Name: Una de microfluidos basada en hidrodinámica trampa para las partículas individuales (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-01-21T17:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 13 s
Description: Aprende a confinar y manipular partículas individuales en microdispositivos mediante flujo laminar y control por retroalimentación. Este método de trampa hidrodinámica permite el estudio de partículas micro y nanométricas en suspensión.

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Damos las gracias al grupo Kenis en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign útil para los debates y ofrecer generosamente el uso de las instalaciones de sala blanca. Este trabajo fue financiado por el NIH Camino a la Independencia Premio de PI, la subvención No. 4R00HG004183-03 (Charles M. Schroeder y Tanyeri Melikhan). Este trabajo fue apoyado por la Fundación Científica Nacional a través de una Beca de Investigación de Postgrado de Eric M. Johnson-Chavarría.

La trampa de la hidrodinámica se compone de un híbrido de dos capas (polidimetilsiloxano (PDMS) / vidrio) dispositivo de microfluidos para el confinamiento de las partículas. Los pasos 1-2 describe la fabricación de dispositivos de microfluídica, y el proceso de diseño 4.3 dispositivo de discutir y operación. 1. SU-8 de fabricación del molde (no se muestra en el video) <ol><li> Limpiar dos obleas de silicio (3 "de diámetro) con acetona y alcohol isopropílico (IPA). </li><li> Obleas seco con N 2 y colocarlos en una placa calefactora a 65 ° C durante 1 minuto para eliminar la humedad residual. </li><li> Girar la oblea capa # 1 con SU-8 2050 fotosensible (PR) durante 30 segundos a 4000 rpm para crear un molde ~ 40 micras de espesor de la capa de fluido. Girar la oblea capa 2 con PR durante 30 segundos a 1500 rpm para crear un molde de ~ 150 m de espesor de la capa de control. </li><li> Soft oblea hornear # 1 a 65 ° C durante 3 minutos y luego a 95 ° C durante 6 minutos. Soft oblea hornear # 2 a 65 ° C durante 5 minutos y luego a 95 ° C durante 20 min. </li><li> Exponer las obleas a los rayos UV con sus respectivas máscaras (oblea de # 1: puertos y canales de fluidos, la oblea N º 2: el puerto y la capa de control) y la intensidad de la exposición adecuada (~ 150 mJ / cm 2, ~ 260 mJ / cm 2, respectivamente). </li><li> Después de la oblea hornear # 1 a 65 ° C durante 1 minuto y luego a 95 ° C durante 6 minutos. Después de la oblea hornear # 2 a 65 ° C durante 5 minutos y luego a 95 ° C durante 10 min. </li><li> Desarrollar obleas con acetato de propilenglicol metil éter (PGMEA) hasta curar PR se retira. Enjuague con obleas de IPA y secar con N 2. </li></ol> 2. Fabricación de dispositivos de microfluídica <ol><li> Silanizar la superficie de la SU-8 moldes mediante la colocación de las obleas en un desecador al vacío durante unos 10 minutos con un plato de vidrio que contiene unas pocas gotas de triclorosilano. Silanización superficie ayuda a pelar las réplicas (PDMS) de los moldes de SU-8. </li><li> Mezclar y desgasificar PDMS en la base de: Relaciones de entrecruzamiento de 15:1 y 5:1 para los fluidos y las capas de control, respectivamente. </li><li> Girar la capa de mezcla 15:01 PDMS en el molde de la capa de fluido (oblea de # 1) durante 30 segundos a 750 rpm y luego colocar la oblea en una placa de Petri. Coloque el molde de la capa de control en una placa de Petri y verter la mezcla 05:01 PDMS sobre el molde con un espesor de ~ 4 mm. </li><li> Hornear galletas / PDMS durante 30 minutos a 70 ° C para curar parcialmente las capas de PDMS. </li><li> Después de enfriar las galletas / PDMS a temperatura ambiente, reducir la réplica de PDMS, que forma la capa de control (oblea de # 2), de la placa de Petri con un bisturí y despegarlo del molde SU-8. Perforadora un puerto de acceso a los microcanales que actuará como válvula de membrana en un chip con una aguja de calibre 21. </li><li> Lugar la réplica de PDMS con la capa de control sobre la oblea N º 1 (que tiene el spin-revestido PDMS capa de fluido). Alinee con cuidado y sellar la capa de control de la capa de fluido mediante un microscopio estereoscópico. Asegúrese de eliminar todas las burbujas de aire entre las capas y hornee a 70 ° C durante la noche para curar por completo las dos capas. Esta etapa de cocción se traducirá en una losa monolítica PDMS con dos capas. </li><li> Después de enfriar a temperatura ambiente, cortar y pelar la réplica de PDMS que contienen tanto el control como las capas de fluidos de la SU-8 del molde usando un bisturí. Eliminar el exceso de PDMS y separar cada unidad de dispositivo con una cuchilla de afeitar. Perforadora puertos de acceso