Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Microfluidic מבוססי הידרודינמית מלכודת חלקיקים יחיד

doi: 10.3791/2517 Published: January 21, 2011

Summary

במאמר זה, אנו מציגים שיטה microfluidic מבוסס על הכליאה החלקיקים מבוסס על זרימה הידרודינמית. אנו מדגימים לכידה חלקיק יציב בנקודה נוזל הקיפאון באמצעות מנגנון בקרה ומשוב, ובכך מאפשרים כליאה ו המיקרומניפולציה של חלקיקים שרירותי microdevice משולבת.

Abstract

היכולת להגביל ולטפל חלקיקים יחיד פתרון חופשית היא טכנולוגיה המאפשרת מפתח עבור המדע הבסיסי והיישומי. שיטות לכידה של חלקיקים המבוססת על טכניקות אופטי, מגנטי, electrokinetic, ואקוסטי הובילו התקדמות מרכזי פיזיקה וביולוגיה מולקולרית החל ברמה התאית. במאמר זה, אנו מציגים שיטה חדשה microfluidic מבוסס על השמנה החלקיקים מניפולציה מבוססת אך ורק על זרימת הנוזל הידרודינמית. באמצעות שיטה זו, אנו מדגימים לכידה של חלקיקים מיקרו בקנה מידה ננו תמיסות מימיות של קשקשים זמן רב. מלכודת הידרודינמית מורכב מכשיר microfluidic משולב עם גאומטריה צולבות חריץ ערוץ שבו שני זרמים מנוגדים להתכנס למינרית, ובכך לייצר זרימת extensional מישוריים עם נקודת קיפאון נוזל (מהירות אפס נקודה). במכשיר זה, חלקיקים כלואים במרכז מלכודת בשלט פעיל של שדה הזרימה לשמור על המיקום החלקיק בנקודת קיפאון הנוזל. באופן זה, חלקיקים לכודים ביעילות פתרון חינם באמצעות בקרת משוב האלגוריתם מיושם עם קוד LabVIEW שהותקן. אלגוריתם הבקרה כוללת רכישת התמונה חלקיק במכשיר microfluidic, ואחריו מעקב החלקיקים, קביעת מיקום החלקיקים centroid, והתאמת הפעילות של זרימת הנוזל על ידי ויסות הלחץ המופעל על שבב שסתום פנאומטי באמצעות ווסת לחץ. בדרך זו, על שבב דינמי שסתום פונקציות מדידה להסדיר את ספיקות יחסית ערוצי לשקע, ובכך לאפשר קנס בהיקף של משרה מלאה קיפאון נקודת לכידה החלקיקים. מלכודת microfluidic מבוססי הידרודינמית מוצגים מספר יתרונות כשיטה השמנה החלקיקים. השמנה הידרודינמית אפשרי עבור כל חלקיק שרירותי ללא דרישות ספציפיות על המאפיינים פיזי או כימי של האובייקט לכודים. בנוסף, השמנה הידרודינמית מאפשרת הכליאה של אובייקט "יחיד" היעד השעיות חלקיק מרוכז או צפוף, וזה קשה באמצעות כוח חלופי בתחום מבוססי שיטות לכידה. מלכודת הידרודינמית הוא ידידותי למשתמש, פשוט ליישם ניתן להוסיף מכשירים microfluidic הקיימים כדי להקל על ניתוח השמנה זמן רב של חלקיקים. בסך הכל, מלכודת הידרודינמית היא פלטפורמה חדשה הכליאה, המיקרומניפולציה, ותצפית של חלקיקי ללא immobilization השטח מבטלת את הצורך שדות אופטיים, מגנטיים, חשמליים perturbative פוטנציאל השמנה פתרון חופשי של חלקיקים קטנים.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

מלכודת הידרודינמית מורכב מכשיר דו שכבתי (polydimethylsiloxane (PDMS) / זכוכית) היברידית microfluidic עבור הכליאה החלקיקים. שלבים 1-2 מתארים ייצור של מכשירים microfluidic, ואת הצעדים 3-4 עיצוב לדון המכשיר המבצע.

