Een Microfluïdische-gebaseerde Hydrodynamische Trap voor Single Particles

Samenvatting

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.

Samenvatting

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 een ~ 40 um dikke mal voor de vloeibare laag te maken. Spin coat wafer # 2 met PR voor 30 sec bij 1500 rpm naar een ~ 150 um dikke mal voor de controle laag te maken.
4. Zachte bak wafer # 1 bij 65 ° C gedurende 3 minuten en vervolgens bij 95 ° C gedurende 6 minuten. Zacht bakken wafer # 2 bij 65 ° C gedurende 5 minuten en vervolgens bij 95 ° C gedurende 20 minuten.
5. Blootstellen aan UV-wafers met hun respectievelijke maskers (wafer # 1: havens en vloeibare kanalen, wafer # 2: haven en controle laag) en de juiste belichting de intensiteit (~ 150 mJ / cm ^2, ~ 260 mJ / cm ² respectievelijk).
6. Bericht bak wafer # 1 bij 65 ° C gedurende 1 minuut en vervolgens bij 95 ° C gedurende 6 minuten. Bericht bakken wafer # 2 bij 65 ° C gedurende 5 minuten en vervolgens bij 95 ° C gedurende 10 minuten.
7. Ontwikkelen van wafers met propyleenglycol methylether acetaat (PGMEA) tot uitgeharde PR is verwijderd. Spoel wafers met IPA en droog met N _2.

2. Microfluïdische Device Fabrication

1. Silaniseren het oppervlak van de SU-8 mallen door het plaatsen van de wafers in een exsiccator onder vacuüm gedurende ~ 10 minuten met een glazen schaal met daarin een paar druppels trichloorsilaan. Oppervlakte silanisatie helpt bij het schillen van de (PDMS) replica's uit de SU-8 matrijzen.
2. Mix en ontgas PDMS in de basis: vernetter verhoudingen van 15:1 en 5:1 voor de vloeibare en controle lagen respectievelijk.
3. Spin de vacht van de 15:1 PDMS mengsel op de laag vloeibare vorm (wafer # 1) gedurende 30 sec bij 750 toeren per minuut en de wafer te plaatsen in een petrischaal. Leg de controle laag schimmel in een petrischaal en giet 05:01 PDMS mengsel op de mal tot een dikte van ~ 4 mm.
4. Bak wafers / PDMS gedurende 30 minuten bij 70 ° C gedeeltelijk te genezen van de PDMS lagen.
5. Na het afkoelen van de wafers / PDMS op kamertemperatuur, snijd de PDMS replica, die de controle laag (wafer # 2) vormen, uit de petrischaal met een scalpel en pel het van de SU-8 mal. Perforator een toegangspoort tot de microchannel die zal fungeren als de on-chip membraan ventiel met een 21 gauge naald.
6. Plaats de PDMS replica met de controle laag op de wafer # 1 (die heeft de spin-coating PDMS fluidisch laag). Zorgvuldig af te stemmen en sluit de controle-laag toe aan de vloeibare laag met behulp van een stereo-microscoop. Zorg ervoor dat alle luchtzakken te verwijderen tussen de lagen en bak bij 70 ° C gedurende de nacht om volledig te genezen beide lagen. Deze bakken stap zal resulteren in een monolithische PDMS plaat met twee lagen.
7. Na het afkoelen tot kamertemperatuur, knippen en schil de PDMS replica die zowel de controle en de vloeibare lagen uit de SU-8 mal met behulp van een scalpel. Verwijder overtollig PDMS en aparte unit elk apparaat met een scheermesje. Perforator toegangspoorten tot de microkanalen in de vloeibare laag met een 21 gauge naald.
8. Bond van de PDMS plaat om een ​​dekglaasje aan om een ​​compleet apparaat te krijgen. De eerste, schoon een dekglaasje (No: 1,5, 24 x 45 mm) met aceton en IPA. Vervolgens behandelt zowel het dekglaasje en het PDMS replica oppervlakken met zuurstof plasma onder 500 mTorr gedurende 30 seconden, en onmiddellijk de twee oppervlakken in contact te brengen tot een onomkeerbare afdichting te vormen.
9. Bak de apparaten 's nachts aan hechting tussen de PDMS lagen en het dekglaasje te verhogen.

Stappen 3-4 beschrijven de uitvoering van de hydrodynamische val met behulp van de microfluïdische apparaat hierboven beschreven.