a los microcanales en la capa de fluido con una aguja de calibre 21. </li><li> Bonos del PDMS losa para un cubreobjetos para obtener un dispositivo completo. Primero, limpie un cubreobjetos (No: 1,5, 24 x 45 mm) con acetona y el IPA. A continuación, tratar tanto el cubreobjetos y las superficies de PDMS réplica con plasma de oxígeno por debajo de 500 mTorr durante 30 segundos, e inmediatamente poner las dos superficies en contacto para formar un sello irreversible. </li><li> Hornee los dispositivos durante la noche para aumentar la unión entre las capas de PDMS y cubreobjetos los. </li></ol> Pasos 3-4 describen la aplicación de la trampa de hidrodinámica de utilizar el dispositivo de microfluidos descrito anteriormente. 3. Instalación de trampas Experimental hidrodinámico <ol><li> Coloque el dispositivo de microfluidos en el escenario de un microscopio invertido y seguro que con los clips de la etapa. </li><li> Llenar dos jeringas herméticas por separado con las soluciones tampón y la muestra y colocarlos en una bomba de jeringa Harvard Apparatus (PHD 2000 Programable). El buffer y las soluciones de muestra se entregan con el dispositivo de microfluidos a través de una de 1 ml y una jeringa de 250 l, respectivamente. Típicamente, un 50 mM Tris / HCl solución tampón Tris (pH 8,0) que contenía 0,02% v / v Triton X-100 se utiliza como la solución tampón. La solución de la muestra consiste en una suspensión de partículas (por ejemplo, bolas de poliestireno fluorescente) en la solución tampón. </li><li> Establecer las conexiones de fluidos entre las jeringas (la entrega de la muestra y el tampón) y el dispositivo de microfluidos. Conectar las jeringas de 1 / 16 "de diámetro exterior (OD) x 0.020" de diámetro interior (ID) perfluoroalkoxy (PFA) de mangueras mediante adaptadores luer-lock. Conecte el otro extremo del tubo de PFA a los puertos de entrada del dispositivo de microfluidos con meta de calibre 24l tubo. Un T-válvula puede ser colocada entre la jeringa de la muestra y el puerto de la muestra en el dispositivo de microfluidos para controlar la entrega de la muestra. </li><li> Establecer las conexiones de fluidos en los canales de salida en el dispositivo de microfluidos. Conectar los dos canales de salida para tubo de PFA (1 / 16 "OD x 0.020" ID) mediante el uso de tubos de metal de calibre 24. El tubo de PFA de las salidas deben ser de igual longitud. Sumerja los tubos de salida en un tubo de centrífuga de 1,5 mL llena con una solución buffer, que sirve para mantener una caída de presión constante entre las jeringas y los canales de salida. </li><li> Llene la válvula en el chip con aceite portador fluorados con un 3 ml luer jeringa de plástico para evitar las fugas de aire en la capa de fluido durante la operación. El aire en la cámara de válvula es empujado a través de la membrana de PDMS en los microcanales en la capa de fluido y más tarde retirado del dispositivo con el flujo de fluido a través de los puertos de salida. </li><li> Conecte una presión de gas inerte (nitrógeno) de suministro para el puerto en la capa de control para la operación de la válvula en el chip. Para ello, se utiliza un tanque de nitrógeno (2200 psi) y un regulador electrónico de presión de suministro de 00 a 30 psi en la válvula en el chip en el dispositivo de microfluidos. El tanque de nitrógeno se conecta al regulador de presión con ¼ "OD x .170" tubería de identificación. El regulador de presión se conecta al dispositivo de microfluidos a través de 1 / 16 "OD x 0.020" tubo ID PFA con 24 tubos de metal de calibre en su término. </li><li> Enjuague las conexiones de fluidos y el dispositivo de microfluidos con 0,5 ml de solución tampón para asegurar que todas las burbujas de aire del sistema, incluyendo los canales de salida. Las tasas típicas de flujo utilizado para limpiar las burbujas rango entre 2000-5000 l / hr. Después de las burbujas de aire se lavan fuera de los canales de microfluidos, reducir el caudal de 50-100 l / h, que es una tasa de flujo volumétrico típica para la captura de las partículas. </li><li> En este punto, las conexiones se establecen de fluidos, la muestra y las soluciones tampón se entregan en el dispositivo de microfluidos con un caudal fijo (50-100 l / h), y el dispositivo está listo para la captura de hidrodinámica. </li></ol> 4. Procedimiento de captura hidrodinámico <ol><li> Ejecutar el código de costumbre-construido LabVIEW, que automatiza la captura de partículas (véase la Nota sobre el uso de LabVIEW código de abajo). </li><li> Usando el microscopio xy traducción etapa, la posición de la región de captura (cross-slot) en el centro de la vista de la cámara. Traer a la región de