Микрожидкостных основе гидродинамической Ловушка для одиночных частиц

Краткое содержание

В этой статье мы представляем микрожидкостных основе метода удержания частиц на основе гидродинамических потоков. Мы демонстрируем стабильный захват частиц в точке застоя жидкости с помощью механизма управления с обратной связью, что позволяет камере и микроманипуляция произвольных частиц в интегрированной микроустройство.

Аннотация

Возможность ограничивать и манипулировать отдельными частицами в свободном растворе является ключевой технологией, позволяющей фундаментальной и прикладной науке. Методы улавливания частиц, основанные на оптических, магнитных, электрокинетических и акустических методах, привели к значительным достижениям в физике и биологии на молекулярном и клеточном уровнях. В этой статье мы представляем новую микрофлюидную технику для улавливания и манипулирования частицами, основанную исключительно на гидродинамическом потоке жидкости. Используя этот метод, мы демонстрируем улавливание микро- и наночастиц в водных растворах в течение длительного времени. Гидродинамическая ловушка состоит из интегрированного микрофлюидного устройства с геометрией поперечно-щелевого канала, в котором сходятся два противоположных ламинарных потока, тем самым генерируя плоский растяжимый поток с точкой застоя жидкости (точкой нулевой скорости). В этом устройстве частицы удерживаются в центре ловушки за счет активного управления полем потока для поддержания положения частиц в точке застоя жидкости. Таким образом, частицы эффективно удерживаются в свободном растворе с помощью алгоритма управления с обратной связью, реализованного с помощью специально разработанного кода LabVIEW. Алгоритм управления состоит из получения изображения частицы в микрофлюидном устройстве с последующим отслеживанием частиц, определением положения центроида частицы и активной регулировкой потока жидкости путем регулирования давления, приложенного к встроенному пневматическому клапану с помощью регулятора давления. Таким образом, интегрированный динамический дозирующий клапан функционирует для регулирования относительной скорости потока в выходных каналах, тем самым обеспечивая точный контроль положения точки застоя и улавливания частиц. Гидродинамическая ловушка на основе микрофлюидов имеет ряд преимуществ в качестве метода улавливания частиц. Гидродинамическое улавливание возможно для любой произвольной частицы без особых требований к физическим или химическим свойствам захваченного объекта. Кроме того, гидродинамическая ловушка позволяет удерживать «одиночный» целевой объект в концентрированных или скученных суспензиях частиц, что затруднительно при использовании альтернативных методов ловушки на основе силового поля. Гидродинамическая ловушка удобна в использовании, проста в реализации и может быть добавлена к существующим микрофлюидным устройствам для облегчения улавливания и долгосрочного анализа частиц. В целом, гидродинамическая ловушка представляет собой новую платформу для удержания, микроманипуляций и наблюдения за частицами без поверхностной иммобилизации и устраняет необходимость в потенциально возмущающих оптических, магнитных и электрических полях при захвате мелких частиц в свободном растворе.

Протокол

Гидродинамическая ловушка состоит из двухслойной гибридных (полидиметилсилоксан (PDMS) / стекло) микрожидкостных устройство для удержания частиц. Шаги 1-2 описывают изготовление микрожидкостных устройств, а также шаги 3-4 устройство обсудить проектирования и эксплуатации.

1. SU-8 Mold Изготовление (не показано на видео)

1. Чистая два кремниевых пластин (3 "в диаметре) с ацетоном и изопропиловый спирт (IPA).
2. Сухие вафли с N ₂ и разместить их на плите при температуре 65 ° С в течение 1 мин для удаления остатков влаги.
3. Спиновые пальто пластины № 1 с SU-8 2050 фоторезиста (PR) в течение 30 сек при 4000 оборотов в минуту для создания ~ 40 мкм формы для жидкостного слоя. Спиновые пальто пластины № 2 с PR в течение 30 сек при 1500 оборотов в минуту, чтобы создать ~ 150 мкм формы для управления слоем.
4. Мягкие пластины испечь № 1 при 65 ° С в течение 3 мин, а затем при 95 ° С в течение 6 мин. Мягкие пластины испечь № 2 при 65 ° С в течение 5 мин, а затем при 95 ° С в течение 20 мин.
5. Expose пластин к УФ с соответствующими масками (пластины № 1: порты и жидкостных каналов, вафельные # 2: порт и уровень управления) и соответствующей интенсивности воздействия (~ 150 мДж / см ^2, ~ 260 мДж / см ² соответственно).
6. Сообщение выпекать пластины № 1 при 65 ° С в течение 1 мин, а затем при 95 ° С в течение 6 мин. Сообщение выпекать пластины № 2 при 65 ° С в течение 5 мин, а затем при 95 ° С в течение 10 мин.
7. Разработка пластин с пропиленгликоль метиловый эфир уксусной кислоты (PGMEA) до неотвержденного PR удаляется. Промыть вафли с МПА и сухой с N _2.

