Un piège hydrodynamique microfluidique à base de particules uniques

Dans cet article, nous présentons une méthode basée microfluidique pour le confinement des particules repose sur l'écoulement hydrodynamique. Nous démontrons le piégeage des particules stables à un point de stagnation du liquide en utilisant un mécanisme de contrôle de rétroaction, permettant ainsi à l'isolement et la micromanipulation de particules arbitraires dans un microdispositif intégré.

L’objectif global de cette méthode est de confiner et de manipuler des particules uniques à l’échelle micro et nanométrique en utilisant un flux laminaire dans un dispositif microfluidique. Le piège hydrodynamique se compose d’un dispositif microfluidique avec une géométrie de canal à fentes transversales, qui donne lieu à un écoulement ponctuel de stagnation à la jonction des microcanaux. Une vanne sur puce située dans l’un des canaux de sortie est utilisée pour contrôler activement l’écoulement du fluide et piéger les particules.

Les particules sont confinées à un point de consigne défini par l’utilisateur par un contrôle actif de la position du point de stagnation. Un contrôleur de rétroaction est utilisé pour suivre la position des particules et pour réguler la vanne sur puce afin de maintenir la position des particules au point de consigne. À l’aide du piège hydrodynamique, des particules uniques sont piégées dans des solutions de particules diluées ou concentrées et peuvent être imagées à l’aide de la microscopie à fluorescence ou à fond clair.

Une seule particule peut être confinée à moins d’un micron du centre du piège, comme le montrent la trajectoire des particules et l’histogramme du déplacement des particules à partir du centre du piège. Bonjour, je m’appelle Eric Johnson Rio et je travaille dans le laboratoire du professeur Charles Schroer au Département de génie chimique et biomoléculaire et au Centre de biophysique et de biologie computationnelle de l’Université de l’Illinois. Bonjour, je m’appelle Ari, chercheur postdoctoral au Schroeder Lab.

Bonjour, je m’appelle Cheryl Schroeder, et aujourd’hui, nous allons vous montrer comment fabriquer et mettre en œuvre un dispositif microfluidique pour le piégeage hydrodynamique de particules uniques. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes telles que les pièges optiques ou électrocinétiques est que le piégeage hydrodynamique est réalisé par la seule action de l’écoulement du fluide, éliminant ainsi quatre champs potentiellement proatifs, pour le piégeage de nanoparticules ou de cellules. Cette technique a le potentiel de transformer la science fondamentale et appliquée en permettant le piégeage libre de particules à l’échelle micro et nanométrique sans exigences sur les propriétés chimiques ou physiques de la particule piégée.

Alors commençons. Afin de faciliter le décollement des répliques des huit moules SU, visualisez la surface des huit moules SU en plaçant les plaquettes dans un desséchable sous vide pendant 10 minutes avec un plat en verre contenant quelques gouttes de tri chloro seline à l’aide d’un mélange et de DGA PDMS pour les couches fluidique et de contrôle. Appliquez l’enrobage 15 fois plus du mélange PDMS sur le moule à couche fluidique pendant 30 secondes à 750 tr/min, puis placez la plaquette dans une boîte de Pétri.

De même, placez le moule de la couche de contrôle dans une boîte de Pétri et versez un mélange PDMS à cinq pour un sur le moule sur une épaisseur de quatre millimètres. Pour durcir partiellement les couches de PDMS, faites cuire les gaufrettes pendant 30 minutes à 70 degrés Celsius et laissez-les refroidir à température ambiante. Découpez la réplique du PDMS avec le scalpel et décollez-la du moule SU huit.

Ensuite, avec l’aiguille de calibre 21, percez un trou dans le PDMS comme port d’accès au microcanal qui agira comme la vanne à membrane sur puce. Placez la réplique PDMS avec une couche de contrôle sur la plaquette avec la couche fluidique PDMS à revêtement de spin. Alignez et scellez soigneusement la couche de contrôle sur la couche fluidique à l’aide d’un stéréomicroscope.

Assurez-vous d’éliminer toutes les poches d’air entre les couches et de cuire à 70 degrés Celsius pendant la nuit pour durcir complètement les deux couches en une dalle PDMS monolithique à deux couches après refroidissement à température ambiante, utilisez un scalpel pour couper et décoller la réplique PDMS du moule SU huit et utilisez une lame de rasoir pour enlever l’excès de PDMS et séparer chaque unité de dispositif. Maintenant, l’ensemble des ports d’accès au poinçon est situé aux micro-canaux de la couche fluidique à l’aide d’une aiguille de calibre 21. Nettoyez une lamelle avec de l’acétone IPA et séchez-la avec de l’azote.

Traitez à la fois la lamelle et les surfaces de la réplique PDMS avec un plasma d’oxygène inférieur à 500 millimètres pendant 30 secondes. Et puis mettez immédiatement les deux surfaces en contact pour former un joint irréversible. Enfin, faites cuire les appareils pendant la nuit pour augmenter la liaison entre les couches PDMS et la lamelle.

Tout d’abord, placez le dispositif microfluidique sur la platine d’un microscope inversé et fixez-le à l’aide de clips de platine. Ensuite, pour administrer les solutions au dispositif microfluidique, remplissez une seringue étanche d’un millilitre et une seringue étanche de 250 microlitres avec des solutions tampons et des solutions d’échantillon respectivement. Utilisez une valve en T entre la seringue d’échantillon et l’orifice d’échantillon sur le dispositif microfluidique pour contrôler l’administration de l’échantillon.