captura en el foco de la lente del objetivo y ajustar la configuración de la cámara para optimizar las condiciones de imagen. </li><li> Elija una región rectangular de interés (ROI) dentro del campo de la cámara de vista de tal manera que el centro del retorno de la inversión será la posición del centro de la trampa. </li><li> Inicializar la presión offset aplicada a la válvula en el chip. En uno de los canales de salida, una constricción 100-200 m de ancho se introduce para proporcionar una presión de desplazamiento de la válvula en el chip. La constante de off-set permite que la válvula de presión en el chip para ajustar la posición de punto de estancamiento en las inmediaciones del centro de la canal de la Mancha ranura. Para la mayoría de los experimentos, la presión de compensación se ajusta entre 0-12 psi dependiendo de las dimensiones del canal (altura y anchura), el ancho de la constricción, y las especificaciones de la válvula en el chip (tamaño de la válvula, el espesor de la membrana, etc.) </li><li> Iniciar el controlador de retroalimentación y ajuste la ganancia proporcional a optimizar la respuesta de la trampa. El controlador de retroalimentación ajusta la presión aplicada a la válvula en el chip con el fin de mover la posición del punto de estancamiento, lo que minimiza el error o la distancia entre la posición de la partícula y el punto (centro de la trampa). Dependiendo de la velocidad del flujo y la posición de la válvula en el chip, hay un valor óptimo de la ganancia proporcional, lo que aumenta la estabilidad de la trampa y elimina las oscilaciones no deseadas de las partículas. </li><li> Una trampa de partículas. El código de LabVIEW automáticamente trampa de una de las partículas que entran en la región de captura. Una vez que una partícula deseado es atrapado, se puede cerrar el flujo de la muestra y aislar la partícula atrapada en la solución tampón, si así lo desea. </li><li> Monitor de la partícula atrapada y mantener la concentración de partículas en el plano de la imagen utilizando el enfoque manual o una configuración de microscopio enfoque automático. Puede ser necesario ajustar levemente la ganancia proporcional del controlador de retroalimentación con el fin de garantizar la estabilidad de la trampa en el transcurso de un evento de captura de larga escala de tiempo (de minutos a horas). </li></ol> Código de LabVIEW: Nota sobre el uso para el controlador de Comentarios Atrapando las partículas automatizado se logra utilizando un algoritmo de control de retroalimentación lineal implementado mediante un código personalizado de LabVIEW. El código de LabVIEW captura imágenes de una cámara CCD y transmite un potencial eléctrico (voltaje) de un regulador de presión, que modula activamente la posición (estado parcialmente abierto / cerrado) de una válvula neumática en el chip dinámico. A medida que cambia la posición de la válvula, la tasa de flujo hidrodinámico en la línea de salida de un is ajustada, con lo que el cambio de posición del punto de estancamiento y que permite atrapar hidrodinámica. Los pasos en el circuito de retroalimentación de forma secuencial e iterativa ejecutado en la tasa de captura de imágenes (10-60 Hz). El código de LabVIEW ejecuta los siguientes pasos durante cada ciclo de retroalimentación: <ul><li> . Capturar la imagen Una imagen es adquirida por un "objetivo" de partículas en la región de la captura de los dispositivos de microfluidos con microscopía de fluorescencia con una lente de objetivo de 10x (NA: 0,4) y una cámara CCD. </li><li> Rastreo de partículas. Partículas posición centroide se determina, y el algoritmo de rastreo de partículas se inicia. Las partículas se localizan mediante el ajuste del perfil de intensidad de emisión de la partícula a una función de dispersión puntual (PSF), de la cual se determina la posición del centro de gravedad. </li><li> El control de flujo de campo. La presión actualizada destinada a la dinámica de la válvula en el chip se calcula utilizando un algoritmo de control de retroalimentación con un controlador proporcional. De esta manera, la acción de la válvula es volver a la posición del punto de estancamiento, que ejerce una fuerza sobre la partícula hidrodinámico para dirigir las partículas hacia el centro de la trampa. </li></ul> El código de LabVIEW registros de los siguientes datos para cada imagen capturada durante la captura de partículas: 1) el tiempo transcurrido, 2) centroide (x, y) la posición de la partícula atrapada, 3) la posición del centro de la trampa, 4) la distancia de la partícula de la presión trampa centro, 5) aplicada a la válvula en el chip. Además, el código también se graba una