미세 유체의 Picoinjection 금속 전극없이 삭제

이 실험 절차의 전반적인 목표는 피코 주입(pico injection)으로 알려진, 오일 내 수성 액적(water in oil droplets)에 시약을 정밀하고 제어 가능하게 주입할 수 있는 미세유체 칩을 설계, 제작 및 활용하는 것입니다. 이를 위해 먼저 구형 액적의 직경보다 좁은 직경으로 좁아지는 에멀전 채널을 가진 장치를 설계하여, 비활성 운반 오일 내에서 액적들이 균일한 간격으로 배치되도록 합니다. 두 번째 단계로, 수성 액적과 오일을 장치에 도입하여 주입 지점으로 흐르게 합니다.

주입될 시약을 포함하는 수직 채널이 있습니다. 다음으로, 액적들이 주입 지점을 통과할 때 주입 액체에 고전압을 인가하여 액적과 주입 액체가 병합되도록 합니다. 인가 전압의 크기를 조절함으로써 주입되는 시약의 부피를 피콜리터(picoliter) 해상도로 정밀하게 제어할 수 있다는 결과가 도출되었습니다. 이 기술은 금속 전극의 필요성을 제거하여 장치 제작 공정을 간소화해야 할 필요성에서 개발되었습니다.

기존 기술 대비 장점으로는 장치 설계, 제작 및 사용의 용이성과 단순함을 들 수 있습니다. 이전 방법에서 사용된 금속 전극은 파손되기 쉽고, 제작 과정 중 채널 내의 먼지와 이물질에 민감했습니다. 전극을 제거함으로써 장치의 내구성을 높이고 제작 효율을 개선했습니다. 첫 번째 단계는 실험의 요구 사항에 따라 미세유체 칩을 설계하는 것입니다.

나중에 포토리소그래피 기술을 활용할 수 있도록 컴퓨터 보조 설계(CAD) 소프트웨어를 사용하여 이를 제작하십시오. 이 칩 설계에는 더 효율적인 피코 주입을 가능하게 하기 위해 사용될 구형 액적보다 작은 크기의 에멀전 채널이 포함되어 있습니다. 피코 주입 부위는 기존 문헌에 발표된 설계에서 금속 전극을 제거한 형태를 기반으로 합니다.

추가 채널은 상류의 액적을 전기장으로부터 보호하는 패러데이 해자(Faraday moat) 역할을 합니다. 설계가 완료되면, 소프트 포토 리소그래피 기술을 사용하여 장치를 제작한 후, 이를 유리 현미경 슬라이드에 접합하여 장치를 사용할 준비를 합니다. 유체 저장조에 압력을 가하기 위해 공기압 제어 펌프를 준비합니다.

펌프 출력을 수정하여 가압 공기가 내경 2.7 millimeters의 폴리에틸렌 튜브를 통해 배출되도록 합니다. 시린지 팁 후면의 니플에 튜브를 끼워 마감합니다. 에폭시로 시린지와 튜브 사이의 공간을 밀봉한 후, 실험에 적합한 시약을 사용하여 27.5 gauge 바늘을 부착합니다.

캐리어 오일에 분산된 수성 액적의 균일한 에멀션을 준비합니다. 27.5 gauge 바늘이 장착된 1 mL 주사기에 에멀션을 채웁니다. 그다음 주사기를 주사기 펌프에 고정하고 바늘이 위를 향하도록 배치합니다.

다음 단계는 미세유체 장치와 저장조에 주입할 시약을 준비하는 것입니다. 15 milliliter 원심분리 튜브와 캡을 준비하십시오. 생검 펀치 또는 다른 편리한 도구를 사용하여 캡에 0.5 millimeter 구멍 세 개를 뚫습니다.

지름 0.5 millimeters이고 원심분리 튜브보다 길이가 몇 센티미터 더 긴 와이어 전극을 준비합니다. 이 전극을 캡의 구멍 하나에 삽입하십시오. 전극이 튜브 바닥에 닿고 상단 밖으로 몇 센티미터 더 돌출되었는지 확인하십시오.

다음으로, 약 20 centimeter 길이의 폴리에틸렌 튜브를 준비합니다. 이를 두 번째 구멍에 삽입하십시오. 마찬가지로, 남은 구멍에 있는 튜브의 바닥까지 닿아야 합니다.

약 2.5 centimeters 길이의 폴리에틸렌 튜브를 끼웁니다. 이 튜브는 액체 표면 위에 위치해야 합니다. 캡 상단의 틈새를 밀봉하기 위해 UV 경화 에폭시를 도포합니다.