2. Изготовление микрожидкостных устройств

1. Silanize поверхности SU-8 форм путем размещения пластин в эксикаторе под вакуумом в течение ~ 10 мин с стеклянное блюдо с добавлением нескольких капель трихлорсилана. Поверхность silanization помогает пилинг (PDMS) реплик от SU-8 пресс-форм.
2. Смешайте и дегазации PDMS в базе: сшивателя отношения 15:01 и 5:1 для жидкостных и контроля слоев соответственно.
3. Спиновые пальто 15:01 смесь PDMS на жидкостный плесень слоя (пластины № 1) в течение 30 сек при 750 оборотах в минуту и ​​затем поместите пластину в чашку Петри. Место плесень уровень управления в чашку Петри и залить 5:01 PDMS смесь на плесени толщиной ~ 4 мм.
4. Выпекать пластин / PDMS в течение 30 мин при 70 ° С частично вылечить PDMS слоев.
5. После охлаждения пластин / PDMS до комнатной температуры, вырезать PDMS реплики, который будет служить уровень управления (пластины № 2), из чашки Петри с помощью скальпеля и очистить его от SU-8 плесени. Пробойниками порта доступа к микроканальных который будет действовать как на-чипе мембраны клапана с 21 иглой.
6. Место PDMS реплики с контролем слой на пластине № 1 (который спин-покрытием PDMS жидкостный слой). Тщательно выровняйте и печатью управления слой жидкостный слой с помощью стерео микроскопа. Убедитесь в том, чтобы удалить все воздушные полости между слоями и запекать при температуре 70 ° С в течение ночи, чтобы полностью вылечить обоих слоев. Это выпечки шаг приведет к монолитной плиты PDMS с двумя слоями.
7. После охлаждения до комнатной температуры, разрезать и очистить PDMS реплики, содержащие как контроль и жидкостный слои от SU-8 плесень с помощью скальпеля. Удалите излишки PDMS и отдельно каждого устройства, блок с лезвия бритвы. Пробойниками доступ к портам в микроканалов жидкостного слоя с 21 иглой.
8. Бонд плиты PDMS, чтобы покровное для получения полного устройства. Во-первых, чистый покровное (Нет: 1,5, 24 х 45 мм) с ацетоном и МПА. Далее, как относиться к покровным и PDMS реплики поверхности с кислородной плазмы до 500 мторр в течение 30 сек, и немедленно принести двух поверхностей в контакт с формой необратимым печатью.
9. Выпекать устройств на ночь для увеличения сцепления между слоями PDMS и покровное.

Шаги 3-4 описывают реализацию гидродинамические ловушки использованием микрожидкостных устройств, описанных выше.

