Name: 단일 입자 Microfluidic 기반 유체 트랩 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-01-21T17:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 13 s
Description: 배우세요 미세유체 장치를 이용한 단일 입자 유체역학적 트랩 방법을 통해 미세 및 나노입자를 정밀하게 조작하고 포획하는 기술입니다. 이 방법은 피드백 제어를 통해 입자 위치를 안정적으로 유지하여 생물물리학 및 세포역학 연구에 활용됩니다.

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우리는 도움이 토론 어바나 - 샴페인 일리노이 대학에서 Kenis 그룹을 감사하고 넉넉한 청정실 시설의 사용을 제공합니다. 이 작품은 그랜트 번호 4R00HG004183 - 03 (찰스 M. 슈뢰더와 Melikhan Tanyeri)에서 독립 PI 수상에 NIH 패스에 의해 투자되었다. 이 작품은 에릭 M. 존슨 - Chavarria에 졸업 연구 활동을 통해 국립 과학 재단 (National Science Foundation)에 의해 지원되었다.

유체 입자 트랩은 감금에 대한 두 계층 하이브리드 (polydimethylsiloxane (PDMS) / 유리) microfluidic 장치로 구성되어 있습니다. 단계 1-2 microfluidic 장치의 제조를 설명하고, 3-4 토론 장치 설계 및 운영 단계를 반복합니다. 1. SU - 8 몰드 제작 (비디오에 표시되지 않음) <ol><li> 아세톤과 이소 프로필 알코올 (IPA) 두 개의 실리콘 웨이퍼 (3 "직경) 닦으십시오. </li><li> N 2 ° C 1 분에 대한 잔류 수분을 제거하는 65 열판 그들을 이곳 건조 웨이퍼. </li><li> 유체 레이어 ~ 40 μm의 두께 금형을 만들 수 4,000 rpm으로 30 초에 대한 SU - 8 2050 포토 레지스트 (PR)와 코트 웨이퍼 # 1 스핀. 컨트롤 레이어 ~ 150 μm의 두께가 금형을 만들 수 1,500 rpm으로 30 초에 대한 홍보와 함께 코트 웨이퍼 # 2를 스핀. </li><li> 소프트 베이킹 웨이퍼 65 # 1 ° 95에서 다음 3 분 및 ° 6 분 C에 대한 C. 65 소프트 베이킹 웨이퍼 # 2 ° C 95에서 다음 5 분 및 대한 ° C 20 분. </li><li> 적절한 노출 강도 (~ 150 MJ / cm 2, ~ 260 MJ / cm 2 각각) 해당 마스크 (: 포트와 유체 채널, 웨이퍼 # 2 포트와 제어 계층 웨이퍼 # 1)과 UV에 웨이퍼를 노출. </li><li> 65 포스트 빵을 웨이퍼 # 1 ° 95에서 다음 1 분 및 ° 6 분 C에 대한 C. 65 포스트 빵을 웨이퍼 # 2 · 95에서 다음 5 분 및 들면 C ° 10 분 C. </li><li> uncured PR 제거 때까지 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트 (PGMEA)과 웨이퍼를 개발할 수 있습니다. IPA와 N 2와 건조와 웨이퍼를 씻어. </li></ol> 2. Microfluidic 장치 제작 <ol><li> trichlorosilane 몇 방울을 포함하는 유리 접시와 함께 ~ 10 분 진공 아래 건조기에서 웨이퍼를 배치하여 SU - 8 금형의 표면을 Silanize. 표면 silanization은 SU - 8 금형 해제 (PDMS) 복제본을 필링에 도움이됩니다. </li><li> 자료의 믹스와 데가스 PDMS : 유체 및 제어 계층 각각에 대한 15시 1분 및 5시 1분의 비율 crosslinker. </li><li> 750 rpm으로 30 초에 대한 유체 층 금형 (웨이퍼 # 1)에 코팅에게 15시 1분 PDMS 혼합물을 스핀 다음 페트리 접시에 웨이퍼를 놓습니다. 페트리 접시로 제어 계층 금형을 놓고 ~ 4 mm의 두께로 금형에 5시 1분 PDMS 혼합물을 따라줘. </li><li> 70 30 분 구워 웨이퍼 / PDMS ° C 부분적으로 PDMS 레이어를 치료합니다. </li><li> 상온에 웨이퍼 / PDMS를 냉각 후, SU - 8 곰팡이에서 메스와 껍질로 페트리 접시에서 제어 계층 (웨이퍼 # 2) 형성됩니다 PDMS 복제를 절단. 