Picoinjection von Mikrofluidik-Tropfen ohne Metall-Elektroden

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Entwicklung, Herstellung und Verwendung von mikrofluidischen Chips, die in der Lage sind, Reagenzien präzise und kontrolliert in Wasser in Öltröpfchen zu injizieren, ein Prozess, der als Pico-Injektion bekannt ist. Dies wird erreicht, indem zunächst ein Gerät mit einem Emulsionskanal entworfen wird, der sich auf einen Durchmesser verengt, der kleiner ist als der der kugelförmigen Tröpfchen und sie gleichmäßig in inertem Trägeröl verteilt. In einem zweiten Schritt werden die Wasser- und Öltröpfchen in das Gerät eingebracht und strömen zur Injektionsstelle.

Ein senkrechter Kanal, der die zu injizierenden Reagenzien enthält. Als nächstes wird eine hohe Spannung an die Injektionsflüssigkeit angelegt, wenn Tröpfchen die Injektionsstelle passieren, um die Tröpfchen und die Injektionsflüssigkeit zu verschmelzen. Es werden Ergebnisse erzielt, die zeigen, dass durch Einstellen der Größe der angelegten Spannung das Volumen des injizierten Reagenzes bei Pikoliterauflösungen präzise gesteuert werden kann. Diese Technik entstand aus der Notwendigkeit heraus, die Herstellung unserer Geräte zu vereinfachen, indem Metallelektroden überflüssig wurden.

Die Vorteile gegenüber bestehenden Techniken, also die Leichtigkeit und Einfachheit des Gerätedesigns, der Herstellung und der Verwendung Die Metallelektroden, die in früheren Verfahren verwendet wurden, sind anfällig für Bremsen und empfindlich gegenüber Staub und Schmutz in den Kanälen während der Herstellung. Durch den Wegfall der Elektroden haben wir unsere Geräte robuster gemacht und unsere Fertigungseffizienz verbessert. Der erste Schritt besteht darin, einen mikrofluidischen Chip zu entwerfen, der auf den Anforderungen des Experiments basiert.

Verwenden Sie dazu eine computergestützte Designsoftware, um später fotolithographische Techniken zu nutzen. Dieses Chip-Design verfügt über Emulsionskanäle, die kleiner sind als die kugelförmigen Tröpfchen, die verwendet werden können, um eine effektivere Pico-Injektion zu ermöglichen. Die Pico-Injektionsstelle basiert auf einem in der Literatur gefundenen Design, bei dem die Metallelektroden entfernt wurden.

Zusätzliche Kanäle dienen als Faradayscher Graben, um vorgelagerte Tröpfchen vor dem elektrischen Feld abzuschirmen. Sobald das Design abgeschlossen ist, verwenden Sie weiche fotolithografische Techniken, um die Geräte herzustellen, und kleben Sie sie dann mit dem Gerät einsatzbereit auf einen Glasobjektträger. Bereiten Sie eine Luftdruckregelpumpe vor, um einen flüssigkeitshaltigen Behälter unter Druck zu setzen.

Verändern Sie dazu die Pumpenleistung so, dass die Druckluft durch einen langen Polyethylenschlauch mit einem Innendurchmesser von 2,7 Millimetern austritt. Beenden Sie den Schlauch, indem Sie ihn über den Nippel an der Rückseite einer Spritzenspitze legen. Nachdem Sie den Raum zwischen der Spritze und dem Schlauch mit Epoxidharz verschlossen haben, befestigen Sie eine 27,5-Gauge-Nadel mit Reagenzien, die für das Experiment geeignet sind.

Bereiten Sie eine gleichmäßige Emulsion aus wässrigen Tröpfchen vor, die in Trägeröl suspendiert sind. Laden Sie die Emulsion in eine Ein-Milliliter-Spritze, die mit einer 27,5-Gauge-Nadel ausgestattet ist. Befestigen Sie dann die Spritze in einer Spritzenpumpe und richten Sie sie mit einer Nadel nach oben aus.

Der nächste Schritt besteht darin, Reagenzien für die Einführung in das mikrofluidische Gerät und deren Reservoire vorzubereiten. Beginnen Sie mit einem 15-Milliliter-Zentrifugenröhrchen und einer Kappe. Verwenden Sie einen Biopsiestanzer oder ein anderes praktisches Werkzeug, um drei 0,5 Millimeter große Löcher in die Kappe zu stanzen.

Bereiten Sie eine Drahtelektrode vor, die einen Durchmesser von 0,5 Millimetern hat und einige Zentimeter länger ist als das Zentrifugenröhrchen. Führen Sie diese Elektrode in ein Loch in der Kappe ein. Stellen Sie sicher, dass es den Boden des Rohrs erreicht und einige Zentimeter über die Oberseite hinausragt.

Bereiten Sie als Nächstes einen etwa 20 Zentimeter langen Polyethylenschlauch vor. Führen Sie diese in ein zweites Loch ein. Auch hier sollte es den Boden des Rohrs im verbleibenden Loch erreichen.

Fädeln Sie etwa 2,5 Zentimeter einen Polyethylenschlauch ein. Dieses Rohr ruht über dem Flüssigkeitsspiegel. Tragen Sie UV-härtendes Epoxidharz auf, um die Lücken auf der Oberseite der Kappe abzudichten.

