Einem mikrofluidischen-basierte Hydrodynamische Trap für einzelne Teilchen

Das übergeordnete Ziel dieser Methode besteht darin, einzelne mikro- und nanoskalige Partikel mithilfe einer laminaren Strömung in einer mikrofluidischen Vorrichtung einzuschließen und zu manipulieren. Die hydrodynamische Falle besteht aus einer mikrofluidischen Vorrichtung mit einer kreuzförmigen Kanalgeometrie, die an der Mikrokanalverbindung zu einer Staupunktströmung führt. Ein auf dem Chip integriertes Ventil, das sich in einem der Auslasskanäle befindet, dient zur aktiven Steuerung der Fluidströmung und zum Einfangen von Partikeln.

Teilchen werden durch aktive Steuerung der Staupunktposition an einem benutzerdefinierten Sollwert gehalten. Ein Regelkreis verfolgt die Teilchenposition und steuert das Chipventil so, dass die Teilchenposition am Sollwert gehalten wird. Mit der hydrodynamischen Falle können einzelne Teilchen in verdünnten oder konzentrierten Teilchenlösungen fixiert und mittels Fluoreszenz- oder Hellfeldmikroskopie abgebildet werden.

Ein einzelnes Teilchen kann auf einen Bereich von einem Mikrometer um das Fallen-Zentrum herum eingeschlossen werden, wie aus der Teilchenbahn und dem Histogramm der Teilchenverschiebung relativ zum Fallen-Zentrum hervorgeht. Hallo, ich bin Eric Johnson Rio aus dem Labor von Professor Charles Schroer am Department für Chemische und Biomolekulare Verfahrenstechnik sowie am Zentrum für Biophysik und Computerbiologie an der University of Illinois. Hallo, ich heiße Ari und bin Postdoktorand im Schroeder-Labor.

Hallo, ich bin Cheryl Schroeder, und heute zeigen wir Ihnen, wie man ein mikrofluidisches Gerät zur hydrodynamischen Fixierung einzelner Partikel herstellt und anwendet. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie optischen oder elektrokinetischen Fallen besteht darin, dass die hydrodynamische Fixierung allein durch die Wirkung des Fluidstroms erreicht wird, wodurch potenziell schädliche Felder für die Fixierung von Nanopartikeln oder Zellen entfallen. Diese Technik könnte die Grundlagen- und angewandte Forschung verändern, indem sie die Fixierung von mikro- und nanoskaligen Partikeln in freier Lösung ermöglicht, ohne Anforderungen an die chemischen oder physikalischen Eigenschaften des fixierten Partikels zu stellen.

Beginnen wir nun. Um das Abziehen der Abgüsse von den SU-8-Formen zu erleichtern, passivieren Sie die Oberfläche der SU-8-Formen, indem Sie die Wafer zusammen mit einer Glaswanne, die einige Tropfen Trichlorsilan enthält, 10 Minuten lang im Vakuum desiccieren. Verwenden Sie gemischtes DGA-PDMS für die Fluidik- und Steuerschichten. Beschichten Sie die 15:1-PDMS-Mischung durch Aufspinnen 30 Sekunden lang bei 750 U/min auf der Form für die Fluidikschicht und stellen Sie danach den Wafer in eine Petrischale.

Entsprechend wird die Form für die Steuerschicht in eine Petrischale gegeben und eine PDMS-Mischung im Verhältnis fünf zu eins mit einer Dicke von vier Millimetern auf die Form gegossen. Um die PDMS-Schichten teilweise auszuhärten, werden die Wafer beziehungsweise PDMS 30 Minuten bei 70 Grad Celsius erhitzt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Die PDMS-Abformung wird mit dem Skalpell ausgeschnitten und von der SU-8-Form abgezogen.

Danach mit der 21-Gauge-Nadel ein Loch in das PDMS stechen, das als Zugangsöffnung zu dem Mikrokanal dient, der als Membranventil auf dem Chip fungieren wird. Platziere das PDMS-Abbild mit einer Steuerschicht auf dem Wafer mit der spinbeschichteten PDMS-Fluidikschicht. Richten Sie die Steuerschicht sorgfältig unter Verwendung eines Stereomikroskops aus und verschließen Sie sie mit der Fluidikschicht.

