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Method Article
In diesem Artikel präsentieren wir einen mikrofluidischen-basiertes Verfahren zur Teilcheneinschluss auf hydrodynamische Strömung. Wir zeigen, stabile Partikel Trapping auf die Flüssigkeit Staupunkt mit einem Feedback-Kontrollmechanismus, wodurch der Entbindung und Mikromanipulation von beliebigen Teilchen in einem integrierten Kleinstgerätes.
Die Fähigkeit, zu beschränken und zu manipulieren einzelne Partikel in freier Lösung ist eine Schlüsseltechnologie für die Grundlagenforschung und angewandter Forschung. Verfahren zur Partikel-Trapping auf optischen, magnetischen, elektrokinetischen und akustische Techniken haben zu großen Fortschritten in der Physik und der Biologie von der molekularen bis zellulärer Ebene geführt. In diesem Artikel stellen wir eine neue mikrofluidische-basierte Methode zur Bestimmung der Überfüllung und Manipulation ausschließlich auf hydrodynamische Strömung basiert. Mit dieser Methode zeigen wir, von Mikro-und Nano-Partikel Trapping in wässrigen Lösungen zur langen Zeitskalen. Der hydrodynamische Falle besteht aus einem integrierten mikrofluidischen Gerät mit einem Kreuz-Schlitz-Geometrie, wo zwei gegensätzliche laminaren Strömungen konvergieren, wodurch eine ebene Dehnströmung mit einer Flüssigkeit Staupunkt (Null-Geschwindigkeit Punkt). In diesem Gerät werden die Partikel in der Falle Zentrum durch eine aktive Steuerung des Strömungsfeldes beschränkt sich auf Partikel Position an der Flüssigkeit Staupunkt aufrecht zu erhalten. Auf diese Weise werden Partikel effektiv in freier Lösung gefangen mit einem Feedback-Algorithmus mit einer custom-built LabVIEW-Code implementiert. Der Regelalgorithmus besteht aus Bildaufnahme für ein Teilchen in der mikrofluidischen Gerät, das von particle tracking, Bestimmung der Partikelgröße Schwerpunkt Position und aktive Anpassung der Strömung durch die Regelung der Druck, der auf einem On-Chip pneumatisches Ventil mit einem Druckregler gefolgt. Auf diese Weise auf die On-Chip-dynamischen Dosierventil Funktionen der relativen Strömungsgeschwindigkeiten im Auslasskanäle regulieren, wodurch feine angelegte Kontrolle der Staupunkt Position und Partikel-Trapping. Die Mikrofluidik-basierten hydrodynamischen Falle weist mehrere Vorteile, wie eine Methode zur Partikel-Trapping. Hydrodynamische Trapping ist für beliebige Partikel ohne spezifische Anforderungen an die physikalischen oder chemischen Eigenschaften der eingeschlossenen Objekt möglich. Darüber hinaus ermöglicht hydrodynamischen Trapping Einschluss einer "single" Zielobjekt in konzentrierter oder überfüllten Partikelsuspensionen, was schwierig ist mit alternativen Kraftfeld-basierte Fangmethoden. Der hydrodynamische Falle ist benutzerfreundlich, einfach zu implementieren und zu bestehenden mikrofluidischen Systemen hinzugefügt werden, um Überfüllung und langjähriger Analyse von Partikeln zu erleichtern. Insgesamt ist die hydrodynamische Falle eine neue Plattform für Entbindung, Mikromanipulation und Beobachtung von Teilchen ohne Oberflächenimmobilisierung und eliminiert die Notwendigkeit für den Einsatz in perturbative optische, magnetische und elektrische Felder in der freien Lösung Fang von kleinen Partikeln.
Der hydrodynamische Falle besteht aus einem Zwei-Schicht-Hybrid (Polydimethylsiloxan (PDMS) / Glas) Mikrofluidikvorrichtung für Teilcheneinschluss. Schritte 1-2 beschreiben die Herstellung von mikrofluidischen Bauteilen und die Schritte 3-4 zu diskutieren Gerät Design und Bedienung.