1. SU-8 ייצור עובש (לא מוצג וידאו)

  1. נקה two פרוסות סיליקון (3 "קוטר) עם אצטון איזופרופיל אלכוהול (IPA).
  2. ופלים יבש עם N 2 ולמקם אותם על פלטה חמה על 65 מעלות צלזיוס למשך דקה 1 להסיר לחות שיורית.
  3. ספין רקיק מעיל # 1 עם photoresist SU 8-2050 (PR) במשך 30 שניות בסל"ד 4000 כדי ליצור עובש ~ 40 מיקרומטר עבה של שכבת fluidic. ספין רקיק מעיל # 2 עם יחסי ציבור במשך 30 שניות בסל"ד 1500 כדי ליצור עובש עבה ~ 150 מיקרומטר עבור שכבת שליטה.
  4. Soft רקיק לאפות מס '1 של 65 מעלות צלזיוס במשך 3 דקות ולאחר מכן ב 95 מעלות צלזיוס במשך 6 דקות. Soft רקיק לאפות # 2 ב 65 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות ולאחר מכן ב 95 מעלות צלזיוס למשך 20 דקות.
  5. כדי לחשוף ופלים UV עם מסכות שלהם (רקיק # 1: יציאות וערוצי fluidic, רקיק # 2: יציאת שכבת שליטה) ואת עוצמת החשיפה המתאימה (~ 150 mJ / 2 ס"מ, ~ 260 mJ / 2 ס"מ בהתאמה).
  6. הודעה רקיק לאפות מס '1 של 65 מעלות צלזיוס במשך 1 דקות ולאחר מכן ב 95 מעלות צלזיוס במשך 6 דקות. הודעה # 2 פרוסות לאפות ב 65 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות ולאחר מכן ב 95 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות.
  7. פיתוח ופלים עם פרופילן גליקול אצטט אתר מתיל (PGMEA) עד דפוקה יחסי ציבור מוסר. לשטוף ופלים עם IPA ויבש עם N 2.

2. המכשיר microfluidic ייצור

  1. Silanize את פני השטח של SU-8 תבניות ידי הנחת פרוסות על ייבוש תחת ואקום עבור 10 דקות ~ עם צלחת זכוכית ובה כמה טיפות של trichlorosilane. Silanization משטח מסייע קילוף (PDMS) העתקים מן SU-8 תבניות.
  2. מערבבים דגה PDMS בבסיס: crosslinker יחס של 15:01 ו - 05:01 עבור fluidic שכבות לשלוט בהתאמה.
  3. ספין מעיל את התערובת 15:01 PDMS על התבנית שכבה fluidic (רקיק # 1) למשך 30 שניות בסל"ד 750 ולאחר מכן למקם את פרוסות לתוך צלחת פטרי. מניחים את התבנית בשכבה מלאה לתוך צלחת פטרי ויוצקים 05:01 PDMS התערובת על התבנית בעובי של 4 מ"מ ~.
  4. ופלים אופים / PDMS למשך 30 דקות ב 70 מעלות צלזיוס באופן חלקי לרפא את שכבות PDMS.
  5. לאחר הרגעות ופלים / PDMS לטמפרטורת החדר, לחתוך את העתק PDMS, אשר יהוו את השכבה מלאה (רקיק # 2), מתוך צלחת פטרי עם אזמל לקלף אותו עובש SU-8. ניקוב חורים יציאת גישה microchannel כי תפעל כשסתום על שבב הממברנה עם מחט מד 21.
  6. מניחים את העתק PDMS עם שכבת שליטה על גבי פרוסות סיליקון # 1 (שבו יש את הספין מצופה שכבת PDMS fluidic). בזהירות ליישר לאטום את שכבת שליטה שכבת fluidic באמצעות מיקרוסקופ סטריאו. הקפד להסיר את כל כיסי אוויר בין השכבות ואופים בחום של 70 מעלות צלזיוס למשך הלילה כדי לרפא לחלוטין בשתי שכבות. זה צעד אפיה תגרום גוש מונוליטי PDMS עם שתי שכבות.
  7. לאחר קירור לטמפרטורת החדר, לחתוך הקליפה העתק PDMS המכיל הן את השליטה שכבות fluidic את עובש SU-8 באמצעות אזמל. הסר PDMS עודף נפרד כל יחידה מכשיר בסכין גילוח. ניקוב חורים יציאות גישה microchannels בשכבת fluidic עם מחט מד 21.
  8. בונד לוח PDMS coverslip כדי לקבל מכשיר שלם. ראשית, לנקות coverslip (לא: 1.5, 24 x 45 מ"מ) עם אצטון IPA. לאחר מכן, לטפל גם coverslip ואת העתק משטחים PDMS עם פלזמה חמצן תחת mTorr 500 למשך 30 שניות, ומיד להביא את שני משטחים במגע להקים חותם בלתי הפיך.
  9. אופים את התקנים בין לילה כדי להגדיל את מליטה בין שכבות PDMS ואת coverslip.

