Een Microfluïdische-gebaseerde Hydrodynamische Trap voor Single Particles
Summary
In dit artikel presenteren we een microfluïdisch-gebaseerde methode voor deeltjesfysica opsluiting op basis van hydrodynamische stroming. Tonen we stabiel deeltje trapping in op een vloeiende stagnatie punt met behulp van een feedback control mechanisme, waardoor opsluiting en micromanipulatie van willekeurige deeltjes in een geïntegreerde microdevice.
Abstract
De mogelijkheid om te beperken en enkele deeltjes te manipuleren in gratis oplossing is een belangrijke enabling technology voor fundamenteel en toegepast wetenschap. Methoden voor het vangen van deeltjes op basis van optische, magnetische, elektrokinetische, en akoestische technieken hebben geleid tot grote vooruitgang in de natuurkunde en de biologie, variërend van het moleculaire tot cellulair niveau. In dit artikel introduceren we een nieuw microfluïdisch-gebaseerde techniek voor deeltjesfysica vangen en manipulatie uitsluitend op basis van hydrodynamische stroming. Met behulp van deze methode aan te tonen we vangen van micro-en nano-schaal deeltjes in waterige oplossingen voor lange tijdschalen. De hydrodynamische val bestaat uit een geïntegreerde microfluïdische apparaat met een cross-channel slot geometrie waar twee tegengestelde laminaire stromingen convergeren, waardoor het genereren van een vlakke extensionele stroom met een vloeistof stagnatie punt (zero-point velocity). In dit apparaat worden deeltjes opgesloten in de val centrum met actieve controle van de stroom veld om deeltjes positie te handhaven in de vloeistof stagnatie punt. Op deze manier worden deeltjes effectief gevangen in gratis oplossing om met een feedback control algoritme geïmplementeerd met een custom-built LabVIEW code. De controle algoritme bestaat uit beeld acquisitie voor een deeltje in de microfluïdische apparaat, gevolgd door de deeltjes volgen, bepaling van de deeltjes zwaartepunt positie, en actieve aanpassing van de vloeistofstroom door het reguleren van de druk die op een on-chip pneumatisch ventiel met behulp van een drukregelaar. Op deze manier, om de on-chip dynamische doseerventiel functies reguleren van de relatieve stroom tarieven in de uitlaatkanalen, waardoor fijne schaal de controle van stagnatie punt positie en deeltje trapping. De microfluïdische op basis van hydrodynamische trap vertoont een aantal voordelen als een methode voor het deeltje vangen. Hydrodynamische trapping is mogelijk voor elk willekeurig deeltje zonder specifieke eisen aan de fysische of chemische eigenschappen van de gevangen object. Daarnaast, hydrodynamische vangen maakt opsluiting van een "single" doelobject in geconcentreerde of overvolle deeltjessuspensies, die moeilijk met behulp van alternatieve krachtveld op basis van vangmethoden. De hydrodynamische val is gebruiksvriendelijk, eenvoudig te implementeren en kunnen worden toegevoegd aan de bestaande microfluïdische apparaten op het vangen en lange-time analyse van de deeltjes te vergemakkelijken. Over het geheel genomen de hydrodynamische val is een nieuw platform voor opsluiting, micromanipulatie, en observatie van deeltjes zonder oppervlakte immobilisatie en elimineert de noodzaak voor potentieel perturbatieve optische, magnetische en elektrische velden in de vrije-oplossing vangen van kleine deeltjes.
Protocol
Discussion
De huidige methoden voor het microfluïdische deeltjes manipulatie op basis van hydrodynamische stroming kan worden gekarakteriseerd als contact-of non-contact methodes. Contact-gebaseerde methoden te gebruiken stroming om fysiek te beperken en deeltjes te immobiliseren tegen microfabricated kanaal muren 9, terwijl de non-contact methode vertrouwen op circulerende stroom of microeddies 10. In dit werk, presenteren we een methode voor het free-oplossing deeltjes vangen met behulp van de enige actie …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken de Kenis groep van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign voor nuttige discussies en royaal voorzien gebruik van de cleanroom-faciliteiten.
