Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

A فخ هيدرودينامي ميكروفلويديك المستندة للجسيمات واحدة

doi: 10.3791/2517 Published: January 21, 2011

Summary

في هذه المقالة ، نقدم طريقة ميكروفلويديك قائم على الحبس الجسيمات على أساس تدفق الهيدروديناميكية. علينا أن نظهر استقرارا محاصرة الجسيمات في السائل نقطة الركود باستخدام آلية مراقبة ردود الفعل ، وبالتالي تمكين والحبس التعسفي من الجزيئات المجهرية في microdevice متكاملة.

Abstract

القدرة على حصر والتلاعب الجزيئات في حل واحد هو حر التكنولوجيا الرئيسية مواتية للعلوم الأساسية والتطبيقية. وقد أدت الطرق لمحاصرة الجسيمات على أساس التقنيات البصرية ، والمغناطيسية ، وحركي كهربي ، والصوتية إلى التطورات الرئيسية في الفيزياء والبيولوجيا الجزيئية بدءا من مستوى لالخلوية. في هذه المقالة ، ونحن نقدم الجديد القائم على تقنية ميكروفلويديك لمحاصرة الجسيمات والتلاعب تستند فقط على تدفق السوائل الهيدروديناميكية. باستخدام هذه الطريقة ، علينا أن نظهر محاصرة من الجزيئات المتناهية الصغر والنانوية الحجم في المحاليل المائية لفترات زمنية طويلة. فخ الهيدروديناميكية تتكون من عبوة ميكروفلويديك متكاملة مع هندسة قناة عبر فتحة حيث تيارين الصفحي معارضة تتقارب ، وبالتالي توليد تدفق الممتدة المستوية مع نقطة الركود السائل (صفر السرعة نقطة). في هذا الجهاز ، وتنحصر الجزيئات في مركز الفخ عن طريق التحكم النشط في مجال الحفاظ على موقف تدفق الجسيمات في السائل نقطة الركود. بهذه الطريقة ، محاصرون في حل فعال جزيئات حرة باستخدام خوارزمية تحكم ردود فعل تنفيذها مع رمز ابفيو (LabVIEW) مبنية خصيصا. الخوارزمية مراقبة تتكون من التقاط صور لجسيم في الجهاز ميكروفلويديك ، تليها تتبع الجسيمات ، وتحديد موقف الجسيمات النقطه الوسطى ، والتصحيح النشط للتدفق السائل من خلال تنظيم الضغوط التي مورست على صمام هوائي على الرقاقة باستخدام منظم الضغط. في هذه الطريقة ، على رقاقة صمام قياس الوظائف الحيوية لتنظيم معدلات التدفق النسبي في قنوات مخرج ، وبالتالي تمكين غرامة على نطاق السيطرة على الموقف نقطة الركود ومحاصرة الجسيمات. المعروضات في فخ الهيدروديناميكية ميكروفلويديك المستندة مزايا عديدة كوسيلة لمحاصرة الجسيمات. الهيدروديناميكية محاصرة من الممكن لأي الجسيمات التعسفي دون شروط محددة عن الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكائن المحاصرين. بالإضافة إلى ذلك ، محاصرة الهيدروديناميكية تمكن من الحبس "واحد" الكائن الهدف في تعليق الجسيمات المركزة أو المزدحمة ، والتي من الصعب استخدام القوة الطرق البديلة لمحاصرة الميدانية. الهيدروديناميكية في فخ سهل الاستخدام ، واضحة لتنفيذ ويمكن إضافة إلى الأجهزة ميكروفلويديك القائمة لتيسير تحليل ومحاصرة لمدة طويلة ، الجسيمات. عموما ، في فخ الهيدروديناميكية هي منصة جديدة للحبس ، المجهرية ، ورصد الجسيمات دون استيقاف السطحية ويلغي الحاجة لperturbative يحتمل حقول البصرية ، والمغناطيسية ، والكهربائية في محاصرة الحرة حل جسيمات صغيرة.

