Artykuł metodologiczny

Mikroprzepływowa pułapka hydrodynamiczna dla pojedynczych cząstek

DOI:

10.3791/2517

⸱

21 stycznia 2011

 ,  , 
1Center for Biophysics and Computational Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W tym artykule prezentujemy opartą na mikroprzepływach metodę zatrzymywania cząstek w oparciu o przepływ hydrodynamiczny. Demonstrujemy stabilne wychwytywanie cząstek w punkcie stagnacji płynu za pomocą mechanizmu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, umożliwiając w ten sposób uwięzienie i mikromanipulację dowolnymi cząstkami w zintegrowanym mikrourządzeniu.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zdolność do ograniczania i manipulowania pojedynczymi cząstkami w swobodnym roztworze jest kluczową technologią umożliwiającą naukę podstawową i stosowaną. Metody wychwytywania cząstek oparte na technikach optycznych, magnetycznych, elektrokinetycznych i akustycznych doprowadziły do znacznych postępów w fizyce i biologii, począwszy od poziomu molekularnego, a skończywszy na poziomie komórkowym. W tym artykule przedstawiamy nową, opartą na mikroprzepływach technikę wychwytywania cząstek i manipulacji nimi opartą wyłącznie na hydrodynamicznym przepływie płynu. Za pomocą tej metody demonstrujemy wychwytywanie cząstek w skali mikro i nano w roztworach wodnych przez długi czas. Pułapka hydrodynamiczna składa się ze zintegrowanego urządzenia mikroprzepływowego z geometrią kanału krzyżowo-szczelinowego, w którym zbiegają się dwa przeciwległe strumienie laminarne, generując w ten sposób płaski przepływ rozciągliwy z punktem stagnacji płynu (punkt zerowej prędkości). W tym urządzeniu cząstki są zatrzymywane w centrum pułapki poprzez aktywne sterowanie polem przepływu w celu utrzymania pozycji cząstek w punkcie stagnacji płynu. W ten sposób cząstki są skutecznie uwięzione w swobodnym roztworze za pomocą algorytmu kontroli sprzężenia zwrotnego zaimplementowanego za pomocą niestandardowego kodu LabVIEW. Algorytm sterowania składa się z akwizycji obrazu cząstki w urządzeniu mikroprzepływowym, a następnie śledzenia cząstek, określania położenia środka ciężkości cząstek oraz aktywnej regulacji przepływu płynu poprzez regulację ciśnienia wywieranego na zawór pneumatyczny w układzie scalonym za pomocą regulatora ciśnienia. W ten sposób wbudowany w układ dynamiczny zawór dozujący reguluje względne natężenie przepływu w kanałach wylotowych, umożliwiając w ten sposób precyzyjną kontrolę położenia punktu stagnacji i wychwytywania cząstek. Pułapka hydrodynamiczna oparta na mikroprzepływach ma kilka zalet jako metoda wychwytywania cząstek. Pułapka hydrodynamiczna jest możliwa dla każdej dowolnej cząstki bez szczególnych wymagań dotyczących właściwości fizycznych lub chemicznych uwięzionego obiektu. Ponadto pułapkowanie hydrodynamiczne umożliwia uwięzienie "pojedynczego" obiektu docelowego w skoncentrowanych lub stłoczonych zawiesinach cząstek, co jest trudne przy użyciu alternatywnych metod pułapkowania opartych na polu siłowym. Pułapka hydrodynamiczna jest przyjazna dla użytkownika, prosta do wdrożenia i może być dodawana do istniejących urządzeń mikroprzepływowych w celu ułatwienia wychwytywania i długotrwałej analizy cząstek. Ogólnie rzecz biorąc, pułapka hydrodynamiczna jest nową platformą do ograniczania, mikromanipulacji i obserwacji cząstek bez unieruchomienia powierzchni i eliminuje potrzebę stosowania potencjalnie perturbacyjnych pól optycznych, magnetycznych i elektrycznych w pułapce małych cząstek w swobodnym roztworze.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pułapka hydrodynamiczna składa się z dwuwarstwowego hybrydowego (polidimetylosiloksanu (PDMS) / szkła) urządzenia mikroprzepływowego do zatrzymywania cząstek. Kroki 1-2 opisują wytwarzanie urządzeń mikroprzepływowych, a kroki 3-4 omawiają konstrukcję i działanie urządzenia.