홀 펀치 21 게이지 바늘로 온 칩 막 밸브 역할을 것이라는 microchannel에 액세스 포트. </li><li> 웨이퍼 # 1 (스핀 - 코팅 PDMS 유체 층을 가지고있는)로 제어 계층과 함께 PDMS 복제를 놓습니다. 조심스럽게 정렬 및 스테레오 현미경을 사용하여 유체 레이어 제어 레이어를 밀봉. 70 레이어와 빵을 사이의 모든 공기 주머니를 제거하십시오 ° C 완전히 두 레이어를 치료하기 위해 하룻밤. 이 베이킹 단계는 두 레이어가있는 단일 PDMS의 슬래브가 발생합니다. </li><li> 메스를 사용하여 컨트롤 및 SU - 8 몰드에서 유체 레이어 모두를 포함하는 실내 온도, 잘라내기, PDMS 복제 껍질을 냉각 후. 초과 PDMS를 제거하고 면도날 각 장치 단위를 구분합니다. 21 게이지 바늘로 유체 레이어 microchannels에 구멍 펀치를 액세스 포트. </li><li> coverslip에 본드는 PDMS의 슬래브 완벽한 장치를 얻을 수 있습니다. 아세톤과 IPA로 첫째, coverslip을 (1.5, 24 X 45mm 없음) 청소하십시오. 다음, 30 초 500 mTorr에서 coverslip 및 산소 플라즈마와 PDMS 복제 표면을 모두 처리하고, 즉시 돌이킬 수없는 인감을 형성 문의에 두 표면을 가지고. </li><li> PDMS의 레이어와 coverslip 사이의 결합을 증가 하룻밤 장치를 구워. </li></ol> 단계 3-4 위에서 설명한 microfluidic 장치를 사용하여 유체 트랩을 구현 설명합니다. 3. 유체 실험 트랩 설치 <ol><li> 거꾸로 현미경의 무대에 microfluidic 장치를 무대 클립을 확보. </li><li> 버퍼와 샘플 솔루션을 별도로 둘 가스 기밀 주사기를 기입하고 하버드 장치 주사기 펌프 (PHD 2000 프로그램)에 그들을 놓으십시오. 버퍼와 샘플 솔루션은 각각 1 ML와 250 μl 주사기를 통해 microfluidic 장치에 전달됩니다. 일반적으로, 50 MM 트리스 / 트리스 HCL 버퍼 솔루션 (산도 8.0) V / V 트리톤은 X - 100은 버퍼 솔루션으로 사용되는 0.02 %를 포함. 샘플 솔루션은 버퍼 솔루션의 입자 현탁액 (예 : 형광 폴리스티렌 구슬)으로 구성되어 있습니다. </li><li> 주사기 (예제와 버퍼를 전달) 및 microfluidic 장치 사이의 유체 연결을 설정합니다. luer 잠금 어댑터를 사용 (ID) perfluoroalkoxy (PFA) 튜브 16분의 1 "외경 (OD) × 0.020 '내경에 주사기를 연결합니다. 24 게이지 메타로 microfluidic 장치의 입구 포트 PFA 튜빙의 다른 쪽 끝을 연결합니다내 튜빙. T - 밸브 샘플 배달을 제어하기 위해 microfluidic 장치의 샘플 주사기 및 샘플 포트 사이에 위치 수 있습니다. </li><li> microfluidic 장치에서 아울렛 채널에 대한 유체 연결을 설정합니다. 24 게이지 금속 튜브를 사용하여 PFA 튜빙 (1 / 16 "OD X 0.020"ID)에 두 개의 콘센트에 채널을 연결합니다. 콘센트에 대한 PFA 튜빙은 동등한 길이의해야합니다. 주사기 및 아울렛 채널 사이에 일정한 압력 강하를 유지하는 역할을 버퍼 솔루션으로 가득 1.5 ML의 원심 관에 잠수함 아울렛 튜브 모두. </li><li> 작업하는 동안 유체 층에 누설에서 공기를 방지하기 위해 3 ML luer 잠금 플라스틱 주사기를 사용하여 플루오르 캐리어 오일과 함께 온 - 칩 밸브를 입력합니다. 밸브 챔버에서 공기가 유체 층에서 microchannel에 PDMS 막 끝까지 해냈고 이후 아울렛 포트를 통해 유체 흐름과 장치에서 제거됩니다. </li><li> 온칩 밸브 작동에 대한 컨트롤 레이어에있는 포트에 압력 불활성 가스 (질소) 공급 장치를 연결합니다. 이러한 목적을 위해, 우리는 질소 탱크 (2200 PSI)와 microfluidic 장치에서 온 - 칩 밸브 00-30 PSI를 제공하는 전자 압력 조절기를 사용합니다. 질소 탱크는 ¼ "OD X 0.170"ID 튜빙을 사용하여 압력 조절기에 연결됩니다. 압력 조절은 그 터미 너스 24 게이지 금속 튜브 1 / 16 "OD X 0.020"ID PFA 튜빙을 통해 microfluidic 장치에 연결되어 있습니다. </li><li> 모든 기포가 콘센트에 채널을 포함하여 시스템에서 제거되는 것을 보장하기 위해 버퍼 솔루션 0.5 ML로 유체 연결 및 microfluidic 장치를 씻어. 2000-5000 μL / HR 사이에 거품이 범위를 삭제에 사용되는 일반적인 유량. 