Dit werk werd gefinancierd door een NIH Pathway naar Independence PI Award, onder Grant No 4R00HG004183-03 (Charles M. Schröder en Melikhan Tanyeri).
Dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation door middel van een Graduate Research Fellowship aan Eric M. Johnson-Chavarria.
Materials
| Material Name | Type | Company | Catalogue Number | Comment |
|---|---|---|---|---|
| 21 gauge blunt needle | Zephyrtronics | ZT-5-021-1-L | For punching port holes in PDMS | |
| 3 ml plastic syringe | BD | 309585 | For filling valve with oil | |
| Si wafers | University Wafer | 3” P(100) single side polished 380 μm test grade | ||
| Cover glass | VWR | 48404-428 | 24 x 40 mm #1.5 | |
| DAQ card | National Instruments | PCI 6229 | ||
| Fluorescent beads | Spherotech | FP-2056-2 | 2.2 μm Nile red | |
| Fluorinert | 3M | FC 40 | Fluorinated carrier oil | |
| Inverted Microscope | Olympus | IX-71 | ||
| LabVIEW | National Instruments | Version 9.0f3 (32bit) | ||
| Stereo Microscope | Leica | MZ6 | For aligning PDMS control layer to fluidic layer. | |
| Mechanical Convection Oven | VWR | 1300U | For baking devices to create monolithic PDMS slabs with two layers. | |
| Microfluidic tubing and connectors | Upchurch Scientific | 1/16 x .020 PFA tubing and super flangeless fittings | ||
| PDMS | GE Silicones | RTV 615 A&B | ||
| Plasma Chamber | Harrick | PDC-001 | ||
| Pressure Transducer | Proportion Air | DQPV1 | ||
| Spin Coater | Specialty Coating Systems | G3P-8 Spin Coat | ||
| Photoresist | MicroChem | SU 8 2050 | ||
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | PHD 2000 Programmable | ||
| Terminal Block | National Instruments | BNC 2110 | For analog output to pressure regulator and read out. | |
| UV Collimated Light Source and Exposure System | OAI | Model 30 Enhanced Light Source |
References
- Tanyeri, M., Johnson-Chavarria, E. M., Schroeder, C. M. Hydrodynamic Trap for Single Particles and Cells. Applied Physics Letters. 96, 224101-224101 (2010).
- Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., Chu, S. Observation of a Single-Beam Gradient Force Optical Trap for Dielectric Particles. Optics Letters. 11, 288-290 (1986).
- Neuman, K. C., Block, S. M. Optical trapping. Review of Scientific Instruments. 75, 2787-2809 (2004).
- Gosse, C., Croquette, V. Magnetic tweezers: Micromanipulation and force measurement at the molecular level. Biophysical Journal. 82, 3314-3329 (2002).
- Chiou, P. Y., Ohta, A. T., Wu, M. C., C, M. Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images. Nature. 436, 370-372 (2005).
- Cohen, A. E., Moerner, W. E. Method for trapping and manipulating nanoscale objects in solution. Applied Physics Letters. 86, 093109-09 (2005).
- Evander, M. Noninvasive acoustic cell trapping in a microfluidic perfusion system for online bioassays", Analytical Chemistry 79. , 2984-2991 (2007).
- Unger, M. A., Chou, H. P., Thorsen, T., Scherer, A., Quake, S. R. Monolithic microfabricated valves and pumps by multilayer soft lithography. Science. 288, 113-116 (2000).
- Kim, M. C., Wang, Z. H., Lam, R. H. W., Thorsen, T. Building a better cell trap: Applying Lagrangian modeling to the design of microfluidic devices for cell biology. Journal of Applied Physics. 103, (2008).
- Lutz, B. R., Chen, J., Schwartz, D. T. Hydrodynamic tweezers: 1. Noncontact trapping of single cells using steady streaming microeddies. Analytical Chemistry. 78, 5429-5435 (2006).