경화가 완료되면, 100 millimolar sodium chloride와 같은 원하는 피코 주입액을 튜브에 채우고 캡을 돌려 닫습니다. 공기압 제어 펌프의 출력을 캡에 연결된 짧은 길이의 튜브에 연결합니다. 바늘을 루멘에 삽입하면 바늘이 딱 맞게 끼워져야 합니다.

원심분리 튜브를 홀더에 놓습니다. 1 mL 시린지에 1 M sodium chloride를 채웁니다. Faraday moat 용액으로 사용하기 위해 27.5 gauge 바늘을 연결하고 시린지를 시린지 펌프에 고정합니다.

다른 1 mL 주사기에 캐리어 스페이서 오일을 채웁니다. 27.5 gauge 바늘을 연결하고 주사기 펌프에 고정합니다. 이제 마이크로플루이딕 칩에 연결할 수 있습니다.

먼저, 칩이 평평한 표면에 고정되었는지 확인하십시오. 다음으로, 주입액 용기에 연결된 긴 튜브의 개방된 끝부분을 칩으로 가져옵니다. 이 튜브를 미세유체 칩의 피코 주입액 입구 포트에 연결하십시오.

그런 다음 sodium chloride가 들어 있는 시린지에 폴리에틸렌 튜빙을 연결하여 칩까지 연장합니다. 이를 Faraday moat의 입구 포트에 연결하십시오. 또한, 튜빙을 사용하여 carrier oil이 들어 있는 시린지를 장치의 해당 입구 포트에 연결합니다.

에멀전 배출구 포트에서 수집 용기로 이어지는 튜브를 연결합니다. 마지막으로, 튜브를 사용하여 Faraday moat의 배출구 포트를 전기가 통하지 않는 전기적으로 절연된 용기에 연결합니다. 최종적으로, 미세유체 칩은 다음과 같은 모습이 됩니다.

이제 고전압 증폭기의 접지에서 와이어를 가져와 염화나트륨이 들어 있는 시린지의 바늘까지 연결하십시오. 악어 클립을 사용하여 와이어를 바늘에 고정합니다. 증폭기의 고전압 출력단에서 피코 주입액에 담긴 전극까지 또 다른 와이어를 연결하십시오.

악어 클립을 사용하여 앰플리파이어의 입력 연결을 수행합니다. 소프트웨어 제어 파형 발생기의 컴퓨터 출력을 사용하십시오. 1 M NaCl 패러데이 모트 용액을 시간당 100 µL의 속도로 장치에 주입하여 시스템의 주입을 시작합니다.

그 후, 액적(droplet), 에멀젼 및 운반유(carrier oil)를 흘려보내 액적이 운반유 간격을 두고 정기적인 간격으로 피코 인젝터(pico injector)를 통과하게 합니다. 피코 인젝션 유체에 가해지는 압력을 조절하여, 피코 인젝션 오리피스(orifice)의 유체가 액적 채널 쪽으로 돌출되되, 자체적으로 액적이 형성되어 떨어져 나오지는 않도록 합니다. 파형 발생기를 사용하여 0에서 10 V의 진폭을 가진 10 kHz AC 신호를 생성하고, 이를 고전압 증폭기로 1,000배 증폭시킵니다.

피코 주입(pico injection)을 수행하려면, 액적들이 주입 오리피스를 통과할 때 이 신호를 가하고 진폭을 매개변수로 사용하십시오. 이 영상은 형광 염료의 존재 여부에 따른 액적의 선택적 주입 과정을 보여줍니다.

이 사례에서는 인젝터를 통해 초당 200방울이 통과하였으나, 적절한 액적 검출 메커니즘을 갖춘다면 초당 최대 10,000방울까지 가능합니다. 이 수치들은 서로 다른 몰 농도의 주입 유체에 대해 인가 전압의 함수로 나타낸 주입 부피 분율을 보여줍니다. 더 높은 전압은 합체(coalescence)의 조기 발생을 유도하여 주입 지속 시간과 부피를 증가시키는 것으로 생각됩니다.

이 2차원 히트맵은 이온 용액의 몰 농도와 주입 부피를 달성하는 데 필요한 전압 사이의 관계를 보여줍니다. 몰 농도가 낮은 용액은 주입 지점에서 전기장을 더 쉽게 감소시키기 때문에 더 높은 전압이 필요합니다. 이 영상을 시청하고 나면, 액적 내로 시약을 정밀하고 조절 가능하게 주입할 수 있는 미세 유체 장치를 빠르고 견고하게 설계하고 제작하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.

고전압 작업은 매우 위험할 수 있으므로 적절한 접지, 개인 보호 장구 및 내장된 안전 장치와 같은 예방 조치를 항상 취해야 함을 잊지 마십시오.