1. SU-8 Mold Fabrication (nicht im Video gezeigt)
2. Mikrofluidikvorrichtung Fabrication
Schritte 3-4 beschreiben die Umsetzung der hydrodynamischen Falle mit dem Mikrofluidikvorrichtung oben beschrieben.
3. Hydrodynamische Trap-Versuchsaufbau
4. Hydrodynamische Trapping Procedure
LabVIEW Code: Hinweis zur Verwendung für Feedback-Controller
Automatisierte Partikel Trapping wird durch eine lineare Regelung Algorithmus implementiert eine benutzerdefinierte LabVIEW-Code. Die LabVIEW-Code erfasst Bilder von einer CCD-Kamera und überträgt ein elektrisches Potential (Spannung) an einen Druckregler, die aktiv moduliert die Position (teilweise offen / geschlossen Zustand) eines On-Chip-dynamischen pneumatisches Ventil. Da das Ventil Position geändert, die hydrodynamischen Durchfluss in einer Ausgangsleitung is angepasst und damit Re-Positionierung der Staupunkt und damit hydrodynamische Trapping. Die Schritte in die Feedback-Schleife werden nacheinander und iterativ in Höhe von Bilderfassung (10-60 Hz) ausgeführt. Die LabVIEW-Code führt die folgenden Schritte bei jeder Feedback-Schleife-Zyklus:
Die LabVIEW-Code zeichnet die folgenden Daten für jedes Bild während der Partikel-Trapping erfasst: 1) Zeit, 2 abgelaufen) Schwerpunkt (x, y) Position des gefangenen Partikels, 3) Position der Falle entfernt, 4) Entfernung des Teilchens von der Trap-Zentrum, 5) Druck auf den On-Chip-Ventil. Darüber hinaus wird der Code auch Aufzeichnungen ein Film des gefangenen Partikels in AVI-Format.
5. Repräsentative Ergebnisse
Wir gefangen fluoreszierenden Polystyrol-Kügelchen unterschiedlicher Größe (100, 540, 830 nm und 2,2 Mikrometer Durchmesser) mit einem hydrodynamischen Falle. Abbildung 1 (a) zeigt ein Bild eines Teilchens auf das Kreuz-Schlitz-Übergang in einer mikrofluidischen Vorrichtung gefangen. Die Flugbahn eines gefangenen Partikels kann direkt aus dem Schwerpunkt Positionsdaten von der LabVIEW-Code in einem Trapping-Ereignis oder durch Verfolgung und Lokalisierung der eingeschlossenen Partikel aus den aufgezeichneten Videodatei aufgezeichnet bestimmt werden. Abbildung 1 (b) zeigt die Flugbahn eines gefangenen Partikels (2,2 um fluoreszierende Polystyrolkugel) entlang der Auslasskanal Richtung. Die Perle ist zunächst gefangen (Quadrate) für 3 min und wird dann aus der Falle und entweicht entlang einer der Auslasskanäle (Kreise) veröffentlicht. Teilchenbahnen entlang der Kompressions-flow-Achse (Einlasskanal Richtung; Daten nicht gezeigt) sind ähnlich Partikeltrajektorien entlang der Dehnströmung Achse (Abfluss Richtung), wie in Abbildung 1 (b) gezeigt. Ein Histogramm der Teilchenphysik Verschiebung aus der Falle Zentrum für ein gefangenes Wulst (2,2 Mikrometer Durchmesser) entlang der Auslasskanal Richtungen ist in Abbildung 1 (c) gezeigt. Mit dem Feedback-Algorithmus in dieser Arbeit beschrieben werden, sind eingeschlossen Partikel im Bereich von ± 1 um die Falle Zentrum entlang der Ein-und Auslass-Kanal Richtungen beschränkt.