שלבים 3-4 מתארים יישום מלכודת הידרודינמית באמצעות מכשיר microfluidic שתוארו לעיל.

3. מלכודת ההתקנה הידרודינמית ניסויית

  1. מניחים את המכשיר microfluidic לבמה של מיקרוסקופ הפוכה לאבטח אותו עם קליפים הבמה.
  2. למלא שני גז הדוק מזרקים בנפרד עם תמיסות בופר מדגם ומניחים אותם על משאבת מזרק Apparatus הרווארד (PHD 2000 לתכנות). המאגר ואת הפתרונות מדגם מועברים למכשיר דרך microfluidic 1 מ"ל ומזרק 250 μl, בהתאמה. בדרך כלל, 50 מ"מ טריס / טריס פתרון HCl חיץ (pH 8.0) המכיל 0.02% v / v טריטון X-100 משמש כפתרון חיץ. הפתרון מורכב מדגם של השעיה חלקיק (למשל חרוזי פוליסטירן ניאון) בפתרון חיץ.
  3. להקים את חיבורי fluidic בין מזרקים (מתן הדגימה החיץ) ואת המכשיר microfluidic. חבר את המזרקים על 1 / 16 בקוטר "קוטר חיצוני (OD) x 0.020" הפנימי (ID) perfluoroalkoxy (PFA) באמצעות צינורות luer נעילת מתאמי. חבר את הקצה השני של הצינור PFA ליציאות מפרצון של המכשיר microfluidic עם מטא 24 מדאני צינור. T-השסתום ניתן למקם בין המזרק מדגם הנמל מדגם במכשיר microfluidic לשלוט אספקה ​​מדגם.
  4. להקים את חיבורי fluidic עבור ערוצי לשקע במכשיר microfluidic. חבר את שני ערוצי מוצא אל צינורות PFA (1 / 16 "x 0.020 OD" ID) באמצעות 24 צינורות מתכת מד. צינורות PFA עבור שקעים צריכים להיות שווים באורכם. גם לצלול לתוך צינור מוצא צינורות צנטריפוגה 1.5 מ"ל מלאים פתרון חיץ, המשמש כדי לשמור על ירידה בלחץ מתמיד בין מזרקים ערוצי לשקע.
  5. מלאו את שסתום על שבב עם שמן נשא fluorinated באמצעות 3 מ"ל luer נעילת מזרק פלסטיק כדי למנוע דליפת אוויר אל תוך שכבת fluidic במהלך המבצע. האוויר בחדר השסתום נדחף דרך הממברנה PDMS לתוך microchannel בשכבת fluidic והוסרו מאוחר יותר מהמכשיר עם זרימת הנוזל דרך יציאות לשקע.
  6. חיבור גז בלחץ אינרטי (חנקן) לספק לנמל בשכבה מלאה לתפעול על שבב שסתום. לשם כך, אנו משתמשים מיכל חנקן (2,200 psi) וכן וסת לחץ אלקטרוניים לספק 0-30 psi עד שסתום על שבב בתוך המכשיר microfluidic. הטנק חנקן מחובר וסת הלחץ באמצעות ¼ "OD x 0.170" צינורות מזהה. וסת הלחץ הוא מחובר למכשיר דרך microfluidic 1 / 16 "x 0.020 OD" צינורות PFA מזהה עם צינורות 24 מד המתכת בתחנה הסופית שלו.
  7. יש לשטוף את חיבורי fluidic ואת מכשיר microfluidic עם 0.5 מ"ל של תמיסת חיץ על מנת להבטיח כי כל בועות האוויר מוסרים מהמערכת כולל ערוצי לשקע. תזרים שיעורי אופיינית המשמש סליקה מגוון בועות בין μL 2000-5000 / hr. אחרי בועות האוויר ושטפה של ערוצי microfluidic, להפחית את שיעור זרימת μL 50-100 / hr, שהוא אופייני נפח זרימת שיעור ההשמנה החלקיקים.
  8. בשלב זה, החיבורים fluidic מבוססים, המדגם ואת הפתרונות חיץ מועברים למכשיר microfluidic בקצב זרימה קבועה (5-10 μL / שעה), ואת המכשיר מוכן השמנה הידרודינמית.

