Pikoiniekcja kropli mikroprzepływowych bez elektrod metalowych

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zaprojektowanie, wykonanie i wykorzystanie chipów mikroprzepływowych umożliwiających precyzyjne i kontrolowane wstrzykiwanie odczynników do kropel wody w oleju, proces znany jako piko-wstrzykiwanie. Cel ten osiąga się poprzez zaprojektowanie urządzenia z kanałem emulsyjnym, którego średnica zwęża się do wartości mniejszej niż średnica sferycznych kropel, co pozwala na ich równomierne rozmieszczenie w obojętnym oleju nośnym. W drugim kroku krople wody i oleju są wprowadzane do urządzenia i przepływają do miejsca wstrzykiwania.

Kanał prostopadły zawierający odczynniki do wstrzyknięcia. Następnie do cieczy wtryskiwanej przyłożone jest wysokie napięcie w momencie, gdy krople mijają miejsce wtrysku, aby doprowadzić do połączenia się kropli z cieczą wtryskiwaną. Uzyskane wyniki wykazują, że poprzez dostrojenie wartości przyłożonego napięcia można precyzyjnie kontrolować objętość wstrzykiwanego odczynnika z rozdzielczością pikolitrową. Technika ta powstała z potrzeby uproszczenia procesu wytwarzania naszych urządzeń poprzez wyeliminowanie konieczności stosowania elektrod metalowych.

Zalety w porównaniu z istniejącymi technikami obejmują łatwość i prostotę projektowania, wykonania oraz użytkowania urządzenia. Elektrody metalowe stosowane w poprzednich metodach były podatne na uszkodzenia oraz wrażliwe na obecność kurzu i zanieczyszczeń w kanałach podczas procesu produkcji. Poprzez wyeliminowanie elektrod sprawiliśmy, że nasze urządzenia są bardziej wytrzymałe, a efektywność ich wytwarzania uległa poprawie. Pierwszym krokiem jest zaprojektowanie chipa mikrofluidycznego w oparciu o potrzeby eksperymentu.

Do tego celu należy użyć oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), aby móc później wykorzystać techniki fotolitograficzne. Projekt tego chipa zawiera kanały emulsyjne, które są mniejsze niż stosowane krople sferyczne, co pozwala na bardziej efektywną pikoinkiekcję. Miejsce pikoinkiekcji oparto na projekcie opisanym w literaturze, z pominięciem elektrod metalowych.

Dodatkowe kanały pełnią funkcję fosy Faradaya, aby ekranować krople znajdujące się powyżej przed polem elektrycznym. Po zakończeniu projektu należy zastosować miękkie techniki fotolitograficzne do wykonania urządzeń, a następnie przytwierdzić je do szklanego przedmiotu szkiełka mikroskopowego, przygotowując urządzenie do użycia. Przygotuj pompę do kontroli ciśnienia powietrza w celu podciśnienia zbiornika zawierającego ciecz.

Aby to osiągnąć, zmodyfikuj wyjście pompy tak, aby sprężone powietrze wypływało przez odcinek rurki polietylenowej o średnicy wewnętrznej 2,7 mm. Zakończ rurkę, nakładając ją na wypustkę z tyłu końcówki strzykawki. Po uszczelnieniu przestrzeni między strzykawką a rurką za pomocą epoksydu, przymocuj igłę o rozmiarze 27,5 G, używając odczynników odpowiednich dla danego eksperymentu.

Przygotuj jednorodną emulsję kropel wodnych zawieszonych w oleju nośnym. Nalej emulsję do strzykawki o pojemności jednego mililitra wyposażonej w igłę o rozmiarze 27,5 G. Następnie zamocuj strzykawkę w pompie strzykawkowej i ustaw ją tak, aby igła była skierowana do góry.

Kolejnym krokiem jest przygotowanie odczynników do wprowadzenia do urządzenia mikroprzepływowego oraz ich zbiorników. Należy użyć probówki do wirowania o pojemności 15 ml wraz z zakrętką. Za pomocą puncha do biopsji lub innego odpowiedniego narzędzia należy wykonać w zakrętce trzy otwory o średnicy 0,5 mm.

Przygotuj elektrodę drucianą o średnicy 0,5 mm i długości o kilka centymetrów większej niż długość probówki do wirówki. Włóż elektrodę do jednego z otworów w zakrętce. Upewnij się, że elektroda sięga dna probówki i wystaje o kilka centymetrów ponad jej górną krawędź.

Następnie przygotuj odcinek rurki polietylenowej o długości około 20 centymetrów. Włóż ją do drugiego otworu. Rurka ta również powinna sięgać dna probówki w pozostałym otworze.

Przewlecz około 2,5 centymetra rurki polietylenowej. Rurka ta powinna znajdować się powyżej poziomu cieczy. Nałóż utwardzaną promieniami UV żywicę epoksydową, aby uszczelnić szczeliny na górnej części nakrętki.