película de la partícula atrapada en formato AVI. 5. Resultados representante Estamos atrapados perlas fluorescentes de poliestireno de varios tamaños (100, 540, 830 nm y 2,2 m de diámetro) con una trampa hidrodinámica. Figura 1 (a) muestra una imagen de una partícula atrapada en el cruce transversal de la ranura de un dispositivo de microfluidos. La trayectoria de una partícula atrapada se puede determinar directamente a partir de los datos de posición registrados por el centro de gravedad código de LabVIEW en un evento de captura o mediante el seguimiento y la localización de la partícula atrapada en el archivo de película. Figura 1 (b) muestra la trayectoria de una partícula atrapada (2,2 micras fluorescentes de poliestireno de cuentas) a lo largo de la dirección del canal de salida. El grano es inicialmente atrapado (cuadrados) durante 3 min y se libera de la trampa y se escapa a lo largo de uno de los canales de salida (los círculos). Trayectorias de las partículas a lo largo del eje del flujo de compresión (dirección del canal de entrada, los datos no mostrados) son similares a las trayectorias de las partículas a lo largo del eje del flujo extensional (dirección salida) como se muestra en la Figura 1 (b). Un histograma de desplazamiento de partículas desde el centro de captura para una atrapada de bolas (2,2 m de diámetro) a lo largo de las direcciones de salida del canal se muestra en la Figura 1 (c). Utilizando el algoritmo de control de retroalimentación se describe en este trabajo, las partículas atrapadas se limitan a un margen de ± 1 m del centro de la trampa a lo largo de la entrada y salida de las direcciones de canal. Un esquema del dispositivo de microfluidos utilizados para la captura de hidrodinámica se muestra en la Figura 2. El dispositivo de microfluidos integrado consiste en una capa de fluido y una capa de control y se fabrica utilizando la litografía blanda estándar de múltiples capas como se describe en este artículo. La capa de fluido contiene los canales de amortiguación y de la muestra, así como la geometría de canales cruzados ranura para facilitar la captura de hidrodinámica. La capa de control consta de una válvula neumática situado sobre uno de los canales de salida en la capa de fluido, y el control de fluidos y capas están separadas por una delgada membrana elastomérica. Durante el funcionamiento del dispositivo, la válvula en la capa de control se presuriza con gas nitrógeno, que las fuerzas de la fina membrana en la capa de fluido, lo que induce una constricción en el canal de salida. La válvula neumática dinámica constriñe el canal de salida de cantidades variables, cambiando la presión aplicada a la capa de control, que ajusta las tasas de flujo relativo en los canales de salida y permite a escala fina de control del punto de estancamiento. <img src="/files/ftp_upload/2517/2517fig1.jpg" alt="Figura 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 1"> Figura 1: Captura de partículas. (A) Imagen de una sola cuenta confinado en la trampa de la hidrodinámica. Además de la perla en el centro de la trampa, varias cuentas interceptadas se muestran en la región de captura. (B) la trayectoria de una partícula atrapada a lo largo de los canales de salida (cuadrados). Cuando la partícula se libera de la trampa (flecha), que escapa a lo largo de uno de los canales de salida (los círculos). (C) histograma de los desplazamientos de una atrapada de cuentas (2,2 m de diámetro) del centro de la trampa a lo largo de los canales de salida. <img src="/files/ftp_upload/2517/2517fig2.jpg" alt="Figura 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 2"> Figura 2. Esquema del dispositivo de microfluidos para la captura de hidrodinámica La trampa de la hidrodinámica se construye utilizando un dispositivo de microfluidos de dos capas. La capa de fluido se compone de una entrada de la muestra, fnuestras entradas de buffer, y dos salidas de residuos. La capa de control consta de una válvula neumática de membrana situada en la parte superior de uno de los canales de salida en la capa de fluido. Una constricción en el canal de salida opuestos proporciona una presión de desplazamiento de la válvula neumática. Las dimensiones típicas de canales oscila entre 100-500 micras. En la región (A), es el flujo de entrada de la muestra se centró en dos entradas de búfer. En la región (B), oponiéndose a las corrientes de entrada convergen en el cruce transversal de la ranura donde se produce atrapamiento. La válvula neumática (C) se coloca en la parte superior de uno de los canales de salida. La posición del punto de estancamiento es modulada por la regulación de la presión de esta válvula.

