Name: Un Microfluidic basato Trappola idrodinamico per particelle singole (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-01-21T17:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 13 s
Description: Scopri il confinamento di singole particelle micro e nanometriche mediante trappola idrodinamica in microfluidica con controllo a feedback. Questo metodo consente manipolazione precisa in soluzione libera per biologia e biotecnologia.

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Ringraziamo il gruppo Kenis presso la University of Illinois a Urbana-Champaign per le discussioni utili e generosamente purché il loro utilizzo di strutture camera bianca. Questo lavoro è stato finanziato da un percorso di NIH Premio Indipendenza PI, sotto Grant No. 4R00HG004183-03 (Charles M. Schroeder e Melikhan Tanyeri). Questo lavoro è stato sostenuto dal National Science Foundation attraverso una borsa di studio Graduate Research a Eric M. Johnson-Chavarria.

La trappola idrodinamica è costituito da un doppio strato ibrido (polidimetilsilossano (PDMS) / vetro) dispositivo a microfluidi per il confinamento delle particelle. Passi 1-2 descrivere fabbricazione di dispositivi microfluidica, e Piazza di 3-4 progettazione di dispositivi discutere e il funzionamento. 1. SU-8 di fabbricazione di stampi (non mostrato in video) <ol><li> Pulire due wafer di silicio (3 "di diametro) con acetone e alcool isopropilico (IPA). </li><li> Wafer a secco con N 2 e metterli su una piastra a 65 ° C per 1 min per rimuovere l'umidità residua. </li><li> Spin wafer cappotto # 1 con SU-8 2050 photoresist (PR) per 30 sec a 4000 giri per creare un ~ 40 micron di spessore stampo per lo strato di fluido. Spin wafer cappotto # 2 con PR per 30 sec a 1500 giri al minuto per creare uno stampo ~ 150 micron di spessore per il livello di controllo. </li><li> Morbido wafer cuocere # 1 a 65 ° C per 3 minuti e poi a 95 ° C per 6 min. Morbido wafer cuocere # 2 a 65 ° C per 5 minuti e poi a 95 ° C per 20 min. </li><li> Esporre ai raggi UV wafer con le loro maschere rispettivi (wafer # 1: porti e canali fluidici, wafer # 2: porta e livello di controllo) e l'intensità di esposizione appropriato (~ 150 mJ / cm 2, ~ 260 mJ / cm 2 rispettivamente). </li><li> Messaggio wafer cuocere # 1 a 65 ° C per 1 minuto e poi a 95 ° C per 6 min. Messaggio # 2 wafer cuocere a 65 ° C per 5 minuti e poi a 95 ° C per 10 min. </li><li> Sviluppare wafer con acetato di glicole propilenico metil etere (PGMEA) fino a quando non polimerizzato PR è stato rimosso. Sciacquare wafer con IPA e asciugare con N 2. </li></ol> 2. Dispositivo di fabbricazione Microfluidic <ol><li> Silanize la superficie del SU-8 stampi mettendo il wafer in un essiccatore sotto vuoto per circa 10 minuti con un piatto di vetro contenente alcune gocce di triclorosilano. Silanizzazione superficie aiuta a pelare le (PDMS) repliche fuori dal SU-8 stampi. </li><li> Mescolare e degas PDMS in base: reticolante rapporto di 15:1 e 5:1 per la fluidica e livelli di controllo, rispettivamente. </li><li> Spin mano l'impasto 15:01 PDMS sullo stampo strato fluidica (wafer # 1) per 30 secondi a 750 giri al minuto e posizionare il wafer in una capsula di Petri. Mettere lo stampo livello di controllo in una piastra di Petri e versare 05:01 miscela PDMS sullo stampo di uno spessore di circa 4 mm. </li><li> Wafer cuocere / PDMS per 30 minuti a 70 ° C per curare parzialmente gli strati PDMS. </li><li> Dopo il raffreddamento dei wafer / PDMS a temperatura ambiente, tagliare la replica PDMS, che andranno a formare il livello di controllo (wafer # 2), dalla piastra di Petri con un bisturi e staccatelo il SU-8 stampo. Fori di una porta di accesso al microcanali che fungerà on-chip valvola a membrana con un ago calibro 21. </li><li> Luogo la replica PDMS con il livello di controllo sul wafer # 1 (che ha lo spin-rivestito PDMS strato fluido). Allineare con cura e sigillare il livello di controllo per lo strato fluidico utilizzando un microscopio stereo. Assicurarsi di rimuovere tutte le bolle d'aria tra gli strati e cuocere in forno a 70 ° C durante la notte per curare completamente entrambi gli strati. Questa fase di cottura si tradurrà in una lastra monolitica PDMS con due strati. </li><li> Dopo il raffreddamento a temperatura ambiente, tagliare e sbucciare la replica PDMS che contiene sia il controllo e gli strati fluidico fuori dal SU-8 stampo utilizzando un bisturi. Rimuovere l'eccesso PDMS e separare ogni unità dispositivo con una lama di