Eine schematische Darstellung der mikrofluidischen Vorrichtung zur hydrodynamischen Trapping verwendet wird in Abbildung 2 dargestellt. Die integrierte Mikrofluidik-Gerät besteht aus einem fluidischen Schicht und einer Steuerungsebene und wird hergestellt unter Verwendung von Standard Multilayer Softlithographie wie in diesem Artikel beschrieben. Die fluidische Schicht enthält die Puffer und Probe-Kanäle, sowie das Kreuz-Schlitz-Geometrie zu hydrodynamischen Trapping zu erleichtern. Die Steuerung besteht aus einer pneumatischen Ventils über einen der Auslasskanäle in der fluidischen Schicht positioniert, und der Kontroll-und Fluidik-Schichten sind durch eine dünne elastomere Membran getrennt sind. Während Betrieb des Geräts wird das Ventil in der Kontrollgruppe Schicht unter Druck mit Stickstoff, der die dünne Membran, in die fluidische Schicht Kräfte, dabei wird eine Verengung in den Auslasskanal. Die dynamische pneumatisches Ventil verengt den Auslasskanal durch variable Beträge durch Änderung des Drucks auf das Steuerelement angewendet Schicht, die die relativen Geschwindigkeiten passt in die Auslasskanäle und ermöglicht feinskaligen Kontrolle der Staupunkt.
Abbildung 1: Particle Überfüllung. (A) Bild von einer einzigen Kugel in den hydrodynamischen Falle beschränkt. Zusätzlich zu den Wulst an der Falle entfernt, sind mehrere abgefangene Perlen in der Trapping-Region gezeigt. (B) Bahn eines gefangenen Partikels entlang der Auslasskanäle (Quadrate). Wenn die Teilchen aus der Falle (Pfeil) freigesetzt wird, entweicht es entlang einer der Auslasskanäle (Kreise). (C) Histogramm der Verschiebung der gefangenen Wulst (2,2 m Durchmesser) aus der Falle Zentrum entlang der Auslasskanäle.
Abbildung 2:. Schematische Darstellung der mikrofluidischen Vorrichtung zur hydrodynamischen Trapping Der hydrodynamische Falle ist unter Verwendung eines Zwei-Schicht-Mikrofluidikvorrichtung. Die fluidische Schicht besteht aus einer Probeneinlass, funser Puffer Buchten und zwei abflussöffnungen. Die Steuerung besteht aus einer pneumatischen Membran-Ventil auf der Oberseite eines der Auslasskanäle in der fluidischen Schicht entfernt. Eine Verengung in der gegnerischen Auslasskanal bietet eine Offset-Druck für das pneumatische Ventil. Typische Kanalabmessungen Bereich zwischen 100-500 um. Im Bereich (A), ist Probeneinlass flow von zwei Puffer Buchten konzentriert. Im Bereich (B), gegen Einlass-Streams auf das Kreuz-Schlitz Kreuzung, wo Trapping tritt zusammen. Das pneumatische Ventil (C) befindet sich oben auf einem der Auslasskanäle positioniert. Der Staupunkt Position moduliert wird durch die Regelung Druck auf das Ventil.
Aktuelle mikrofluidische Methoden zur Bestimmung der Manipulation auf hydrodynamischen Fluss basieren, können als Kontakt-oder berührungslose Methoden charakterisiert werden. Kontakt-basierte Methoden Strömung physisch zu beschränken und zu immobilisieren Partikel gegen mikrofabrizierten Kanalwände 9, während berührungslose Methoden auf zirkulierende Strömung oder microeddies 10 verlassen. In dieser Arbeit präsentieren wir eine Methode zur freien Lösung Partikel Trapping mit der alleinige...
Wir danken der Kenis Gruppe an der University of Illinois at Urbana-Champaign für hilfreiche Diskussionen und großzügig bietet Einsatz von Reinräumen.
Diese Arbeit wurde durch ein NIH Pathway to Independence PI-Preis finanziert wird, unter Grant No 4R00HG004183-03 (Charles M. Schroeder und Melikhan Tanyeri).
Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation durch eine Graduate Research Fellowship an Eric M. Johnson-Chavarria unterstützt.
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 |
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