Picoinjection de microfluidos gotas sin electrodos metálicos

El objetivo general de este procedimiento es diseñar, fabricar y utilizar chips microfluídicos capaces de inyectar con precisión y control reactivos en gotas de agua en aceite, un proceso conocido como picoinyección. Esto se logra primero diseñando un dispositivo con un canal de emulsión que se estrecha hasta un diámetro menor que el de las gotas esféricas y las espacia uniformemente dentro de aceite inerte portador. Como segundo paso, las gotas de agua y aceite se introducen en el dispositivo y fluyen hacia el sitio de inyección.

Un canal perpendicular que contiene los reactivos que se inyectarán. A continuación, se aplica un alto voltaje al fluido de inyección mientras las gotas pasan por el sitio de inyección, con el fin de provocar la fusión entre las gotas y el fluido de inyección. Los resultados obtenidos muestran que, al ajustar la magnitud del voltaje aplicado, el volumen del reactivo inyectado puede controlarse con precisión a resoluciones del orden de picolitros. Esta técnica surgió de la necesidad de simplificar la fabricación de nuestros dispositivos, eliminando la necesidad de electrodos metálicos.

Las ventajas frente a las técnicas existentes son la facilidad y simplicidad en el diseño, la fabricación y el uso del dispositivo. Los electrodos metálicos utilizados en métodos anteriores son propensos a romperse y sensibles al polvo y los residuos en los canales durante la fabricación. Al eliminar los electrodos, hemos hecho que nuestros dispositivos sean más robustos y hemos mejorado la eficiencia de la fabricación. El primer paso consiste en diseñar un chip microfluídico según las necesidades del experimento.

Utilice un software de diseño asistido por computadora para esto, con el fin de poder emplear técnicas de fotolitografía posteriormente. Este diseño de chip tiene canales para emulsión más pequeños que las gotas esféricas que se utilizarán, lo que permite una picoinyección más eficaz. El sitio de picoinyección se basa en un diseño descrito en la literatura, con los electrodos metálicos eliminados.

Canales adicionales sirven como foso de Faraday para proteger a las gotas aguas arriba del campo eléctrico. Una vez completado el diseño, utilice técnicas de litografía fotográfica suave para fabricar los dispositivos, luego sélalos a una portaobjetos de vidrio con el dispositivo listo para su uso. Prepare una bomba de control de presión de aire para presurizar un depósito que contenga fluido.

Haga esto modificando la salida de la bomba de modo que el aire presurizado salga a través de un tramo de tubo de polietileno con un diámetro interno de 2,7 milímetros. Termine el tubo colocándolo sobre la boquilla en la parte trasera de la punta de una jeringa. Después de sellar el espacio entre la jeringa y el tubo con epoxi, fije una aguja de calibre 27,5 utilizando reactivos apropiados para el experimento.

Prepare una emulsión uniforme de gotas acuosas suspendidas en aceite portador. Cargue la emulsión en una jeringa de un mililitro equipada con una aguja de calibre 27,5. Luego asegure la jeringa en una bomba de jeringa y oriente la aguja hacia arriba.

El siguiente paso consiste en preparar los reactivos para su introducción en el dispositivo microfluídico y sus depósitos. Comience con un tubo centrífugo de 15 mililitros y su tapa. Utilice un punzón de biopsia u otra herramienta adecuada para hacer tres orificios de 0,5 milímetros en la tapa.

Prepare un electrodo de alambre con un diámetro de 0,5 milímetros y una longitud de varios centímetros más larga que el tubo de centrífuga. Introduzca este electrodo en uno de los orificios de la tapa. Asegúrese de que llegue hasta el fondo del tubo y sobresalga varios centímetros por encima del extremo superior.

A continuación, prepare un tramo de aproximadamente 20 centímetros de longitud de tubo de polietileno. Inserte esto en un segundo orificio. Nuevamente, debe llegar hasta el fondo del tubo en el orificio restante.

Introduzca aproximadamente 2,5 centímetros de tubo de polietileno. Este tubo quedará por encima del nivel del líquido. Aplique epoxi curable con luz UV para sellar las aberturas en la parte superior de la tapa.