rasoio. Foro di porte di accesso pugno al microcanali nello strato fluidico con un ago calibro 21. </li><li> Legame la lastra PDMS di un coprioggetto per ottenere un dispositivo completo. In primo luogo, pulire un coprioggetto (No: 1,5, 24 x 45 mm) con acetone e IPA. Quindi, trattare sia il coprioggetto e le superfici replica PDMS con plasma di ossigeno meno di 500 mTorr per 30 secondi, e subito porta le due superfici a contatto per formare un sigillo irreversibile. </li><li> Cuocere i dispositivi durante la notte per aumentare legame tra gli strati PDMS e il coprioggetto. </li></ol> Descrivere i passaggi 3-4 attuazione del trappola idrodinamica utilizzando il dispositivo a microfluidi descritto sopra. 3. Trappola installazione idrodinamica sperimentale <ol><li> Posizionare il dispositivo a microfluidi sul palco di un microscopio invertito e fissarlo con clip palco. </li><li> Riempire due siringhe a tenuta di gas separatamente con soluzioni tampone e il campione e metterli su una pompa siringa Harvard Apparatus (PHD 2000 programmabili). Il buffer e le soluzioni campione sono consegnati al dispositivo a microfluidi attraverso un 1 ml e una siringa da 250 microlitri, rispettivamente. Tipicamente, un 50 mm Tris / soluzione tampone Tris HCl (pH 8,0) contenente 0,02% v / v Triton X-100 è utilizzato come soluzione tampone. La soluzione del campione è costituito da una sospensione di particelle (ad esempio perle di polistirene fluorescente) nella soluzione tampone. </li><li> Stabilire le connessioni tra le siringhe fluidico (consegna del campione e il buffer) e il dispositivo a microfluidi. Collegare le siringhe a 1 / 16 "di diametro esterno (OD) x 0,020" diametro interno (ID) perfluoroalkoxy (PFA) tubi con luer-lock adattatori. Collegare l'altra estremità del tubo PFA alle porte di ingresso del dispositivo a microfluidi con 24 meta manometrol tubi. Un T-valvola può essere posto tra il campione e la siringa porta campione del dispositivo a microfluidi per controllare la consegna del campione. </li><li> Stabilire le connessioni fluidico per i canali di sbocco nel dispositivo microfluidica. Collegare i due canali di uscita a tubi PFA (1 / 16 "OD x 0,020" ID) utilizzando 24 tubi metallici calibro. Il tubo in PFA per le prese devono essere di uguale lunghezza. Immergere due tubi di scarico in una provetta da centrifuga 1,5 ml riempito con una soluzione tampone, che serve a mantenere un costante calo di pressione tra le siringhe ei canali di uscita. </li><li> Compilare on-chip valvola con olio vettore fluorurati con un 3 ml luer-lock siringa di plastica per evitare che l'aria fuoriuscita nello strato fluido durante il funzionamento. L'aria nella camera della valvola viene spinta attraverso la membrana PDMS in microcanali nello strato fluido e poi rimosso dal dispositivo con il flusso del fluido attraverso le porte di uscita. </li><li> Collegare una pressione di gas inerte (azoto) l'alimentazione della porta nel livello di controllo per il chip funzionamento della valvola. A questo scopo, usiamo un serbatoio di azoto (2200 psi) e un regolatore di pressione elettronico per la fornitura di 0-30 bar alla valvola on-chip nel dispositivo microfluidica. Il serbatoio di azoto è collegato al regolatore di pressione con tubi da ¼ "OD x 0,170" ID. Il regolatore di pressione è collegato al dispositivo a microfluidi con 1 / 16 "OD x 0.020" tubi ID PFA con 24 tubi in metallo misuratore suo capolinea. </li><li> Sciacquare i collegamenti fluidi e il dispositivo a microfluidi con 0,5 ml di soluzione tampone per garantire che tutte le bolle d'aria vengono rimossi dal sistema compresi i canali di uscita. Portate tipiche utilizzate per la compensazione gamma bolle tra 2000-5000 microlitri / ora. Dopo le bolle d'aria vengono risciacquati fuori dei canali microfluidica, ridurre la portata a 50-100 microlitri / h, che è una tipica portata volumetrica per intrappolare particelle. </li><li> A questo punto, le connessioni sono stabilite fluidica, il campione e le soluzioni tampone sono consegnati al dispositivo a microfluidi con un flusso fisso (50-100 microlitri / ora), e il dispositivo è pronto per la cattura idrodinamica. </li></ol> 4. Trapping procedura idrodinamico <ol><li> Eseguire il custom-built codice LabVIEW, che automatizza la cattura delle particelle (si veda la nota di utilizzo per LabVIEW codice qui sotto). </li><li> Utilizzando il microscopio xy traduzione fase, la posizione della regione cattura (cross-slot) al centro della vista della