<ol><li>Tanyeri, M., Johnson-Chavarria, E. M., Schroeder, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrodynamic+Trap+for+Single+Particles+and+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Hydrodynamic Trap for Single Particles and Cells.</a> Applied Physics Letters. 96, 224101-224101 (2010).</li>
<li>Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+a+Single-Beam+Gradient+Force+Optical+Trap+for+Dielectric+Particles%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Observation of a Single-Beam Gradient Force Optical Trap for Dielectric Particles.</a> Optics Letters. 11, 288-290 (1986).</li>
<li>Neuman, K. C., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Optical trapping.</a> Review of Scientific Instruments. 75, 2787-2809 (2004).</li>
<li>Gosse, C., Croquette, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+tweezers%3A+Micromanipulation+and+force+measurement+at+the+molecular+level%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Magnetic tweezers: Micromanipulation and force measurement at the molecular level.</a> Biophysical Journal. 82, 3314-3329 (2002).</li>
<li>Chiou, P. Y., Ohta, A. T., Wu, M. C., C, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Massively+parallel+manipulation+of+single+cells+and+microparticles+using+optical+images%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images.</a> Nature. 436, 370-372 (2005).</li>
<li>Cohen, A. E., Moerner, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Method+for+trapping+and+manipulating+nanoscale+objects+in+solution%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Method for trapping and manipulating nanoscale objects in solution.</a> Applied Physics Letters. 86, 093109-09 (2005).</li>
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<li>Lutz, B. R., Chen, J., Schwartz, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrodynamic+tweezers%3A+1.+Noncontact+trapping+of+single+cells+using+steady+streaming+microeddies%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Hydrodynamic tweezers: 1. Noncontact trapping of single cells using steady streaming microeddies.</a> Analytical Chemistry. 78, 5429-5435 (2006).</li>
</ol>

Los actuales métodos de microfluidos para la manipulación de partículas basado en el flujo hidrodinámico puede ser caracterizado como métodos de contacto basados ​​en o sin contacto. Póngase en contacto con los métodos basados ​​en el uso de flujo de fluidos para limitar físicamente e inmovilizar las partículas contra las paredes del canal microfabricated 9, mientras que los no-contacto métodos se basan en el flujo de circulación o microeddies 10. En este trabajo se presenta un método para la captu...

<table><tbody><tr><td>Aguja roma de calibre 21</td><td>Zephyrtronics</td><td>ZT-5-021-1-L</td><td>Para perforar orificios de acceso en PDMS</td></tr><tr><td>Jeringa plástica de 3 ml</td><td>BD Biosciences</td><td>309585</td><td>Para llenar la válvula con aceite</td></tr><tr><td>Obleas de Si</td><td>University Wafer</td><td></td><td>3&amp;#8221; P(100) pulidas por un solo lado, grado de prueba, 380 &amp;#x03BC;m</td></tr><tr><td>Cubreobjetos</td><td>VWR international</td><td>48404-428</td><td>24 x 40 mm #1.5</td></tr><tr><td>Tarjeta DAQ</td><td>National Instruments</td><td>PCI 6229</td><td></td></tr><tr><td>Perlas fluorescentes</td><td>Spherotech, Inc.</td><td>FP-2056-2</td><td>2.2 &amp;#x03BC;m de rojo de Nilo</td></tr><tr><td>Fluorinert </td><td>3M</td><td>FC 40</td><td>Aceite fluorado transportador</td></tr><tr><td>Microscopio invertido</td><td>Olympus Corporation</td><td>IX-71</td><td></td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments</td><td>Version 9.0f3 (32bit)</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio estereoscópico</td><td>Leica Microsystems</td><td>MZ6</td><td>Para alinear la capa de control de PDMS con la capa fluidica.</td></tr><tr><td>Horno mecánico con convección</td><td>VWR international</td><td>1300U</td><td>Para hornear dispositivos y crear láminas monolíticas de PDMS con dos capas.</td></tr><tr><td>Tubos y conectores microfluídicos</td><td>Upchurch Scientific</td><td></td><td>Tubo PFA de 1/16 x .020 y accesorios súper sin bridas</td></tr><tr><td>PDMS</td><td>GE Healthcare</td><td>RTV 615 A&amp;amp;B</td><td></td></tr><tr><td>Cámara de plasma</td><td>Harrick Scientific Products, Inc.</td><td>PDC-001</td><td></td></tr><tr><td>Transductor de presión</td><td>Proportion Air</td><td>DQPV1</td><td></td></tr><tr><td>Centrífuga de recubrimiento</td><td>Specialty Coating Systems</td><td>G3P-8 Spin Coat</td><td></td></tr><tr><td>Fotorresistencia</td><td>MicroChem Corp.</td><td>SU 8 2050</td><td></td></tr><tr><td>Bomba de jeringa</td><td>Harvard Apparatus</td><td>PHD 2000 Programable</td><td></td></tr><tr><td>Bloque de terminales</td><td>National Instruments</td><td>BNC 2110</td><td>Para salida analógica al regulador de presión y lectura.</td></tr><tr><td>Fuente de luz colimada UV y sistema de exposición</td><td>OAI</td><td>Model 30 Enhanced Light Source</td><td></td></tr></tbody></table>