Protocol

فخ الهيدروديناميكية يتكون من جهاز طبقتين (polydimethylsiloxane (PDMS) / الزجاج) الهجين ميكروفلويديك لالحبس الجسيمات. تصف الخطوات 1-2 تصنيع أجهزة ميكروفلويديك ، والخطوات 3-4 تصميم الجهاز مناقشة والعملية.

1. SU - 8 تصنيع القالب (لا يظهر في شريط الفيديو)

  1. تنظيف رقائق السليكون اثنين (3 "القطر) مع الأسيتون والكحول الآيزوبروبيل (IPA).
  2. رقائق الجافة مع N (2) ووضعها على موقد عند 65 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة لإزالة الرطوبة المتبقية.
  3. تدور رقاقة معطف # 1 مع SU - 8 مقاوم الضوء 2050 (PR) لمدة 30 ثانية عند 4000 دورة في الدقيقة لإنشاء قالب ~ 40 ميكرون للطبقة سميكة fluidic. تدور رقاقة معطف # 2 مع العلاقات العامة لمدة 30 ثانية عند 1500 دورة في الدقيقة لإنشاء قالب ~ 150 ميكرون سميكة لطبقة التحكم.
  4. رقاقة لينة خبز # 1 في 65 درجة مئوية لمدة 3 دقائق ، ثم في 95 درجة مئوية لمدة 6 دقائق. رقاقة لينة خبز # 2 في 65 درجة مئوية لمدة 5 دقائق ، ثم في 95 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة.
  5. تعرض للأشعة فوق البنفسجية مع رقائق أقنعة كل منهما (رقاقة # 1 : منافذ وقنوات fluidic ، ويفر # 2 : طبقة الميناء والسيطرة) وشدة التعرض المناسب (~ 150 ميغا جول / سم 2 ، 260 ميغا جول ~ / سم 2 على التوالي).
  6. آخر رقاقة الخبز # 1 في 65 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة ، ثم في 95 درجة مئوية لمدة 6 دقائق. آخر رقاقة خبز # 2 في 65 درجة مئوية لمدة 5 دقائق ، ثم في 95 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.
  7. تطوير رقائق مع بروبيلين غليكول ميثيل خلات الفينيل (PGMEA) حتى تتم إزالة غير مخمر العلاقات العامة. شطف مع رقائق IPA والجافة مع N 2.

2. تصنيع الأجهزة ميكروفلويديك

  1. Silanize سطح قوالب SU - 8 عن طريق وضع رقائق في ظل فراغ مجفف للدقيقة 10 ~ مع صحن من الزجاج يحتوي على بضع قطرات من trichlorosilane. silanization تساعد في تقشير سطح النسخ المتماثلة (PDMS) قبالة قوالب SU - 8.
  2. خلط وديغا PDMS في القاعدة : من نسب crosslinker و15:01 05:01 fluidic للطبقات والسيطرة على التوالي.
  3. تدور معطف الخليط PDMS 15:01 داخل القالب طبقة fluidic (رقاقة # 1) لمدة 30 ثانية عند 750 دورة في الدقيقة والمكان ثم رقاقة في طبق بتري. مكان القالب طبقة التحكم في طبق بتري ويسكب الخليط على PDMS 05:01 القالب إلى سماكة 4 ملم ~.
  4. رقائق خبز / PDMS لمدة 30 دقيقة عند 70 درجة مئوية لعلاج جزئيا طبقات PDMS.
  5. بعد تهدئة رقائق / PDMS إلى درجة حرارة الغرفة ، وقطع متماثلة PDMS ، والتي سوف تشكل طبقة التحكم (رقاقة # 2) ، من طبق بيتري مع مشرط وقشر تشغيله القالب SU - 8. ثقب كمة منفذ الوصول إلى متناهية من شأنها أن تكون بمثابة صمام غشاء على الرقاقة مع إبرة قياس 21.
  6. ضع PDMS متماثلة مع طبقة السيطرة على الرقاقة # 1 (الذي تدور المغلفة طبقة fluidic PDMS). محاذاة بدقة وإحكام السيطرة على طبقة طبقة fluidic باستخدام مجهر ستيريو. تأكد من إزالة كافة جيوب بين طبقات الهواء والخبز بنسبة 70 درجة مئوية خلال الليل تماما لعلاج كل من طبقات. هذه الخطوة سوف تؤدي إلى الخبز بلاطة PDMS متآلف مع اثنين من طبقات.
  7. بعد تبريده إلى درجة حرارة الغرفة ، وقطع وقشر PDMS متماثلة تحتوي على كل من الرقابة وطبقات fluidic قبالة العفن SU - 8 باستخدام مشرط. PDMS إزالة الزائدة ومنفصلة لكل وحدة الجهاز بشفرة حلاقة. منافذ الوصول لكمة ثقب في طبقة microchannels في fluidic مع إبرة قياس 21.
  8. السندات بلاطة PDMS إلى ساترة للحصول على جهاز كامل. أولا ، تنظيف ساترة (رقم : 1.5 ، 24 × 45 ملم) مع الأسيتون وIPA. المقبل ، وعلاج كل من ساترة ومتماثلة مع السطوح PDMS البلازما الأوكسجين أقل من 500 لمدة 30 ثانية mTorr ، وتقديمهم فورا سطحين في اتصال لتشكيل الختم لا رجعة فيه.
  9. خبز الأجهزة بين عشية وضحاها لزيادة الترابط بين طبقات PDMS وساترة ل.

