단일 입자 Microfluidic 기반 유체 트랩

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.

이 방법의 전반적인 목표는 미세유체 장치에서 층류를 사용하여 단일 마이크로 및 나노 입자를 제한하고 조작하는 것입니다. 유체역학적 트랩은 크로스 슬롯 채널 형상을 가진 미세유체 장치로 구성되며, 이는 미세채널 접합부에서 정체점 흐름을 발생시킵니다. 출구 채널 중 하나에 위치한 온칩 밸브는 유체 흐름을 능동적으로 제어하고 입자를 가두는 데 사용됩니다.

입자는 정체점 위치의 활성 제어에 의해 사용자 정의 설정점에 국한됩니다. 피드백 컨트롤러는 입자 위치를 추적하고 온칩 밸브를 조절하여 입자 위치를 설정점에서 유지하는 데 사용됩니다. 유체역학 트랩을 사용하면 단일 입자가 입자 용액에 갇히거나 희석 또는 농축된 입자 용액을 이미지화할 수 있으며 형광 또는 명시야 현미경을 사용하여 이미지화할 수 있습니다.

단일 입자는 입자 궤적 및 트랩 중심으로부터의 입자 변위의 히스토그램에서 볼 수 있듯이 트랩 중심의 1미크론 이내로 제한될 수 있습니다. 안녕하세요, 저는 일리노이 대학의 화학 및 생체 분자 공학과 찰스 슈로어 교수 연구실과 생물 물리학 및 컴퓨터 생물학 센터의 에릭 존슨 리오입니다. 안녕하세요, 저는 슈뢰더 연구실의 박사후 연구원인 Ari입니다.

안녕하세요, 저는 셰릴 슈뢰더(Cheryl Schroeder)이며, 오늘은 단일 입자의 유체역학적 트래핑을 위한 미세유체 장치를 제작하고 구현하는 방법을 보여드리겠습니다. 광학 또는 전기 운동 트랩과 같은 기존 방법에 비해 이 기술의 주요 장점은 유체역학적 트래핑이 유체 흐름의 단독 작용에 의해 달성되어 나노 입자 또는 세포 트래핑을 위한 잠재적으로 유리한 4개의 필드를 제거한다는 것입니다. 이 기술은 포획된 입자의 화학적 또는 물리적 특성에 대한 요구 사항 없이 마이크로 및 나노 단위 입자의 자유 용액 포획을 가능하게 함으로써 기초 및 응용 과학을 변화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

시작하겠습니다. SU 8 주형에서 복제품을 쉽게 벗겨낼 수 있도록 유체 및 대조 층을 위한 혼합 및 DGA PDMS를 사용하여 몇 방울의 트리 클로로 셀린이 들어 있는 유리 접시와 함께 웨이퍼를 진공 상태에서 10분 동안 건조시켜 SU 8 주형의 표면을 측정합니다. 15 대 1 PDMS 혼합물을 750RPM으로 30초 동안 유체층 몰드에 스핀 코팅한 다음 웨이퍼를 페트리 접시에 놓습니다.

마찬가지로, 대조층 몰드를 페트리 접시에 놓고 5:1 PDMS 혼합물을 몰드에 4mm 두께로 붓습니다. PDMS 층을 부분적으로 경화하려면 웨이퍼 슬래시 PDM을 섭씨 70도에서 30분 동안 굽고 실온으로 냉각시킵니다. 메스로 PDMS 복제품을 자르고 SU eight 몰드에서 떼어냅니다.

그런 다음 21 게이지 바늘을 사용하여 PDMS에 온칩 멤브레인 밸브 역할을 할 마이크로 채널에 대한 액세스 포트로 구멍을 뚫습니다. 제어 층이 있는 PDMS 복제본을 스핀 코팅된 PDMS 유체 층이 있는 웨이퍼에 놓습니다. 실체 현미경을 사용하여 제어 층을 유체 층에 조심스럽게 정렬하고 밀봉합니다.

층 사이의 모든 공기 주머니를 제거하고 하룻밤 동안 섭씨 70도에서 구워 두 층을 모두 두 개의 층으로 구성된 모놀리식 PDMS 슬래브로 완전히 경화시킨 후 메스를 사용하여 SU 8 금형에서 PDMS 복제본을 자르고 벗겨낸 다음 면도날을 사용하여 과도한 PDMS를 제거하고 각 장치 장치를 분리합니다. 이제 21 게이지 바늘이 있는 유체 층의 마이크로 채널에 대한 전체 펀치 액세스 포트. 커버 슬립을 아세톤 IPA로 청소하고 질소로 건조시킵니다.

커버 슬립과 PDMS 복제 표면을 모두 30초 동안 500밀리토르 미만의 산소 플라즈마로 처리합니다. 그런 다음 즉시 두 표면을 접촉시켜 되돌릴 수 없는 밀봉을 형성합니다. 마지막으로, PDMS 레이어와 커버 슬립 사이의 결합을 증가시키기 위해 장치를 밤새 굽습니다.

먼저 미세유체 장치를 도립 현미경의 스테이지에 놓고 스테이지 클립으로 고정합니다. 다음으로 용액을 미세유체 장치에 전달하려면 1밀리리터 및 250마이크로리터 가스 밀폐 주사기에 각각 완충액과 샘플 용액을 채웁니다. 시료 주사기와 미세유체 장치의 시료 포트 사이에 있는 T 밸브를 사용하여 시료 전달을 제어합니다.