공기 방울이 microfluidic 채널 밖으로 씻어서 후, 입자 트래핑에 대한 전형적인 용적식 속도는 50-100 μL / HR에 흐름 속도를 줄일 수 있습니다. </li><li> 이 시점에서, 유체 연결, 샘플을 설립하고 버퍼 솔루션은 고정 유량 (50-100 μL / HR)에서 microfluidic 장치에 전달되며, 장치는 유체 트래핑 준비가되었습니다. </li></ol> 4. 유체 트래핑 절차 <ol><li> 입자 트래핑을 자동화 맞춤식 LabVIEW 코드를 (아래에 LabVIEW 코드를 사용 참고를 참조)를 실행합니다. </li><li> 카메라보기의 중앙에 현미경의 XY 번역 단계, 위치에게 트래핑 지역 (크로스 - 슬롯)를 사용합니다. 목적 렌즈의 초점으로 트래핑 지역을 지참 및 이미징 조건을 최적화하기위한 카메라 설정을 조정합니다. </li><li> 투자 수익 (ROI)의 중심이 트랩 중심의 위치 것입니다 이러한보기의 카메라의 입력란 내의 관심이 직사각형 영역 (ROI)을 선택합니다. </li><li> 온칩 밸브에 적용된 오프셋 압력을 초기화합니다. 콘센트 채널 중 하나에서, 100-200 μm의 넓은 수축은 온 - 칩 밸브에 대한 오프셋 압력을 제공하기 위해 도입되었습니다. 일정한 오프셋 압력은 채널 간 슬롯의 중심 부근에서 정체 지점의 위치를​​ 조정하는 온 - 칩 밸브 수 있습니다. 대부분의 실험은 오프셋 압력이 채널 크기 (높이와 넓이), 수축 폭 및 온칩 밸브 (밸브 크기, 막 두께 등)의 사양에 따라 0-12 PSI 사이에 설정됩니다. </li><li> 피드백 컨트롤러를 시작하고 트랩 응답을 최적화하기 위해 비례 게인을 조정합니다. 피드백 컨트롤러는 입자의 위치와 세트 포인트 (트랩 센터) 사이의 오류 또는 거리를 최소화 정체 지점 위치를 이동하기 위해 온 칩 밸브에 적용되는 압력을 조정합니다. 유속 및 온칩 밸브 위치에 따라 트랩 안정성을 증가하고 원하지 않는 입자 oscillations를 제거하는 최적의 비례 게인 값이있다. </li><li> 입자 트랩. LabVIEW 코드 자동 트래핑 지역을 입력 입자 중 하나를 함정 것입니다. 원하는 입자가 갇혀되면, 그것은 원하는 경우, 샘플의 흐름을 차단하고 버퍼 솔루션에 갇힌 입자를 분리하는 것이 가능합니다. </li><li> 함정 입자를 모니터링하고 수동 초점이나 자동 초점 현미경 설치 프로그램을 사용하여 이미지 비행기 내에서 입자 초점을 유지합니다. 그것은 약간 긴 시간 규모 트래핑 이벤트 (시간 분)의 과정 중에 트랩의 안정성을 보장하기 위해 피드백 컨트롤러의 비례 게인을 조정해야 할 수도 있습니다. </li></ol> LabVIEW 코드 : 피드백 컨트롤러에 대한 사용주의 자동 입자 트래핑은 사용자 정의 LabVIEW 코드를 사용하여 구현 선형 피드백 제어 알고리즘을 사용하여 이루어진다. LabVIEW 코드는 CCD 카메라에서 이미지를 캡처하고 적극적으로 온 칩 동적 공압 밸브의 위치를​​ (부분적으로 개방 / 폐쇄 상태) modulates 압력 레귤레이터에 전위를 (전압) 전송합니다. 으로 밸브 위치 변경 한 콘센트 라인에서 유체 유량 IS는이를 침체 지점을 다시 위치 및 유체 트래핑을 지원, 조정. 피드백 루프의 단계는 순차적으로하고 반복 이미지 캡처 (10-60 Hz에서)의 속도로 실행. LabVIEW 코드는 각각의 피드백 루프주기 동안 다음 단계를 실행합니다 : <ul><li> .와 CCD 카메라 : 이미지 캡처 이미지 10X 목적 렌즈와 형광 현미경을 사용하여 microfluidic 장치의 트래핑 지역의 "대상"입자 (0.4 NA)에 대한 인수입니다. </li><li> 입자 추적. 입자 중심 위치가 결정되며, 입자 추적 알고리즘은 시작됩니다. 입자가 중심 위치가 결정하는 점 확산 함수 (PSF)에 대한 입자의 방출 강도 프로필을 피팅하여 현지 있습니다. </li><li> 흐름 필드 컨트롤. 온칩 동적 밸브위한 업데이트된 압력은 비례 컨트롤러와 피드백 제어 알고리즘을 사용하여 계산됩니다. 