تصف الخطوات 3-4 تنفيذ مصيدة الهيدروديناميكية باستخدام جهاز ميكروفلويديك المذكورة أعلاه.

3. الهيدروديناميكية إعداد فخ التجريبي

  1. وضع الجهاز ميكروفلويديك على خشبة المسرح من مجهر مقلوب وآمنة مع لقطات المرحلة.
  2. تعبئة الغاز two محكم الحقن بشكل منفصل مع حلول العازلة والعينة ووضعها على جهاز مضخة الحقنة هارفارد (PHD 2000 برمجة). يتم تسليم العازلة والحلول العينة إلى الجهاز عن طريق ميكروفلويديك مل 1 و 250 حقنة ميكرولتر ، على التوالي. عادة ، 50 ملي العازلة حمض الهيدروكلوريك تريس / تريس الحل (درجة الحموضة 8.0) يحتوي على 0.02 ٪ V / V تريتون يستخدم X - 100 كحل العازلة. الحل عينة تتكون من جسيمات تعليق (مثل الخرز البوليسترين الفلورسنت) في حل العازلة.
  3. إقامة اتصالات بين fluidic المحاقن (تسليم العينة ومنظم) والجهاز ميكروفلويديك. توصيل الحقن إلى 1 / 16 "القطر الخارجي (OD) × 0.020" قطرها الداخلي (ID) perfluoroalkoxy (PFA) باستخدام أنابيب luer قفل المحولات. توصيل الطرف الآخر من الأنبوب PFA إلى الموانئ مدخل الجهاز ميكروفلويديك مع التعريف قياس 24ل الأنبوب. ويمكن أن يوضع تي صمام بين حقنة وميناء عينة عينة على الجهاز ميكروفلويديك للسيطرة على تسليم العينة.
  4. إقامة اتصالات fluidic لقنوات منفذ في الجهاز ميكروفلويديك. ربط قنوات اثنين إلى منفذ أنابيب PFA (1 / 16 "OD X 0.020" معرف) باستخدام أنابيب معدنية قياس 24. ينبغي للأنابيب PFA لتكون منافذ متساويين في الطول. أنابيب يغرق كل من المخرج في أنبوب الطرد المركزي 1.5 مل مليئة حل العازلة ، والذي يعمل على الحفاظ على انخفاض الضغط المستمر بين الحقن والقنوات منفذا.
  5. ملء صمام على الرقاقة مع الناقل للنفط المفلورة باستخدام المحاقن البلاستيكية 3 مل luer القفل لمنع تسرب الهواء من داخل طبقة fluidic خلال العملية. ويدفع الهواء في غرفة صمام من خلال الغشاء PDMS في متناهية في طبقة fluidic وإزالتها في وقت لاحق من الجهاز مع تدفق السوائل من خلال المنافذ منفذ.
  6. توصيل الغاز المضغوط الخاملة (النيتروجين) تزويد الميناء في طبقة لمراقبة عملية صمام على الرقاقة. لهذا الغرض ، ونحن نستخدم خزان النتروجين (2200 رطل) ، ومنظم ضغط الإلكترونية لتزويد 00-30 رطل في صمام على الشريحة في الجهاز ميكروفلويديك. توصيل خزان النتروجين إلى منظم الضغط باستخدام ¼ "OD X 0.170" أنابيب الهوية. توصيل منظم ضغط على الجهاز ميكروفلويديك من خلال 1 / 16 "OD X 0.020" أنابيب PFA رقم 24 مع قياس أنابيب معدنية في نهاية أعماله.
  7. شطف fluidic الاتصالات والجهاز ميكروفلويديك مع 0.5 مل من محلول منظم لضمان أن تتم إزالة جميع فقاعات الهواء من نظام القنوات بما في ذلك منفذا. معدلات تدفق نموذجي يستخدم لإزالة فقاعات تتراوح ما بين 2000-5000 ميكرولتر / ساعة. بعد شطف فقاعات الهواء من قنوات ميكروفلويديك ، وخفض معدل تدفق 5-10 ميكروليتر / ساعة ، وهو معدل التدفق الحجمي نموذجي لمحاصرة الجسيمات.
  8. عند هذه النقطة ، يتم تأسيس اتصالات fluidic ، العينة ويتم تسليم الحلول العازلة للجهاز ميكروفلويديك في معدل تدفق ثابت (50-100 ميكرولتر / ساعة) ، والجهاز مستعد لمحاصرة الهيدروديناميكية.