Wenn die Aushärtung abgeschlossen ist, füllen Sie das Röhrchen mit der gewünschten Pico-Injektionsflüssigkeit hier, 100 Millimolar Natriumchlorid und schrauben Sie die Kappe auf. Verbinden Sie den Ausgang der Luftdruckregelpumpe mit der kürzeren Schlauchlänge in der Kappe. Durch das Einführen der Nadel in das Lumen sollte die Nadel eng anliegen.

Setzen Sie das Zentrifugenröhrchen in seine Halterung ein. Fahren Sie fort, indem Sie eine Ein-Milliliter-Spritze mit einem molaren Natriumchlorid füllen. Um als Faraday-Burggrabenflüssigkeit zu dienen, schließen Sie eine 27,5-Gauge-Nadel an und befestigen Sie die Spritze an einer Spritzenpumpe.

Füllen Sie eine weitere Milliliterspritze mit Träger-Spaceröl. Schließen Sie eine 27,5-Gauge-Nadel an und befestigen Sie sie in einer Spritzenpumpe. An dieser Stelle können Verbindungen zum mikrofluidischen Chip hergestellt werden.

Stellen Sie zunächst sicher, dass der Chip auf einer ebenen Fläche befestigt ist. Bringen Sie dann das offene Ende des langen Schlauchs aus dem Behälter für die Einspritzflüssigkeit zum Chip. Verbinden Sie dieses Rohr mit der Einlassöffnung der Pico-Injektionsflüssigkeit auf dem Mikrofluidik-Chip.

Befestigen Sie dann einen Polyethylenschlauch an der Spritze mit Natriumchlorid und verlängern Sie ihn bis zum Chip. Befestigen Sie es an der Einlassöffnung für den Faradayschen Burggraben. Verwenden Sie außerdem einen Schlauch, um die Spritze mit dem Trägeröl an den Einlassanschluss des Geräts anzuschließen.

Beenden Sie ein Rohr, das von der Emulsionsauslassöffnung kommt, in ein Auffanggefäß. Verwenden Sie schließlich einen Schlauch, um die Auslassöffnung des Faradayschen Grabens mit einem nicht leitenden, elektrisch isolierten Behälter zu verbinden. Am Ende sieht der mikrofluidische Chip so aus.

Nehmen Sie nun einen Draht aus der Masse eines Hochspannungsverstärkers und verlängern Sie ihn mit Natriumchlorid bis zur Nadel der Spritze. Verwende eine Krokodilklemme, um den Draht an der Nadel zu befestigen. Verlängern Sie einen weiteren Draht vom Hochspannungsausgang des Verstärkers zu der Elektrode, die in die Pico-Injektionsflüssigkeit eingetaucht ist.

Verwenden Sie eine Krokodilklemme, um den Anschluss als Eingang zum Verstärker herzustellen. Verwenden Sie den Computerausgang eines softwaregesteuerten Signalgenerators. Beginnen Sie die Infusion des Systems, indem Sie die eine molare Natriumchlorid-Faraday-Partikelflüssigkeit mit 100 Mikrolitern pro Stunde in das Gerät einführen.

Danach starten Sie das Tröpfchen, die Emulsion und das Trägeröl, damit die Tröpfchen in regelmäßigen Abständen den Pico-Injektor passieren können, getrennt durch einen Spalt aus Trägeröl. Passen Sie den auf die Pico-Injektionsflüssigkeit ausgeübten Druck so an, dass sich die Flüssigkeit an der Pico-Injektionsöffnung in den Tröpfchenkanal wölbt, aber nicht abbricht, um ihre eigenen Tropfen zu bilden. Verwenden Sie den Wellenformgenerator, um ein 10-Kilohertz-A-C-Signal mit einer Amplitude von null bis 10 Volt zu erzeugen, das vom Hochspannungsverstärker tausendfach verstärkt wird.

Um eine Pico-Injektion zu erreichen. Wenden Sie dieses Signal an die Tröpfchen an, wenn sie die Injektionsöffnung passieren, und verwenden Sie die Amplitude als Parameter. Dieser Film zeigt die selektive Injektion von Tröpfchen in Abhängigkeit von der Anwesenheit eines Fluoreszenzfarbstoffs.

In diesem Fall passieren 200 Tropfen pro Sekunde den Injektor, aber mit einem richtigen Tröpfchenerkennungsmechanismus sind Raten von bis zu 10.000 pro Sekunde möglich. Diese Abbildungen zeigen den eingespritzten Volumenanteil als Funktion der angelegten Spannung für verschiedene Molaritätsinjektionsflüssigkeiten. Es wird angenommen, dass höhere Spannungen zu einem früheren Beginn der Koaleszenz führen, was zu längeren Einspritzzeiten und -volumina führt.

Diese zweidimensionale Heatmap zeigt die Beziehung zwischen der Molarität der ionischen Lösung und der Spannung, die zum Erreichen des Injektionsvolumens erforderlich ist. Lösungen mit niedrigerer Molarität erfordern höhere Spannungen, da sie das elektrische Feld an der Injektionsstelle leichter reduzieren. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie schnell und robust mikrofluidische Geräte entwerfen und herstellen können, die eine präzise und kontrollierbare Injektion von Reagenzien in Ihre Tröpfchen ermöglichen.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Hochspannung äußerst gefährlich sein kann. Vorsichtsmaßnahmen wie ordnungsgemäße Erdung, persönliche Schutzausrüstung und eingebaute Ausfallsicherungen sollten immer verwendet werden.