이러한 방법으로, 밸브의 동작은 트랩 중심 방향으로 입자를 조종하기 위해 입자의 유체 력을 미치는 침체 지점을 다시 위치입니다. </li></ul> LabVIEW 코드는 트래핑 입자 동안 촬영된 모든 이미지에 대해 다음과 같은 데이터를 기록합니다 : 1) 시간) 중심 (갇힌 입자, 3 X, Y) 위치) 트랩 센터의 위치, 4, 2 경과) 입자의 거리에서 트랩 센터, 5) 압력은 온 - 칩 밸브에 적용. 또한, 코드는 AVI 파일 형식으로 갇힌 입자의 동영상을 기록합니다. 5. 대표 결과 우리는 유체 트랩을 사용하여 다양한 크기 (100, 540, 830 NM, 그리고 2.2 μm의 직경)의 형광 폴리스티렌 비즈를 두었다. 그림 1 (A)는 microfluidic 장치에서 교차 슬롯 교차점에 갇혀 입자의 이미지를 보여줍니다. 갇힌 입자의 궤도는 트래핑 이벤트 중 또는 기록된 동영상 파일에서 갇힌 입자를 추적하고 현지화하여 LabVIEW 코드 기록된 중심 위치 데이터에서 직접 확인할 수 있습니다. 그림 1 (B)는 아울렛 채널 방향을 따라 갇힌 입자 (2.2 μm의 형광 폴리스티렌 비드)의 궤도를 보여줍니다. 비드는 처음 3 분 (사각형) 갇혀 후 콘센트 채널 (원) 중 하나를 택해 트랩과 탈출에서 배포되고 있습니다. compressional 흐름 축 (유입 채널 방향, 데이터가 표시되지 않음)을 따라 입자의 궤도는 그림 1 (B)에 표시된 extensional 흐름 축 (유출 방향)을 따라 입자의 탄도 비슷합니다. 콘센트 채널 방향을 따라 덫에 구슬 (2.2 μm의 직경)에 대한 트랩 센터에서 입자 변위의 히스토그램은 그림 1 (C)로 표시됩니다. 이 작품에서 설명하는 피드백 제어 알고리즘을 사용하여 갇힌 입자는 입구와 출구 채널 방향을 따라 트랩 센터의 ± 1 μm의 사이에 국한되어 있습니다. 유체 트래핑에 사용되는 microfluidic 장치의 개략도는 그림 2에 표시됩니다. 통합 microfluidic 장치는 유체 층과 제어 레이어로 구성되어 있으며,이 문서에서 설명하는 표준 다층 소프트 리소그래피를 사용하여 조작합니다. 유체 층의 버퍼와 샘플 채널뿐만 아니라 유체 트래핑을 촉진하기 위해 교차 슬롯 채널 기하학을 포함하고 있습니다. 제어 계층은 유체 층에서 아울렛 채널 중 하나 이상의 위치 공압 밸브의 구성되며, 제어 및 유체 층이 얇은 탄성 막로 구분됩니다. 장치 작동하는 동안 컨트롤 레이어에있는 밸브는이를 콘센트 채널의 수축을 유도, 유체 층에 얇은 막을 강제로 질소 가스와 압력이다. 동적 공압 밸브는 콘센트 채널의 상대적인 흐름 속도를 조정하고 정체 지점의 미세 규모의 제어를 가능하게 제어 계층에 적용되는 압력을 변경하여 변수 금액으로 콘센트에 채널을 수축. <img src="/files/ftp_upload/2517/2517fig1.jpg" alt="그림 1" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="그림 1"> 그림 1 : 입자 트래핑. (A) 한 구슬의 이미지가 유체 함정에 감금. 트랩 센터에서 비드 이외에 몇 가지 untrapped 구슬이 트래핑 영역에 표시됩니다. 콘센트 채널 (사각형) 함께 갇힌 입자의 (B) 탄도. 입자가 트랩 (화살표)에서 출시되면, 그것은 콘센트 채널 (원) 중 하나를 택해 탈출. (C) 콘센트 채널을 따라 트랩 센터에서 덫에 구슬 (2.2 μm의 직경)의 변위의 히스토그램. <img src="/files/ftp_upload/2517/2517fig2.jpg" alt="그림 2" data-altupdatedat="1787634011000" data-alt="그림 2"> 그림 2. 유체 트래핑을위한 microfluidic 장치의 도식은 유체 트랩은 두 계층 microfluidic 장치를 사용하여 구성되어 있습니다. 유체 레이어 샘플 입구, F로 구성되어 있습니다우리 버퍼 인레츠, 두 폐기물 콘센트. 제어 계층은 유체 층에서 아울렛 채널 중 하나 위에 위치한 공기 막 밸브로 구성되어 있습니다. 반대 아울렛 채널의 수축은 공압 밸브에 대한 오프셋 압력을 제공합니다. 일반 채널 크기는 100-500 μm의 사이의 범위. 지역 (A), 샘플 입구는 두 버퍼 인레츠으로 초점을 맞추고 흐름입니다. 지역 (B), 반대 유입 스트림 트래핑가 발생 교차 슬롯 교차점에 수렴. 공압 밸브 (C)은 아울렛 채널 중 하나의 맨 위에 배치됩니다. 침체 지점 위치는이 밸브에 압력을 조절하여 변조된 수 있습니다.