4. الهيدروديناميكية ملائمة الداخلي

  1. تشغيل التعليمات البرمجية ابفيو (LabVIEW) مبنية خصيصا ، والتي بأتمتة محاصرة الجسيمات (انظر ملاحظة استخدام رمز لابفيو (LabVIEW) أدناه).
  2. الترجمة باستخدام المجهر XY المرحلة ، والموقف في المنطقة محاصرة (عبر فتحة) في مركز العرض الكاميرا. جعل المنطقة محاصرة في بؤرة العدسة الهدف وضبط إعدادات الكاميرا لتحسين ظروف التصوير.
  3. اختيار منطقة مستطيلة ذات الاهتمام (ROI) في مجال الكاميرا لعرض مثل هذا المركز من العائد على الاستثمار سيكون موقف مركز الفخ.
  4. تهيئة موازنة الضغوط المطبقة على صمام على الرقاقة. في واحدة من قنوات منفذ ، يتم إدخال انقباض 100-200 ميكرون واسعة لتقديم تعويض للضغط صمام على الرقاقة. ثابت المقاصة الضغط تمكن صمام على الرقاقة لضبط الموقف نقطة الركود في محيط مركز للقناة عبر الفتحة. بالنسبة لمعظم التجارب ، تم تعيين ضغط الإزاحة بين 0-12 رطل تبعا لأبعاد قناة (الطول والعرض) ، وعرض انقباض ، والمواصفات للصمام على رقاقة (حجم صمام ، سماكة الغشاء ، الخ).
  5. بدء وحدة تحكم وضبط ردود الفعل على اكتساب النسبي لتحسين الاستجابة الفخ. سوف تحكم ضبط ردود الفعل والضغوط التي مورست على صمام على رقاقة من أجل تحريك الموقف نقطة الركود ، مما يقلل من خطأ أو المسافة بين موضع الجسيم وتعيين نقطة (وسط اعتراض). اعتمادا على معدل التدفق وصمام الموقف على الرقاقة ، هناك قيمة مثلى كسب النسبي ، مما يزيد من الاستقرار ويزيل فخ التذبذبات الجسيمات غير المرغوب فيها.
  6. فخ جسيم. سوف رمز ابفيو (LabVIEW) فخ تلقائيا واحدة من الجزيئات التي تدخل المنطقة محاصرة. بمجرد محاصرة الجسيمات المطلوب ، فمن الممكن اغلاق تدفق العينة وعزل الجسيمات المحاصرين في حل العازلة ، إذا رغبت في ذلك.
  7. رصد الجسيمات المحاصرين والحفاظ على تركيز الجسيمات داخل الطائرة صورة باستخدام التركيز اليدوي أو الإعداد المجهر التركيز الآلي. قد يكون من الضروري تعديل طفيف على اكتساب النسبي للتحكم التغذية المرتدة من أجل ضمان الاستقرار فخ أثناء محاصرة حدثا طويل المدى الزمني (دقائق إلى ساعة).