telecamera. Portare la regione cattura a fuoco della lente obiettiva e regolare le impostazioni della fotocamera per ottimizzare le condizioni di imaging. </li><li> Scegli una regione rettangolare di interesse (ROI) nel campo visivo della telecamera di vista in modo tale che il centro del ROI sarà la posizione del centro trappola. </li><li> Inizializzare la pressione di offset applicate alla valvola on-chip. In uno dei canali di uscita, una costrizione 100-200 micron gamma è introdotto per fornire una pressione di offset per l'on-chip valvola. La costante off-set pressione consente on-chip valvola per regolare la posizione di punto di ristagno in prossimità del centro del canale cross-slot. Per la maggior parte degli esperimenti, la pressione di offset è impostato tra 0-12 psi a seconda delle dimensioni del canale (altezza e larghezza), la larghezza costrizione, e le specifiche della valvola on-chip (diametro della valvola, spessore della membrana, ecc.) </li><li> Avviare il controller di feedback e regolare il guadagno proporzionale per ottimizzare la risposta trappola. Il controller feedback regolare la pressione applicata al on-chip della valvola per spostare la posizione del punto di ristagno, che minimizza l'errore o la distanza tra la posizione delle particelle e il set point (centro trappola). A seconda della portata e l'on-chip posizione della valvola, c'è un valore ottimale guadagno proporzionale, il che aumenta la stabilità trappola ed elimina le oscillazioni delle particelle indesiderate. </li><li> Trappola per una particella. Il codice LabVIEW automaticamente trappola una delle particelle che entrano nella regione di cattura. Una volta che una particella desiderato è intrappolato, è possibile spegnere il flusso del campione e isolare la particella intrappolata in una soluzione tampone, se lo si desidera. </li><li> Monitorare le particelle intrappolate e mantenere la concentrazione delle particelle all'interno del piano immagine con messa a fuoco manuale o un automatico di impostazione microscopio fuoco. Potrebbe essere necessario modificare leggermente il guadagno proporzionale del regolatore di feedback al fine di garantire la stabilità trappola nel corso di una lunga scala temporale dell'evento trapping (minuti a ore). </li></ol> Codice LabVIEW: Nota di utilizzo per controller commenti Cattura delle particelle automatizzati è realizzato utilizzando un algoritmo di controllo lineare di feedback implementato mediante un codice personalizzato LabVIEW. Il codice LabVIEW acquisisce immagini da una fotocamera CCD e trasmette un potenziale elettrico (tensione) di un regolatore di pressione, che modula attivamente la posizione (stato parzialmente aperto / chiuso) di un on-chip valvola pneumatica dinamica. Come cambia la posizione della valvola, il flusso idrodinamico in una linea di uscita is regolata, in modo da ri-posizionamento del punto di stagnazione e consentendo cattura idrodinamica. I passi nel circuito di retroazione sono in sequenza e iterativamente eseguito alla velocità di acquisizione dell'immagine (10-60 Hz). Il codice LabVIEW esegue le seguenti operazioni durante ogni ciclo di feedback: <ul><li> . Acquisizione di immagini Un'immagine viene acquisito per una particella "target" nella regione cattura del dispositivo a microfluidi mediante microscopia a fluorescenza con una lente obiettivo 10x (NA: 0,4) e una camera CCD. </li><li> Tracciamento di particelle. Particelle posizione centroide è determinata, e l'algoritmo di tracciamento di particelle viene avviata. Le particelle sono localizzate inserendo il profilo intensità di emissione delle particelle a una funzione di diffusione del punto (PSF), da cui si determina la posizione di baricentro. </li><li> Campo di controllo del flusso. La pressione aggiornato destinati al on-chip valvola dinamico viene calcolato utilizzando un algoritmo di controllo di feedback, con un controllore proporzionale. In questo modo, l'azione della valvola è di riposizionare il punto di stagnazione, che esercita una forza idrodinamica sulla particella in modo da guidare la particella verso il centro trappola. </li></ul> Il codice LabVIEW registra i seguenti dati per ogni immagine catturata durante la cattura delle particelle: 1) il tempo trascorso, 2) baricentro (x, y) la posizione della particella intrappolata, 3) la posizione del centro della trappola, 4) distanza della particella dal pressione trappola centro, 5) applicato alla valvola on-chip. Inoltre, il codice registra