3. Гидродинамические Ловушка Экспериментальная установка

1. Место микрожидкостных устройств на этапе инвертированного микроскопа и закрепите ее стадии клипов.
2. Заполните два газонепроницаемые шприцы отдельно с буфером и образцы решений и разместить их на шприц Гарвардского Аппарат насоса (PHD 2000 программируемых). Буфера и образцы решений доставляются микрожидкостных устройств с помощью 1 мл и 250 мкл шприц, соответственно. Как правило, 50 мМ Трис / Tris HCl буферного раствора (рН 8,0), содержащим 0,02% об. / Triton X-100 используется в качестве буферного раствора. Пример решения состоит из суспензии частиц (например, люминесцентных бисером полистирол) в буферный раствор.
3. Создание жидкостных связей между шприцы (доставки пробы и буфера) и микрожидкостных устройств. Подключите шприцы на 1 / 16 "наружный диаметр (OD) х 0,020" внутренний диаметр (ID) perfluoroalkoxy (PFA) трубки использованием Луер-Лок адаптеров. Подключите другой конец трубки PFA на входе портов микрожидкостных устройств с калибра 24 метал труб. Т-клапан может быть помещен между шприца образец и пример порт микрожидкостных устройство контрольной пробы доставки.
4. Создание жидкостных соединений для выхода каналов в микрожидкостных устройств. Подключите два канала выхода в трубку PFA (1 / 16 "OD х 0,020" ID) с помощью 24 металлической трубы. Трубки PFA для выходов должны быть равной длины. Опустите обе розетки трубы в 1,5 мл центрифуге трубки, заполненной буферным раствором, который служит для поддержания постоянного перепада давления между шприцами и выходе каналов.
5. Заполните на-чипе клапан с фторированные масла перевозчика, используя 3 мл Луер-Лок пластиковый шприц, чтобы предотвратить утечку воздуха в жидкостный слой во время работы. Воздух в камеру клапана выталкивается через мембрану PDMS в микроканальных в жидкостный слой, а затем удаляются из устройства с потоком жидкости через выпускные отверстия.
6. Подключение под давлением инертного газа (азота) поставки до порта в управление слой для на-чипе клапана. Для этой цели мы используем азота танк (2200 фунтов на квадратный дюйм) и электронным регулятором давления на поставку 0-30 фунтов на квадратный дюйм, чтобы на-чипе клапан в микрожидкостных устройств. Азот бак соединен с регулятором давления использованием ¼ "OD х 0,170" ID трубки. Регулятор давления подключен к микрожидкостных устройства через 1 / 16 "OD х 0,020" ID PFA трубы с 24 металлической трубы на ее конце.
7. Промыть жидкостного соединения и микрожидкостных устройство с 0,5 мл буферного раствора, чтобы все пузырьки воздуха удаляются из системы, включая выходные каналы. Типовые значения расхода, используемая для очистки пузырей в диапазоне от 2000-5000 мкл / час. После воздушных пузырьков происходит промывка из микрожидкостных каналов, снизить расход до 50-100 мкл / час, что является типичным объемного расхода для улавливания частиц.
8. На данный момент, жидкостного соединения устанавливаются, образца и буферных растворов доставляются микрожидкостных устройств с фиксированной скоростью потока (50-100 мкл / час), и устройство готово для гидродинамических ловушек.

4. Гидродинамические Процедура Треппинг

1. Выполнить заказ LabVIEW код, который автоматизирует захват частиц (см. Примечание об использовании для LabVIEW код ниже).
2. Использование перевода микроскопом ху этапе положение области захвата (кросс-слот) в центре камеры. Принесите области захвата в фокус объектива и отрегулировать настройки камеры для оптимизации изображений условиях.
3. Выбор прямоугольной области интереса (ROI) в поле зрения камеры, что центр ROI будет положение центру ловушки.
4. Инициализация компенсировать давление на на-чипе клапана. В одном из розетки каналов, 100-200 мкм, сужения вводится обеспечить смещение давление на-чипе клапана. Постоянной вне установленного давления позволяет на-чипе клапан для регулировки положения критической точки в непосредственной близости от центра канала кросс-слот. Для большинства экспериментов, компенсировать давление находится между 0-12 фунтов на квадратный дюйм в зависимости от размеров канала (по высоте и ширине), сужение ширины и спецификации на-чипе клапан (клапан размер, толщина мембраны и т.д.).
5. Инициировать обратной связи контроллера и настройки пропорционального усиления оптимизировать ловушку ответ. Обратная связь контроллер будет регулировать давление на на-чипе клапан для того, чтобы изменить положение критической точки, что позволяет минимизировать ошибки или расстояние между положением частицы и уставки (ловушки в центре). В зависимости от скорости потока и на-чипе положения клапана, существует оптимальное значение пропорционального усиления, что повышает стабильность ловушку и устраняет нежелательные колебания частиц.
6. Ловушка частицы. Код LabVIEW автоматически ловушку одной из частиц, входящих области захвата. Как только желаемый частиц в ловушке, можно перекрыть поток пробы и изолировать захваченные частицы в буферный раствор, если это необходимо.
7. Монитор запертых частиц и поддержания частиц фокус в плоскости изображения с помощью ручного фокуса или автоматизированные установки микроскопа фокус. Это может быть необходимо, чтобы немного изменить пропорциональный коэффициент усиления обратной связи контроллера с целью обеспечения стабильности ловушки в течение длительного времени масштаба захвата события (минут до нескольких часов).