قانون ابفيو (LabVIEW) : لاحظ استخدام للتحكم تعليقات

ويتحقق الآلي محاصرة الجسيمات باستخدام عنصر تحكم ملاحظات خطية الخوارزمية تنفذ باستخدام رمز ابفيو (LabVIEW) المخصصة. رمز ابفيو (LabVIEW) يلتقط الصور من كاميرا CCD وينقل إمكانات الكهربائية (الجهد) إلى الضغط المنظم ، والذي ينظم بنشاط موقف (ولاية مفتوحة جزئيا / المغلقة) لصمام على الرقاقة الهوائية الديناميكية. كما تغير موقف صمام ، ومعدل تدفق الهيدروديناميكية في خط منفذ واحد أناق تعديلها ، ومن ثم إعادة وضع نقطة الركود وتمكن محاصرة الهيدروديناميكية. الخطوات في حلقة مفرغة هي بالتسلسل وأعدم تكرارا بمعدل التقاط صورة (10-60 هرتز). رمز ابفيو (LabVIEW) تنفيذ الخطوات التالية أثناء كل دورة حلقة التغذية المرتدة :

  • . التقاط الصور ويكتسب صورة عن الجسيمات "هدفا" في المنطقة محاصرة من الجهاز ميكروفلويديك باستخدام المجهر مضان مع عدسة الهدف 10X (NA : 0.4) وكاميرا CCD.
  • ويتحدد موقف تتبع الجسيمات النقطه الوسطى. الجسيمات ، وشرعت في تتبع خوارزمية الجسيمات. والجزيئات التي كتبها المترجمة تركيب ملف كثافة الانبعاثات من الجسيمات إلى نقطة مهمة انتشار (PSF) ، والتي يتم تحديدها من موقف النقطه الوسطى.
  • التحكم في التدفق الميدان. يحسب الضغط المحدثة مخصصة للصمام على الرقاقة الحيوية باستخدام خوارزمية تحكم ردود الفعل متناسبا مع وحدة تحكم. في هذه الطريقة ، وعمل صمام هو إعادة وضع نقطة الركود ، التي تمارس قوة الهيدروديناميكية على الجسيم من أجل توجيه الجسيمات في اتجاه مركز الفخ.

رمز ابفيو (LabVIEW) السجلات البيانات التالية عن كل الصور الملتقطة خلال محاصرة الجسيمات : 1) الوقت المنقضي ، 2) النقطه الوسطى (س ، ص) الموقف من الجسيمات المحاصرين ، 3) موقف وسط اعتراض ، 4) المسافة من الجسيمات من تطبيق مصيدة مركز ، 5) الضغط على صمام على الرقاقة. بالإضافة إلى ذلك ، رمز السجلات أيضا فيلم للجسيمات المحاصرين في تنسيق ملف AVI.

