreise). (C) Histogramm der Verschiebung der gefangenen Wulst (2,2 m Durchmesser) aus der Falle Zentrum entlang der Auslasskanäle.

Abbildung 2:. Schematische Darstellung der mikrofluidischen Vorrichtung zur hydrodynamischen Trapping Der hydrodynamische Falle ist unter Verwendung eines Zwei-Schicht-Mikrofluidikvorrichtung. Die fluidische Schicht besteht aus einer Probeneinlass, funser Puffer Buchten und zwei abflussöffnungen. Die Steuerung besteht aus einer pneumatischen Membran-Ventil auf der Oberseite eines der Auslasskanäle in der fluidischen Schicht entfernt. Eine Verengung in der gegnerischen Auslasskanal bietet eine Offset-Druck für das pneumatische Ventil. Typische Kanalabmessungen Bereich zwischen 100-500 um. Im Bereich (A), ist Probeneinlass flow von zwei Puffer Buchten konzentriert. Im Bereich (B), gegen Einlass-Streams auf das Kreuz-Schlitz Kreuzung, wo Trapping tritt zusammen. Das pneumatische Ventil (C) befindet sich oben auf einem der Auslasskanäle positioniert. Der Staupunkt Position moduliert wird durch die Regelung Druck auf das Ventil.