Microfluidic מבוססי הידרודינמית מלכודת חלקיקים יחיד

המטרה הכוללת של שיטה זו היא להגביל ולתפעל חלקיקים בודדים בקנה מידה מיקרו וננומטרי באמצעות זרימה למינרית במכשיר מיקרופלואידי. המלכודת ההידרודינמית מורכבת ממכשיר מיקרופלואידי עם גיאומטריית ערוץ חריץ צולב, מה שמוליד זרימת נקודת קיפאון בצומת המיקרו-ערוצים. שסתום על השבב הממוקם באחת מתעלות היציאה משמש לשליטה פעילה בזרימת הנוזלים וללכידת חלקיקים.

חלקיקים מוגבלים בנקודת הגדרה המוגדרת על ידי המשתמש על ידי שליטה פעילה במיקום נקודת הקיפאון. בקר משוב משמש למעקב אחר מיקום החלקיקים ולוויסות השסתום על-השבב כדי לשמור על מיקום החלקיקים בנקודת ההגדרה. באמצעות המלכודת ההידרודינמית, חלקיקים בודדים נלכדים בתמיסות חלקיקים מדוללות או מרוכזות וניתן לצלם אותם באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי או שדה בהיר.

חלקיק בודד עשוי להיות מוגבל למיקרון אחד ממרכז המלכודת כפי שמוצג במסלול החלקיקים ובהיסטוגרמה של תזוזה של חלקיקים ממרכז המלכודת. היי, אני אריק ג'ונסון ריו מהמעבדה של פרופסור צ'ארלס שרואר במחלקה להנדסה כימית וביו-מולקולרית, והמרכז לביופיזיקה וביולוגיה חישובית כאן באוניברסיטת אילינוי. היי, שמי ארי, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדת שרודר.

היי, אני שריל שרודר, והיום אנחנו הולכים להראות לכם איך לייצר וליישם מכשיר מיקרופלואידי ללכידה הידרודינמית של חלקיקים בודדים. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות כגון מלכודות אופטיות או אלקטרו-קינטיות הוא שלכידה הידרודינמית מושגת על ידי הפעולה היחידה של זרימת נוזלים, ובכך מבטלת ארבעה שדות פוטנציאליים ללכידת ננו-חלקיקים או תאים. לטכניקה זו יש פוטנציאל לשנות את המדע הבסיסי והיישומי על ידי מתן אפשרות ללכידה חופשית של חלקיקים בקנה מידה מיקרו וננומטרי ללא דרישות לגבי התכונות הכימיות או הפיזיקליות של החלקיק הכלוא.

אז בואו נתחיל. על מנת להקל על קילוף ההעתקים משמונה תבניות SU, יש למקם את פני השטח של שמונה תבניות SU על ידי הנחת הוופלים בחומר ייבוש תחת ואקום למשך 10 דקות עם צלחת זכוכית המכילה כמה טיפות של טרי כלורו סלין באמצעות PDMS מעורב ו-DGAs לשכבות הנוזל והבקרה. סובבו את תערובת ה-PDMS של 15 ל-1 על תבנית השכבה הנוזלית למשך 30 שניות ב-750 סל"ד, ולאחר מכן הניחו את הוופל בצלחת פטרי.

באופן דומה, מניחים את תבנית שכבת הבקרה לתוך צלחת פטרי ויוצקים תערובת PDMS של חמישה עד אחד על התבנית לעובי של ארבעה מילימטרים. כדי לרפא חלקית את שכבות ה-PDMS, אופים את הפרוסות חותכות PDM למשך 30 דקות ב-70 מעלות צלזיוס ומניחים להם להתקרר לטמפרטורת החדר. חותכים את העתק ה-PDMS עם האזמל ומקלפים אותו מתבנית ה-SU 8.

לאחר מכן, בעזרת המחט בקוטר 21, נקב חור ב-PDMS כיציאת גישה למיקרו-ערוץ שישמש כשסתום הממברנה על השבב. הנח את העתק ה-PDMS עם שכבת בקרה על הפרוסה עם שכבת הנוזל PDMS המצופה בספין. יישר בזהירות ואטום את שכבת הבקרה לשכבת הנוזל באמצעות מיקרוסקופ סטריאו.

