Einem mikrofluidischen-basierte Hydrodynamische Trap für einzelne Teilchen

Das übergeordnete Ziel dieser Methode ist es, einzelne mikro- und nanoskalige Partikel mittels laminarer Strömung in einem mikrofluidischen Gerät einzuschließen und zu manipulieren. Die hydrodynamische Falle besteht aus einer mikrofluidischen Vorrichtung mit einer Querschlitzkanalgeometrie, die an der Mikrokanalübergang eine Stagnationspunktströmung erzeugt. Ein On-Chip-Ventil, das sich in einem der Auslasskanäle befindet, wird verwendet, um den Flüssigkeitsfluss aktiv zu steuern und Partikel einzufangen.

Die Partikel werden durch aktive Steuerung der Position des Stagnationspunkts auf einen benutzerdefinierten Sollwert begrenzt. Ein Feedback-Regler wird verwendet, um die Partikelposition zu verfolgen und das On-Chip-Ventil so zu regeln, dass die Partikelposition auf dem Sollwert bleibt. Mit der hydrodynamischen Falle werden einzelne Partikel in verdünnten oder konzentrierten Partikellösungen gefangen und können mittels Fluoreszenz- oder Hellfeldmikroskopie abgebildet werden.

Ein einzelnes Partikel kann auf eine Abweichung von einem Mikrometer vom Fallenzentrum beschränkt sein, wie in der Partikelbahn und dem Histogramm der Partikelverschiebung vom Fallenzentrum gezeigt. Hallo, ich bin Eric Johnson Rio vom Labor von Professor Charles Schroer am Department of Chemical and Biomolecular Engineering und dem Center for Biophysics and Computational Biology hier an der University of Illinois. Hallo, mein Name ist Ari, ein Postdoktorand am Schroeder Lab.

Hallo, ich bin Cheryl Schroeder, und heute zeigen wir Ihnen, wie Sie ein mikrofluidisches Gerät zum hydrodynamischen Einfangen einzelner Partikel herstellen und implementieren können. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie optischen oder elektrokinetischen Fallen besteht darin, dass das hydrodynamische Einfangen durch die alleinige Wirkung der Flüssigkeitsströmung erreicht wird, wodurch potenziell proative vier Felder für das Einfangen von Nanopartikeln oder Zellen eliminiert werden. Diese Technik hat das Potenzial, die Grundlagen- und angewandte Wissenschaft zu verändern, indem sie das freie Einfangen von mikro- und nanoskaligen Partikeln ermöglicht, ohne dass Anforderungen an die chemischen oder physikalischen Eigenschaften des eingeschlossenen Partikels

Also lasst uns loslegen. Um das Abziehen der Repliken von den SU-Acht-Formen zu erleichtern, wird die Oberfläche der SU-Acht-Formen optimiert, indem die Wafer 10 Minuten lang mit einer Glasschale, die einige Tropfen Trichlor-Seline enthält, in ein Trockenmittel unter Vakuum gelegt werden, wobei gemischtes und DGAs PDMS für die Fluidik- und Kontrollschichten verwendet wird. Schleudern Sie das 15 zu 1 PDMS-Gemisch 30 Sekunden lang bei 750 U/min auf die Fluidschichtform und legen Sie den Wafer dann in eine Petrischale.

Legen Sie auf ähnliche Weise die Form der Kontrollschicht in eine Petrischale und gießen Sie eine fünf zu eins PDMS-Mischung bis zu einer Dicke von vier Millimetern auf die Form. Um die PDMS-Schichten teilweise auszuhärten, backen Sie die Wafer, schneiden Sie die PDMs 30 Minuten lang bei 70 Grad Celsius und lassen Sie sie auf Raumtemperatur abkühlen. Schneiden Sie die PDMS-Replik mit dem Skalpell aus und schälen Sie sie von der SU-Acht-Form.

Stanzen Sie dann mit der 21-Gauge-Nadel ein Loch in das PDMS als Zugangsöffnung zum Mikrokanal, der als On-Chip-Membranventil fungiert. Platzieren Sie das PDMS-Replikat mit einer Kontrollschicht auf dem Wafer mit der spinbeschichteten PDMS-Fluidikschicht. Richten Sie die Kontrollschicht vorsichtig mit einem Stereomikroskop an der Fluidikschicht aus und dichten Sie sie ab.