anche un film della particella intrappolata in formato AVI. 5. Rappresentante Risultati Siamo intrappolati perle di polistirene fluorescenti di varie dimensioni (100, 540, 830 nm e 2,2 micron di diametro) con una trappola idrodinamica. Figura 1 (a) mostra l'immagine di una particella intrappolata al cross-slot di giunzione in un dispositivo a microfluidi. La traiettoria di una particella intrappolata possono essere determinati direttamente dai dati di posizione centroide registrati dal codice LabVIEW durante un evento di cattura o di tracciamento e la localizzazione delle particelle intrappolate dal filmato registrato. Figura 1 (b) mostra la traiettoria di una particella intrappolata (2,2 micron fluorescenti di polistirene tallone) lungo la direzione del canale di uscita. Il tallone è inizialmente intrappolato (quadrati) per 3 minuti e poi viene liberato dalla trappola e scappa lungo uno dei canali di uscita (cerchi). Traiettorie delle particelle lungo l'asse del flusso di compressione (in direzione del canale di ingresso, dati non riportati) sono simili a traiettorie delle particelle lungo l'asse del flusso estensionale (direzione di deflusso) come mostrato nella Figura 1 (b). Un istogramma di spostamento delle particelle dal centro della trappola per un intrappolato tallone (2,2 micron di diametro) lungo le direzioni il canale di uscita è mostrata in Figura 1 (c). Utilizzando l'algoritmo di controllo del feedback descritti in questo lavoro, le particelle intrappolate sono confinati all'interno di ± 1 micron del centro trappola lungo la direzione del canale di ingresso e di uscita. Uno schema del dispositivo a microfluidi utilizzato per intrappolare idrodinamico è mostrato nella Figura 2. Il dispositivo integrato microfluidica costituito da uno strato fluido e un livello di controllo ed è fabbricato utilizzando le normali litografia multistrato morbido come descritto in questo articolo. Lo strato fluidico contiene i canali di buffer e del campione, così come la croce slot geometrie canale per facilitare la cattura idrodinamica. Il livello di controllo è costituito da una valvola pneumatica posizionato sopra uno dei canali di sbocco nello strato fluidico, e il controllo e strati fluidici sono separate da una sottile membrana elastomerica. Durante il funzionamento del dispositivo, la valvola a livello di controllo è pressurizzato con azoto, che costringe la sottile membrana nello strato fluido, in modo da indurre una costrizione nel canale di uscita. La valvola pneumatica dinamica restringe il canale di uscita per importi variabili modificando la pressione esercitata sul livello di controllo, che regola le portate relativa nei canali di uscita e consente a scala fine il controllo del punto di stagnazione. <img src="/files/ftp_upload/2517/2517fig1.jpg" alt="Figura 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 1"> Figura 1: Trapping particelle. (A) immagine di un unico cordone confinati nella trappola idrodinamica. In aggiunta al tallone al centro trappola, diverse perline non catturabile sono mostrati nella regione di cattura. (B) Traiettoria di una particella intrappolata lungo i canali di sbocco (quadrati). Quando la particella viene rilasciato dalla trappola (freccia), sfugge a lungo uno dei canali di uscita (cerchi). (C) Istogramma degli spostamenti di una trappola tallone (2,2 micron di diametro) dal centro della trappola lungo i canali di uscita. <img src="/files/ftp_upload/2517/2517fig2.jpg" alt="Figura 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="Figura 2"> Figura 2:. Schematica del dispositivo a microfluidi per la cattura di idrodinamica La trappola idrodinamica è costruito utilizzando una a due strati dispositivo a microfluidi. Lo strato fluidico è costituito da un ingresso del campione, fil nostro insenature tampone, e due uscite dei rifiuti. Il livello di controllo è costituito da una valvola a membrana pneumatica situato sulla cima di uno dei canali di uscita nello strato fluido. Una costrizione nel canale di uscita opposte fornisce una pressione di offset per la valvola pneumatica. Dimensioni tipiche canale compreso tra 100-500 micron. Nella regione (A), ingresso del campionatore flusso focalizzato da due insenature buffer. Nella regione (B), i flussi di ingresso opposte convergono alla croce slot incrocio dove si cattura. La valvola pneumatica (C) è posizionato in cima ad uno dei canali di uscita. La posizione del punto di ristagno è modulata regolando la pressione di questa valvola.