5. ممثل النتائج

نحن محاصرون الخرز البوليسترين الفلورسنت ذات حجم مختلف (100 ، 540 ، 830 نانومتر ، و 2.2 ميكرومتر قطر) باستخدام فخ الهيدروديناميكية. الشكل 1 (أ) يوضح صورة من الجسيمات المحاصرين في مفترق عبر فتحة في جهاز ميكروفلويديك. ويمكن تحديد مسار جسيم المحاصرين مباشرة من البيانات التي سجلتها موقف النقطه الوسطى رمز ابفيو (LabVIEW) خلال الحدث محاصرة أو من خلال تتبع وإضفاء الطابع المحلي على الجسيمات المحاصرين من ملف الفيلم المسجل. الشكل 1 (ب) يظهر مسار جسيم المحاصرين (2.2 ميكرومتر الفلورسنت حبة البوليسترين) على مأخذ قناة الاتجاه. محصور في البداية حبة (المربعات) لمدة 3 دقائق ويتم تحريرها من فخ ثم يهرب وعلى طول واحدة من القنوات منفذ (الدوائر). مسارات الجسيمات على طول محور تدفق compressional (مدخل قناة الاتجاه ؛ لا تظهر البيانات) مماثلة لمسارات الجسيمات على طول محور تدفق الممتدة (اتجاه تدفقات للخارج) كما هو مبين في الشكل 1 (ب). ويبين الرسم البياني للتشرد الجسيمات من وسط اعتراض لحبة المحاصرين (2.2 ميكرون قطر) على طول القناة منفذا الاتجاهات في الشكل 1 (ج). باستخدام خوارزمية تحكم ردود الفعل المذكورة في هذا العمل ، وتنحصر جزيئات المحاصرين داخل ميكرومتر 1 ± مركز الفخ على طول مدخل قناة منفذ والاتجاهات.

ويرد التخطيطي للجهاز ميكروفلويديك تستخدم لمحاصرة الهيدروديناميكية في الشكل 2. الجهاز ميكروفلويديك متكاملة تتكون من طبقة وطبقة fluidic السيطرة وملفقة باستخدام معيار الطباعة الحجرية الناعمة متعدد الطبقات كما هو موضح في هذه المقالة. طبقة fluidic يحتوي على قنوات العازلة والعينة ، وكذلك عبر قناة هندسة فتحة لتسهيل محاصرة الهيدروديناميكية. طبقة التحكم يتكون من صمام هوائي وضعه فوق احدى القنوات منفذا في طبقة fluidic ، ويتم فصل المراقبة وطبقات fluidic بواسطة غشاء رقيق من اللدائن المرنة. أثناء تشغيل الجهاز ، وصمام التحكم في طبقة غير مضغوطة مع غاز النيتروجين ، الأمر الذي يفرض على غشاء رقيق في طبقة fluidic ، الأمر الذي أدى بالتالي انقباض في قناة مأخذ. صمام الهوائية الديناميكية يضيق القناة منفذا بكميات متغيرة عن طريق تغيير الضغوط التي مورست على طبقة تحكم ، والذي يضبط معدلات التدفق النسبي في قنوات مخرج جيد وتمكن من السيطرة على نطاق نقطة الركود.

الشكل 1
الشكل 1 : اصطياد الجسيمات. (أ) صورة من حبة واحدة تنحصر في فخ الهيدروديناميكية. بالإضافة إلى حبة في مركز الفخ ، وتظهر حبات untrapped عدة في منطقة محاصرة. (ب) مسار جسيم المحاصرين على طول قنوات مخرج (المربعات). عندما يتم الافراج عن الجسيمات من فخ (السهم) ، فإنه يهرب إلى جانب واحدة من قنوات مخرج (الدوائر) ، (ج) من الرسم البياني تشريد حبة المحاصرين (2.2 ميكرون قطر) من وسط اعتراض على طول قنوات منفذا.

