Микрожидкостных основе гидродинамической Ловушка для одиночных частиц
21 января 2011 г.
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.
Общая цель этого метода заключается в ограничении и манипулировании отдельными микро- и наноразмерными частицами с помощью ламинарного потока в микрофлюидном устройстве. Гидродинамическая ловушка состоит из микрофлюидного устройства с геометрией поперечного щелевого канала, которое порождает застойный ток в месте соединения микроканалов. Встроенный клапан, расположенный в одном из выпускных каналов, используется для активного управления потоком жидкости и улавливания частиц.
Частицы удерживаются в заданной пользователем заданной точке путем активного управления положением точки застоя. Контроллер обратной связи используется для отслеживания положения частиц и регулировки встроенного клапана для поддержания положения частиц в заданной точке. С помощью гидродинамической ловушки одиночные частицы захватываются в растворах разбавленных или концентрированных частиц и могут быть визуализированы с помощью флуоресцентной или светлопольной микроскопии.
Одна частица может быть ограничена в пределах одного микрона от центра ловушки, как показано на траектории частицы и гистограмме смещения частицы из центра ловушки. Здравствуйте, я Эрик Джонсон Рио из лаборатории профессора Чарльза Шроера на факультете химической и биомолекулярной инженерии и Центра биофизики и вычислительной биологии в Университете штата Иллинойс. Здравствуйте, меня зовут Ари, я научный сотрудник лаборатории Шрёдера.
Здравствуйте, меня зовут Шерил Шрёдер, и сегодня мы покажем вам, как изготовить и внедрить микрофлюидное устройство для гидродинамического захвата одиночных частиц. Основное преимущество этого метода по сравнению с существующими методами, такими как оптические или электрокинетические ловушки, заключается в том, что гидродинамическая ловушка достигается исключительно действием потока жидкости, тем самым устраняя потенциально проактивные четыре поля для захвата наночастиц или клеток. Этот метод может преобразовать фундаментальную и прикладную науку, позволяя захватывать микро- и наночастицы в свободном растворе без каких-либо требований к химическим или физическим свойствам захваченной частицы.
Итак, приступим. Для того чтобы облегчить отслаивание реплик от форм SU eight, обработайте поверхность форм SU eight, поместив пластины в влагопоглотитель под вакуум на 10 минут с помощью стеклянной чашки, содержащей несколько капель трихлорселина, с использованием смешанного и DGAs PDMS для жидкостного и контрольного слоев. Нанесите смесь PDMS в соотношении 15 к одному на форму с жидким слоем в течение 30 секунд при 750 оборотах в минуту, а затем поместите пластину в чашку Петри.
Аналогичным образом поместите форму для контрольного слоя в чашку Петри и вылейте смесь PDMS в соотношении пять к одному на форму толщиной четыре миллиметра. Чтобы частично отверждать слои PDMS, выпекайте, разрежьте PDM в течение 30 минут при температуре 70 градусов Цельсия и дайте им остыть до комнатной температуры. Разрежьте скальпелем реплику PDMS и снимите ее с формы SU eight.
Затем с помощью иглы 21 калибра проделайте отверстие в PDMS в качестве порта доступа к микроканалу, который будет действовать как мембранный клапан на кристалле. Поместите реплику PDMS с контрольным слоем на пластину с жидкостным слоем PDMS с спиновым покрытием. Тщательно выровняйте и приклейте контрольный слой к жидкостному слою с помощью стереомикроскопа.
Обязательно удалите все воздушные карманы между слоями и запекайте при температуре 70 градусов Цельсия в течение ночи, чтобы полностью отверждение обоих слоев в монолитную плиту PDMS с двумя слоями после охлаждения до комнатной температуры, используйте скальпель, чтобы вырезать и отклеить реплику PDMS от формы SU eight, и используйте лезвие бритвы, чтобы удалить излишки PDMS и отделить каждый блок устройства. Теперь цельные отверстия для доступа пуансона к микроканалам в жидкостном слое с помощью иглы 21 калибра. Очистите крышку крышкой ацетоном IPA и высушите азотом.
Обработайте поверхность защитного стекла и поверхности реплики PDMS кислородной плазмой под давлением менее 500 миллиторр в течение 30 секунд. А затем сразу же привести две поверхности в соприкосновение, чтобы образовалось необратимое уплотнение. Наконец, запекайте устройства на ночь, чтобы увеличить сцепление между слоями PDMS и покровным покрытием.
Сначала поместите микрофлюидное устройство на предметный столик инвертированного микроскопа и закрепите его зажимами. Затем, чтобы подать растворы в микрофлюидное устройство, наполните герметичный шприц объемом один миллилитр и шприц объемом 250 микролитров буферным раствором и раствором образца соответственно. Используйте Т-образный клапан между шприцем для образца и портом для образца на микрофлюидном устройстве для контроля подачи образца.