LabVIEW Код: Примечание об использовании для обратной связи контроллера

Автоматизированная захвата частиц достигается при использовании линейного алгоритма управления с обратной связью реализованы с помощью специального кода LabVIEW. Код LabVIEW захватывает изображения с ПЗС-камерой и передает электрический потенциал (напряжение), чтобы регулятор давления, который активно модулирует позиции (частично открытый / закрытый состоянии) на-чипе динамический клапан пневматические. Как положения клапана изменения, гидродинамические скорости потока в одной выходной линии яс учетом, тем самым повторное позиционирование критической точки и создание благоприятных гидродинамических ловушек. Шаги в цепи обратной связи последовательно и многократно выполняется со скоростью захвата изображения (10-60 Гц). LabVIEW кода выполняет следующие действия в течение каждого цикла обратной связи:

• . Захват изображения изображение, приобретенных для "мишень" частицы в области захвата из микрожидкостных устройств с помощью флуоресцентной микроскопии с 10-кратным объективом (NA: 0,4) и ПЗС-камерой.
• Частица слежения. Частица центроида положение определяется, и алгоритм отслеживания частиц начинается. Частицы локализованы путем установки профиля интенсивности излучения частицы функция размытия точки (ФРТ), из которых центр тяжести положение определяется.
• Поток управления полем. Обновленной давления предназначен для на-чипе динамических клапана вычисляется с использованием алгоритма управления с обратной связью с пропорциональным контроллером. Таким образом, действие клапан повторно положение критической точки, что оказывает гидродинамические силы на частицу, с тем чтобы спроецировать частицы к центру ловушки.

Код LabVIEW записи следующие данные для каждого изображения, снятого во время захвата частиц: 1) время, прошедшее, 2) центр тяжести (х, у) положение запертых частиц, 3) положение центра ловушки, 4) расстояние частицы от центру ловушки, 5) давление на на-чипе клапана. Кроме того, код также записывает фильма запертых частиц в формате AVI.

5. Представитель Результаты

Мы ловушке флуоресцентного бисера полистирола различного размера (100, 540, 830 нм и 2,2 мкм в диаметре) с помощью гидродинамической ловушке. Рисунок 1 () показывает образ частицы, захваченной на перекрестке слот перехода в микрожидкостных устройств. Траектория запертой частицы могут быть определены непосредственно из центра тяжести данные о положении записан код LabVIEW во время захвата события или путем отслеживания и локализации ловушку частицы из записанных видеофайлов. Рисунок 1 (б) показана траектория запертой частицы (2,2 мкм флуоресцентные полистирола шарика) в направлении канала розетки. Бусинка изначально ловушку (квадраты) в течение 3 мин, а затем освобождены из ловушки и уходит вдоль одного из каналов выхода (кружки). Траекторий частиц вдоль оси сжатия потока (направление входа канала; данные не приведены) похожи на траектории частиц вдоль оси экстенсиональным поток (отток направлении), как показано на рисунке 1 (б). Гистограмма смещения частиц из ловушки центр ловушку шарик (2,2 мкм в диаметре) по направлениям выходе канала показан на рисунке 1 (с). Использование алгоритма управления с обратной связью, описанные в этой работе, попавшие частицы удерживаются в пределах ± 1 мкм центру ловушки вдоль входе и направления выхода канала.