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</ol>

관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.

유체 흐름에 따라 입자의 조작에 대한 현재 microfluidic 방식은 문의 - 기반 또는 비 접촉 방식으로 특징 수 있습니다. 비 - 연락 방법이 흐름이나 microeddies 10 순환에 의존하는 반면, 연락처 기반의 방법은, 물리적 경계 및 microfabricated 채널 벽면 구에 대한 입자를 고정하기 위해 유체 흐름을 사용합니다. 이 작품에서 우리는 유체 흐름의 단독 작업을 사용하여 자유 솔루션 입자 트래핑하는 방법을 제시. 유체 함정 microfluidic 교차 슬롯 장치에 유체 침체 지점에 작은 입자의 감금 및 조작이 가능합니다. 이 장치에서 자동 피드백 제어 메커니즘은 흐르는 유체의 정체 지점 위치의 미세 규모와 적극적인 조정에 의해 입자를 한정하는 데 사용됩니다. 어떤 유체의 입자 트랩 구속의 죄어져 있음 무엇이며 어떻게이 최적화할 수 있습니까? 입자의 위치를​​ 현지화 때 트랩 센터 입자를 confining의 정확성...

<table><tbody><tr><td>21 gauge 뭉툭한 바늘</td><td>Zephyrtronics</td><td>ZT-5-021-1-L</td><td>PDMS에 포트 구멍을 뚫기 위함</td></tr><tr><td>3 ml 플라스틱 주사기</td><td>BD Biosciences</td><td>309585</td><td>밸브에 오일을 채우기 위함</td></tr><tr><td>Si 웨이퍼</td><td>University Wafer</td><td></td><td> 3&amp;#8221; P(100) 단면 연마 380 &amp;#x03BC;m 테스트 등급</td></tr><tr><td>커버 글라스</td><td>VWR international</td><td>48404-428</td><td>24 x 40 mm #1.5</td></tr><tr><td>DAQ 카드</td><td>National Instruments</td><td>PCI 6229</td><td></td></tr><tr><td>형광 비드</td><td>Spherotech, Inc.</td><td>FP-2056-2</td><td>2.2 &amp;#x03BC;m Nile red</td></tr><tr><td>Fluorinert </td><td>3M</td><td>FC 40</td><td>불소화 캐리어 오일</td></tr><tr><td>도립 현미경</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>실체 현미경</td><td>Leica Microsystems</td><td>MZ6</td><td>PDMS 제어층을 유체층에 정렬하기 위함</td></tr><tr><td>기계식 대류 오븐</td><td>VWR international</td><td>1300U</td><td>장치를 구워 두 층으로 된 일체형 PDMS 슬래브를 제작하기 위함</td></tr><tr><td>미세유체 튜브 및 커넥터</td><td>Upchurch Scientific</td><td></td><td>1/16 x .020 PFA 튜브 및 슈퍼 플랜지리스 피팅</td></tr><tr><td>PDMS</td><td>GE Healthcare</td><td>RTV 615 A&amp;amp;B</td><td></td></tr><tr><td>플라즈마 챔버</td><td>Harrick Scientific Products, Inc.</td><td>PDC-001</td><td></td></tr><tr><td>압력 트랜스듀서</td><td>Proportion Air</td><td>DQPV1</td><td></td></tr><tr><td>스핀 코터</td><td>Specialty Coating Systems</td><td>G3P-8 Spin Coat</td><td></td></tr><tr><td>포토레지스트</td><td>MicroChem Corp.</td><td>SU 8 2050</td><td></td></tr><tr><td>주사기 펌프</td><td>Harvard Apparatus</td><td>PHD 2000 Programmable</td><td></td></tr><tr><td>터미널 블록</td><td>National Instruments</td><td>BNC 2110</td><td>압력 조절기 및 판독을 위한 아날로그 출력용</td></tr><tr><td>UV 콜리메이팅 광원 및 노광 시스템</td><td>OAI</td><td>Model 30 Enhanced Light Source</td><td></td></tr></tbody></table>

단일 입자 microfluidic 기반 유체 트랩

A Microfluidic-based Hydrodynamic Trap for Single Particles

무료 솔루션에서 단일 입자들을 가두고 조작하는 능력은 기초 및 응용 과학의 주요 사용 기술입니다. 광학, 자기 계면과 음향 기술을 기반으로 입자 트래핑을위한 방법은 분자에서 세포 수준에 이르기까지 물리학 및 생물학의 주요 발전을 주도했습니다. 이 문서에서는, 우리는 전적으로 유체 유체의 흐름에 따라 입자 트래핑 및 조작을위한 새로운 microfluidic 기반 기술을 소개합니다. 이 방법을 사용하여, 우리는 오랫동안 비늘을위한 수성 솔루션 마이크로 및 나노 스케일 입자의 트래핑 보여줍니다. 유체 트랩은 두 반대 층류 흐름은 따라서 유체 침체 포인트 (제로 속도 포인트)와 평면 extensional 흐름을 생성, 모이 교차 슬롯 채널 기하학과 통합 microfluidic 장치로 구성되어 있습니다. 이 장치에서는, 입자는 유체 정체 지점에 입자의 위치를​​ 유지하기 위해 유량 분야의 적극적인 제어에 의해 트랩 센터에 국한되어있다. 이러한 방식으로, 입자가 효과적으로 맞춤식 LabVIEW 코드로 구현 피드백 제어 알고리즘을 사용하여 무료로 솔루션에 갇혀있다. 제어 알고리즘은 입자 추적, 입자 중심 위치를 결정하고, 압력 조절기를 사용하여 온 칩 공압 밸브에 적용되는 압력을 조절하여 유체 흐름의 적극적인 조정에 의해 다음 microfluidic 장치에 입자에 대한 이미지 수집 구성되어 있습니다. 이런 방식으로, 온 칩 동적 미터링 밸브 기능함으로써 침체 지점 위치 및 입자 트래핑의 미세 규모의 제어를 가능하게, 아울렛 채널의 상대적인 흐름 속도를 조절합니다. microfluidic 기반 유체 입자 트랩은 트래핑을위한 방법으로 몇 가지 장점을 전시하고 있습니다. 유체 트래핑은 덫을 객체의 물리적 또는 화학적 성질에 대한 특정 요구 사항없이 임의의 입자 가능합니다. 또한, 유체 트래핑 대체 인력 분야 기반 트래핑 방법을 사용하여 어려운 농축이나 붐비는 입자 suspensions에서 &quot;하나의&quot;대상 개체의 감금 수 있습니다. 유체 함정 구현하는 사용자 친화적인, 간단하고 입자의 트래핑과 긴 시간 분석을 촉진하기 위하여 기존의 microfluidic 장치에 추가할 수 있습니다. 전체 유체 함정 감금, 미세 조작 및 표면 고정하지 않고 입자의 관찰을위한 새로운 플랫폼입니다 작은 입자의 자유 솔루션 트래핑에 잠재적으로 섭동의, 광학 자성, 전기 분야에 대한 필요가 없습니다.

이 문서에서는, 우리는 유체 흐름에 따라 입자의 구속을위한 microfluidic 기반의 방법을 제시한다. 우리는이를 통합 microdevice에 임의의 입자의 감금 및 미세 조작을 가능하게, 피드백 제어 메커니즘을 사용하여 유체의 정체 지점에 안정적인 입자 트래핑을 보여줍니다.