una de microfluidos basada en hidrodinámica trampa para las partículas individuales

A Microfluidic-based Hydrodynamic Trap for Single Particles

La capacidad de confinar y manipular las partículas individuales en una solución libre es una tecnología clave para la ciencia fundamental y aplicada. Métodos para la captura de partículas basado en técnicas ópticas, magnéticas, electrocinética y acústicos han conducido a importantes avances en la física y la biología que van desde el molecular a nivel celular. En este artículo, se introduce una nueva técnica basada en microfluidos para atrapar las partículas y la manipulación basada únicamente en el flujo de fluido hidrodinámico. Usando este método, se demuestra la captura de partículas de micro-y nano-escala en soluciones acuosas de las escalas de tiempo. La trampa de la hidrodinámica se compone de un dispositivo integrado de microfluidos con una geometría de canales cruzados ranura en la que dos corrientes opuestas convergen laminar, lo que genera un flujo planar extensional con un punto de estancamiento de líquidos (cero punto la velocidad). En este dispositivo, las partículas están confinadas en el centro de la trampa de control activo del campo de flujo para mantener la posición de la partícula en el punto de estancamiento de líquidos. De esta manera, las partículas se encuentran atrapados en una solución de forma gratuita mediante un algoritmo de control de retroalimentación a cabo con un código personalizado, construido LabVIEW. El algoritmo de control consiste en la adquisición de imágenes de una partícula en el dispositivo de microfluidos, seguido por el rastreo de partículas, la determinación de la posición de la partícula centroide, y el ajuste activo del flujo de fluidos mediante la regulación de la presión aplicada a una válvula neumática en el chip con un regulador de presión. De esta manera, el on-chip las funciones dinámicas de la válvula de medición para regular las tasas de flujo relativo en los canales de salida, lo que permite a escala fina de control de posición de estancamiento punto y la captura de partículas. La trampa de la hidrodinámica de microfluidos basada en exposiciones de varias ventajas como un método para la captura de las partículas. Atrapando hidrodinámico es posible para cualquier partícula arbitraria sin requisitos específicos de las propiedades físicas o químicas del objeto atrapado. Además, la captura hidrodinámico permite el confinamiento de un objeto &quot;único&quot; objetivo de suspensiones de partículas concentradas o lleno de gente, que es difícil de usar la fuerza alternativa basada en el terreno los métodos de captura. La trampa de la hidrodinámica es fácil de usar, fácil de implementar y puede ser añadido a los actuales dispositivos de microfluídica para facilitar la captura y análisis a largo plazo de las partículas. En general, la trampa de la hidrodinámica es una nueva plataforma para el confinamiento, la micromanipulación, y la observación de las partículas sin inmovilización de superficie y elimina la necesidad de campos ópticos, magnéticos y eléctricos potencialmente perturbativa de la captura sin solución de partículas pequeñas.

En este artículo se presenta un método basado en microfluídica para el confinamiento de partículas basado en el flujo hidrodinámico. Demostramos atrapando partículas estables en un punto de estancamiento de líquido mediante un mecanismo de control de retroalimentación, lo que permite el confinamiento y la micromanipulación de partículas arbitrarias en un microdispositivo integrado.

Una de microfluidos basada en hidrodinámica trampa para las partículas individuales

La capacidad de confinar y manipular partículas individuales en solución libre es una tecnología habilitadora clave para la ciencia fundamental y aplicada. Los métodos para...