הקפידו להסיר את כל כיסי האוויר בין השכבות ולאפות בחום של 70 מעלות צלזיוס למשך הלילה כדי לרפא לחלוטין את שתי השכבות ללוח PDMS מונוליטי עם שתי שכבות לאחר קירור לטמפרטורת החדר, השתמשו באזמל כדי לחתוך ולקלף את העתק ה-PDMS מתבנית SU 8 והשתמשו בסכין גילוח כדי להסיר עודפי PDMS ולהפריד כל יחידת מכשיר. עכשיו כל האגרוף יוצא לתעלות המיקרו בשכבה הנוזלית עם מחט בגודל 21. נקה תלוש כיסוי עם אצטון IPA וייבש עם חנקן.

טפל גם בהחלקת הכיסוי וגם במשטחי העתק ה-PDMS עם פלזמת חמצן מתחת ל-500 מיליטור למשך 30 שניות. ואז הביאו מיד את שני המשטחים למגע ליצירת אטימה בלתי הפיכה. לבסוף, אופים את המכשירים למשך הלילה כדי להגביר את ההדבקה בין שכבות ה-PDMS להחלקת הכיסוי.

ראשית, הנח את המכשיר המיקרופלואידי על הבמה של מיקרוסקופ הפוך ואבטח אותו עם מהדקי במה. לאחר מכן כדי לספק את הפתרונות למכשיר המיקרופלואידי, מלאו מזרק אטום של מיליליטר אחד ו-250 מיקרוליטר בתמיסות חיץ ודגימה בהתאמה. השתמש בשסתום T בין מזרק הדגימה ליציאת הדגימה במכשיר המיקרופלואידי כדי לשלוט באספקת הדגימה.

כעת קבע את החיבורים הנוזליים בין המזרקים למכשיר המיקרופלואידי, באמצעות צינורות חמצן פלואורו, מתאמי נעילת פיתוי וצינורות מתכת בגודל 24. לאחר מכן קבע את החיבורים הנוזליים לתעלות היציאה במכשיר המיקרופלואידי עם צינורות PFA וצינורות מתכת בגודל 24. כדי לשמור על ירידת לחץ קבועה בין המזרקים לתעלות היציאה, צינורות ה-PFA לשקעים צריכים להיות באורך שווה ושניהם שקועים בצינור צנטריפוגה של 1.5 מיליליטר מלא בתמיסת חיץ.

מלאו את השסתום על השבב בשמן נשא מופלר באמצעות מזרק פלסטיק עם נעילת פיתוי של שלושה מיליליטר כדי למנוע דליפת אוויר לשכבת הנוזל במהלך הפעולה. דחוף את האוויר בתא השסתום דרך קרום ה-PDMS לתוך המיקרו-ערוץ. בשכבה הנוזלית.

להפעלת שסתום על השבב. חבר אספקת גז אינרטי בלחץ ליציאה בשכבת הבקרה. שטפו את החיבורים הנוזליים ואת המכשיר המיקרופלואידי עם 0.5 מיליליטר של תמיסת חיץ כדי להבטיח שכל בועות האוויר יוסרו מהמערכת, כולל תעלות היציאה.

קצבי זרימה אופייניים המשמשים לפינוי בועות נעים בין 2000 ל-5,000 מיקרוליטר לשעה לאחר שטיפת בועות האוויר מהתעלות המיקרופלואידיות, מפחיתים את קצב הזרימה ל-50 עד 100 מיקרוליטר לשעה, שהוא קצב זרימה נפחי אופייני ללכידת חלקיקים. כעת החלף את שסתום ה-T כדי לאפשר לדגימה לזרום לתוך המכשיר המיקרו-נוזלי. הפעל את קוד תצוגת המעבדה שנבנה בהתאמה אישית אשר הופך את לכידת החלקיקים לאוטומטית על ידי יישום אלגוריתם בקרת משוב ליניארי.