단일 입자 Microfluidic 기반 유체 트랩

자유 용액 내에서 단일 입자를 가두고 조작하는 능력은 기초 과학 및 응용 과학을 가능하게 하는 핵심 기술입니다. ...를 위한 방법들은

이 방법의 전반적인 목적은 미세유체 장치 내의 층류를 이용하여 단일 마이크로 및 나노 스케일 입자를 가두고 조작하는 것입니다. 유체역학적 트랩은 십자형 슬롯 채널 구조의 미세유체 장치로 구성되며, 이는 미세채널 접합부에서 정체점 흐름(stagnation point flow)을 발생시킵니다. 배출 채널 중 하나에 위치한 온칩 밸브를 사용하여 유체 흐름을 능동적으로 제어하고 입자를 포획합니다.정체점(stagnation point) 위치의 능동 제어를 통해 입자를 사용자가 정의한 설정 지점에 가둡니다. 피드백 컨트롤러를 사용하여 입자 위치를 추적하고 칩 내부 밸브를 조절함으로써 입자 위치가 설정 지점에서 유지되도록 합니다. 이 유체역학적 트랩을 사용하면 희석되었거나 농축된 입자 용액 내의 단일 입자를 가둘 수 있으며, 형광 또는 명시야 현미경을 사용하여 이미징할 수 있습니다.입자 궤적과 트랩 중심으로부터의 입자 변위 히스토그램에서 볼 수 있듯이, 단일 입자를 트랩 중심으로부터 1 micron 이내로 가둘 수 있습니다. 안녕하세요, 저는 일리노이 대학교 화학 및 생명분자 공학과, 그리고 생물물리학 및 계산생물학 센터의 Charles Schroer 교수님 연구실 소속 Eric Johnson Rio입니다. 안녕하세요, 저는 Schroer 연구실의 박사후 연구원 Ari입니다.안녕하세요, 저는 Cheryl Schroeder입니다. 오늘은 단일 입자의 유체역학적 포획(hydrodynamic trapping)을 위한 미세유체 장치를 제작하고 구현하는 방법을 보여드리겠습니다. 광학적 또는 전기역학적 트랩과 같은 기존 방식과 비교했을 때 이 기술의 주된 장점은, 유체 흐름만으로 유체역학적 포획이 이루어지므로 나노입자나 세포 포획 시 발생할 수 있는 잠재적인 외부 전장의 영향을 배제할 수 있다는 점입니다. 이 기술은 포획되는 입자의 화학적 또는 물리적 성질에 관계없이 마이크로 및 나노 규모 입자의 자유 용액 포획을 가능하게 함으로써 기초 및 응용 과학 분야에 변혁을 가져올 잠재력을 가지고 있습니다.이제 시작하겠습니다. SU-8 몰드에서 복제물을 쉽게 떼어낼 수 있도록, 트라이클로로실란(trichloro silane) 몇 방울이 담긴 유리 접시와 함께 웨이퍼를 진공 데시케이터에 10분 동안 넣어 SU-8 몰드의 표면을 처리하십시오. 유체 층과 제어 층에는 혼합된 DGAs PDMS를 사용합니다. 15:1로 혼합된 PDMS 용액을 유체 층 몰드 위에 750 RPM으로 30초 동안 스핀 코팅한 후, 웨이퍼를 페트리 접시에 넣으십시오.마찬가지로, 대조군 층 몰드를 페트리 접시에 넣고 PDMS 혼합물을 5:1 비율로 몰드 위에 4 mm 두께가 되도록 붓습니다. PDMS 층을 부분적으로 경화시키기 위해 웨이퍼/PDMS를 70 °C에서 30분 동안 굽고 실온까지 식힙니다. 메스로 PDMS 복제물을 절단한 후 SU-8 몰드에서 떼어냅니다.그런 다음 21 gauge 바늘을 사용하여 PDMS에 구멍을 뚫어, 칩 상의 멤브레인 밸브 역할을 할 마이크로채널의 액세스 포트를 만듭니다. 제어층이 포함된 PDMS 복제물을 스핀 코팅된 PDMS 유체층이 있는 웨이퍼 위에 놓습니다. 실체 현미경을 사용하여 제어층과 유체층을 주의 깊게 정렬하고 밀봉합니다.층 사이의 모든 기포를 제거하고 70 °C에서 하룻밤 동안 구워 두 층이 완전히 경화되어 하나의 일체형 PDMS 슬랩이 되도록 합니다. 실온으로 식힌 후, 메스를 사용하여 SU-8 몰드에서 PDMS 복제물을 자르고 떼어내며, 면도날을 사용해 과잉 PDMS를 제거하고 각 장치 단위를 분리합니다. 이제 21 gauge 바늘로 유체 층의 미세 채널에 접근 포트를 펀칭합니다. 커버슬립을 아세톤과 IPA로 세척하고 질소로 건조합니다.커버슬립과 PDMS 복제본 표면 모두를 500 millitorr에서 30초 동안 산소 플라스마로 처리합니다. 그 후 즉시 두 표면을 접촉시켜 되돌릴 수 없는 밀봉 상태를 형성합니다. 마지막으로, 장치를 하룻밤 동안 베이킹하여 PDMS 층과 커버슬립 사이의 결합력을 높입니다.먼저, 마이크로유체 장치를 도립현미경의 스테이지 위에 놓고 스테이지 클립으로 고정합니다. 다음으로, 마이크로유체 장치에 용액을 공급하기 위해 1 mL 및 250 µL 가스 밀폐형 시린지를 각각 완충액과 시료 용액으로 채웁니다. 시료 시린지와 마이크로유체 장치의 시료 포트 사이에 T 밸브를 사용하여 시료 공급을 제어합니다.