Stellen Sie sicher, dass alle Luftblasen zwischen den Schichten entfernt werden, und härten Sie über Nacht bei 70 Grad Celsius aus, um beide Schichten nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur zu einer monolithischen PDMS-Platte mit zwei Schichten zu verfestigen. Verwenden Sie ein Skalpell, um die PDMS-Abformung vom SU-8-Formkörper abzuschneiden, und entfernen Sie mit einer Rasierklinge überschüssiges PDMS, um jede einzelne Baueinheit zu trennen. Stanzen Sie nun mit einer 21-Gauge-Nadel Zugangsöffnungen zu den Mikrokanälen in der fluidischen Schicht aus. Reinigen Sie eine Deckglasplatte mit Aceton und IPA und trocknen Sie sie mit Stickstoff.

Behandeln Sie sowohl die Deckglas- als auch die PDMS-Abformungsoberflächen mit Sauerstoffplasma bei 500 Millitorr für 30 Sekunden. Bringen Sie anschließend sofort die beiden Oberflächen in Kontakt, um eine irreversible Dichtung zu bilden. Schließlich heizen Sie die Vorrichtungen über Nacht, um die Bindung zwischen den PDMS-Schichten und dem Deckglas zu verstärken.

Platzieren Sie zunächst das mikrofluidische Gerät auf dem Objekttisch eines invertierten Mikroskops und sichern Sie es mit Objekttischklammern. Füllen Sie zur Zufuhr der Lösungen in das mikrofluidische Gerät eine Ein-Milliliter- und eine 250-Mikroliter-Gasspritze jeweils mit Puffer- und Probenlösung. Verwenden Sie ein T-Ventil zwischen der Proben-Spritze und dem Probenanschluss am mikrofluidischen Gerät, um die Probenzufuhr zu steuern.

Stellen Sie nun die fluidischen Verbindungen zwischen den Spritzen und der mikrofluidischen Vorrichtung unter Verwendung von Perfluoralkoxy-Rohrleitungen, Luer-Lock-Adaptern und Metallrohren mit 24 Gauge her. Danach werden die fluidischen Verbindungen für die Auslasskanäle der mikrofluidischen Vorrichtung mit PFA-Rohrleitungen und Metallrohren mit 24 Gauge hergestellt. Um einen konstanten Druckabfall zwischen den Spritzen und den Auslasskanälen aufrechtzuerhalten, sollten die PFA-Rohrleitungen für die Auslässe gleich lang sein und beide in einem 1,5-Milliliter-Zentrifugenröhrchen, das mit Pufferlösung gefüllt ist, untergetaucht sein.

Füllen Sie das auf dem Chip befindliche Ventil mit fluorierter Trägeröl unter Verwendung einer dreimilliliterigen Luer-Lock-Kunststoffspritze, um zu verhindern, dass während des Betriebs Luft in die fluidische Schicht eindringt. Drücken Sie die Luft in der Ventilkammer durch die PDMS-Membran in den Mikrokanal. In der fluidischen Schicht.

Für den Betrieb der Ventile auf dem Chip. Schließen Sie eine Druckgasversorgung mit inertem Gas an den Anschluss in der Steuerschicht an. Spülen Sie die fluidischen Anschlüsse und die mikrofluidische Vorrichtung mit 0,5 Milliliter Pufferlösung, um sicherzustellen, dass alle Luftblasen aus dem System entfernt werden, einschließlich der Auslasskanäle.

Typische Durchflussraten zum Entfernen von Blasen liegen zwischen 2000 und 5.000 Mikrolitern pro Stunde, nachdem die Luftblasen aus den mikrofluidischen Kanälen ausgespült wurden. Verringern Sie die Durchflussrate dann 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, sodass die Probe in die mikrofluidische Vorrichtung fließen kann. Führen Sie den speziell entwickelten LabVIEW-Code aus, der das Einfangen von Partikeln durch Implementierung eines linearen Rückkopplungsregelungsalgorithmus automatisiert.