4. השמנה הידרודינמית נוהל

  1. הפעל את קוד שהותקן LabVIEW, אשר ממכן השמנה החלקיקים (ראה באור שימוש עבור LabVIEW הקוד להלן).
  2. באמצעות מיקרוסקופ xy תרגום הבמה, מיקום באזור השמנה (cross-חריץ) במרכז להציג את המצלמה. מביאים את השמנת לתוך אזור הפוקוס של העדשה המטרה ולהתאים את הגדרות המצלמה כדי לייעל את התנאים הדמיה.
  3. בחר אזור מלבני של עניין (ROI) בתוך שדה של המצלמה של נוף כזה שמרכז את ההחזר על ההשקעה יהיה המיקום של מרכז מלכודת.
  4. לאתחל את הלחץ לקזז להחיל שסתום על השבב. באחד הערוצים לשקע, התכווצות 100-200 מיקרומטר רחב הוא הציג לספק לקזז עבור שסתום הלחץ על השבב. הלחץ המתמיד קיזוז מאפשרת שסתום על שבב כדי להתאים את נקודת הקיפאון עמדה בקרבת מרכז של ערוץ צולבות חריץ. ברוב הניסויים, הלחץ לקזז מוגדר בין 0-12 psi בהתאם לממדי ערוץ (גובה ורוחב), רוחב התכווצות, לבין המפרט של שסתום על שבב (גודל השסתום, עובי הקרום, וכו ').
  5. ליזום את בקר משוב ולהתאים את הרווח היחסי כדי לייעל את התגובה מלכודת. בקר משוב יהיה להתאים את הלחץ המופעל על השסתום על השבב, על מנת להזיז את נקודת הקיפאון עמדה, אשר ממזער את השגיאה או את המרחק בין מיקום החלקיקים לבין נקודת להגדיר (מרכז מלכודת). בהתאם לשיעור הזרימה ואת המיקום על שבב שסתום, קיים ערך אופטימלי לזכות מידתית, אשר מגדילה את יציבות ומונע תנודות מלכודת חלקיקים לא רצויים.
  6. מלכודת חלקיקים. קוד LabVIEW באופן אוטומטי מלכודת אחד החלקיקים נכנסים לאזור השמנה. לאחר חלקיק הרצוי הוא לכוד, אפשר לכבות את זרימת מדגם ולבודד את חלקיק לכוד פתרון חיץ, אם תרצה בכך.
  7. צג החלקיקים הלכודים ולשמור על המיקוד החלקיקים בתוך המטוס התמונה באמצעות פוקוס ידני או אוטומטי ההתקנה מיקרוסקופ להתמקד. זה עשוי להיות נחוץ כדי להתאים את מעט לזכות ביחס של הבקר משוב על מנת להבטיח יציבות מלכודת במהלך אירוע בקנה מידה זמן ארוך השמנה (דקות עד שעות).

