Een Microfluïdische-gebaseerde Hydrodynamische Trap voor Single Particles

Summary

In dit artikel presenteren we een microfluïdisch-gebaseerde methode voor deeltjesfysica opsluiting op basis van hydrodynamische stroming. Tonen we stabiel deeltje trapping in op een vloeiende stagnatie punt met behulp van een feedback control mechanisme, waardoor opsluiting en micromanipulatie van willekeurige deeltjes in een geïntegreerde microdevice.

Abstract

De mogelijkheid om te beperken en enkele deeltjes te manipuleren in gratis oplossing is een belangrijke enabling technology voor fundamenteel en toegepast wetenschap. Methoden voor het vangen van deeltjes op basis van optische, magnetische, elektrokinetische, en akoestische technieken hebben geleid tot grote vooruitgang in de natuurkunde en de biologie, variërend van het moleculaire tot cellulair niveau. In dit artikel introduceren we een nieuw microfluïdisch-gebaseerde techniek voor deeltjesfysica vangen en manipulatie uitsluitend op basis van hydrodynamische stroming. Met behulp van deze methode aan te tonen we vangen van micro-en nano-schaal deeltjes in waterige oplossingen voor lange tijdschalen. De hydrodynamische val bestaat uit een geïntegreerde microfluïdische apparaat met een cross-channel slot geometrie waar twee tegengestelde laminaire stromingen convergeren, waardoor het genereren van een vlakke extensionele stroom met een vloeistof stagnatie punt (zero-point velocity). In dit apparaat worden deeltjes opgesloten in de val centrum met actieve controle van de stroom veld om deeltjes positie te handhaven in de vloeistof stagnatie punt. Op deze manier worden deeltjes effectief gevangen in gratis oplossing om met een feedback control algoritme geïmplementeerd met een custom-built LabVIEW code. De controle algoritme bestaat uit beeld acquisitie voor een deeltje in de microfluïdische apparaat, gevolgd door de deeltjes volgen, bepaling van de deeltjes zwaartepunt positie, en actieve aanpassing van de vloeistofstroom door het reguleren van de druk die op een on-chip pneumatisch ventiel met behulp van een drukregelaar. Op deze manier, om de on-chip dynamische doseerventiel functies reguleren van de relatieve stroom tarieven in de uitlaatkanalen, waardoor fijne schaal de controle van stagnatie punt positie en deeltje trapping. De microfluïdische op basis van hydrodynamische trap vertoont een aantal voordelen als een methode voor het deeltje vangen. Hydrodynamische trapping is mogelijk voor elk willekeurig deeltje zonder specifieke eisen aan de fysische of chemische eigenschappen van de gevangen object. Daarnaast, hydrodynamische vangen maakt opsluiting van een "single" doelobject in geconcentreerde of overvolle deeltjessuspensies, die moeilijk met behulp van alternatieve krachtveld op basis van vangmethoden. De hydrodynamische val is gebruiksvriendelijk, eenvoudig te implementeren en kunnen worden toegevoegd aan de bestaande microfluïdische apparaten op het vangen en lange-time analyse van de deeltjes te vergemakkelijken. Over het geheel genomen de hydrodynamische val is een nieuw platform voor opsluiting, micromanipulatie, en observatie van deeltjes zonder oppervlakte immobilisatie en elimineert de noodzaak voor potentieel perturbatieve optische, magnetische en elektrische velden in de vrije-oplossing vangen van kleine deeltjes.

Protocol

De hydrodynamische val bestaat uit een twee-laags hybride (polydimethylsiloxaan (PDMS) / glas) microfluïdische apparaat voor deeltjesfysica opsluiting. Stappen 1-2 beschrijven fabricage van microfluïdische apparaten, en de stappen 3-4 te bespreken apparaat opzet en werkwijze.

1. SU-8 Mold Fabrication (niet in video)

1. Schoon twee silicium wafers (3 "diameter) met aceton en isopropylalcohol (IPA).
2. Droge wafels met N ₂ en leg ze op een kookplaat bij 65 ° C gedurende 1 minuut om de resterende vocht te verwijderen.
3. Spin coat wafer # 1 met SU-8 2050 fotolak (PR) gedurende 30 seconden bij 4000 rpm naar ee....

Discussion

De huidige methoden voor het microfluïdische deeltjes manipulatie op basis van hydrodynamische stroming kan worden gekarakteriseerd als contact-of non-contact methodes. Contact-gebaseerde methoden te gebruiken stroming om fysiek te beperken en deeltjes te immobiliseren tegen microfabricated kanaal muren ^9, terwijl de non-contact methode vertrouwen op circulerende stroom of microeddies ^10. In dit werk, presenteren we een methode voor het free-oplossing deeltjes vangen met behulp van de enige actie v.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
21 gauge blunt needle	Zephyrtronics	ZT-5-021-1-L	For punching port holes in PDMS
3 ml plastic syringe	BD Biosciences	309585	For filling valve with oil
Si wafers	University Wafer		3” P(100) single side polished 380 μm test grade
Cover glass	VWR international	48404-428	24 x 40 mm #1.5
DAQ card	National Instruments	PCI 6229
Fluorescent beads	Spherotech, Inc.	FP-2056-2	2.2 μm Nile red
Fluorinert	3M	FC 40	Fluorinated carrier oil
Inverted Microscope	Olympus Corporation	IX-71
LabVIEW	National Instruments	Version 9.0f3 (32bit)
Stereo Microscope	Leica Microsystems	MZ6	For aligning PDMS control layer to fluidic layer.
Mechanical Convection Oven	VWR international	1300U	For baking devices to create monolithic PDMS slabs with two layers.
Microfluidic tubing and connectors	Upchurch Scientific		1/16 x .020 PFA tubing and super flangeless fittings
PDMS	GE Healthcare	RTV 615 A&B
Plasma Chamber	Harrick Scientific Products, Inc.	PDC-001
Pressure Transducer	Proportion Air	DQPV1
Spin Coater	Specialty Coating Systems	G3P-8 Spin Coat
Photoresist	MicroChem Corp.	SU 8 2050
Syringe Pump	Harvard Apparatus	PHD 2000 Programmable
Terminal Block	National Instruments	BNC 2110	For analog output to pressure regulator and read out.
UV Collimated Light Source and Exposure System	OAI	Model 30 Enhanced Light Source