Tek Parçacıklar için mikroakışkan tabanlı Hidrodinamik Tuzak

Bu yöntemin genel amacı, bir mikroakışkan cihazda laminer akış kullanarak tek mikro ve nano ölçekli parçacıkları sınırlamak ve manipüle etmektir. Hidrodinamik tuzak, mikrokanal bağlantısında bir durgunluk noktası akışına yol açan çapraz yarık kanal geometrisine sahip bir mikroakışkan cihazdan oluşur. Çıkış kanallarından birinde bulunan çip üstü bir valf, sıvı akışını aktif olarak kontrol etmek ve parçacıkları yakalamak için kullanılır.

Parçacıklar, durgunluk noktası konumunun aktif kontrolü ile kullanıcı tanımlı bir ayar noktasında sınırlandırılır. Partikül konumunu izlemek ve partikül konumunu ayar noktasında tutmak için çip üzerindeki valfi düzenlemek için bir geri besleme kontrolörü kullanılır. Hidrodinamik tuzak kullanılarak, tek parçacıklar seyreltik veya konsantre parçacık çözeltileri içinde tutulur ve floresan veya parlak alan mikroskobu kullanılarak görüntülenebilir.

Tek bir parçacık, parçacık yörüngesinde ve tuzak merkezinden parçacık yer değiştirmesinin histogramında gösterildiği gibi, tuzak merkezinin bir mikronu içinde sınırlandırılabilir. Merhaba, ben Profesör Charles Schroer'in Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölümü'ndeki Laboratuvarı'ndan ve Illinois Üniversitesi Biyofizik ve Hesaplamalı Biyoloji Merkezi'nden Eric Johnson Rio. Merhaba, benim adım Ari, Schroeder Laboratuvarı'nda doktora sonrası araştırmacıyım.

Merhaba, ben Cheryl Schroeder, ve bugün size tek parçacıkların hidrodinamik olarak yakalanması için mikroakışkan bir cihazın nasıl üretileceğini ve uygulanacağını göstereceğiz. Bu tekniğin optik veya elektro kinetik tuzaklar gibi mevcut yöntemlere göre ana avantajı, hidrodinamik yakalamanın sıvı akışının tek etkisiyle elde edilmesi ve böylece nanopartikül veya hücre yakalama için potansiyel olarak proatif dört alanı ortadan kaldırmasıdır. Bu teknik, mikro ve nano ölçekli parçacıkların, sıkışan parçacığın kimyasal veya fiziksel özelliklerine ilişkin herhangi bir gereklilik olmaksızın serbest çözelti yakalamayı mümkün kılarak temel ve uygulamalı bilimi dönüştürme potansiyeline sahiptir.

Öyleyse başlayalım. Replikaların SU sekiz kalıplarından soyulmasını kolaylaştırmak için, gofretleri birkaç damla trikloro selin içeren bir cam tabak ile 10 dakika boyunca vakum altında bir kuruya yerleştirerek SU sekiz kalıbının yüzeyini birleştirin ve akışkan ve kontrol katmanları için DGA'ların PDMS'si. 15'e bir PDMS karışımını 750 RPM'de 30 saniye boyunca akışkan tabaka kalıbına döndürün ve ardından gofreti bir Petri kabına yerleştirin.

Benzer şekilde, kontrol katmanı kalıbını bir Petri kabına yerleştirin ve kalıbın üzerine dört milimetre kalınlığa kadar beşe bir PDMS karışımı dökün. PDMS katmanlarını kısmen iyileştirmek için, gofretleri pişirin, PDM'leri 70 santigrat derecede 30 dakika kesin ve oda sıcaklığına soğumaya bırakın. PDMS replikasını neşterle kesin ve SU sekiz kalıbından soyun.

Daha sonra 21 gauge iğne ile, çip üzerinde membran valfi görevi görecek mikro kanala erişim portu olarak PDMS'de bir delik açın. PDMS replikasını bir kontrol katmanına sahip, spin kaplı PDMS akışkan tabakası ile gofret üzerine yerleştirin. Bir stereo mikroskop kullanarak kontrol katmanını sıvı katmana dikkatlice hizalayın ve kapatın.