קוד LabVIEW: שימוש הערה עבור בקר משוב

השמנה החלקיקים אוטומטי מושגת באמצעות משוב ליניארי אלגוריתם בקרה מיושם באמצעות קוד מותאם אישית LabVIEW. קוד LabVIEW לוכדת תמונות ממצלמה CCD ומעביר פוטנציאל חשמלי (מתח) אל וסת הלחץ, אשר פעיל מודולציה את המיקום (מדינה פתוחה חלקית / סגור) של השסתום על שבב פנאומטי דינמי. כאשר עמדה שסתום משתנה, קצב הזרימה הידרודינמית בשורה אחת אני מוצאזה מותאם, ובכך מיצוב מחדש את נקודת קיפאון ולאפשר השמנה הידרודינמית. השלבים לולאת משוב הם ברצף והוצא להורג iteratively בשיעור של לכידת תמונה (10-60 הרץ). קוד LabVIEW מבצעת את הפעולות הבאות במהלך כל מחזור לולאת המשוב:

  • . ללכוד תמונה נרכש עבור חלקיק "יעד" באזור לכידה של המכשיר microfluidic באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי עם עדשה אובייקטיבי 10x (NA: 0.4) ומצלמת CCD.
  • מעקב אחר החלקיקים. החלקיקים עמדת centroid נקבע, ואת אלגוריתם מעקב החלקיקים היא יזמה. הם חלקיקים נקודתיים על ידי התאמת עוצמת פליטת פרופיל של החלקיקים לתפקד נקודת התפשטות (כוחות הביטחון הפלסטינים), שממנו עמדה centroid נקבע.
  • בתחום בקרת זרימה. הלחץ מעודכן מיועד שסתום על שבב הדינמי מחושב באמצעות אלגוריתם בקרה משוב עם בקר פרופורציונלי. בדרך זו, את הפעולה של שסתום הוא מחדש מקם את נקודת הקיפאון, אשר מפעיל כוח על חלקיק הידרודינמית, על מנת לנווט את החלקיקים לכיוון מרכז מלכודת.

קוד LabVIEW רשומות את הנתונים הבאים עבור כל תמונה שנתפסו במהלך החלקיקים השמנה: 1) הזמן שחלף, 2) centroid (x, y) מקומו של חלקיק הלכוד, 3) המיקום של מרכז מלכודת, 4) המרחק של החלקיקים מן לחץ מלכודת מרכז, 5) להחיל שסתום על השבב. בנוסף, הקוד גם רשומות סרט של החלקיקים הלכודים פורמט קובץ AVI.

5. נציג תוצאות

אנחנו לכודים חרוזי פוליסטירן פלורסנט בגדלים שונים (100, 540, 830 ננומטר, בקוטר 2.2 מיקרומטר) באמצעות מלכודת הידרודינמית. איור 1 (א) מראה תמונה של חלקיק לכודים בצומת צולבות חריץ במכשיר microfluidic. מסלולו של חלקיק לכוד ניתן לקבוע ישירות את הנתונים עמדה centroid נרשמו על ידי קוד LabVIEW במהלך אירוע השמנה או על ידי מעקב לאיתור חלקיקים לכודים מתוך קובץ הסרט מוקלט. איור 1 (ב) מראה את מסלולו של חלקיק לכוד (2.2 מיקרומטר פוליסטירן חרוז ניאון) יחד לכיוון ערוץ לשקע. חרוז הוא לכוד בתחילה (ריבועים) במשך 3 דקות, והוא שוחרר לאחר מכן ממלכודת ובורח לאורך אחד הערוצים לשקע (עיגולים). מסלולי החלקיקים לאורך ציר הזרימה compressional (כיוון ערוץ כניסת; מידע לא מוצג) דומים מסלולי החלקיקים לאורך ציר הזרימה extensional (כיוון יצוא) כפי שמוצג באיור 1 (ב). היסטוגרמה של עקירה החלקיקים ממרכז מלכודת חרוז לכוד (בקוטר 2.2 מיקרומטר) לאורך כיוונים ערוץ לשקע מוצג באיור 1 (ג). שימוש בשלט משוב האלגוריתם המתואר בעבודה זו, חלקיקים לכודים כלואים בתוך ± 1 מיקרומטר המרכז מלכודת יחד כניסת ערוץ כיוונים לשקע.