<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>
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<li>Kim, M. C., Wang, Z. H., Lam, R. H. W., Thorsen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Building+a+better+cell+trap%3A+Applying+Lagrangian+modeling+to+the+design+of+microfluidic+devices+for+cell+biology%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Building a better cell trap: Applying Lagrangian modeling to the design of microfluidic devices for cell biology.</a> Journal of Applied Physics. 103, (2008).</li>
<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>

Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Gli attuali metodi di microfluidica per la manipolazione di particelle sulla base del flusso idrodinamico può essere caratterizzato come i metodi di contatto-based o senza contatto. Contatta metodi basati utilizzare il flusso del fluido per confinare fisicamente e immobilizzare particelle contro le pareti del canale microfabbricazione 9, mentre i non-contatto metodi si basano sulla circolazione del flusso o microeddies 10. In questo lavoro, presentiamo un metodo per la soluzione di free-cattura di ...

<table><tbody><tr><td>Ago ottuso calibro 21</td><td>Zephyrtronics</td><td>ZT-5-021-1-L</td><td>Per forare i fori di accesso nel PDMS</td></tr><tr><td>Siringa di plastica da 3 ml</td><td>BD Biosciences</td><td>309585</td><td>Per riempire la valvola con olio</td></tr><tr><td>Wafer di Si</td><td>University Wafer</td><td></td><td> 3&amp;#8221; P(100) lucidato su un solo lato, grado prova, 380 &amp;#x03BC;m</td></tr><tr><td>Vetrino coprioggetto</td><td>VWR international</td><td>48404-428</td><td>24 x 40 mm #1.5</td></tr><tr><td>Scheda DAQ</td><td>National Instruments</td><td>PCI 6229</td><td></td></tr><tr><td>Microsfere fluorescenti</td><td>Spherotech, Inc.</td><td>FP-2056-2</td><td>Nile rosso da 2,2 &amp;#x03BC;m</td></tr><tr><td>Fluorinert </td><td>3M</td><td>FC 40</td><td>Olio fluorurato trasportatore</td></tr><tr><td>Microscopio invertito</td><td>Olympus Corporation</td><td>IX-71</td><td></td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments</td><td>Versione 9.0f3 (32 bit)</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio stereoscopico</td><td>Leica Microsystems</td><td>MZ6</td><td>Per allineare lo strato di controllo in PDMS allo strato fluidico.</td></tr><tr><td>Forno meccanico a convezione</td><td>VWR international</td><td>1300U</td><td>Per cuocere i dispositivi e creare lastre monolitiche di PDMS a due strati.</td></tr><tr><td>Tubazioni e connettori microfluidici</td><td>Upchurch Scientific</td><td></td><td>Tubazioni in PFA da 1/16 x 0,020 e raccordi super senza flangia</td></tr><tr><td>PDMS</td><td>GE Healthcare</td><td>RTV 615 A&amp;amp;B</td><td></td></tr><tr><td>Camera a plasma</td><td>Harrick Scientific Products, Inc.</td><td>PDC-001</td><td></td></tr><tr><td>Trasduttore di pressione</td><td>Proportion Air</td><td>DQPV1</td><td></td></tr><tr><td>Spin coater</td><td>Specialty Coating Systems</td><td>G3P-8 Spin Coat</td><td></td></tr><tr><td>Fotoresist</td><td>MicroChem Corp.</td><td>SU 8 2050</td><td></td></tr><tr><td>Pompa per siringa</td><td>Harvard Apparatus</td><td>PHD 2000 Programmabile</td><td></td></tr><tr><td>Barra di collegamento</td><td>National Instruments</td><td>BNC 2110</td><td>Per l'uscita analogica al regolatore di pressione e per la lettura.</td></tr><tr><td>Sorgente di luce collimata UV e sistema di esposizione</td><td>OAI</td><td>Modello 30 Enhanced Light Source</td><td></td></tr></tbody></table>

un microfluidic basato trappola idrodinamico per particelle singole