الشكل 2
الشكل 2 : رسم تخطيطي للجهاز ميكروفلويديك لمحاصرة الهيدروديناميكية هي التي شيدت في فخ الهيدروديناميكية باستخدام جهاز طبقتين ميكروفلويديك. طبقة fluidic يتكون من مدخل العينة ، ومداخل العازلة لدينا ، ومنافذ النفايات اثنين. طبقة التحكم يتكون من هوائي صمام غشاء تقع على رأس واحدة من القنوات في طبقة مأخذ fluidic. وانقباض في قناة مأخذ معارضة يوفر للموازنة ضغط صمام بالهواء المضغوط. أبعاد قناة نموذجية تتراوح ما بين 100-500 ميكرون. في المنطقة (ألف) ، مدخل العينة التي تركز تدفق العازلة مداخل اثنين. في المنطقة (B) ، وتيارات معارضة مدخل تلتقي عند مفترق عبر فتحة محاصرة حيث يحدث. يتم وضع صمام بالهواء المضغوط (C) على رأس واحدة من القنوات منفذا. موقف نقطة الركود هو منظم من قبل تنظيم ضغط على هذا الصمام.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ويمكن وصف أساليب ميكروفلويديك الحالية للتلاعب الجسيمات على أساس تدفق الهيدروديناميكية وطرق الاتصال أو المستندة إلى عدم الاتصال. الاتصال القائم على استخدام أساليب تدفق السوائل لحصر جسديا ويشل جزيئات الجدران ضد قناة microfabricated 9 ، في حين أن وسائل الاتصال غير الاعتماد على تعميم التدفق أو microeddies 10. في هذا العمل ، فإننا نقدم وسيلة لمحاصرة الجسيمات الحرة حل باستخدام الإجراء الوحيد لتدفق السوائل. فخ الهيدروديناميكية تمكن الحبس والتلاعب من الجزيئات الصغيرة على السائل نقطة الركود في جهاز عبر فتحة ميكروفلويديك. في هذا الجهاز ، ويستخدم لمراقبة ردود الفعل التلقائية آلية لحصر الجسيمات الدقيقة التي التكيف على نطاق ونشطة من الركود موقف نقطة في السوائل المتدفقة.

ما هو ضيق الحبس للجسيمات في فخ الهيدروديناميكية وكيف يمكن لهذا أن يكون الأمثل؟ دقة حصر جسيم إلى مركز الفخ يعتمد على الدقة في تحديد النقطه الوسطى عندما توطين موقف الجسيمات. لتحقيق قوة محاصرة الجسيمات ، يجب على المستخدم ضمان أقصى قدر من التباين بين الصورة والخلفية الجسيمات لتتبع الأمثل والأقلمة. بالإضافة ، ينبغي إيلاء عناية خاصة لتجنب الفقاعات أو الحطام في microchannels ، والتي قد تؤثر على تتبع الجسيمات. وينبغي أن تستخدم مصدر تدفق مستقر للتقليل من حدوث اضطرابات في تدفق السوائل ، وعلى استقرار الموقف الركود نقطة حساسة لتقلبات التدفق. باستخدام هذا النهج ، وقد تم قياس صلابة الهيدروديناميكية فخ لتكون ~ 1E PN - 4 / نانومتر للجسيمات ~ 2 1 ميكرون ، وهو مشابه لطرق بديلة بما في ذلك الشراك حركي كهربي أو ملاقط بصرية. وتنحصر ميكرون الحجم الجسيمات إلى حدود 1 ميكرون مركز فخ لفترات طويلة من الزمن ، والذي يسمح لتحديد الموقع الدقيق والتلاعب من الجزيئات في محلول خال. مع مزيد من التطور التكنولوجي ، قد تكون جزيئات المحاصرين عابر تتعرض لmicroenvironments متغير عند اقتران في فخ الهيدروديناميكية مع التدرجات الكيميائية تم إنشاؤها باستخدام التدفق الصفحي في microchannels. أخيرا ، محاصرة الهيدروديناميكية يحدث عند نقطة الركود ، حيث يميل السائل الحراري إلى الصفر. في فخ المثالية ، وتنحصر في مكان جزيئات من سرعة الصفر السائل إلى حد كبير حيث تسيطر حركة الجسيمات من قبل الحركة البراونية. من هذا المنظور ، في فخ الهيدروديناميكية هي طريقة غير pertubative من محاصرة تدفق السوائل على أساس مستمر.