Схема микрожидкостных устройств, используемых для гидродинамических захвата показано на рисунке 2. Интегрированные микрожидкостных Устройство состоит из жидкостных слой и слой управления, и изготовлен с использованием стандартных многослойных мягкой литографии, как описано в этой статье. Жидкостный слой содержит буфер и образцы каналов, а также кросс-слот геометрии канала для облегчения гидродинамических ловушек. Уровень управления состоит из пневматический клапан расположен над одним из розетки каналов в жидкостный слой, и контроля и жидкостный слои разделены тонкой мембраной эластомерных. Во время работы устройства, клапан контроля слой под давлением газообразного азота, которая заставляет тонкую мембрану в жидкостный слой, тем самым вызывая сужение на выходе канала. Динамический клапан пневматического сужает выходе канала переменного объема, изменяя давление на уровень управления, который регулирует относительные скорости потока на выходе каналов и позволяет мелкомасштабных контроль критической точки.

Рисунок 1: Захват частиц. (А) Изображение одного шарик заключен в гидродинамической ловушке. В дополнение к бусину на ловушку центр, несколько бусин пролетные показаны в области захвата. (Б) траектория запертой частицы по выходе каналов (квадраты). Когда частица выходит из ловушки (стрелка), он уходит вдоль одного из каналов выхода (кружки). (С) Гистограмма смещения ловушку шарик (2,2 мкм в диаметре) из ловушки центра по выходе каналов.

Рисунок 2:. Схема микрожидкостных устройство для гидродинамических захвата гидродинамическая ловушка строится с помощью двухслойной микрожидкостных устройств. Жидкостный слой состоит из образца входе, енаш буфер заливы, и два выхода отходов. Уровень управления состоит из клапана пневматического мембранного расположен на вершине одного из розетки каналов в жидкостный слой. Сужение в противоположных выходе канала обеспечивает смещение давления для пневматических клапанов. Типовые размеры канала в диапазоне от 100-500 мкм. В области (), образец входе потока фокусируется два входа буфера. В области (В), противоположные потоки входе сходятся в кросс-слот перекрестке, где захват происходит. Клапан пневматический (C) расположен на вершине одного из розетки каналов. Положение критической точки модулируется регулирования давления в этом клапане.

Обсуждение

Текущий микрожидкостных методы манипуляции частиц на основе гидродинамического потока можно охарактеризовать как контакт основе или бесконтактные методы. Контакт-методов, основанных на использовании жидкости физически ограничивать и останавливать частицы против microfabricated стенок канала ^9, в то время как бесконтактные методы основаны на циркулирующего потока или microeddies ^10. В этой работе мы представляем метод свободных частиц решение захвата использованием единственного действия потока жидк...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Игла туповатая 21 калибра	Zephyrtronics	ZT-5-021-1-L	Для пробивки отверстий в PDMS
пластиковый шприц 3 мл	BD Biosciences	309585	Для наполнения клапана маслом
Si wafers University	Wafer		3” P(100) односторонний полированный 380 μ m тестовый класс
Защитное стекло	VWR международный	48404-428	24 x 40 мм #1.5
DAQ карта	National Instruments	PCI 6229
Флуоресцентные бусины	Spherotech, Inc.	FP-2056-2	2,2 #x03BC; m Nile red
Fluorinert	3M	FC 40	Фторированное несущее масло
Инвертированный микроскоп	Olympus Corporation	IX-71
LabVIEW	National Instruments	Версия 9.0f3 (32bit)
Стереомикроскоп	Leica Microsystems	MZ6	Для выравнивания контрольного слоя PDMS с жидкостным слоем.
Механическая конвекционная печь	VWR international	1300U	Для хлебопекарных устройств для создания монолитных плит PDMS с двумя слоями.
Микрофлюидные трубки и соединители	Upchurch Scientific		1/16 x .020 PFA трубки и супер бесфланцевые фитинги
PDMS	GE Healthcare	RTV 615 A& B
Плазменная камера	Harrick Scientific Products, Inc.	PDC-001
Преобразователь давления	Пропорция воздуха	DQPV1
Spin Coater	Специальные системы покрытий	G3P-8 Spin Coat
Photoresist	MicroChem Corp.	SU 8 2050
Шприцевой насос	Harvard Apparatus	PHD 2000 Программируемая клеммная
колодка	National Instruments	BNC 2110	Для аналогового вывода на регулятор давления и считывания.
Коллимированный УФ-источник света и система воздействия	OAI	Model 30 Enhanced Light Source