3. Hydrodynamische Trap experimentele opstelling

1. Plaats het microfluïdische apparaat op het podium van een omgekeerde microscoop en zet het vast met stadium clips.
2. Apart te vullen twee gasdichte spuiten met buffer en sample oplossingen en leg ze op een Harvard Apparatuur spuit pomp (PHD 2000 Programmable). De buffer en het monster-oplossingen worden geleverd aan de microfluïdische apparaat door middel van een 1 ml en een 250 ul spuit, respectievelijk. Typisch, een 50 mM Tris / Tris-HCl buffer oplossing (pH 8,0) met 0,02% v / v Triton X-100 wordt gebruikt als de bufferoplossing. De steekproef oplossing bestaat uit een deeltje suspensie (bijv. TL-polystyreen korrels) in de buffer oplossing.
3. Bepaal de vloeibare verbindingen tussen de spuiten (het leveren van het monster en de buffer) en de microfluïdische apparaat. Sluit de spuiten tot 1 / 16 "buitendiameter (OD) x 0,020" inwendige diameter (ID) perfluoralkoxy (PFA) buis met behulp van luer-lock adapters. Sluit het andere uiteinde van de PFA slang aan de inlaat poorten van de microfluïdische apparaat met 24 meter metal slang. Een T-klep kan worden geplaatst tussen het monster spuit en het monster-poort op de microfluïdische apparaat te proeven levering te controleren.
4. Bepaal de vloeibare aansluitingen voor de afvoer kanalen in de microfluïdische apparaat. Verbind de twee uitlaat kanalen om PFA buis (1 / 16 "OD x 0.020" ID) met behulp van 24 metalen buizen. De PFA buizen voor de stopcontacten moeten van gelijke lengte. Dompel beide stopcontact buizen in een 1,5 ml centrifuge buis gevuld met bufferoplossing, die dient om een ​​constante drukval tussen de spuiten en de uitlaat kanalen.
5. Vul de on-chip ventiel met gefluoreerde vervoerder olie met behulp van een 3 ml luer-lock plastic spuit om de lucht te voorkomen dat lekken in de vloeibare lagen tijdens het gebruik. De lucht in het ventiel kamer wordt geduwd door de PDMS membraan in de microchannel in de vloeibare laag en later van het apparaat verwijderd met de vloeistof stromen door de uitlaat poorten.
6. Sluit een druk inert gas (stikstof) te leveren aan de haven in de controle laag voor on-chip ventiel werking. Hiervoor maken we gebruik van een stikstoftank (2200 psi) en een elektronische drukregelaar tot 00-30 psi leveren aan de on-chip klep in de microfluïdische apparaat. De stikstof tank wordt aangesloten op de drukregelaar met ¼ "OD x 0.170" ID slang. De drukregelaar is aangesloten op het microfluïdische apparaat door middel van 1 / 16 "OD x 0.020" ID PFA buis met 24 metalen buis op zijn eindpunt.
7. Spoel de vloeibare verbindingen en de microfluïdische apparaat met 0,5 ml van een bufferoplossing om ervoor te zorgen dat alle luchtbellen worden verwijderd uit het systeem, inclusief de afvoer kanalen. Typische debieten wordt gebruikt voor het opruimen van bubbels variëren tussen 2000-5000 pi / uur. Nadat de luchtbellen worden gespoeld uit de microfluïdische kanalen, vermindering van de stroomsnelheid tot 50-100 pL / uur, wat een typisch volumestroom voor deeltjes vangen.
8. Op dit punt worden de vloeibare verbindingen gevestigd, het monster en de buffer-oplossingen worden geleverd aan de microfluïdische apparaat op een vaste stroomsnelheid (50-100 pL / hr), en het apparaat is klaar voor hydrodynamische vangen.

4. Hydrodynamische Trapping Procedure

1. Voer het custom-built LabVIEW code, die deeltje trapping automatiseert (zie Rapport Noot voor LabVIEW code hieronder).
2. Met behulp van de microscoop xy vertaling fase, de positie van de trapping regio (cross-slot) in het midden van de camera te bekijken. Breng de trapping regio in focus van het objectief en de camera-instellingen aan te passen aan beeldvorming te optimaliseren.
3. Kies een rechthoekig gebied van interest (ROI) binnen het gezichtsveld van de camera's standpunt zodanig dat het centrum van de ROI zal de positie van de val centrum.
4. Initialiseren van de offset druk die op de on-chip ventiel. In een van de uitlaatkanalen, is een 100-200 micrometer breed vernauwing geïntroduceerd om een ​​offset druk voor de on-chip ventiel te bieden. De constante off-set druk kan de on-chip afsluiter naar de stagnatie punt plaats in de nabijheid van het centrum van het kanaal cross-slot aan te passen. Voor de meeste experimenten, is de offset druk ingesteld tussen 0-12 psi, afhankelijk van de kanaal afmetingen (hoogte en breedte), de vernauwing breedte, en de specificaties van de on-chip ventiel (klep grootte, membraan dikte, etc.).
5. Start de feedback controller en stel de proportionele versterking te vangen respons te optimaliseren. De feedback controller past de druk die op de on-chip klep om de stagnatie punt positie, die de fout of de afstand tussen de deeltjes positie en de setpoint (trap midden) minimaliseert bewegen. Afhankelijk van het debiet en de on-chip klepstand, is er een optimale waarde van de versterking, die val de stabiliteit verhoogt en voorkomt ongewenste trillingen deeltje.
6. Val een deeltje. De LabVIEW code zal automatisch een val van de deeltjes het invoeren van de trapping regio. Zodra een gewenste deeltjesgrootte wordt gevangen, is het mogelijk af te sluiten de bemonsteringsstroom en de gevangen deeltjes in buffer oplossing te isoleren, indien gewenst.
7. Monitor de gevangen deeltjes en onderhouden deeltje focus binnen het beeldvlak met behulp van handmatige scherpstelling of een automatische scherpstelling microscoop setup. Het kan nodig zijn om iets aan te passen van de proportionele versterking van de feedback controller om val stabiliteit in de loop van een lange tijdschaal trapping event (minuten tot uren).