A Microfluidic-based Hydrodynamic Trap for Single Particles

La capacità di limitare e manipolare singole particelle in soluzione gratuita è una tecnologia abilitante fondamentale per la scienza di base e applicata. Metodi per la cattura di particelle basati su tecniche ottiche, magnetiche, elettrocinetico e acustico hanno portato a grandi progressi nel campo della fisica e della biologia molecolare che vanno dalla a livello cellulare. In questo articolo introduciamo un nuovo microfluidica a base tecnica per la cattura e la manipolazione di particelle basato esclusivamente sul flusso del fluido idrodinamica. Utilizzando questo metodo, dimostriamo cattura di particelle micro-e nano-scala in soluzioni acquose per tempi lunghi. La trappola idrodinamica è costituita da un dispositivo integrato microfluidica con un cross-slot geometria del canale in cui due flussi laminari opposti convergono, generando così un flusso planare estensionale con un punto di ristagno del fluido (zero-velocità di punto). In questo dispositivo, le particelle sono confinate al centro trappola per il controllo attivo del campo di moto per mantenere la posizione delle particelle al punto di ristagno di liquidi. In questo modo, le particelle sono effettivamente intrappolate in soluzione libera utilizzando un algoritmo di controllo di feedback implementato con un custom-built codice LabVIEW. L&#39;algoritmo di controllo è costituito da acquisizione di immagini per una particella nel dispositivo a microfluidi, seguita da monitoraggio delle particelle, la determinazione della posizione delle particelle baricentro, e la regolazione attiva del flusso del fluido, regolando la pressione applicata ad un on-chip valvola pneumatica con un regolatore di pressione. In questo modo, l&#39;on-chip le funzioni dinamiche valvola dosatrice per regolare le portate relativa nei canali di uscita, consentendo così a scala fine il controllo della posizione del punto di stagnazione e di cattura delle particelle. La microfluidica a base di trappola idrodinamica mostra diversi vantaggi come metodo per la cattura delle particelle. Cattura idrodinamica è possibile per ogni particella arbitrario senza requisiti specifici sulle proprietà fisiche o chimiche dell&#39;oggetto intrappolati. Inoltre, intrappolando idrodinamico permette il confinamento di un oggetto &quot;unico&quot; obiettivo di particelle in sospensione concentrata o affollati, che è difficile usare la forza alternativa di campo basati su metodi di cattura. La trappola idrodinamica è user-friendly, semplice da implementare e può essere aggiunto agli attuali dispositivi microfluidici di agevolare l&#39;analisi cattura e di lunga data di particelle. Nel complesso, la trappola idrodinamica è una nuova piattaforma per confinamento, micromanipolazione, e l&#39;osservazione di particelle senza immobilizzazione superficiale ed elimina la necessità per i campi ottici, magnetici ed elettrici potenzialmente perturbativi nella libera soluzione cattura di particelle di piccole dimensioni.

In questo articolo presentiamo una microfluidica metodo basato per il confinamento delle particelle sulla base del flusso idrodinamico. Dimostriamo cattura stabile di particelle in un punto di ristagno del fluido utilizzando un meccanismo di controllo del feedback, consentendo in tal modo confinamento e micromanipolazione di particelle arbitrari in un microdispositivo integrato.

Un Microfluidic basato Trappola idrodinamico per particelle singole

La capacità di confinare e manipolare singole particelle in soluzione libera rappresenta una tecnologia abilitante fondamentale per la scienza di base e applicata. I metodi per...

