Picoinjection de Microfluidic Drops sem metal Eletrodos

O objetivo geral deste procedimento é projetar, fabricar e utilizar chips microfluídicos capazes de injetar com precisão e controle reagentes em gotículas de água em óleo, um processo conhecido como pico-injeção. Isso é alcançado primeiramente projetando um dispositivo com um canal de emulsão que se estreita até um diâmetro menor que o das gotículas esféricas e as espaça uniformemente dentro de um óleo transportador inerte. Como segundo passo, as gotículas de água e óleo são introduzidas no dispositivo e fluem até o local de injeção.

Um canal perpendicular contendo os reagentes a serem injetados. Em seguida, uma alta tensão é aplicada ao fluido de injeção enquanto gotículas passam pelo local de injeção, a fim de provocar a fusão entre as gotículas e o fluido de injeção. Os resultados obtidos demonstram que, ajustando a magnitude da tensão aplicada, o volume do reagente injetado pode ser controlado com precisão em resoluções de picolitros. Esta técnica surgiu da necessidade de simplificar a fabricação de nossos dispositivos, eliminando a necessidade de eletrodos metálicos.

As vantagens em relação às técnicas existentes, como a facilidade e simplicidade no design, fabricação e uso do dispositivo. Os eletrodos metálicos utilizados em métodos anteriores são propensos a quebrar e sensíveis à poeira e detritos nos canais durante a fabricação. Ao eliminar os eletrodos, tornamos nossos dispositivos mais robustos e melhoramos a eficiência da fabricação. O primeiro passo é projetar um chip microfluídico com base nas necessidades do experimento.

Utilize um software de design assistido por computador para isso, a fim de utilizar técnicas de fotolitografia posteriormente. Este design do chip possui canais para emulsão menores do que as gotículas esféricas a serem utilizadas, permitindo uma pico-injeção mais eficaz. O local de pico-injeção baseia-se em um design encontrado na literatura, com os eletrodos metálicos removidos.

Canais adicionais atuam como um fosso de Faraday para proteger as gotas a montante do campo elétrico. Após a conclusão do projeto, utilize técnicas de litografia fotossensível suave para fabricar os dispositivos e, em seguida, ligue-os a uma lâmina de microscópio de vidro com o dispositivo pronto para uso. Prepare uma bomba de controle de pressão de ar para pressurizar um reservatório contendo fluido.

Faça isso modificando a saída da bomba de modo que o ar pressurizado saia através de um trecho de tubo de polietileno com diâmetro interno de 2,7 milímetros. Termine o tubo adaptando-o ao bico na parte traseira da ponteira de uma seringa. Após selar o espaço entre a seringa e o tubo com epóxi, fixe uma agulha de calibre 27,5 utilizando reagentes apropriados ao experimento.

Prepare uma emulsão uniforme de gotículas aquosas suspensas em óleo veicular. Carregue a emulsão em uma seringa de um mililitro equipada com uma agulha de 27,5 gauge. Em seguida, fixe a seringa em uma bomba de infusão e posicione-a com a agulha voltada para cima.

O próximo passo é preparar os reagentes para introdução no dispositivo microfluídico e em seus reservatórios. Comece com um tubo cônico de 15 mililitros e sua tampa. Utilize um furador de biópsia ou outra ferramenta conveniente para fazer três furos de 0,5 milímetro na tampa.

Prepare um eletrodo de arame com diâmetro de 0,5 milímetros e comprimento de alguns centímetros mais longo que o tubo de centrífuga. Insira este eletrodo em um dos orifícios na tampa. Certifique-se de que ele atinja o fundo do tubo e se estenda por alguns centímetros além da parte superior.

Em seguida, prepare um trecho de aproximadamente 20 centímetros de comprimento de tubo de polietileno. Insira-o em um segundo orifício. Novamente, ele deve atingir o fundo do tubo no orifício restante.

Passe cerca de 2,5 centímetros de tubo de polietileno. Este tubo ficará acima do nível do fluido. Aplique epóxi curável por UV para selar as frestas na parte superior da tampa.