이제 per fluoro oxy 튜빙, 루어 락 어댑터 및 24 gauge 금속 튜빙을 사용하여 주사기와 미세유체 장치 사이의 유체 연결을 구축하십시오. 그런 다음 PFA 튜빙과 24 gauge 금속 튜빙을 사용하여 미세유체 장치의 배출 채널에 대한 유체 연결을 구축하십시오. 주사기와 배출 채널 사이의 일정한 압력 강하를 유지하기 위해, 배출구용 PFA 튜빙의 길이는 서로 동일해야 하며 두 튜빙 모두 버퍼 용액이 채워진 1.5 milliliter 원심분리 튜브에 담겨 있어야 합니다.작동 중 공기가 유체층으로 유입되는 것을 방지하기 위해, 3 mL 루어 락(lure lock) 플라스틱 주사기를 사용하여 온칩 밸브를 불소화 운반유로 채웁니다. 밸브 챔버 내의 공기를 PDMS 막을 통해 유체층의 미세유체관으로 밀어냅니다.온칩 밸브 작동을 위한 단계입니다. 제어층의 포트에 가압 불활성 가스 공급원을 연결하십시오. 유체 연결부와 미세유체 장치를 0.5 milliliters의 완충 용액으로 헹구어, 배출 채널을 포함한 시스템 내의 모든 기포가 제거되었는지 확인하십시오.기포를 제거하는 데 사용되는 일반적인 유속은 2000에서 5,000 µL/h 범위이며, 미세유체 채널에서 기포가 모두 씻겨 나간 후에는 입자 포획을 위한 일반적인 체적 유속인 50에서 100 µL/h로 유속을 낮춥니다. 이제 T 밸브를 전환하여 시료가 미세유체 장치로 흐르도록 합니다. 선형 피드백 제어 알고리즘을 구현하여 입자 포획을 자동화하는 맞춤 제작된 LabVIEW 코드를 실행합니다.코드는 CCD 카메라에서 이미지를 캡처하고 압력 조절기로 전기 전위를 전송하여 온-칩 공압 밸브의 위치를 능동적으로 조절합니다. 현미경 XY 이동 스테이지를 사용하여 트래핑 영역을 카메라 뷰의 중심에 위치시키십시오. 트래핑 영역을 대물렌즈의 초점에 맞추고 카메라 설정을 조정하여 이미징 조건을 최적화하십시오.ROI의 중심이 트랩 중심의 위치가 되도록 카메라의 시야 내에서 직사각형 관심 영역을 선택하십시오. 이제 온칩 밸브에 인가되는 오프셋 압력을 초기화하십시오. 반대편 배출 채널에는 100 내지 200 micron 너비의 협착부가 위치합니다.온칩 밸브의 작동을 위한 오프셋 압력을 제공합니다. 피드백 컨트롤러를 가동하고 비례 이득(proportional gain)을 조정하여 트랩 응답을 최적화하십시오. 유량과 온칩 밸브의 위치에 따라 최적의 비례 이득 값이 존재하며, 이를 통해 트랩 안정성을 높이고 원치 않는 입자 진동을 제거할 수 있습니다.LabVIEW 코드는 포집 영역으로 진입하는 입자 중 하나를 자동으로 포집합니다. 본 영상에서 유입 방향으로 입자 운동이 발생하는 이유는 유입 방향의 포집 구속력을 극대화하기 위해 시료 주입 스트림을 열어두었기 때문입니다. 사용자는 포집 중에 시료 스트림을 닫아 교차 채널 접합부로 흐르는 유량을 균등하게 조절할 수 있으며, 포집된 입자를 모니터링하고 수동 초점 또는 자동 초점 현미경 설정을 사용하여 이미지 평면 내에서 입자 초점을 유지할 수 있습니다.통합 마이크로플루이딕 장치는 샘플 포커스, 크로스 슬롯 접합부 및 공압 밸브로 구성되어 있으며, 포획은 크로스 슬롯 접합부에서 발생하고 입자의 위치는 공압 밸브를 통한 마이크로채널 접합부의 유동장 능동 조절로 제어됩니다. 여기에서 단일 비드가 유체역학적 트랩에 갇혀 있는 이미지가 나타나 있습니다. 트랩 중심에 있는 비드 외에도, 크로스 슬롯 접합부의 포획 영역에 포획되지 않은 여러 개의 비드들이 보입니다.포획된 2.2 micron 형광 폴리스티렌 비드의 궤적을 매핑합니다. 입자는 처음에 3분 동안 포획됩니다. 그 후 트랩에서 방출되어 유출 채널 중 하나를 통해 빠져나갑니다.배출 채널 방향을 따라 트랩 중심으로부터 포획된 비드의 변위를 나타낸 히스토그램은 입자가 트랩 중심으로부터 1 µm 이내로 제한되어 있음을 보여줍니다. 오늘 우리는 미세유체 소자 내에서 생성된 정체점 흐름(stagnation point flow)을 이용하여 마이크로 및 나노 스케일 입자를 유리 용액 상태로 포획하는 방법인 EM 트랩을 제시하였습니다. 유체역학적 포획은 다른 힘의 장 기반 포획 방법으로는 어려웠던 고농도 입자 현탁액 내 단일 표적 입자의 가둠을 가능하게 합니다.추가적인 개발을 통해, 이 새로운 기술은 생물물리학, 세포 역학, 유체 역학, 효소학 및 시스템 생물학 분야의 과학적 탐구를 가능하게 할 것입니다. 시청해주셔서 감사드리며, 이 기술이 귀하의 실험에 유용하게 활용되기를 바랍니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

Microfluidic 장치를 사용하여 셀 캡처

유전체의 저전력 광학 트래핑 다음 설치 방법 세부 금속 필름에 두 번 nanohole를 사용하여 나노 입자.