סכמטי של המכשיר microfluidic להשתמש בהם ללכידה הידרודינמית מוצג באיור 2. המכשיר microfluidic משולב מורכב fluidic שכבה ושכבה מלאה הוא מפוברק באמצעות תקן ליתוגרפיה רך multilayer כמתואר במאמר זה. שכבת fluidic מכיל את המאגר ואת מדגם ערוצים, כמו גם את הגיאומטריה חוצה ערוץ חריץ כדי להקל על השמנה הידרודינמית. שכבת בקרת מורכב שסתום פנאומטי ממוצבת מעל אחד הערוצים לשקע בשכבת fluidic, ואת השליטה שכבות fluidic מופרדים באמצעות קרום דק אלסטומרי. במהלך המבצע המכשיר, שסתום בשכבת שליטה בלחץ עם גז חנקן, דבר המאלץ את קרום דק לתוך שכבת fluidic, ובכך גרימת התכווצות בערוץ לשקע. שסתום פנאומטי דינמי מכווץ את הערוץ לשקע ידי כמויות משתנות על ידי שינוי הלחץ המופעל על השכבה שליטה, אשר מתאים את ספיקות יחסית ערוצי לשקע ומאפשר קנס בהיקף השליטה של ​​נקודת הקיפאון.

איור 1
איור 1: השמנה החלקיקים. (א) מקדימה של חרוז אחד כלוא בתוך מלכודת הידרודינמית. בנוסף חרוז במרכז מלכודת, חרוזים untrapped מספר מוצגים באזור השמנה. (ב) מסלול של חלקיק לכוד לאורך תעלות מוצא (ריבועים). כאשר חלקיק הוא שוחרר מן המלכודת (חץ), הוא בורח לאורך אחד הערוצים לשקע (עיגולים). (ג) היסטוגרמה של התקות של חרוז לכוד (בקוטר 2.2 מיקרומטר) ממרכז המלכודת לאורך ערוצי לשקע.

איור 2
איור 2:. סכמטי של המכשיר microfluidic עבור השמנה הידרודינמית המלכודת הידרודינמית נבנה באמצעות מכשיר שני שכבת microfluidic. שכבת fluidic מורכב כניסת מדגם, fפתחי הכניסה למאגר שלנו, ושני שקעים פסולת. שכבת בקרת מורכב שסתום פנאומטי קרום הנמצא על גבי אחד הערוצים לשקע בשכבת fluidic. התכווצות בערוץ מוצא מנוגדות מספק לחץ לקזז עבור שסתום פנאומטי. ממדים ערוץ אופיינית נע בין 100-500 מיקרומטר. באזור (A), כניסת המדגם הוא זרם ממוקד על ידי שני פתחי הכניסה למאגר. באזור (ב), זרמים מנוגדים להתכנס כניסת בצומת צולבות חריץ שבו השמנה מתרחשת. שסתום פנאומטי (C) ממוקם על גבי אחד הערוצים לשקע. העמדה נקודת הקיפאון היא מווסתת על ידי ויסות לחץ שסתום זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

שיטות microfluidic נוכחי מניפולציה החלקיקים מבוסס על זרימה הידרודינמית ניתן לאפיין שיטות מגע מבוסס או ללא מגע. צור בשיטות מבוססות להשתמש זרימת הנוזל פיזית להגביל ו לשתק חלקיקים בקירות microfabricated ערוץ 9, ואילו ללא מגע שיטות להסתמך על מחזורי זרימה או microeddies 10. בעבודה זו, אנו מציגים שיטה השמנה פתרון חופשי החלקיקים באמצעות הפעולה הבלעדי של זרימת הנוזל. מלכודת הידרודינמית מאפשרת הכליאה ומניפולציה של חלקיקים קטנים בנקודה נוזל הקיפאון מכשיר צולבות חריץ microfluidic. במכשיר זה, מנגנון אוטומטי בקרת המשוב משמש כדי להגביל את חלקיקי על ידי התאמת קנס בהיקף פעיל של העמדה נקודת קיפאון בתוך נוזל זורם.