הקוד לוכד תמונות ממצלמת CCD ומעביר פוטנציאל חשמלי לווסת לחץ המווסת באופן פעיל את המיקום של שסתום פנאומטי על השבב. באמצעות שלב התרגום XY של המיקרוסקופ, מקם את אזור ההשמנה במרכז תצוגת המצלמה. הבא את אזור ההשמנה למיקוד עדשת האובייקט והתאם את הגדרות המצלמה כדי לייעל את תנאי ההדמיה.

בחר אזור מלבני מעניין בשדה הראייה של המצלמה כך שמרכז ההחזר על ההשקעה יהיה המיקום של מרכז ההלכדה. כעת אתחל את לחץ הקיזוז המופעל על שסתום השבב. היצרות ברוחב 100 עד 200 מיקרון הממוקמת בתעלת היציאה הנגדית.

מספק לחץ קיזוז להפעלת שסתום השבב. הפעל את בקר המשוב והתאם את ההגבר הפרופורציונלי כדי לייעל את תגובת המלכודת. בהתאם לקצב הזרימה ולמיקום השסתום על השבב, קיים ערך רווח פרופורציונלי אופטימלי, המגביר את יציבות המלכודת ומבטל תנודות חלקיקים לא רצויות.

קוד תצוגת המעבדה ישמין אוטומטית את אחד החלקיקים הנכנסים לאזור ההשמנה. בסרטון זה תנועת חלקיקים בכיוון הזרימה מתעוררת מכיוון שזרם כניסת הדגימה נותר פתוח כדי למקסם את אטימות המלכודת של הכליאה בכיוון הזרימה. המשתמש יכול לסגור את זרם הדגימה במהלך הלכידה, מה שמאזן את הזרימה באופן שווה לצומת הערוץ, לנטר את החלקיק הכלוא ולשמור על מיקוד החלקיקים במישור התמונה באמצעות מיקוד ידני או הגדרת מיקרוסקופ מיקוד אוטומטי.

המכשיר המיקרופלואידי המשולב מורכב ממוקד מדגם, צומת חריץ צולב ולכידת שסתום פנאומטי מתרחשת בצומת החריץ הצולב ומיקום החלקיקים נשלט על ידי התאמה אקטיבית של שדה הזרימה בצומת המיקרו-ערוצים דרך השסתום הפנאומטי. כאן, תמונה של חרוז בודד מוגבלת במלכודת ההידרודינמית. בנוסף למרכז המלכודת, מספר חרוזים לא לכודים מוצגים באזור הלכידה בצומת המגרש הצולב.

ממופה מסלולו של חרוז פוליסטירן פלואורסצנטי לכוד של 2.2 מיקרון. החלקיק נלכד בתחילה למשך שלוש דקות. לאחר מכן הוא משתחרר מהמלכודת ונמלט לאורך אחד מתעלות היציאה.

היסטוגרמה של תזוזה של חרוז לכוד ממרכז המלכודת לאורך כיוון תעלות היציאה מצביעה על כך שהחלקיק מוגבל למיקרון אחד ממרכז המלכודת. היום, הצגנו את מלכודת ה-EM כשיטה ללכידת תמיסה חופשית של חלקיקים בקנה מידה מיקרו וננומטרי באמצעות זרימת נקודת ציון הנוצרת בתוך מכשיר מיקרופלואידי. לכידה הידרודינמית מאפשרת לכלוא חלקיק מטרה בודד בתרחיפים מרוכזים של חלקיקים, דבר שקשה להשתמש בשיטות לכידה חלופיות מבוססות שדה כוח.

לאחר פיתוח נוסף, טכניקה חדשה זו תאפשר חקירה מדעית בתחומי הביופיזיקה, מכניקת התא, דינמיקת זורמים, אנזימולוגיה וביולוגיה של מערכות. תודה שצפיתם ואנו מקווים שהטכניקה הזו תהיה שימושית לניסויים שלכם.