ويتحقق بسهولة محاصرة الهيدروديناميكية والتلاعب التعسفي لأي جسيم "الهدف" ، نظرا لأنه يمكن تصويرها على الجسيمات ، ومجنزرة ، والمترجمة باستخدام المجهر الضوئي. لذا ، يمكن المحاصرين الجسيمات الفلورية وغير الفلورسنت والكائنات غير الخواص دون اعتبار لطبيعة المواد الكيميائية / الفيزيائية / البصرية للجسيمات المحاصرين. بالإضافة ، يمكن في فخ الهيدروديناميكية دمجها بسهولة في النظم الحالية القائمة على الطباعة الحجرية الناعمة ميكروفلويديك دون الحاجة لتصنيع معقدة ، والزخرفة من الأقطاب الكهربائية أو الضوئية الاجهزة واسعة النطاق. فخ الهيدروديناميكية هي أداة منخفضة التكلفة وسهلة الاستخدام لمحاصرة الجسيمات مع الحد الأدنى من الاحتياجات من المعدات المختبرية ، بما في ذلك جهاز ميكروفلويديك ، منظم الضغط وحدة تحكم ردود فعل على الحاسب الآلي. عموما ، في فخ الهيدروديناميكية لديه القدرة على تحويل دراسات العلوم الأساسية والتطبيقية من الجزيئات المتناهية الصغر والنانوية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgments

نشكر مجموعة Kenis في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين لإجراء مناقشات مفيدة وتوفير بسخاء استخدام مرافق غرف الأبحاث.

وقد تم تمويل هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة المسار لجائزة PI الاستقلال ، تحت رقم المنحة 4R00HG004183 - 03 (M. تشارلز شرودر وTanyeri Melikhan).

وأيد هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الوطنية من خلال زمالة بحوث الدراسات العليا لM. اريك جونسون شافاريا.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
21 gauge blunt needle Zephyrtronics ZT-5-021-1-L For punching port holes in PDMS
3 ml plastic syringe BD Biosciences 309585 For filling valve with oil
Si wafers University Wafer 3” P(100) single side polished 380 μm test grade
Cover glass VWR international 48404-428 24 x 40 mm #1.5
DAQ card National Instruments PCI 6229
Fluorescent beads Spherotech, Inc. FP-2056-2 2.2 μm Nile red
Fluorinert 3M FC 40 Fluorinated carrier oil
Inverted Microscope Olympus Corporation IX-71
LabVIEW National Instruments Version 9.0f3 (32bit)
Stereo Microscope Leica Microsystems MZ6 For aligning PDMS control layer to fluidic layer.
Mechanical Convection Oven VWR international 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 Healthcare RTV 615 A&B
Plasma Chamber Harrick Scientific Products, Inc. PDC-001
Pressure Transducer Proportion Air DQPV1
Spin Coater Specialty Coating Systems G3P-8 Spin Coat
Photoresist MicroChem Corp. 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Tanyeri, M., Johnson-Chavarria, E. M., Schroeder, C. M. Hydrodynamic Trap for Single Particles and Cells. Applied Physics Letters. 96, 224101-224101 (2010).
  2. 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).
  3. Neuman, K. C., Block, S. M. Optical trapping. Review of Scientific Instruments. 75, 2787-2809 (2004).
  4. Gosse, C., Croquette, V. Magnetic tweezers: Micromanipulation and force measurement at the molecular level. Biophysical Journal. 82, 3314-3329 (2002).
  5. 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).
  6. Cohen, A. E., Moerner, W. E. Method for trapping and manipulating nanoscale objects in solution. Applied Physics Letters. 86, 093109-09 (2005).
  7. Evander, M. Noninvasive acoustic cell trapping in a microfluidic perfusion system for online bioassays", Analytical Chemistry 79. 2984-2991 (2007).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
A فخ هيدرودينامي ميكروفلويديك المستندة للجسيمات واحدة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Johnson-Chavarria, E. M., Tanyeri, M., Schroeder, C. M. A Microfluidic-based Hydrodynamic Trap for Single Particles. J. Vis. Exp. (47), e2517, doi:10.3791/2517 (2011).More

Johnson-Chavarria, E. M., Tanyeri, M., Schroeder, C. M. A Microfluidic-based Hydrodynamic Trap for Single Particles. J. Vis. Exp. (47), e2517, doi:10.3791/2517 (2011).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter