Picoinjection микрофлюидных Капли Без металлическими электродами

Общая цель данной процедуры заключается в проектировании, изготовлении и использовании микрофлюидных чипов, способных точно и контролируемо вводить реагенты в капли воды в масле — процесс, известный как пикоинъекция. Это достигается путем первоначального проектирования устройства с эмульсионным каналом, диаметр которого сужается до размера, меньшего диаметра сферических капель, что позволяет равномерно распределить их в инертном масле-носителе. На втором этапе капли воды и масла вводятся в устройство и перемещаются к месту инъекции.

Перпендикулярный канал, содержащий реагенты для инъекции. Затем на инъекционную жидкость подается высокое напряжение в момент прохождения капель через место инъекции, чтобы вызвать слияние капель и инъекционной жидкости. Полученные результаты показывают, что путем регулирования величины приложенного напряжения можно точно контролировать объем вводимого реагента с пиколитровым разрешением. Данный метод был разработан из необходимости упростить изготовление наших устройств путем исключения необходимости в металлических электродах.

Преимущества по сравнению с существующими методами заключаются в легкости и простоте проектирования, изготовления и использования устройства. Металлические электроды, применявшиеся в предыдущих методах, склонны к поломкам и чувствительны к попаданию пыли и мусора в каналы в процессе изготовления. Устранив электроды, мы сделали наши устройства более надежными и повысили эффективность производства. Первым шагом является проектирование микрофлюидного чипа в соответствии с требованиями эксперимента.

Для этого используйте программное обеспечение для автоматизированного проектирования, чтобы в дальнейшем применить методы фотолитографии. В данной конструкции чипа предусмотрены каналы для эмульсии, диаметр которых меньше размера используемых сферических капель, что обеспечивает более эффективную пикоинъекцию. Конструкция участка пикоинъекции основана на варианте, описанном в литературе, но без металлических электродов.

Дополнительные каналы служат в качестве «рва Фарадея» для экранирования капель, находящихся выше по потоку, от воздействия электрического поля. После завершения проектирования используйте методы мягкой фотолитографии для изготовления устройств, затем приклейте их к стеклянному предметному стеклу микроскопа; после этого устройство будет готово к использованию. Подготовьте насос управления давлением воздуха для создания давления в резервуаре с жидкостью.

Для этого измените выход насоса таким образом, чтобы сжатый воздух выходил через отрезок полиэтиленовой трубки с внутренним диаметром 2,7 мм. Зафиксируйте конец трубки, надев ее на штуцер в задней части наконечника шприца. После герметизации пространства между шприцем и трубкой с помощью эпоксидного клея закрепите иглу калибра 27,5, используя реагенты, соответствующие условиям эксперимента.

Приготовьте однородную эмульсию из водных капель, суспендированных в несущем масле. Залейте эмульсию в шприц объемом один миллилитр, оснащенный иглой калибра 27.5 G. Затем закрепите шприц в шприцевом насосе и расположите его иглой вверх.

Следующим шагом является подготовка реагентов и их резервуаров для введения в микрофлюидное устройство. Возьмите центрифужную пробирку объемом 15 мл с крышкой. С помощью биопсийного панча или другого подходящего инструмента проделайте в крышке три отверстия диаметром 0,5 мм.

Подготовьте проволочный электрод диаметром 0.5 мм и длиной на несколько сантиметров больше, чем центрифужная пробирка. Вставьте этот электрод в одно из отверстий в крышке. Убедитесь, что он достигает дна пробирки и выступает на несколько сантиметров над верхним краем.

Затем подготовьте отрезок полиэтиленовой трубки длиной примерно 20 сантиметров. Вставьте его во второе отверстие. Трубка также должна достигать дна в отверстии, которое осталось свободным.

Проденьте полиэтиленовую трубку длиной около 2,5 сантиметров. Эта трубка должна находиться выше уровня жидкости. Нанесите УФ-отверждаемый эпоксидный клей, чтобы загерметизировать зазоры в верхней части крышки.