Теперь установите жидкостные соединения между шприцами и микрофлюидным устройством с помощью фторкислородной трубки, адаптеров для фиксации приманки и металлических трубок 24 калибра. Затем установите жидкостные соединения для выходных каналов в микрофлюидном устройстве с помощью трубки PFA и металлической трубки 24 калибра. Для поддержания постоянного перепада давления между шприцами и выходными каналами трубки PFA для выпускных отверстий должны быть одинаковой длины и обе должны быть погружены в центрифужную трубку объемом 1,5 миллилитра, заполненную буферным раствором.
Заполните встроенный клапан фторированным несущим маслом с помощью пластикового шприца с замком приманки объемом три миллилитра, чтобы предотвратить утечку воздуха в слой жидкости во время работы. Протолкните воздух из камеры клапана через мембрану PDMS в микроканал. В жидкостном слое.
Для работы на интегрированном клапане. Подключите подачу инертного газа под давлением к порту в слое управления. Промойте соединения жидкости и микрофлюидное устройство 0,5 миллилитрами буферного раствора, чтобы убедиться, что все пузырьки воздуха удалены из системы, включая выпускные каналы.
Типичный расход, используемый для очистки пузырьков, колеблется от 2000 до 5 000 микролитров в час после того, как пузырьки воздуха вымываются из микрофлюидных каналов, уменьшите расход до 50-100 микролитров в час, что является типичным объемным расходом для улавливания частиц. Теперь переключите Т-образный клапан, чтобы образец мог поступать в микрофлюидное устройство. Выполнение пользовательского кода лабораторного представления, который автоматизирует улавливание частиц за счет реализации алгоритма управления с линейной обратной связью.
Код захватывает изображения с ПЗС-камеры и передает электрический потенциал на регулятор давления, который активно модулирует положение встроенного пневматического клапана. С помощью предметного столика для перемещения XY с помощью микроскопа расположите область захвата в центре обзора камеры. Поместите область захвата в фокус объектива и отрегулируйте параметры камеры для оптимизации условий изображения.
Выберите прямоугольную область интереса в поле зрения камеры таким образом, чтобы центром ROI было положение центра ловушки. Теперь инициализируйте давление смещения, приложенное к встроенному клапану. Сужение шириной от 100 до 200 микрон, расположенное в противоположном выходном канале.
Обеспечивает давление смещения для работы встроенного клапана. Запустите контроллер обратной связи и отрегулируйте пропорциональное усиление для оптимизации отклика ловушки. В зависимости от расхода и положения клапана на кристалле существует оптимальная величина пропорционального усиления, которая повышает устойчивость ловушки и исключает нежелательные колебания частиц.
Код лабораторного просмотра автоматически захватывает одну из частиц, попадающих в область улавливания. В этом видео движение частиц в направлении притока возникает из-за того, что входной поток образца остается открытым, чтобы максимизировать герметичность ловушки удержания в направлении притока. Пользователь может закрыть поток образца во время захвата, который равномерно уравновешивает поток в перекрестном переходе, контролировать захваченную частицу и поддерживать фокусировку частицы в плоскости изображения с помощью ручной фокусировки или автоматической настройки фокусного микроскопа.
Интегрированное микрофлюидное устройство состоит из фокуса образца, поперечно-щелевого перехода и пневматического клапана, захват которого происходит на поперечно-щелевом переходе, а положение частиц контролируется путем активной регулировки поля потока на микроканальном переходе через пневматический клапан. Здесь изображение одной бусины заключено в гидродинамическую ловушку. В дополнение к ловушке в центре, несколько непойманных бусин показаны в области ловли на перекрестке лотов.
Нанесена на карту траектория захваченного флуоресцентного полистирольного шарика толщиной 2,2 микрона. Первоначально частица задерживается на три минуты. Затем он освобождается из ловушки и убегает по одному из выпускных каналов.
Гистограмма смещения захваченной бусины от центра ловушки вдоль направления выходных каналов показывает, что частица ограничена в пределах одного микрона от центра ловушки. Сегодня мы представили ЭМ-ловушку как метод захвата микро- и наноразмерных частиц в свободном растворе с использованием потока точек, генерируемого в микрофлюидном устройстве. Гидродинамическая ловушка позволяет удерживать одну частицу-мишень в концентрированных суспензиях частиц, что трудно при использовании альтернативных методов захвата силового поля.
После дальнейшего развития этот новый метод позволит проводить научные исследования в области биофизики, клеточной механики, гидродинамики, энзимологии и системной биологии. Спасибо за просмотр и надеемся, что эта методика будет полезна для ваших экспериментов.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен метод на основе микрофлюидики для ограничения и манипуляции микро и наночастицами с использованием гидродинамического потока. Для достижения стабильного захвата частиц в точке застоя жидкости в микроустройстве используется механизм обратной связи.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Микрофлюидика
- Манипуляция частицами
- Гидродинамический захват
Предпосылки
- Микрофлюидные устройства позволяют точно контролировать поток жидкости.
