Picoinjection van Microfluidic Drops Zonder metalen elektroden

Het algemene doel van deze procedure is het ontwerpen, vervaardigen en gebruiken van microfluïdische chips die in staat zijn om reagentia nauwkeurig en gecontroleerd in water-in-olie-druppeltjes te injecteren, een proces dat bekend staat als pico-injectie. Dit wordt bereikt door eerst een apparaat te ontwerpen met een emulsiekanaal dat versmalt tot een diameter die kleiner is dan die van de bolvormige druppeltjes, waardoor deze gelijkmatig verdeeld worden in een inerte draagolie. In een tweede stap worden de water- en oliedruppeltjes in het apparaat geïntroduceerd en stromen zij naar de injectieplaats.

Een loodrecht kanaal waarin de te injecteren reagentia zich bevinden. Vervolgens wordt een hoge spanning aangelegd over de injectievloeistof terwijl de druppels de injectieplaats passeren, om de druppels en de injectievloeistof te laten samensmelten. De resultaten tonen aan dat door het aanpassen van de grootte van de aangelegde spanning, het volume van het geïnjecteerde reagens nauwkeurig kan worden gecontroleerd met een picoliterresolutie. Deze techniek is ontstaan uit de behoefte om de fabricage van onze apparaten te vereenvoudigen door de noodzaak van metalelektroden weg te nemen.

De voordelen ten opzichte van bestaande technieken zijn onder meer het gemak en de eenvoud van het ontwerp, de fabricage en het gebruik van het apparaat. De metalen elektroden die in eerdere methoden werden gebruikt, waren gevoelig voor breuken en voor stof en vuil in de kanalen tijdens de fabricage. Door de elektroden te elimineren, hebben we onze apparaten robuuster gemaakt en onze fabricage-efficiëntie verbeterd. De eerste stap is het ontwerpen van een microfluïdische chip op basis van de behoeften van het experiment.

Gebruik hiervoor computerondersteunde ontwerpsoftware (CAD), zodat later fotolithografische technieken kunnen worden toegepast. Dit chipontwerp bevat emulsiekanalen die kleiner zijn dan de te gebruiken sferische druppeltjes om een effectievere pico-injectie mogelijk te maken. De locatie voor de pico-injectie is gebaseerd op een ontwerp uit de literatuur, waarbij de metalen elektroden zijn verwijderd.

Extra kanalen dienen als een Faraday-gracht om stroomopwaartse druppeltjes af te schermen van het elektrische veld. Zodra het ontwerp is voltooid, worden zachte fotolithografische technieken gebruikt om de apparaten te vervaardigen, waarna ze op een glazen microscoopglaasje worden gebonden, zodat het apparaat klaar is voor gebruik. Bereid een luchtdrukregelpomp voor om een reservoir met vloeistof onder druk te zetten.

Doe dit door de pompopbrengst zodanig aan te passen dat de onder druk staande lucht via een stuk polyethyleenslangen met een binnendiameter van 2,7 millimeter ontsnapt. Sluit de slang af door deze over de tuit aan de achterzijde van een spuitpunt te schuiven. Nadat de ruimte tussen de spuit en de slang met epoxy is afgedicht, brengt u een naald van 27,5 gauge aan met behulp van reagentia die geschikt zijn voor het experiment.

Bereid een uniforme emulsie voor van waterige druppels gesuspendeerd in draagolie. Laad de emulsie in een spuit van één milliliter die is uitgerust met een naald van 27,5 gauge. Bevestig de spuit vervolgens in een spuitenpomp en richt deze zo dat de naald naar boven wijst.

De volgende stap is het voorbereiden van de reagentia en hun reservoirs voor introductie in het microfluïdische apparaat. Begin met een centrifugebuis van 15 milliliter en een dop. Gebruik een biopsietpons of een ander geschikt instrument om drie gaten van 0,5 millimeter in de dop te ponsen.

Bereid een draadelektrode voor met een diameter van 0,5 millimeter en een lengte die enkele centimeters langer is dan de centrifugebuis. Plaats deze elektrode in één van de gaten in de dop. Zorg ervoor dat de elektrode de bodem van de buis bereikt en enkele centimeters boven de bovenkant uitsteekt.

Bereid vervolgens een polyethyleenslang van ongeveer 20 centimeter voor. Voeg deze in een tweede gat in. Ook deze slang moet de bodem van de buis in het overgebleven gat bereiken.

Rijg een stuk polyethyleenslang van ongeveer 2,5 centimeter door. Deze slang moet boven het vloeistofniveau blijven. Breng UV-uithardende epoxy aan om de kieren aan de bovenkant van de dop af te dichten.