LabVIEW Code: Rapport Noot voor de feedback Controller

Geautomatiseerde deeltje trapping is bereikt met behulp van een lineaire feedback geïmplementeerd controle-algoritme met een aangepaste LabVIEW code. De LabVIEW code legt beelden van een CCD-camera en stuurt een elektrische potentiaal (spanning) naar een drukregelaar, die actief moduleert de positie (gedeeltelijk open / gesloten toestand) van een on-chip dynamische pneumatisch ventiel. Als de klep positie verandert, de hydrodynamische debiet in een outlet lijn is aangepast, waardoor de stagnatie punt herpositionering en het mogelijk maken hydrodynamische trapping. De stappen in de feedback loop zijn sequentieel en iteratief uitgevoerd op de snelheid van vastleggen van het beeld (10-60 Hz). De LabVIEW code voert de volgende stappen tijdens elke feedback loop cyclus:

• . Image nemen van een foto is verworven voor een "target" deeltje in het vangen regio van de microfluïdische apparaat met behulp van fluorescentie microscopie met een 10x objectief lens (NA: 0,4) en een CCD-camera.
• Particle tracking. Particle zwaartepunt positie wordt bepaald, en het deeltje tracking algoritme wordt gestart. Deeltjes worden gelokaliseerd door het aanbrengen van de emissie-intensiteit profiel van het deeltje op een punt spreiding functie (PSF), waarvan het zwaartepunt positie wordt bepaald.
• Stromingsveld controle. De bijgewerkte druk bestemd voor de on-chip dynamisch ventiel wordt berekend met behulp van een feedback controle algoritme met een proportionele regelaar. Op deze manier, de werking van de klep is om opnieuw de positie van de stagnatie punt, dat een hydrodynamische kracht uitoefent op het deeltje in om het deeltje te sturen in de richting van de val centrum.

De LabVIEW code registreert de volgende gegevens voor elk beeld gevangen genomen tijdens deeltje trapping: 1) de tijd verstreken is, 2) zwaartepunt (x, y) positie van de gevangen deeltjes, 3) positie van de val centrum, 4) afstand van het deeltje uit de trap centrum, 5) de druk waarbij de on-chip ventiel. Daarnaast is de code registreert ook een film van de gevangen deeltje in AVI-formaat.

5. Representatieve resultaten

We zitten fluorescerende polystyreen parels van verschillende grootte (100, 540, 830 nm, en 2,2 micrometer diameter) met behulp van een hydrodynamische val. Figuur 1 (a) toont een beeld van een deeltje gevangen bij het kruis-slot splitsing in een microfluïdische apparaat. De baan van een deeltje gevangen kan direct worden bepaald op basis van het zwaartepunt positie gegevens die door de LabVIEW code tijdens een trapping evenement of door het volgen en lokaliseren van de gevangen deeltjes uit de opgenomen film bestand. Figuur 1 (b) toont het traject van een gevangen deeltjes (2,2 micrometer fluorescerende polystyreen kraal) langs de uitlaat kanaal richting. De kraal is in eerste instantie gevangen (vierkanten) voor 3 minuten en vervolgens vrijgelaten uit de val en ontsnapt langs een van de uitlaat kanalen (cirkels). Particle trajecten langs de compressieve stroom as (inlaat kanaal richting; gegevens niet getoond) zijn vergelijkbaar met deeltje trajecten langs de extensionele stroom as (uitstroom richting) zoals weergegeven in Figuur 1 (b). Een histogram van deeltje verplaatsing van de val centrum voor een gevangen kraal (2,2 micrometer diameter) langs de uitlaat kanaal richting wordt getoond in Figuur 1 (c). Met behulp van de feedback control-algoritme wordt beschreven in dit werk worden gevangen deeltjes beperkt tot een nauwkeurigheid van ± 1 micrometer van de val centrum langs de inlaat en uitlaat kanaal richtingen.