지금 fluoro oxy tubing, 미끼 자물쇠 접합기 및 24의 계기 금속 배관 당을 사용하여 주사통과 microfluidic 장치 사이 유동성 연결을, 설치하십시오. 그런 다음 PFA 튜빙과 24 게이지 금속 튜빙을 사용하여 미세유체 장치의 출구 채널에 대한 유체 연결을 설정합니다. 주사기와 배출구 채널 사이의 일정한 압력 강하를 유지하려면 배출구용 PFA 튜브의 길이가 같아야 하며 둘 다 완충 용액으로 채워진 1.5ml 원심분리기 튜브에 담가야 합니다.

작동 중 공기가 유체 층으로 누출되는 것을 방지하기 위해 3리터 루어 잠금 플라스틱 주사기를 사용하여 온칩 밸브에 불소 캐리어 오일을 채웁니다. PDMS 멤브레인을 통해 밸브 챔버의 공기를 마이크로 채널로 밀어 넣습니다. 유체 층에서.

온칩 밸브 작동용. 가압된 불활성 가스 공급 장치를 제어 계층의 포트에 연결합니다. 0.5ml의 버퍼 용액으로 유체 연결부와 미세유체 장치를 헹구어 배출구 채널을 포함한 시스템에서 모든 기포가 제거되었는지 확인합니다.

맑게 하는 거품을 위해 사용된 전형적인 흐름율은 2000년에서 5개 사이, 기포가 microfluidic 수로에서 헹궈진 후에 시간 당 000 마이크로리터, 흐름율을 감소시킵니다 입자 덫을 놓기를 위한 전형적인 부피 측정 흐름율인 시간 당 100 마이크로리터 배열합니다. 이제 샘플이 미세유체 장치로 흐를 수 있도록 T 밸브를 전환하십시오. 선형 피드백 제어 알고리즘을 구현하여 입자 트래핑을 자동화하는 맞춤형 lab view 코드를 실행합니다.

이 코드는 CCD 카메라에서 이미지를 캡처하고 온칩 공압 밸브의 위치를 능동적으로 조절하는 압력 조절기에 전위를 전송합니다. 현미경 XY 변환 스테이지를 사용하여 트래핑 영역을 카메라 뷰의 중앙에 배치합니다. 트래핑 영역을 대물 렌즈의 초점으로 가져오고 카메라 설정을 조정하여 이미징 조건을 최적화합니다.

ROI의 중심이 트랩 중심의 위치가 되도록 카메라의 시야 내에서 직사각형 관심 영역을 선택합니다. 이제 온칩 밸브에 적용된 오프셋 압력을 초기화합니다. 반대쪽 출구 채널에 위치한 100-200 미크론 너비의 수축.

온칩 밸브의 작동을 위한 오프셋 압력을 제공합니다. 피드백 컨트롤러를 시작하고 비례 게인을 조정하여 트랩 응답을 최적화합니다. 유량과 온칩 밸브 위치에 따라 최적의 비례 이득 값이 있으며, 이는 트랩 안정성을 높이고 원치 않는 입자 진동을 제거합니다.

랩 뷰 코드는 트랩핑 영역에 들어가는 입자 중 하나를 자동으로 트랩합니다. 이 비디오에서 유입 방향의 입자 모션은 유입 방향의 트랩 밀폐를 최대화하기 위해 샘플 유입 스트림이 열려 있기 때문에 발생합니다. 사용자는 수동 초점 또는 자동 초점 현미경 설정을 사용하여 교차 채널 접합부로 흐름의 균형을 고르게 맞추고, 포획된 입자를 모니터링하고, 이미지 평면 내에서 입자 초점을 유지하는 트래핑 중에 샘플 스트림을 닫을 수 있습니다.

통합 microfluidic 장치는 표본 초점, 교차하는 구멍 접속점으로 이루어져 있고 압축 공기를 넣은 벨브 덫치기는 교차하는 구멍 접속점에 일어나고 입자 위치는 압축 공기를 넣은 벨브를 통해서 microchannel 접속점에 교류장의 활동적인 조정에 의해 통제됩니다. 여기에서 단일 비드의 이미지는 유체역학 트랩에 갇혀 있습니다. 트랩 센터 외에도 여러 개의 갇히지 않은 비드가 크로스 로트 접합부의 트래핑 영역에 표시됩니다.

갇힌 2.2 미크론 형광 폴리스티렌 비드의 궤적이 매핑됩니다. 입자는 처음에 3분 동안 갇혀 있습니다. 그런 다음 트랩에서 풀려나 배출구 채널 중 하나를 따라 탈출합니다.

트랩 중심에서 배출구 채널 방향을 따라 트랩된 비드의 변위에 대한 히스토그램은 입자가 트랩 중심에서 1미크론 이내로 제한되어 있음을 나타냅니다. 오늘 우리는 미세유체 장치 내에서 생성된 이온점 흐름을 사용하여 마이크로 및 나노 단위 입자의 자유 용액 트래핑 방법으로 EM 트랩을 제시했습니다. 유체역학적 트래핑은 단일 표적 입자를 집중 입자 현탁액에 가둘 수 있게 하며, 이는 대체 역장 기반 포획 방법을 사용하기 어렵습니다.

추가 개발 후 이 새로운 기술은 생물 물리학, 세포 역학, 유체 역학, 효소학 및 시스템 생물학 분야에서 과학적 탐구를 가능하게 할 것입니다. 시청해 주셔서 감사드리며 이 기술이 귀하의 실험에 도움이 되기를 바랍니다.