Wanneer de uitharding is voltooid, vul de buis hier met de gewenste pico-injectievloeistof, 100 millimolair natriumchloride, en draai de dop erop. Verbind de uitgang van de luchtdrukregelpomp met het kortere stukje slang in de dop. Bij het inbrengen van de naald in het lumen moet de naald nauw aansluiten.

Plaats de centrifugebuis in de houder. Vul vervolgens een spuit van 1 ml met 1 M natriumchloride. Sluit een naald van 27,5 gauge aan om als Faraday-grachtvloeistof te dienen en bevestig de spuit op een spuitpomp.

Vul een andere spuit van één milliliter met carrier spacer-olie. Bevestig een naald van 27,5 gauge en plaats deze in een spuitenpomp. Op dit punt kunnen de verbindingen met de microfluïdische chip worden gemaakt.

Zorg eerst dat de chip stevig op een vlak oppervlak is bevestigd. Breng vervolgens het open uiteinde van de lange slang van de houder voor de injectievloeistof naar de chip. Verbind deze slang met de inlaatpoort van de pico-injectievloeistof op de microfluïdische chip.

Bevestig vervolgens polyetheyleenslangen aan de spuit met natriumchloride en leid deze door naar de chip. Sluit de slang aan op de inlaatpoort van de Faraday-gracht. Gebruik daarnaast slangen om de spuit met de draagolie te verbinden met de bijbehorende inlaatpoort op het apparaat.

Beëindig een slang die van de uitlaatpoort van de emulsie naar een opvangvat loopt. Gebruik tot slot slang om de uitlaatpoort van de Faraday-gracht te verbinden met een niet-geleidende, elektrisch geïsoleerde container. Uiteindelijk ziet de microfluïdische chip er als volgt uit.

Neem nu een draad van de aarde van een hoogspanningsversterker en verbind deze met de naald van de spuit met natriumchloride. Gebruik een krokodillenklem om de draad aan de naald te bevestigen. Trek een andere draad van de hoogspanningsuitgang van de versterker naar de elektrode die is ondergedompeld in de pico-injectievloeistof.

Gebruik een krokodillenklem om de verbinding te maken als ingang voor de versterker. Gebruik de computeruitgang van een softwaregestuurde golfvormgenerator. Start de infusie van het systeem door de 1 M natriumchloride faraday mote-vloeistof aan het apparaat toe te voegen met een snelheid van 100 µL per uur.

Start daarna de druppel-, emulsie- en dragervloeistof om druppels met regelmatige intervallen, gescheiden door een laag dragervloeistof, langs de pico-injector te laten passeren. Pas de druk op de pico-injectievloeistof aan, zodat de vloeistof bij de opening van de pico-injector in het druppelkanaal uitpuilt, maar niet afbreekt om eigen druppels te vormen. Gebruik de golfvormgenerator om een AC-signaal van 10 kilohertz te produceren met een amplitude van 0 tot 10 volt, dat duizendmaal wordt versterkt door de hoogspanningsversterker.

Om pico-injectie te bewerkstelligen, dient dit signaal te worden toegepast op de druppeltjes terwijl ze langs de injectieopening passeren, waarbij de amplitude als parameter wordt gebruikt. Deze video toont de selectieve injectie van druppeltjes afhankelijk van de aanwezigheid van een fluorescerende kleurstof.

In dit geval passeerden er 200 druppels per seconde de injector, maar met een geschikt detectiemechanisme voor druppels zijn snelheden tot 10.000 per seconde mogelijk. Deze figuren tonen de geïnjecteerde volumefractie als functie van de aangelegde spanning voor injectievloeistoffen met verschillende molariteit. Er wordt aangenomen dat hogere spanningen leiden tot een eerdere onset van coalescentie, wat resulteert in verhoogde injectieduur en -volumes.

Deze tweedimensionale heat map laat de relatie zien tussen de molariteit van de ionische oplossing en de spanning die nodig is om de injectievolumes te bereiken. Oplossingen met een lagere molariteit vereisen hogere spanningen, omdat ze het elektrische veld op de injectieplaats gemakkelijker verminderen. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht moeten hebben in hoe u snel en robuust microfluïdische apparaten kunt ontwerpen en vervaardigen die een nauwkeurige en controleerbare injectie van reagentia in uw druppels mogelijk maken.

Vergeet niet dat werken met hoge spanning uiterst gevaarlijk kan zijn; er moeten altijd voorzorgsmaatregelen worden getroffen, zoals een juiste aarding, persoonlijk beschermende uitrusting en ingebouwde beveiligingsmechanismen.