Po zakończeniu utwardzania należy napełnić probówkę odpowiednim płynem do piko-wtryskiwania, tutaj 100 millimolar sodium chloride, a następnie zakręcić nakrętką. Wyjście z pompy sterującej ciśnieniem powietrza należy podłączyć do krótszego odcinka rurki w nakrętce. Po włożeniu igły do światła rurki powinna ona ściśle do niej przylegać.

Umieść probówkę wirówkową w uchwycie. Następnie napełnij strzykawkę o pojemności 1 mL roztworem NaCl o stężeniu 1 M. Aby stworzyć płynną fosę Faradaya, podłącz igłę o rozmiarze 27,5 G i zamocuj strzykawkę w pompie strzykawkowej.

Napełnij kolejną strzykawkę o pojemności 1 ml olejem do przekładki nośnej. Podłącz igłę o rozmiarze 27,5 G i zamocuj ją w pompie strzykawkowej. Na tym etapie można nawiązać połączenia z układem mikroprzepływowym.

Najpierw należy upewnić się, że chip jest stabilnie zamocowany na płaskiej powierzchni. Następnie należy doprowadzić otwarty koniec długiej rurki z pojemnika z cieczą wtryskową do chipa. Podłącz rurkę do portu wlotowego cieczy do piko-wtrysku na chipie mikrofluidycznym.

Następnie podłącz rurkę polietylenową do strzykawki zawierającej chlorek sodu i poprowadź ją do chipa. Podłącz rurkę do portu wlotowego fosy Faradaya. Użyj również rurki, aby połączyć strzykawkę z olejem nośnym z odpowiednim portem wlotowym w urządzeniu.

Zakończ rurkę prowadzącą z portu wylotowego emulsji w naczyniu zbiorczym. Na koniec użyj rurki, aby połączyć port wylotowy rowu Faradaya z nieprzewodzącym, elektrycznie izolowanym pojemnikiem. Ostatecznie chip mikroprzepływowy wygląda w następujący sposób.

Następnie należy pobrać przewód z uziemienia wzmacniacza wysokiego napięcia i poprowadzić go do igły strzykawki z chlorkiem sodu. Aby przymocować przewód do igły, należy użyć klipsa krokodylka. Kolejny przewód należy poprowadzić z wyjścia wysokiego napięcia wzmacniacza do elektrody zanurzonej w płynie do piko-iniekcji.

Użyj klipsa krokodylkowego, aby wykonać połączenie wejściowe do wzmacniacza. Wykorzystaj wyjście komputerowe generatora przebiegów sterowanego programowo. Rozpocznij infuzję w układzie, wprowadzając do urządzenia płyn do motu Faradaya zawierający 1 M NaCl z prędkością 100 µL/h.

Następnie uruchom przepływ kropel, emulsji i oleju nośnego, aby krople przechodziły przez piko-inżektor w regularnych odstępach, przedzielone warstwą oleju nośnego. Dostosuj ciśnienie przyłożone do cieczy piko-inżekcyjnej w taki sposób, aby ciecz w otworze piko-inżektora wybrzuszała się do kanału z kroplami, ale nie odrywała, tworząc własne krople. Użyj generatora przebiegów do wygenerowania sygnału AC o częstotliwości 10 kHz i amplitudzie od 0 do 10 V, który zostanie wzmocniony tysiąckrotnie przez wzmacniacz wysokiego napięcia.

Aby przeprowadzić piko-iniekcję, należy przyłożyć ten sygnał do kropel w momencie, gdy przechodzą one przez otwór wtryskowy, i wykorzystać amplitudę jako parametr. Film ten przedstawia selektywną iniekcję kropel w zależności od obecności barwnika fluorescencyjnego.

W tym przypadku przez wtryskiwacz przepływało 200 kropli na sekundę, jednak przy zastosowaniu odpowiedniego mechanizmu detekcji kropli możliwe są wartości do 10 000 na sekundę. Powyższe wykresy przedstawiają wstrzykniętą frakcję objętościową w funkcji przyłożonego napięcia dla cieczy wtryskowych o różnej molarności. Przypuszcza się, że wyższe napięcia powodują wcześniejszy początek koalescencji, co prowadzi do wydłużenia czasu wtrysku oraz zwiększenia objętości.

Ta dwuwymiarowa mapa ciepła przedstawia zależność między molowością roztworu jonowego a napięciem wymaganym do uzyskania określonych objętości iniekcji. Roztwory o niższej molowości wymagają wyższych napięć, ponieważ łatwiej redukują pole elektryczne w miejscu iniekcji. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat tego, jak szybko i skutecznie projektować oraz wytwarzać urządzenia mikroprzepływowe, które umożliwiają precyzyjną i kontrolowaną iniekcję reagentów do kropel.

Należy pamiętać, że praca z wysokim napięciem może być niezwykle niebezpieczna; zawsze należy stosować środki ostrożności, takie jak odpowiednie uziemienie, osobiste środki ochrony indywidualnej oraz wbudowane systemy zabezpieczeń.