Stellen Sie sicher, dass Sie alle Lufteinschlüsse zwischen den Schichten entfernen und über Nacht bei 70 Grad Celsius backen, um beide Schichten nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur vollständig zu einer monolithischen PDMS-Platte mit zwei Schichten auszuhärten, verwenden Sie ein Skalpell, um die PDMS-Replik von der SU-Acht-Form zu schneiden und zu schälen, und verwenden Sie eine Rasierklinge, um überschüssiges PDMS zu entfernen und jede Geräteeinheit zu trennen. Nun können ganze Stanzöffnungen mit einer 21-Gauge-Nadel zu den Mikrokanälen in der Fluidikschicht gelangen. Reinigen Sie einen Deckglas mit Aceton IPA und trocknen Sie ihn mit Stickstoff ab.

Behandeln Sie sowohl das Deckglas als auch die PDMS-Nachbildungen 30 Sekunden lang mit Sauerstoffplasma unter 500 Millitorr. Und dann bringen Sie die beiden Oberflächen sofort in Kontakt, um eine irreversible Versiegelung zu bilden. Zum Schluss backen Sie die Geräte über Nacht, um die Haftung zwischen den PDMS-Schichten und dem Deckglas zu erhöhen.

Platzieren Sie zunächst das mikrofluidische Gerät auf dem Tisch eines inversen Mikroskops und befestigen Sie es mit Tischklammern. Um die Lösungen an das mikrofluidische Gerät zu liefern, füllen Sie anschließend eine Ein-Milliliter- und eine 250-Mikroliter-Gast-Tight-Spritze mit Puffer- bzw. Probenlösungen. Verwenden Sie ein T-Ventil zwischen der Probenspritze und dem Probenanschluss des mikrofluidischen Geräts, um die Probenabgabe zu steuern.

Stellen Sie nun die fluidischen Verbindungen zwischen den Spritzen und dem mikrofluidischen Gerät her, indem Sie per Fluoroxy-Schlauch, Köder-Lock-Adapter und 24-Gauge-Metallschläuche verwenden. Stellen Sie dann die fluidischen Verbindungen für die Auslasskanäle im mikrofluidischen Gerät mit PFA-Schläuchen und 24-Gauge-Metallschläuchen her. Um einen konstanten Druckabfall zwischen den Spritzen und den Auslasskanälen aufrechtzuerhalten, sollten die PFA-Schläuche für die Auslässe gleich lang sein und beide in ein mit Pufferlösung gefülltes 1,5-Milliliter-Zentrifugenröhrchen eingetaucht werden.

Füllen Sie das On-Chip-Ventil mit fluoriertem Trägeröl mit einer Drei-Milliliter-Lock-Kunststoffspritze, um zu verhindern, dass während des Betriebs Luft in die Fluidikschicht eindringt. Drücken Sie die Luft in der Ventilkammer durch die PDMS-Membran in den Mikrokanal. In der Fluidikschicht.

Für den Betrieb von On-Chip-Ventilen. Schließen Sie eine unter Druck stehende Inertgasversorgung an den Anschluss in der Steuerungsschicht an. Spülen Sie die fluidischen Anschlüsse und das mikrofluidische Gerät mit 0,5 Millilitern Pufferlösung, um sicherzustellen, dass alle Luftblasen aus dem System entfernt werden, einschließlich der Auslasskanäle

Typische Durchflussraten, die zum Reinigen von Blasen verwendet werden, liegen zwischen 2000 und 5.000 Mikrolitern pro Stunde, nachdem die Luftblasen aus den mikrofluidischen Kanälen gespült wurden, reduzieren Sie die Durchflussrate auf 50 bis 100 Mikroliter pro Stunde, was einer typischen volumetrischen Durchflussrate für das Einfangen von Partikeln entspricht. Schalten Sie nun das T-Ventil um, damit die Probe in das mikrofluidische Gerät fließen kann. Führen Sie den benutzerdefinierten Laboransichtscode aus, der das Partikelfangen durch die Implementierung eines linearen Feedback-Steuerungsalgorithmus automatisiert.