나노 입자의 광학 트래핑

이 비디오는 자기 나노 입자 기반 면역 분석을 위한 미세유체 시스템을 보여줍니다. 감지 시스템은 채널 내에 자기 트랩을 통합한 미세유체 장치를 사용합니다. 1차 항체와 과산화효소 접합 2차 항체에 결합된 항원 코팅된 자성 나노입자로 구성된 사전 형성된 면역복합체가 채널로 도입됩니다. 면역복합체는 외부 자기장을 가할 때 다공성 자기 트랩에 포획됩니다. 과산화효소(peroxidase)에 의한 촉매 작용 시 형광을 방출하는 형광성 기질을 사용하여 포획된 면역복합체를 현미경으로 검출합니다.

미세유체 소자를 이용한 자성 나노입자 기반 면역분석법

이 프로토콜은 미세유체 소자를 사용하여 자동화된 소량(0.15–1.5ml) 입자 분리를 수행하기 위한 시스템 아키텍처를 설명하고 음향 유체 소자 성능 및 작동을 최적화하는 방법에 대해 설명합니다.

미세 유체 정밀 작은 볼륨 샘플 처리를위한 플랫폼 및 음향 마이크로 디바이스로 구분 생물 입자 크기의 사용

여기에서는 모세관 기반 원심 미세유체 장치를 사용하여 크기 제어 가능한 단분산 W/O(Water-in-Oil) 미세방울에 대한 간단한 생산 방법을 보여줍니다. 이 방법은 소량의 시료만 필요하며 고수율 생산이 가능합니다. 우리는 이 방법이 신속한 생화학 및 세포 분석에 유용할 것으로 기대합니다.

단 분산 미세 방울의 크기가 제어 형성을위한 모세관 기반 원심 미세 유체 장치

우리는 폴리디메틸실록산(PDMS)에서 두 마이크로채널 사이에 나노유체 접합을 생성하기 위해 실리카 콜로이드 나노입자의 간단한 자기 조립 기술을 제안합니다. 이 기술을 사용하여 기공 크기가 ~45nm인 나노다공성 비드 멤브레인을 마이크로채널 내부에 구축하고 DNA 샘플의 동전기 사전 농축에 적용했습니다.

콜로이드 입자의 자기 조립 과정을 통해 PDMS 미세 유체 칩의 하위 50 Nm의 나노 유체 접합 만들기

여기에서는 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 만들어진 이중층 미세유체 시스템의 제조 및 작동에 대해 설명합니다. 우리는 트래핑을 위한 이 장치의 잠재력을 보여주고, 결정질 분자 물질의 배위 경로를 지시하고, 온칩 트랩 구조에 대한 화학 반응을 제어합니다.

미세 유체 압축 공기를 넣은 케이지 : A의 칩 크리스탈 트래핑, 조작에 대한 새로운 접근 방식 및 제어 화학 처리

우리는 다수의 미세 채널에서 입자의 검출 및 사이징 다중화, 코드 분할 다중 접속 (CDMA)과 저항 펄스 센서 (RPS)를 결합하는 집적 표면 전극 네트워크와 미세 유체 플랫폼을 보여준다.

입자의 공간 추적을위한 멀티 플렉스 전자 감지와 미세 유체 플랫폼

본 프로토콜은 효율적인 미세입자 농축을 위해 사용될 수 있는 공압 미세유체 플랫폼을 기술한다.

미세입자 농도를 위한 공압 구동 미세유체 플랫폼

미세 유체 공학은 진단 테스트 개발을위한 강력한 도구입니다. 그러나 값비싼 장비와 재료, 힘든 제조 및 취급 기술이 필요한 경우가 많습니다. 여기에서는 저비용 및 사용이 간편한 환경에서 자성 마이크로 및 나노 입자 기반 면역 분석을위한 아크릴 미세 유체 장치의 제조 프로토콜에 대해 자세히 설명합니다.

컴퓨터 수치 제어 자기 나노 입자 기반 면역 분석에 대한 엇갈린 제한이있는 미세 유체 아크릴 장치의 마이크로 밀링

미세 유체 챔버를 통해 연구 된 시각적 단일 분자 생화학은 유리 배럴, 기밀 주사기, 튜브와 플로우 셀의 안정적인 연결 및 주사기와 튜브 사이에 스위칭 밸브를 배치하여 기포 제거를 사용하여 크게 촉진됩니다. 이 프로토콜은 DNA 거래 및 분자간 상호 작용의 시각화를 가능하게 하는 이중 광학 트랩을 설명합니다.

단일 분자 연구를 위한 이중 광학 핀셋 및 미세 유체 공학 사용

배우세요 미세유체 장치를 이용한 단일 입자 유체역학적 트랩 방법을 통해 미세 및 나노입자를 정밀하게 조작하고 포획하는 기술입니다. 이 방법은 피드백 제어를 통해 입자 위치를 안정적으로 유지하여 생물물리학 및 세포역학 연구에 활용됩니다.

단일 입자 Microfluidic 기반 유체 트랩

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