Een schema van de microfluïdische apparaat dat wordt gebruikt voor de hydrodynamische trapping is weergegeven in figuur 2. De geïntegreerde microfluïdische apparaat bestaat uit een vloeibare laag en een controle laag en is vervaardigd met behulp van standaard multilayer zachte lithografie, zoals beschreven in dit artikel. De vloeibare laag bevat de buffer-en sample-kanalen, evenals de cross-channel slot geometrie om hydrodynamische trapping te vergemakkelijken. De controle laag bestaat uit een pneumatische klep gepositioneerd boven een van de uitlaat kanalen in de vloeibare laag, en de controle en de vloeibare lagen worden gescheiden door een dun membraan elastomeer. Tijdens de werking van het apparaat, de afsluiter in de controle laag is druk met stikstofgas, waarbij de dunne membraan in de vloeibare laag krachten, en veroorzaakt daardoor een vernauwing in de uitlaat kanaal. De dynamische pneumatische klep vernauwt de uitlaat kanaal door variabele hoeveelheden door het veranderen van de druk die wordt uitgeoefend om de controle laag, die de relatieve debiet past in de uitlaat kanalen en maakt fijne schaal de controle van de stagnatie punt.

Figuur 1: Particle Trapping. (A) Afbeelding van een enkele kraal opgesloten in de hydrodynamische val. In aanvulling op de hiel in de val centrum, zijn verschillende untrapped kralen in de trapping regio. (B) Traject van een gevangen deeltje langs de uitlaat kanalen (vierkanten). Wanneer het deeltje is vrijgelaten uit de val (pijl), het ontsnapt aan een van de uitlaat kanalen (cirkels). (C) Histogram van de verplaatsingen van het gevangen kraal (2,2 micrometer diameter) van de val centrum langs de afvoer kanalen.

Figuur 2:. Schematische weergave van microfluïdische apparaat voor de hydrodynamische vangen De hydrodynamische val is gebouwd met behulp van een twee-lagen microfluïdische apparaat. De vloeibare laag bestaat uit een steekproef inlaat, fonze buffer inhammen, en twee van afval verkooppunten. De controle laag bestaat uit een pneumatische membraan afsluiter is op de top van een van de uitlaat kanalen in de vloeibare laag. Een vernauwing in de tegengestelde uitlaat kanaal biedt een offset druk voor de pneumatische ventiel. Typische kanaal afmetingen variëren van 100 tot 500 micrometer. In de regio (A), monster inlaat wordt stroom zich door twee buffer inhammen. In de regio (B), tegen inlaat stromen samen bij het kruis-sleuf kruising waar trapping optreedt. De pneumatische ventiel (C) is geplaatst op de top van een van de uitlaat kanalen. De stagnatie punt positie wordt gemoduleerd door het reguleren van de druk op deze klep.

Discussie

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...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
21 gauge blunt needle	Zephyrtronics	ZT-5-021-1-L	Voor het ponsen van poortjes in PDMS
3 ml plastic spuit	BD Biosciences	309585	Voor het vullen van klep met olie
Si-wafers	University Wafer		3” P(100) enkelzijdig gepolijst 380 μm testkwaliteit
Dekglas	VWR international	48404-428	24 x 40 mm #1.5
DAQ-kaart	National Instruments	PCI 6229
Fluorescente kralen	Spherotech, Inc.	FP-2056-2	2,2 μm Nile rood
Fluorinert	3M	FC 40	Gefluoreerd draagvloeistof
Omgekeerd microscoop	Olympus Corporation	IX-71
LabVIEW	National Instruments	Versie 9.0f3 (32bit)
Stereomicroscoop	Leica Microsystems	MZ6	Voor het uitlijnen van PDMS controlelaag op de vloeistoflaag.
Mechanische convectieoven	VWR international	1300U	Voor het bakken van apparaten om monolithische PDMS platen met twee lagen te maken.
Microfluïdische slangen en connectoren	Upchurch Scientific		1/16 x.020 PFA slang en super flensloze fittingen
PDMS	GE Healthcare	RTV 615 A&B
Plasmakamer	Harrick Scientific Products, Inc.	PDC-001
Druksensor	Proportion Air	DQPV1
Spin Coater	Specialty Coating Systems	G3P-8 Spin Coat
Fotoresist	MicroChem Corp.	SU 8 2050
Spuitpomp	Harvard Apparatus	PHD 2000 Programmeerbaar
Kleppenblok	National Instruments	BNC 2110	Voor analoge uitgang naar drukregelaar en uitlezing.
UV Gecollimeerde lichtbron en belichtingssysteem	OAI	Model 30 Enhanced Light Source