El objetivo general de este método es confinar y manipular partículas individuales a escala micro y nanométrica utilizando flujo laminar en un dispositivo microfluídico. La trampa hidrodinámica consiste en un dispositivo microfluídico con una geometría de canal en cruz, que da lugar a un flujo de punto de estancamiento en la unión del microcanal. Una válvula integrada situada en uno de los canales de salida se utiliza para controlar activamente el flujo de fluido y atrapar partículas.Las partículas se confinan en un punto de ajuste definido por el usuario mediante el control activo de la posición del punto de estancamiento. Se utiliza un controlador de retroalimentación para rastrear la posición de la partícula y regular la válvula en el chip a fin de mantener la posición de la partícula en el punto de ajuste. Mediante la trampa hidrodinámica, se pueden atrapar partículas individuales en soluciones de partículas diluidas o concentradas y se pueden observar mediante microscopía de fluorescencia o de campo brillante.Una única partícula puede quedar confinada a menos de un micrómetro del centro de la trampa, como se muestra en la trayectoria de la partícula y en el histograma del desplazamiento de la partícula respecto al centro de la trampa. Hola, soy Eric Johnson Rio del laboratorio del profesor Charles Schroer en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, y en el Centro de Biofísica y Biología Computacional de la Universidad de Illinois. Hola, mi nombre es Ari, investigador posdoctoral en el Laboratorio Schroeder.Hola, soy Cheryl Schroeder, y hoy les mostraré cómo fabricar e implementar un dispositivo microfluídico para el atrapamiento hidrodinámico de partículas individuales. La principal ventaja de esta técnica frente a métodos existentes, como las trampas ópticas o electrocinéticas, es que el atrapamiento hidrodinámico se logra únicamente mediante la acción del flujo de fluido, eliminando así campos externos potencialmente perjudiciales para el atrapamiento de nanopartículas o células. Esta técnica tiene el potencial de transformar la ciencia básica y aplicada al permitir el atrapamiento en solución libre de partículas a escala micro y nanométrica, sin requerimientos sobre las propiedades químicas o físicas de la partícula atrapada.Así que comencemos. Para facilitar la separación de las réplicas de los moldes de SU-8, silanice la superficie de los moldes de SU-8 colocando las obleas en un desecador bajo vacío durante 10 minutos con un recipiente de vidrio que contenga unas gotas de triclorosilano, utilizando PDMS mezclado con DGAs para las capas fluidica y de control. Aplique por centrifugado la mezcla de PDMS 15:1 sobre el molde de la capa fluidica durante 30 segundos a 750 RPM, y luego coloque la oblea en una placa de Petri.De manera similar, coloque el molde de la capa de control en una placa de Petri y vierta una mezcla de PDMS en proporción cinco a uno sobre el molde hasta alcanzar un espesor de cuatro milímetros. Para curar parcialmente las capas de PDMS, hornee las obleas o PDMS durante 30 minutos a 70 grados Celsius y luego déjelas enfriar a temperatura ambiente. Corte el replicado de PDMS con el bisturí y sepárelo del molde SU8.Luego, con la aguja de calibre 21, haga un orificio en el PDMS como puerto de acceso al microcanal que actuará como válvula de membrana en el chip. Coloque la réplica de PDMS con la capa de control sobre la oblea que tiene la capa fluidica de PDMS recubierta por centrifugado. Alinee cuidadosamente y selle la capa de control a la capa fluidica utilizando un microscopio estéreo.Asegúrese de eliminar todos los bolsillos de aire entre las capas y hornee a 70 grados Celsius durante la noche para curar completamente ambas capas en una placa monolítica de PDMS. Después de enfriar a temperatura ambiente, use un escalpelo para cortar y desprender la réplica de PDMS del molde SU-8 y use una cuchilla de afeitar para eliminar el exceso de PDMS y separar cada unidad del dispositivo. Ahora, perfore puertos de acceso a los microcanales en la capa fluidica con una aguja de calibre 21. Limpie una lámina de vidrio con acetona e IPA y séquela con nitrógeno.Someta ambas superficies, la cubreobjetos y la réplica de PDMS, a un plasma de oxígeno a 500 militorr durante 30 segundos. Luego, ponga inmediatamente ambas superficies en contacto para formar un sello irreversible. Finalmente, incube los dispositivos durante la noche para aumentar la unión entre las capas de PDMS y la cubreobjetos.Primero, coloque el dispositivo microfluídico sobre la platina de un microscopio invertido y fíjelo con pinzas de platina. A continuación, para introducir las soluciones en el dispositivo microfluídico, llene una jeringa hermética al gas de un mililitro y otra de 250 microlitros con las soluciones tampón y de muestra, respectivamente. Utilice una válvula en T entre la jeringa de muestra y el puerto de muestra en el dispositivo microfluídico para controlar la introducción de la muestra.Ahora establezca las conexiones fluidicas entre las jeringas y el dispositivo microfluídico, utilizando tubos de perfluoroxi, adaptadores de cierre tipo enchufe y tubos metálicos de calibre 24. Luego, establezca las conexiones fluidicas para los canales