- Гидродинамические ловушки могут ограничивать частицы в определенных местах.
- Активные механизмы управления улучшают возможности манипуляции частицами.
- Флуоресценция и светлополевая микроскопия могут использоваться для визуализации частиц.
Цель исследования
- Разработать метод захвата отдельных частиц в микрофлюидных устройствах.
- Использовать ламинарный поток для эффективного ограничения частиц.
- Реализовать обратную связь для поддержания позиции частиц.
Используемые методы
- Микрофлюидное устройство с каналом перекрестного слота.
- Клапан на чипе для активного управления потоком жидкости.
- Контроллер обратной связи для отслеживания и регулирования позиции частиц.
- Методы визуализации, такие как флуоресцентная и светлополевая микроскопия.
Основные результаты
- Успешный захват отдельных частиц как в разбавленных, так и в концентрированных растворах.
- Демонстрирована стабильность ограничения частиц в заданной точке.
- Эффективное регулирование положения точки застоя с помощью обратной связи.
- Возможность визуализации зажатых частиц с помощью методов микроскопии.
Выводы
- Метод обеспечивает надежный подход для манипуляции частицами в микрофлюидных системах.
- Активные механизмы управления улучшают точность захвата частиц.
- Эта техника может быть применена в различных областях, требующих ограничения частиц.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
This microfluidic hydrodynamic trap enables label-free, field-free confinement of single micro- and nanoscale particles in complex biological suspensions, supporting early-stage target validation by allowing direct observation of particle behavior without surface immobilization or perturbative fields. The method provides quantitative spatial control and long-term stability for mechanistic de-risking of nanoparticle-biomolecule interactions in discovery workflows. Its compatibility with concentrated samples and arbitrary particle types enhances translational relevance for preclinical screening of drug delivery vehicles and extracellular vesicles.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by trapping single particles in free solution to observe native-state interactions without optical, magnetic, or electric field artifacts.
- Operational Value: Supports functional target validation in crowded environments such as serum or cell lysates where conventional trapping fails due to background interference.
- Predictive Value: Facilitates lead identification by allowing prolonged observation of particle dynamics to assess binding kinetics and stability under near-physiological conditions.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated particle systems for downstream workflows by enabling isolation and manipulation of single entities from heterogeneous populations.
- Quantitative Output: Generates displacement histograms and trajectory data that serve as reproducible metrics for comparing particle behavior across conditions.
- Platform Scalability: Integrates with existing microfluidic devices via on-chip pneumatic valves, allowing reuse across multiple targets and increasing throughput in screening cascades.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Maintains continuity from discovery to preclinical validation by trapping particles in biologically relevant matrices without altering surface chemistry.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables mechanistic de-risking of nanoparticle formulations by quantifying confinement stability as a proxy for colloidal integrity in complex fluids.
- Biomarker Alignment: Supports translational biomarker studies by permitting long-term observation of single extracellular vesicles or lipid nanoparticles in undiluted biofluids.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical assessment, particularly for studies requiring unperturbed particle analysis in native environments.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling direct visualization of single-particle interactions in solution without labels or surface tethering.
- Screening: Enhances assay reproducibility through active flow control that maintains consistent trapping conditions across runs, reducing variability in particle-based assays.
- Analytics: Provides centroid tracking and displacement measurements as quantitative readouts to compare particle responses under different buffer or ligand conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical work by allowing assessment of particle behavior in concentrated biological fluids that mimic in vivo conditions.
- Enterprise Reuse: Functions as a modular trapping module that can be integrated into various microfluidic platforms, reducing redevelopment costs across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by eliminating field-induced artifacts and enabling observation of native particle states in suspension.
- Operational Value: Delivers standardization and reproducibility via feedback-controlled stagnation point positioning, ensuring consistent trap performance across users and sessions.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early, quantitative data on particle stability and interaction propensity in realistic matrices.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of nanoparticle or vesicle candidates based on single-particle trapping stability in complex fluids.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic fabrication, fluorescence microscopy, and feedback control systems such as LabVIEW-based image processing and pressure regulation.
- Depends on pneumatic pressure regulators, on-chip valves, and high-speed imaging infrastructure for real-time particle tracking and flow adjustment.
- Necessitates cross-team standardization of valve calibration protocols and particle tracking parameters to ensure reproducibility between laboratories.
- Involves adaptation considerations when applying to non-spherical or deformable particles, as trapping efficiency may vary with shape and size under extensional flow.
- Includes practical limitations such as the need for particle fluorescence or contrast for reliable tracking, and potential drift during extended runs requiring periodic recalibration.