После завершения отверждения заполните трубку необходимым раствором для пикоинъекций, здесь 100 millimolar sodium chloride, и закрутите колпачок. Подключите выход насоса управления давлением воздуха к более короткому отрезку трубки в колпачке. При введении иглы в просвет она должна плотно прилегать.

Поместите центрифужную пробирку в держатель. Наберите в шприц объемом 1 мл 1 М раствор хлорида натрия. Для использования в качестве жидкости «рва Фарадея» присоедините иглу калибра 27.5 G и зафиксируйте шприц в шприцевом насосе.

Заполните еще один шприц объемом 1 мл маслом для спейсеров. Установите иглу калибра 27,5 и закрепите шприц в шприцевом насосе. Теперь можно выполнить подключение к микрофлюидному чипу.

Сначала убедитесь, что чип надежно закреплен на плоской поверхности. Затем подведите открытый конец длинной трубки от контейнера с инъекционной жидкостью к чипу. Подсоедините эту трубку к входному порту для пикоинъекционной жидкости на микрофлюидном чипе.

Затем подсоедините полиэтиленовую трубку к шприцу с хлоридом натрия и протяните ее к чипу. Подключите ее к входному порту для рва Фарадея. Также с помощью трубки соедините шприц с маслом-носителем с соответствующим входным портом на устройстве.

Установите трубку, идущую от порта выхода эмульсии, в приемную емкость. Наконец, с помощью трубки соедините выходной порт «рва Фарадея» с непроводящим электрически изолированным контейнером. В итоге микрофлюидный чип будет выглядеть следующим образом.

Теперь возьмите провод от заземления высоковольтного усилителя и подведите его к игле шприца с раствором sodium chloride. С помощью зажима «крокодил» закрепите провод на игле. Проложите еще один провод от высоковольтного выхода усилителя к электроду, погруженному в жидкость для пикоинъекций.

Используйте зажим «крокодил» для подключения входа усилителя. В качестве источника сигнала используйте компьютерный выход программного генератора сигналов. Начните подачу раствора в систему, вводя жидкость для фарадеевского мота 1 M NaCl в устройство со скоростью 100 µL в час.

После этого запустите подачу капель, эмульсии и несущего масла, чтобы капли проходили через пико-инжектор с регулярными интервалами, разделенными слоем несущего масла. Отрегулируйте давление жидкости для пико-инъекции таким образом, чтобы жидкость в отверстии пико-инжектора выпячивалась в канал с каплями, но не отделялась, образуя собственные капли. Используйте генератор сигналов для создания переменного тока с частотой 10 килогерц и амплитудой от 0 до 10 вольт, который будет усилен в тысячу раз с помощью высоковольтного усилителя.

Для осуществления пикоинъекции подайте этот сигнал на капли по мере их прохождения через инъекционное отверстие, используя амплитуду в качестве параметра. В данном видео продемонстрирована селективная инъекция в капли в зависимости от наличия флуоресцентного красителя.

В данном случае через инжектор проходило 200 капель в секунду, однако при использовании подходящего механизма детектирования капель возможна скорость до 10 000 в секунду. На этих графиках показана доля введенного объема в зависимости от приложенного напряжения для жидкостей для инъекций различной молярности. Считается, что более высокие напряжения вызывают более раннее начало коалесценции, что приводит к увеличению продолжительности и объема инъекций.

На этой двухмерной тепловой карте показана зависимость между молярностью ионного раствора и напряжением, необходимым для достижения определенных объемов впрыска. Растворы с более низкой молярностью требуют более высокого напряжения, так как они сильнее ослабляют электрическое поле в месте впрыска. После просмотра этого видео у вас должно появиться четкое понимание того, как быстро и надежно проектировать и изготавливать микрофлюидные устройства, позволяющие осуществлять точный и контролируемый впрыск реагентов в капли.

Не забывайте, что работа с высоким напряжением может быть крайне опасной; всегда следует соблюдать меры предосторожности, такие как надлежащее заземление, использование средств индивидуальной защиты и встроенных предохранителей.