de salida en el dispositivo microfluídico con tubos de PFA y tubos metálicos de calibre 24. Para mantener una caída de presión constante entre las jeringas y los canales de salida, los tubos de PFA para las salidas deben tener la misma longitud y ambos deben estar sumergidos en un tubo de centrífuga de 1,5 mililitros lleno con solución tampón.Llene la válvula integrada con aceite portador fluorado utilizando una jeringa plástica de bloqueo de tres mililitros para evitar que entre aire en la capa fluidica durante la operación. Empuje el aire de la cámara de la válvula a través de la membrana de PDMS hacia el microcanal. En la capa fluidica.Para la operación de válvulas en el chip. Conecte una fuente de gas inerte presurizado al puerto en la capa de control. Enjuague las conexiones fluidicas y el dispositivo microfluídico con 0,5 mililitros de solución tampón para asegurar que todas las burbujas de aire sean eliminadas del sistema, incluyendo los canales de salida.Los caudales típicos utilizados para eliminar burbujas oscilan entre 2000 y 5000 microlitros por hora después de que las burbujas de aire se hayan eliminado de los canales microfluídicos; reduzca entonces el caudal a entre 50 y 100 microlitros por hora, que es un caudal volumétrico típico para el atrapamiento de partículas. Ahora cambie la válvula en T para permitir que la muestra fluya hacia el dispositivo microfluídico. Ejecute el código personalizado de LabVIEW, que automatiza el atrapamiento de partículas mediante la implementación de un algoritmo de control de retroalimentación lineal.El código captura imágenes de una cámara CCD y transmite un potencial eléctrico a un regulador de presión que modula activamente la posición de una válvula neumática en el chip. Utilizando el escenario de traslación XY del microscopio, coloque la región de atrapamiento en el centro del campo de visión de la cámara. Enfoque la región de atrapamiento mediante la lente del objetivo y ajuste la configuración de la cámara para optimizar las condiciones de imagen.Seleccione una región rectangular de interés dentro del campo de visión de la cámara de manera que el centro de la ROI sea la posición del centro de la trampa. Ahora inicialice la presión de desplazamiento aplicada a la válvula integrada. Una constricción de 100 a 200 micrones de ancho ubicada en el canal de salida opuesto.Proporciona una presión de compensación para el funcionamiento de la válvula integrada en el chip. Inicie el controlador de retroalimentación y ajuste la ganancia proporcional para optimizar la respuesta del trampa. Dependiendo del caudal y de la posición de la válvula en el chip, existe un valor óptimo de ganancia proporcional, que aumenta la estabilidad del trampa y elimina las oscilaciones no deseadas de las partículas.El código de vista de laboratorio atrapará automáticamente una de las partículas que entra en la región de atrapamiento. En este video, el movimiento de la partícula en la dirección del flujo entrante se debe a que la corriente de entrada de la muestra se deja abierta para maximizar la estrechez del atrapamiento en la dirección del flujo entrante. El usuario puede cerrar la corriente de muestra durante el atrapamiento, lo que equilibra uniformemente el flujo hacia la unión del canal en cruz, monitorear la partícula atrapada y mantener el enfoque de la partícula dentro del plano de la imagen utilizando el enfoque manual o un sistema de microscopio con enfoque automatizado.El dispositivo microfluídico integrado consta de un enfoque de muestra, una unión en cruz y una válvula neumática. El atrapamiento ocurre en la unión en cruz y la posición de la partícula se controla mediante el ajuste activo del campo de flujo en la unión del microcanal a través de la válvula neumática. Aquí se muestra una imagen de un único microesfera confinada en la trampa hidrodinámica. Además del centro de la trampa, se observan varias microesferas no atrapadas en la región de atrapamiento en la unión en cruz.Se traza la trayectoria de una microesfera fluorescente de poliestireno de 2,2 micrones atrapada. Inicialmente, la partícula se mantiene atrapada durante tres minutos. Luego se libera del trampa y escapa a lo largo de uno de los canales de salida.Un histograma del desplazamiento de una perla atrapada desde el centro de la trampa a lo largo de la dirección de los canales de salida indica que la partícula está confinada a menos de una micra del centro de la trampa. Hoy presentamos la trampa EM como un método para atrapar en solución libre partículas a escala micro y nanométrica mediante un punto de flujo estacionario generado dentro de un dispositivo microfluídico. El atrapamiento hidrodinámico permite el confinamiento de una partícula objetivo individual en suspensiones concentradas de partículas, lo cual es difícil de lograr con métodos alternativos de atrapamiento basados en campos de fuerza.Tras un mayor desarrollo, esta nueva técnica permitirá la exploración científica en los campos de la biofísica, la mecánica celular, la dinámica de fluidos, la enzimología y la biología de sistemas. Gracias por ver este video y esperamos que esta técnica sea útil para sus experimentos.

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