Katmanlar arasındaki tüm hava ceplerini çıkardığınızdan ve oda sıcaklığına soğuduktan sonra her iki katmanı da iki katmanlı monolitik bir PDMS levhasına tamamen kürlemek için gece boyunca 70 santigrat derecede pişirdiğinizden emin olun, PDMS kopyasını SU sekiz kalıbından kesmek ve soymak için bir neşter kullanın ve fazla PDMS'yi çıkarmak ve her bir cihaz birimini ayırmak için bir tıraş bıçağı kullanın. Şimdi 21 gauge iğne ile akışkan katmandaki mikro kanallara tüm zımba erişim portları. Bir kapak kızağını aseton IPA ile temizleyin ve nitrojen ile kurulayın.

Hem kapak kızağını hem de PDMS replika yüzeylerini 30 saniye boyunca 500 militorr'un altındaki oksijen plazması ile işlemden geçirin. Ardından, geri dönüşü olmayan bir sızdırmazlık oluşturmak için iki yüzeyi hemen temas ettirin. Son olarak, PDMS katmanları ve kapak kızağı arasındaki yapışmayı artırmak için cihazları gece boyunca pişirin.

İlk olarak, mikroakışkan cihazı ters çevrilmiş bir mikroskobun sahnesine yerleştirin ve sahne klipsleri ile sabitleyin. Çözeltileri mikroakışkan cihaza iletmek için, sırasıyla bir mililitre ve 250 mikrolitrelik gaz geçirmez bir şırıngayı tampon ve numune çözeltileri ile doldurun. Numune dağıtımını kontrol etmek için numune şırıngası ile mikroakışkan cihazdaki numune portu arasında bir T valfi kullanın.

Şimdi, floro oksi boru, yem kilitleme adaptörleri ve 24 gauge metal boru kullanarak şırıngalar ve mikroakışkan cihaz arasındaki sıvı bağlantılarını kurun. Ardından, PFA boru ve 24 gauge metal boru ile mikroakışkan cihazdaki çıkış kanalları için sıvı bağlantılarını kurun. Şırıngalar ve çıkış kanalları arasında sabit bir basınç düşüşü sağlamak için, çıkışlar için PFA boruları eşit uzunlukta olmalı ve her ikisi de tampon çözeltisi ile doldurulmuş 1.5 mililitrelik bir santrifüj tüpüne daldırılmalıdır.

Çalışma sırasında havanın akışkan tabakaya sızmasını önlemek için üç mililitrelik yem kilitli plastik şırınga kullanarak çip üzerindeki valfi florlu taşıyıcı yağ ile doldurun. Valf odasındaki havayı PDMS membranından mikro kanala itin. Akışkan tabakada.

Çip üzerinde valf çalışması için. Kontrol katmanındaki bağlantı noktasına basınçlı bir inert gaz kaynağı bağlayın. Çıkış kanalları da dahil olmak üzere tüm hava kabarcıklarının sistemden çıkarıldığından emin olmak için sıvı bağlantılarını ve mikroakışkan cihazı 0.5 mililitre tampon solüsyonla durulayın.

Kabarcıkları temizlemek için kullanılan tipik akış hızları, hava kabarcıkları mikroakışkan kanallardan durulandıktan sonra saatte 2000 ila 5.000 mikrolitre arasında değişir, akış hızını saatte 50 ila 100 mikrolitreye düşürür, bu da parçacık yakalama için tipik bir hacimsel akış hızıdır. Şimdi numunenin mikroakışkan cihaza akmasına izin vermek için T valfini değiştirin. Doğrusal bir geri besleme kontrol algoritması uygulayarak parçacık yakalamayı otomatikleştiren özel olarak oluşturulmuş laboratuvar görünümü kodunu yürütün.