Der Code nimmt Bilder von einer CCD-Kamera auf und überträgt ein elektrisches Potential an einen Druckregler, der die Position eines On-Chip-Pneumatikventils aktiv moduliert. Positionieren Sie den Überfüllungsbereich mit dem XY-Translationstisch des Mikroskops in der Mitte der Kameraansicht. Bringen Sie den Überfüllungsbereich in den Fokus des Objektivs und passen Sie die Kameraeinstellungen an, um die Bildgebungsbedingungen zu optimieren.

Wählen Sie einen rechteckigen Bereich innerhalb des Sichtfelds der Kamera aus, sodass der Mittelpunkt des ROI die Position des Überfüllungsmittelpunkts ist. Initialisieren Sie nun den Offset-Druck, der auf das On-Chip-Ventil angewendet wird. Eine 100 bis 200 Mikrometer breite Verengung, die sich am gegenüberliegenden Auslasskanal befindet.

Stellt einen Offset-Druck für den Betrieb des On-Chip-Ventils bereit. Initiieren Sie den Feedback-Regler und passen Sie die proportionale Verstärkung an, um die Trap-Reaktion zu optimieren. Abhängig von der Durchflussmenge und der On-Chip-Ventilposition ergibt sich ein optimaler proportionaler Verstärkungswert, der die Stabilität der Falle erhöht und unerwünschte Partikelschwingungen eliminiert.

Der Lab-Ansichtscode fängt automatisch eines der Partikel ein, das in den Überfüllungsbereich eintritt. In diesem Video entsteht eine Partikelbewegung in Anströmrichtung, weil der Probeneinlassstrom offen gelassen wird, um die Dichtheit des Einschlusses in Einströmrichtung zu maximieren. Der Benutzer kann den Probenstrom während des Trapping schließen, wodurch der Fluss gleichmäßig in den Querkanalübergang ausbalanciert wird, das gefangene Partikel überwacht und den Partikelfokus innerhalb der Bildebene aufrechterhalten, indem er den manuellen Fokus oder ein automatisches Fokusmikroskop aufstellt

Die integrierte mikrofluidische Vorrichtung besteht aus einem Probenfokus, einer Kreuzschlitzübergangsstelle und einem pneumatischen Ventil. Die Abscheidung erfolgt an der Kreuzschlitzübergang, und die Partikelposition wird durch aktive Einstellung des Strömungsfeldes an der Mikrokanalüberleitung durch das Pneumatikventil gesteuert. Hier wird das Bild einer einzelnen Perle in der hydrodynamischen Falle eingeschlossen. Zusätzlich zu den in der Siphonmitte sind mehrere nicht eingeklemmte Sicken im Einklemmbereich an der Kreuzung des Loses zu sehen.

Die Flugbahn einer eingeschlossenen fluoreszierenden Polystyrolkugel von 2,2 Mikrometern wird kartiert. Das Partikel wird zunächst drei Minuten lang gefangen. Anschließend wird es aus der Falle gelöst und entweicht über einen der Auslasskanäle

Ein Histogramm der Verschiebung einer gefangenen Perle vom Fallenzentrum entlang der Richtung der Auslasskanäle zeigt, dass das Partikel innerhalb eines Mikrometers vom Fallenzentrum begrenzt ist. Heute haben wir die EM-Falle als Methode zum Freie-Lösungs-Einfangen von mikro- und nanoskaligen Partikeln unter Verwendung einer in einem mikrofluidischen Gerät erzeugten Punktströmung vorgestellt. Hydrodynamisches Trapping ermöglicht den Einschluss eines einzelnen Zielteilchens in konzentrierten Partikelsuspensionen, was mit alternativen Kraftfeld-basierten Trapping-Methoden schwierig ist.

Nach der Weiterentwicklung wird diese neue Technik wissenschaftliche Untersuchungen in den Bereichen Biophysik, Zellmechanik, Fluiddynamik, Enzymologie und Systembiologie ermöglichen. Vielen Dank fürs Zuschauen und wir hoffen, dass diese Technik für Ihre Experimente nützlich sein wird.