1. Produkcja form SU-8 (nie pokazane na filmie)

  1. Oczyść dwie płytki krzemowe (o średnicy 3") acetonem i alkoholem izopropylowym (IPA).
  2. Wysuszyć wafle za pomocą N2 i umieścić je na płycie grzejnej w temperaturze 65°C na 1 minutę, aby usunąć resztki wilgoci.
  3. Wiruj wafel #1 z fotorezystem SU-8 2050 (PR) przez 30 sekund przy 400....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obecne metody mikroprzepływowe do manipulacji cząstkami oparte na przepływie hydrodynamicznym można scharakteryzować jako metody kontaktowe lub bezkontaktowe. Metody oparte na kontaktach wykorzystują przepływ płynu do fizycznego zatrzymywania i unieruchamiania cząstek na mikroprefabrykowanych ściankach kanałów 9, podczas gdy metody bezkontaktowe opierają się na przepływie cyrkulacyjnym lub mikrowirach 10. W niniejszej pracy przedstawiono metodę wychwytywania cząstek swobodnego roztworu przy użyciu s.......

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dziękujemy grupie Kenis z University of Illinois w Urbana-Champaign za pomocne dyskusje i hojne udostępnienie pomieszczeń czystych.

Ta praca została sfinansowana przez NIH Pathway to Independence PI Award, w ramach grantu nr 4R00HG004183-03 (Charles M. Schroeder i Melikhan Tanyeri).

Ta praca była wspierana przez National Science Foundation poprzez stypendium badawcze dla absolwentów dla Erica M. Johnsona-Chavarria.

....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
igła o rozmiarze 21ZephyrtronicsZT-5-021-1-LDo dziurkowania otworów w
plastikowej strzykawceBD Biosciences309585Do napełniania zaworu olejem
Wafle SiWafer 3” P(100) jednostronnie polerowane 380 μ m klasa testowa
Szkło nakrywkoweVWR international48404-42824 x 40 mm #1.5
Karta DAQNational InstrumentsPCI 6229
Koraliki fluorescencyjneSpherotech, Inc.FP-2056-22.2 μ m Czerwony nilowy
Fluorinert 3MFC 40Fluorowany olej nośnikowy
Mikroskop odwróconyOlympus CorporationIX-71
LabVIEWNational InstrumentsWersja 9.0f3 (32bit)
Mikroskop stereoskopowyLeica MicrosystemsMZ6Do wyrównywania warstwy kontrolnej PDMS z warstwą płynów.
Mechaniczny piec konwekcyjnyVWR international1300UDo urządzeń wypiekowych do tworzenia monolitycznych płyt PDMS z dwiema warstwami.
Rurki i złączki mikroprzepływoweUpchurch Scientific1/16 x .020 Rurki PFA i złączki super bezkołnierzowe
PDMSGE HealthcareRTV 615 A& B
Komora plazmowaHarrick Scientific Products, Inc.PDC-001
Przetwornik ciśnieniaProporcja powietrzaDQPV1
Spin CoaterSpecjalistyczne systemy powlekaniaG3P-8 Spin Coat
PhotoresistMicroChem Corp.SU 8 2050
Pompa strzykawkowaAparat HarvardPHD 2000 Programowalna
listwa zaciskowaNational InstrumentsBNC 2110Do wyjścia analogowego do regulatora ciśnienia i odczytu.
Kolimowane źródło światła UV i system ekspozycjiOAIModel 30 Ulepszone źródło
PDMS 3 ml University światła

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Tanyeri, M., Johnson-Chavarria, E. M., Schroeder, C. M. Hydrodynamic Trap for Single Particles and Cells. Applied Physics Letters. 96, 224101-224101 (2010).
  2. Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. Observation of a Single-Beam Gradient Force Optical Trap for Di....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Hydrodynamic TrapMicrofluidic DeviceParticle TrappingCross Slot JunctionOn Chip ValveFeedback ControlFluid Flow RegulationParticle TrackingLabVIEW AlgorithmStagnation Point Flow

Powiązane artykuły