Kod, bir CCD kameradan görüntüler yakalar ve bir çip üzerindeki pnömatik valfin konumunu aktif olarak modüle eden bir basınç regülatörüne bir elektrik potansiyeli iletir. Mikroskop XY çeviri aşamasını kullanarak, yakalama bölgesini kamera görünümünün merkezine yerleştirin. Bindirme bölgesini objektif merceğinin odağına getirin ve görüntüleme koşullarını optimize etmek için kamera ayarlarını yapın.

Kameranın görüş alanı içinde, ROI'nin merkezi bindirme merkezinin konumu olacak şekilde dikdörtgen bir ilgi alanı seçin. Şimdi talaş üzerindeki valfe uygulanan ofset basıncını başlatın. Karşı çıkış kanalında bulunan 100 ila 200 mikron genişliğinde bir daralma.

Talaş üzerindeki valfin çalışması için bir ofset basıncı sağlar. Geri besleme denetleyicisini başlatın ve tuzak tepkisini optimize etmek için orantılı kazancı ayarlayın. Akış hızına ve talaş üzerindeki valf konumuna bağlı olarak, kapan stabilitesini artıran ve istenmeyen parçacık salınımlarını ortadan kaldıran optimum bir oransal kazanç değeri vardır.

Laboratuvar görünümü kodu, yakalama bölgesine giren parçacıklardan birini otomatik olarak yakalayacaktır. Bu videoda, giriş yönündeki hapsin tuzak sıkılığını en üst düzeye çıkarmak için numune giriş akışı açık bırakıldığı için giriş yönündeki parçacık hareketi ortaya çıkar. Kullanıcı, yakalama sırasında numune akışını kapatabilir, bu da akışı çapraz kanal bağlantısına eşit şekilde dengeleyebilir, yakalanan parçacığı izleyebilir ve manuel odaklama veya otomatik odak mikroskobu kurulumu kullanarak parçacık odağını görüntü düzlemi içinde tutabilir.

Entegre mikroakışkan cihaz, bir numune odağı, bir çapraz yuva bağlantısı ve bir pnömatik valf bağlantısından oluşur, çapraz yuva bağlantısında sıkışma meydana gelir ve parçacık konumu, pnömatik valf aracılığıyla mikrokanal bağlantısındaki akış alanının aktif olarak ayarlanmasıyla kontrol edilir. Burada, tek bir boncuğun görüntüsü hidrodinamik tuzakta hapsedilmiştir. Tuzak merkezine ek olarak, çapraz lot kavşağındaki yakalama bölgesinde birkaç sıkışmamış boncuk gösterilir.

Sıkışmış 2,2 mikron floresan polistiren boncuğun yörüngesi haritalanır. Parçacık başlangıçta üç dakika boyunca tutulur. Daha sonra tuzaktan serbest bırakılır ve çıkış kanallarından biri boyunca kaçar.

Sıkışmış bir boncuğun tuzak merkezinden çıkış kanallarının yönü boyunca yer değiştirmesinin histogramı, partikülün tuzak merkezinden bir mikron içinde sınırlı olduğunu gösterir. Bugün, EM tuzağını, bir mikroakışkan cihaz içinde üretilen bir asyon noktası akışı kullanarak mikro ve nano ölçekli parçacıkların serbest çözelti yakalaması için bir yöntem olarak sunduk. Hidrodinamik yakalama, tek bir hedef parçacığın konsantre parçacık süspansiyonlarında hapsedilmesini sağlar, bu da alternatif kuvvet alanı tabanlı yakalama yöntemlerinin kullanılması zordur.

Daha fazla gelişmeden sonra, bu yeni teknik biyofizik, hücre mekaniği, akışkanlar dinamiği, enzimoloji ve sistem biyolojisi alanlarında bilimsel araştırmalara izin verecektir. İzlediğiniz için teşekkür ederiz ve bu tekniğin deneyleriniz için faydalı olacağını umuyoruz.