מהי מתיחות של כליאה עבור חלקיקים במלכודת הידרודינמית ואיך זה יכול להיות מותאם? הדיוק של כליאת חלקיק למרכז מלכודת תלוי הדיוק של הקביעה centroid כאשר localizing עמדה החלקיקים. כדי להשיג השמנה החלקיקים חזקים, המשתמש צריך להבטיח בניגוד תמונה מקסימלית בין החלקיקים ואת הרקע למעקב לוקליזציה אופטימלית. בנוסף, תשומת לב מיוחדת יש לנקוט כדי למנוע בועות או פסולת microchannels, אשר עשויים להשפיע על מעקב אחר החלקיקים. מקור זרם יציב יש להשתמש כדי למזער הפרעות בזרימת נוזל, כמו על יציבות מקם את נקודת הקיפאון הוא רגיש לתנודות לזרום. שימוש בגישה זו, נוקשות מלכודת הידרודינמית נמדדה להיות ~ 1E-4 PN / ~ 2 ננומטר עבור חלקיקים 1 מיקרומטר, אשר ניתן להשוות שיטות חלופיות כולל מלכודות electrokinetic או פינצטה אופטית. מיקרון בקנה מידה חלקיקים כלואים בתוך 1 מיקרומטר המרכז מלכודת פרקי זמן ארוכים, המאפשרת מניפולציה מיקום מדויק של חלקיקים בתמיסה חינם. עם התפתחות הטכנולוגיה יותר, חלקיקים לכודים עלול להיות חשוף transiently כדי microenvironments משתנה כאשר צימוד מלכודת הידרודינמית עם מילויים כימי שנוצר באמצעות זרימה למינרית ב microchannels. לבסוף, השמנה הידרודינמית מתרחש בנקודת הקיפאון, שם הסעה נוזל נוטה לאפס. במלכודת אידיאלי, חלקיקים מוגבלים במיקום של מהירות אפס נוזל שבו תנועה החלקיקים נשלטת בעיקר על ידי תנועה בראונית. מנקודת מבט זו, את מלכודת הידרודינמית היא שיטה בלתי pertubative של השמנה המבוסס על זרימת נוזל רציפה.

השמנה מניפולציה הידרודינמית ו מושגת בקלות לכל חלקיק "יעד" שרירותית, בהתחשב בכך את החלקיקים ניתן הדמיה, מעקב, ו מקומי באמצעות מיקרוסקופ אופטי. לפיכך, חלקיקים פלורסנט ולא פלורסנט ולא איזוטרופיים אובייקטים יכול להיות לכוד ללא קשר לאופי כימי / פיזי / אופטי של החלקיקים הלכודים. בנוסף, המלכודת הידרודינמית ניתן לשלב בקלות ללא צורך ייצור מסובך, דפוסים של אלקטרודות או setups אופטי מקיף הקיים ליתוגרפיה מערכות מבוססות רך microfluidic. מלכודת הידרודינמית הוא כלי זול וידידותי למשתמש עבור השמנה חלקיק עם ציוד מינימלי דרישות המעבדה, כולל המכשיר microfluidic, ווסת לחץ, בקר מבוססות מחשב משוב. בסך הכל, מלכודת הידרודינמית יש את הפוטנציאל להפוך את לימודי המדע הבסיסי והיישומי של חלקיקי מיקרו ו ננו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגודי אינטרסים הכריז.

Acknowledgments

אנו מודים לקבוצת קניס מאוניברסיטת אילינוי באורבנה-Champaign לדיונים מועיל בנדיבות מתן שימוש במתקנים cleanroom.

עבודה זו מומנה על ידי מסלול NIH כדי פרס לצרכן העצמאות, תחת גרנט לא 4R00HG004183-03 (Charles M. שרדר Melikhan Tanyeri).

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע באמצעות מלגת מחקר לתארים מתקדמים על אריק ג'ונסון מ-Chavarria.

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).
Microfluidic מבוססי הידרודינמית מלכודת חלקיקים יחיד
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