Una vez finalizada la curación, llene el tubo con el fluido de inyección pico deseado aquí, cloruro de sodio 100 milimolar, y coloque firmemente la tapa. Conecte la salida de la bomba de control de presión de aire al tramo más corto de tubo en la tapa. Al insertar la aguja en la luz, esta debe encajar de forma ajustada.

Coloque el tubo de centrífuga en su soporte. Proceda llenando una jeringa de un mililitro con cloruro de sodio uno molar. Para que sirva como fluido del foso de Faraday, conecte una aguja de calibre 27,5 y asegure la jeringa en una bomba de jeringa.

Llene otra jeringa de un mililitro con aceite espaciador portador. Conecte una aguja de calibre 27,5 y fíjela en una bomba de jeringa. En este punto, se pueden realizar las conexiones al chip microfluídico.

Primero, asegúrese de que el chip esté fijado sobre una superficie plana. A continuación, lleve el extremo abierto del tubo largo del recipiente de fluido de inyección hasta el chip. Conecte este tubo al puerto de entrada del fluido de inyección pico en el chip microfluídico.

Luego, conecte un tubo de polietileno a la jeringa que contiene cloruro de sodio y extiéndalo hasta el chip. Conéctelo al puerto de entrada para el foso de Faraday. Asimismo, utilice tubos para conectar la jeringa que contiene el aceite portador a su puerto de entrada en el dispositivo.

Termine un tubo que proviene del puerto de salida de la emulsión en un recipiente de recolección. Finalmente, use tubos para conectar el puerto de salida del foso de Faraday a un recipiente aislado eléctricamente no conductor. Al final, el chip microfluídico tiene este aspecto.

Ahora tome un cable desde la tierra de un amplificador de alto voltaje y conéctelo a la aguja de la jeringa con cloruro de sodio. Utilice una pinza cocodrilo para fijar el cable a la aguja. Conecte otro cable desde la salida de alto voltaje del amplificador hasta el electrodo sumergido en el fluido de inyección pico.

Utilice un clip de cocodrilo para realizar la conexión como entrada al amplificador. Utilice la salida del ordenador de un generador de formas de onda controlado por software. Comience la infusión en el sistema introduciendo el fluido de mota de faraday de cloruro de sodio uno molar en el dispositivo a 100 microlitros por hora.

A continuación, inicie el flujo de la fase dispersa, la emulsión y el aceite portador para permitir que las gotas pasen por el inyector pico a intervalos regulares, separadas por un espacio de aceite portador. Ajuste la presión aplicada al fluido de inyección pico de manera que el fluido en la abertura de inyección pico sobresalga hacia el canal de gotas, pero no se separe para formar sus propias gotas. Utilice el generador de ondas para producir una señal de corriente alterna de 10 kilohercios con una amplitud de cero a 10 voltios que será amplificada mil veces por el amplificador de alto voltaje.

Para lograr la inyección pico, aplique esta señal a las gotas mientras pasan por el orificio de inyección y utilice la amplitud como un parámetro. Esta película muestra la inyección selectiva de gotas según la presencia de un colorante fluorescente.

En este caso, 200 gotas por segundo pasaron por el inyector, pero tasas de hasta 10 000 por segundo son posibles con un mecanismo adecuado de detección de gotas. Estas figuras muestran la fracción de volumen inyectado en función del voltaje aplicado para distintos fluidos de inyección en molaridad. Se cree que voltajes más altos provocan un inicio más temprano de la coalescencia, lo que lleva a mayores duraciones y volúmenes de inyección.

Este mapa de calor bidimensional muestra la relación entre la molaridad de la solución iónica y el voltaje necesario para lograr volúmenes de inyección. Las soluciones de menor molaridad requieren voltajes más altos, ya que reducen más fácilmente el campo eléctrico en el sitio de inyección. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo diseñar y fabricar de forma rápida y robusta dispositivos microfluídicos que permitan la inyección precisa y controlable de reactivos en sus gotas.

No olvide que trabajar con alto voltaje puede ser extremadamente peligroso; siempre deben adoptarse precauciones, como la conexión a tierra adecuada, el equipo de protección personal y los sistemas de seguridad integrados.