L'obiettivo generale di questo metodo è confinare e manipolare singole particelle su scala micro e nanometrica utilizzando un flusso laminare in un dispositivo microfluidico. La trappola idrodinamica è costituita da un dispositivo microfluidico con una geometria del canale a incrocio, che genera un flusso con punto di ristagno all'intersezione dei microcanali. Una valvola integrata posizionata in uno dei canali di uscita viene utilizzata per controllare attivamente il flusso del fluido e intrappolare le particelle.Le particelle vengono confinate in un punto prefissato definito dall'utente mediante il controllo attivo della posizione del punto di ristagno. Un controllore a retroazione viene utilizzato per rilevare la posizione delle particelle e regolare la valvola su chip al fine di mantenere la posizione delle particelle nel punto desiderato. Utilizzando il trappolamento idrodinamico, singole particelle possono essere intrappolate in soluzioni di particelle diluite o concentrate e possono essere osservate mediante microscopia a fluorescenza o in campo chiaro.Una singola particella può essere confinata entro un micron dal centro della trappia, come mostrato nella traiettoria della particella e nell'istogramma dello spostamento della particella rispetto al centro della trappia. Ciao, sono Eric Johnson Rio del laboratorio del Professor Charles Schroer del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare e del Centro di Biofisica e Biologia Computazionale dell'Università dell'Illinois. Ciao, mi chiamo Ari, sono un ricercatore postdottorato presso il laboratorio Schroeder.Ciao, sono Cheryl Schroeder e oggi vi mostrerò come realizzare e utilizzare un dispositivo microfluidico per il confinamento idrodinamico di singole particelle. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come le trappole ottiche o elettrocinetiche, è che il confinamento idrodinamico viene ottenuto esclusivamente tramite l'azione del flusso del fluido, eliminando così potenziali campi esterni dannosi per il confinamento di nanoparticelle o cellule. Questa tecnica potrebbe rivoluzionare la scienza fondamentale e applicata, consentendo il confinamento in soluzione libera di particelle su scala micro e nanometrica senza alcun requisito relativo alle proprietà chimiche o fisiche della particella intrappolata.Iniziamo. Per facilitare il distacco delle repliche dagli stampi in SU-8, silanizzare la superficie degli stampi in SU-8 posizionando le wafer in un essiccatore sotto vuoto per 10 minuti con una capsula di vetro contenente alcune gocce di triclorosilano, utilizzando una miscela di PDMS DGAs per gli strati fluidico e di controllo. Applicare per spin coating la miscela di PDMS 15:1 sullo stampo dello strato fluidico per 30 secondi a 750 giri al minuto, quindi inserire la wafer in una piastra di Petri.Allo stesso modo, posizionare lo stampo del livello di controllo in una piastra di Petri e versare sopra lo stampo una miscela di PDMS in rapporto cinque a uno fino a uno spessore di quattro millimetri. Per polimerizzare parzialmente i livelli di PDMS, cuocere le wafer/PGMS per 30 minuti a 70 gradi Celsius e lasciarle raffreddare a temperatura ambiente. Tagliare la replica di PDMS con il bisturi e staccarla delicatamente dallo stampo SU otto.Quindi, con l'ago da 21 gauge, praticare un foro nel PDMS come porta di accesso al microcanale che fungerà da valvola a membrana su chip. Posizionare il replice in PDMS con lo strato di controllo sul wafer con lo strato fluidico in PDMS depositato per spin coating. Allineare con attenzione e sigillare lo strato di controllo allo strato fluidico utilizzando un microscopio stereoscopico.Assicurarsi di rimuovere tutte le bolle d'aria tra gli strati e cuocere a 70 gradi Celsius per tutta la notte per indurire completamente entrambi gli strati in una lastra monolitica di PDMS; dopo il raffreddamento a temperatura ambiente, utilizzare un bisturi per tagliare e staccare il replica di PDMS dallo stampo SU eight e usare una lametta per rimuovere l'eccesso di PDMS e separare ogni unità del dispositivo. Procedere ora con la perforazione di fori di accesso ai microcanali nello strato fluidico mediante un ago da 21 gauge. Pulire un coprioggetto con acetone IPA e asciugare con azoto.Trattare sia il vetrino che le superfici della replica in PDMS con plasma di ossigeno a 500 millitorr per 30 secondi. Successivamente, mettere immediatamente a contatto le due superfici per formare un sigillo irreversibile. Infine, cuocere i dispositivi tutta la notte per aumentare l'adesione tra gli strati di PDMS e il vetrino.Posizionare innanzitutto il dispositivo microfluidico sul piatto di un microscopio invertito e fissarlo con le clip del piatto. Successivamente, per somministrare le soluzioni al dispositivo microfluidico, riempire una siringa da un millilitro e una siringa gastight da 250 microlitri rispettivamente con soluzione tampone e con il campione. Utilizzare una valvola a T tra la siringa del campione e la porta del campione sul dispositivo microfluidico per controllare l'erogazione del campione.Ora stabilire le connessioni fluidiche tra le siringhe e il dispositivo microfluidico, utilizzando tubi in perfluoruro di ossigeno, adattatori con bloccaggio a baionetta e tubi metallici da 24 gauge. Successivamente, stabilire le connessioni fluidiche per i canali di