Établissez maintenant les connexions fluidiques entre les seringues et le dispositif microfluidique, à l’aide d’un tube oxy fluoré, d’adaptateurs de verrouillage de leurre et d’un tube métallique de calibre 24. Ensuite, établissez les connexions fluidiques pour les canaux de sortie dans le dispositif microfluidique avec des tubes PFA et des tubes métalliques de calibre 24. Pour maintenir une chute de pression constante entre les seringues et les canaux de sortie, le tube PFA pour les sorties doit être de longueur égale et les deux immergés dans un tube de centrifugation de 1,5 millilitre rempli de solution tampon.

Remplissez la valve sur puce avec de l’huile de support fluorée à l’aide d’une seringue en plastique de trois millilitres pour empêcher l’air de s’infiltrer dans la couche fluidique pendant le fonctionnement. Poussez l’air dans la chambre de la vanne à travers la membrane PDMS dans le microcanal. Dans la couche fluidique.

Pour le fonctionnement de la vanne sur puce. Connectez une alimentation en gaz inerte sous pression à l’orifice de la couche de contrôle. Rincez les raccords fluidiques et le dispositif microfluidique avec 0,5 millilitre de solution tampon pour vous assurer que toutes les bulles d’air sont éliminées du système, y compris les canaux de sortie.

Les débits typiques utilisés pour éliminer les bulles varient entre 2000 et 5 000 microlitres par heure après que les bulles d’air sont rincées des canaux microfluidiques, réduisent le débit à 50 à 100 microlitres par heure, ce qui est un débit volumétrique typique pour le piégeage des particules. Basculez maintenant la vanne T pour permettre à l’échantillon de s’écouler dans le dispositif microfluidique. Exécutez le code de vue de laboratoire personnalisé qui automatise le piégeage des particules en implémentant un algorithme de contrôle par rétroaction linéaire.

Le code capture des images à partir d’une caméra CCD et transmet un potentiel électrique à un régulateur de pression qui module activement la position d’une vanne pneumatique sur puce. À l’aide de la platine de translation XY du microscope, positionnez la zone de piégeage au centre de la vue de la caméra. Mettez la zone de piégeage au centre de l’objectif et ajustez les paramètres de l’appareil photo pour optimiser les conditions d’image.

Choisissez une région d’intérêt rectangulaire dans le champ de vision de la caméra, de sorte que le centre du retour d’intérêt soit la position du centre du piège. Initialisez maintenant la pression de décalage appliquée à la vanne sur puce. Un étranglement de 100 à 200 microns de large situé au niveau du canal de sortie opposé.

Fournit une pression de décalage pour le fonctionnement de la vanne sur copeaux. Lancez le contrôleur de retour et ajustez le gain proportionnel pour optimiser la réponse au piège. En fonction du débit et de la position de la vanne sur puce, il existe une valeur de gain proportionnelle optimale, ce qui augmente la stabilité du piège et élimine les oscillations de particules indésirables.

Le code de la vue lab piège automatiquement l’une des particules entrant dans la zone de piégeage. Dans cette vidéo, le mouvement des particules dans la direction de l’entrée se produit parce que le flux d’entrée de l’échantillon est laissé ouvert pour maximiser l’étanchéité du siphon du confinement dans la direction de l’entrée. L’utilisateur peut fermer le flux d’échantillon pendant le piégeage, ce qui équilibre uniformément le flux dans la jonction entre les canaux, surveiller la particule piégée et maintenir la mise au point des particules dans le plan de l’image à l’aide d’une mise au point manuelle ou d’une configuration de microscope à mise au point automatique.

Le dispositif microfluidique intégré se compose d’un foyer d’échantillon, d’une jonction à fentes transversales et d’une soupape pneumatique Le piégeage se produit à la jonction à fente transversale et la position des particules est contrôlée par un réglage actif du champ d’écoulement à la jonction de microcanaux à travers la soupape pneumatique. Ici, l’image d’une seule perle est confinée dans le piège hydrodynamique. En plus du centre du piège, plusieurs perles non piégées sont montrées dans la zone de piégeage à la jonction du lot transversal.

La trajectoire d’une bille de polystyrène fluorescent de 2,2 microns piégée est cartographiée. La particule est d’abord piégée pendant trois minutes. Il est ensuite libéré du piège et s’échappe par l’un des canaux de sortie.

Un histogramme du déplacement d’une bille piégée par rapport au centre du piège le long de la direction des canaux de sortie indique que la particule est confinée à moins d’un micron du centre du piège. Aujourd’hui, nous avons présenté le piège EM comme méthode de piégeage en solution libre de particules à l’échelle micro et nanométrique en utilisant un écoulement de point d’ation généré dans un dispositif microfluidique. Le piégeage hydrodynamique permet de confiner une seule particule cible dans des suspensions de particules concentrées, ce qui est difficile à utiliser avec d’autres méthodes de piégeage basées sur les champs de force.

Après avoir été développée, cette nouvelle technique permettra une exploration scientifique dans les domaines de la biophysique, de la mécanique cellulaire, de la dynamique des fluides, de l’enzymologie et de la biologie des systèmes. Merci de votre attention et nous espérons que cette technique vous sera utile pour vos expériences.