Quando a cura estiver completa, encha o tubo com o fluido de injeção pico desejado aqui, cloreto de sódio 100 milimolar, e parafuse a tampa. Conecte a saída da bomba de controle de pressão de ar ao trecho mais curto do tubo na tampa. Ao inserir a agulha na luz, a agulha deve encaixar-se firmemente.

Coloque o tubo de centrífuga no seu suporte. Em seguida, encha uma seringa de um mililitro com cloreto de sódio um molar. Para funcionar como fluido da vala de Faraday, conecte uma agulha de calibre 27,5 e fixe a seringa em uma bomba de seringa.

Encha outra seringa de um mililitro com óleo espaciador transportador. Conecte uma agulha de calibre 27,5 e fixe-a em uma bomba de seringa. Neste momento, podem ser feitas as conexões com o chip microfluídico.

Primeiro, certifique-se de que o chip está fixado sobre uma superfície plana. Em seguida, leve a extremidade aberta do tubo longo proveniente do recipiente do fluido de injeção até o chip. Conecte este tubo à porta de entrada do fluido de injeção pico no chip microfluídico.

Em seguida, conecte o tubo de polietileno à seringa contendo cloreto de sódio e estenda-o até o chip. Conecte-o à porta de entrada para o fossa de Faraday. Além disso, use tubos para conectar a seringa contendo o óleo transportador à sua porta de entrada no dispositivo.

Termine um tubo proveniente da porta de saída da emulsão em um recipiente de coleta. Por fim, use tubos para conectar a porta de saída do fosso de Faraday a um recipiente isolado eletricamente não condutor. No final, o chip microfluídico apresenta-se assim.

Agora, pegue um fio do terra de um amplificador de alta tensão e conecte-o à agulha da seringa com cloreto de sódio. Use um clipe de jacaré para fixar o fio à agulha. Conecte outro fio da saída de alta tensão do amplificador ao eletrodo imerso no fluido de injeção pico.

Use um clipe de jacaré para fazer a conexão como entrada para o amplificador. Utilize a saída do computador de um gerador de forma de onda controlado por software. Inicie a infusão no sistema introduzindo o fluido de motes de faraday de cloreto de sódio um molar no dispositivo a 100 microlitros por hora.

Em seguida, inicie a passagem da gota, da emulsão e do óleo transportador para permitir que as gotas atravessem o pico injetor em intervalos regulares, separadas por um espaço de óleo transportador. Ajuste a pressão aplicada ao fluido de injeção do pico de modo que o fluido na abertura de injeção do pico se projete para dentro do canal de gotas, mas não se separe para formar suas próprias gotículas. Utilize o gerador de formas de onda para produzir um sinal de corrente alternada de 10 quilohertz com uma amplitude de zero a 10 volts, a ser amplificado mil vezes pelo amplificador de alta tensão.

Para realizar a injeção pico, aplique este sinal às gotículas enquanto elas passam pela abertura de injeção e utilize a amplitude como parâmetro. Este vídeo mostra a injeção seletiva de gotículas dependendo da presença de um corante fluorescente.

Neste caso, 200 gotas por segundo passaram pelo injetor, mas taxas de até 10.000 por segundo são possíveis com um mecanismo adequado de detecção de gotas. Esses valores mostram a fração de volume injetado como função da tensão aplicada para diferentes fluidos injetáveis em várias molaridades. Acredita-se que tensões mais elevadas provoquem um início mais precoce da coalescência, levando a durações e volumes de injeção aumentados.

Este mapa térmico bidimensional mostra a relação entre a molaridade da solução iônica e a tensão necessária para atingir volumes de injeção. Soluções de menor molaridade exigem tensões mais altas, pois reduzem mais facilmente o campo elétrico no local de injeção. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como projetar e fabricar rapidamente dispositivos microfluídicos robustos, que permitam a injeção precisa e controlável de reagentes em suas gotículas.

Não se esqueça de que trabalhar com alta tensão pode ser extremamente perigoso; precauções, como aterramento adequado, equipamento de proteção individual e dispositivos de segurança integrados, devem sempre ser adotadas.