uscita nel dispositivo microfluidico mediante tubi in PFA e tubi metallici da 24 gauge. Per mantenere una caduta di pressione costante tra le siringhe e i canali di uscita, i tubi in PFA per le uscite devono avere la stessa lunghezza e devono essere entrambi immersi in una provetta da centrifuga da 1,5 millilitri riempita con soluzione tampone.Riempire la valvola su chip con olio fluorurato di trasporto utilizzando una siringa di plastica da tre millilitri con blocco a esca per evitare che l'aria penetri nel livello fluidico durante il funzionamento. Spingere l'aria nella camera della valvola attraverso la membrana in PDMS e nel microcanale. Nel livello fluidico.Per il funzionamento delle valvole su chip. Collegare un'approvvigionamento di gas inerte sotto pressione al collegamento nel livello di controllo. Sciacquare le connessioni fluide e il dispositivo microfluidico con 0,5 millilitri di soluzione tampone per assicurarsi che tutte le bolle d'aria siano rimosse dal sistema, inclusi i canali di uscita.I flussi tipici utilizzati per rimuovere le bolle d'aria variano tra 2000 e 5.000 microlitri all'ora; dopo aver eliminato le bolle d'aria dai canali microfluidici, ridurre il flusso a 50-100 microlitri all'ora, che è un flusso volumetrico tipico per l'intrappolamento delle particelle. Passare ora la valvola T in modo da permettere al campione di fluire nel dispositivo microfluidico. Eseguire il codice personalizzato in lab view che automatizza l'intrappolamento delle particelle implementando un algoritmo di controllo a retroazione lineare.Il codice acquisisce immagini da una telecamera CCD e trasmette un potenziale elettrico a un regolatore di pressione che modula attivamente la posizione di una valvola pneumatica su chip. Utilizzando lo stadio di traslazione XY del microscopio, posizionare la regione di trappolamento al centro del campo visivo della telecamera. Portare la regione di trappolamento a fuoco dell'obiettivo e regolare le impostazioni della telecamera per ottimizzare le condizioni di imaging.Scegliere una regione rettangolare di interesse all'interno del campo visivo della telecamera in modo che il centro della ROI corrisponda alla posizione del centro del trappolamento. Inizializzare ora la pressione di offset applicata alla valvola su chip. Una strozzatura larga da 100 a 200 micron si trova nel canale di uscita opposto.Fornisce una pressione di offset per il funzionamento della valvola su chip. Avviare il controllore a retroazione e regolare il guadagno proporzionale per ottimizzare la risposta del trappolamento. A seconda della portata e della posizione della valvola su chip, esiste un valore ottimale del guadagno proporzionale, che aumenta la stabilità del trappolamento ed elimina le oscillazioni indesiderate delle particelle.Il codice della vista del laboratorio intrapperà automaticamente una delle particelle che entra nella regione di intrappolamento. In questo video, il movimento delle particelle nella direzione del flusso in ingresso è dovuto al fatto che il canale di ingresso del campione è lasciato aperto per massimizzare la rigidità del confinamento nella direzione del flusso in ingresso. L'utente può chiudere il canale del campione durante l'intrappolamento, bilanciando uniformemente il flusso nel giunto a croce, monitorare la particella intrappolata e mantenere la messa a fuoco della particella all'interno del piano dell'immagine utilizzando la messa a fuoco manuale o un sistema microscopico con messa a fuoco automatizzata.Il dispositivo microfluidico integrato è costituito da un punto di focalizzazione del campione, da un incrocio a croce e da una valvola pneumatica. L'intrappolamento avviene all'incrocio a croce e la posizione della particella è controllata mediante regolazione attiva del campo di flusso al giunto del microcanale attraverso la valvola pneumatica. Qui, un'immagine di una singola perlina è confinata nella trappia idrodinamica. Oltre alla perlina al centro della trappia, diverse perline non intrappolate sono visibili nella regione di intrappolamento all'incrocio a croce.Viene mappata la traiettoria di una microsfera fluorescente in polistirene da 2,2 micron intrappolata. La particella viene inizialmente trattenuta per tre minuti. Successivamente viene rilasciata dall'oggetto intrappolato ed esce lungo uno dei canali di uscita.Un istogramma dello spostamento di una microsfera intrappolata rispetto al centro della trappia lungo la direzione dei canali di uscita indica che la particella è confinata entro un micrometro dal centro della trappia. Oggi abbiamo presentato la trappia EM come metodo per l'intrappolamento in soluzione libera di particelle su scala micro e nanometrica, mediante un punto di stagnazione generato all'interno di un dispositivo microfluidico. L'intrappolamento idrodinamico consente il confinamento di una singola particella bersaglio in sospensioni concentrate di particelle, cosa che risulta difficile con metodi alternativi di intrappolamento basati su campi di forza.Dopo ulteriori sviluppi, questa nuova tecnica permetterà esplorazioni scientifiche nei campi della biofisica, meccanica cellulare, dinamica dei fluidi, enzimologia e biologia dei sistemi. Grazie per aver guardato e speriamo che questa tecnica si riveli utile per i vostri esperimenti.

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