Der Code erfasst Bilder von einer CCD-Kamera und sendet ein elektrisches Potential an einen Druckregler, der die Position eines pneumatischen Ventils auf dem Chip aktiv moduliert. Positionieren Sie mithilfe des Mikroskop-X-Y-Verfahrstages den Fangbereich in der Mitte des Kamerabilds. Bringen Sie den Fangbereich in den Fokus der Objektivlinse und passen Sie die Kameraeinstellungen an, um die Bildgebungsbedingungen zu optimieren.

Wählen Sie einen rechteckigen interessierenden Bereich innerhalb des Sichtfelds der Kamera, sodass der Mittelpunkt des interessierenden Bereichs mit der Position des Fallenmittelpunkts übereinstimmt. Initialisieren Sie nun den Offset-Druck, der auf das on-chip-Ventil angewendet wird. Eine 100 bis 200 Mikrometer breite Einschnürung befindet sich am gegenüberliegenden Auslasskanal.

Stellt einen Offset-Druck für den Betrieb des auf dem Chip integrierten Ventils bereit. Starten Sie den Regler und stellen Sie die proportionale Verstärkung ein, um die Reaktion der Falle zu optimieren. Abhängig von der Durchflussrate und der Position des auf dem Chip integrierten Ventils existiert ein optimaler Wert der proportionalen Verstärkung, der die Stabilität der Falle erhöht und unerwünschte Teilchenoszillationen unterdrückt.

Der Lab-View-Code fängt automatisch eines der Teilchen ein, die in den Fangbereich eintreten. In diesem Video resultiert die Teilchenbewegung in Strömungsrichtung daraus, dass der Probenzulauf offen gelassen wird, um die Enge der Einsperrung in Strömungsrichtung zu maximieren. Der Benutzer kann den Probenstrom während des Fangvorgangs schließen, wodurch die Strömung gleichmäßig in die Kreuzkanalverbindung verteilt wird, das eingefangene Teilchen beobachten und den Fokus des Teilchens innerhalb der Bildebene mithilfe einer manuellen Fokussierung oder einer automatisierten Mikroskop-Fokussierung beibehalten.

Das integrierte mikrofluidische Gerät besteht aus einer Probenfokussierung, einer Kreuzkanalverbindung und einem pneumatischen Ventil. Die Einfangung erfolgt an der Kreuzkanalverbindung, und die Partikelposition wird durch aktive Anpassung des Strömungsfeldes an der Mikrokanalverbindung über das pneumatische Ventil gesteuert. Hier ist ein Bild einer einzelnen Kugel gezeigt, die in der hydrodynamischen Falle fixiert ist. Zusätzlich zur Kugel im Zentrum der Falle sind mehrere nicht eingefangene Kugeln im Einfangbereich an der Kreuzkanalverbindung dargestellt.

Die Trajektorie eines eingefangenen 2,2 µm großen fluoreszierenden Polystyrol-Partikels wird aufgezeichnet. Das Teilchen wird zunächst drei Minuten lang festgehalten. Anschließend wird es aus der Falle freigegeben und entweicht entlang eines der Auslasskanäle.

Ein Histogramm der Verschiebung eines eingefangenen Partikels vom Zentrum der Falle entlang der Richtung der Auslasskanäle zeigt, dass sich das Teilchen innerhalb eines Mikrometers vom Fallezentrum befindet. Heute haben wir die hydrodynamische Falle als Methode zur Freilösungseinfangung von mikro- und nanoskaligen Partikeln vorgestellt, die einen Staupunktfluss nutzt, der innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung erzeugt wird. Die hydrodynamische Einfangung ermöglicht die Beschränkung eines einzelnen Zielteilchens in konzentrierten Teilchensuspensionen, was mit alternativen, auf Kraftfeldern basierenden Einfangmethoden schwer zu erreichen ist.

Nach weiterer Entwicklung ermöglicht diese neue Technik wissenschaftliche Untersuchungen in den Bereichen Biophysik, Zellmechanik, Strömungsdynamik, Enzymologie und Systembiologie. Vielen Dank fürs Zuschauen, und wir hoffen, dass diese Technik für Ihre Experimente nützlich sein wird.