Name: pneumatically driven microfluidic platform for micro-particle concentration
Uploaded: 2022-02-01T14:15:00
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Diese Arbeit wurde durch den Zuschuss der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, der von der koreanischen Regierung (Ministerium für Wissenschaft und IKT) finanziert wurde. (Nr. NRF-2021R1A2C1011380).

1. Design der mikrofluidischen Plattform für die Partikelkonzentration
<ol><li>Entwerfen Sie die pneumatische mikrofluidische Plattform, bestehend aus einem pneumatischen Ventil für den Flüssigkeitsfluss im 3D-Strömungsnetzwerk und drei pneumatischen Ventilen für den Sieb- (Vs), Fluid- (Vf) und Partikel- (Vp) Ventilbetrieb (Abbildung 1). HINWEIS: Vs-Blöcke konzentrieren Partikel aus der Flüssigkeit, und Vf und Vp ermöglichen die Freisetzung von Flüssigkeit und ...

<ol>
	<li>Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+origins+and+the+future+of+microfluidics.">The origins and the future of microfluidics.</a> Nature. 442 (7107), 368-373 (2006).</li><li>Desitter, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+device+for+rapid+isolation+by+size+and+characterization+of+rare+circulating+tumor+cells.">A new device for rapid isolation by size and characterization of rare circulating tumor cells.</a> Anticancer Research. 31 (2), 427-441 (2011).</li><li>Hayes, D. 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C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Poly(dimethylsiloxane)+as+a+material+for+fabricating+microfluidic+device.">Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic device.</a> Accounts of Chemical Research. 35 (7), 491-499 (2002).</li><li>Brivio, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+MALDI-chip+integrated+system+with+a+monitoring+window.">A MALDI-chip integrated system with a monitoring window.</a> Lab on a Chip. 5 (4), 378-381 (2005).</li><li>Jeong, O. 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R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+of+a+micro-engineered+ultrasonic+particle+manipulator.">Performance of a micro-engineered ultrasonic particle manipulator.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 111, 481-486 (2005).</li><li>Yoon, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clogging-free+microfluidics+for+continuous+size-based+separation+of+microparticles.">Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles.</a> Scientific Reports. 6 (1), 1-18 (2016).</li><li>Beattie, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clog-free+cell+filtration+using+resettable+cell+traps.">Clog-free cell filtration using resettable cell traps.</a> Lab on a Chip. 14 (15), 2657-2665 (2014).</li><li>Cheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+bubble-+and+clogging-free+microfluidic+particle+separation+platform+with+multi-filtration.">A bubble- and clogging-free microfluidic particle separation platform with multi-filtration.</a> Lab on a Chip. 16 (23), 4517-4526 (2016).</li></ol>

Diese Plattform bietet eine einfache Möglichkeit, Partikel unterschiedlicher Größe zu reinigen und zu konzentrieren. Partikel werden durch pneumatische Ventilsteuerung angesammelt und freigesetzt, und es wird kein Verstopfen beobachtet, da es keine passive Struktur gibt. Mit diesem Gerät wird die Konzentration von Partikeln dreier Größen dargestellt. Der Betriebsdruck, die für die Konzentration erforderliche Zeit und die Rate können jedoch je nach Geräteabmessungen, Partikelgrößenvergrößerung und Druck bei V...

Aufgrund der Bedeutung der biologischen Analyse werden mikrofluidische und biomedizinische mikroelektromechanische Systeme (BioMEMS)1,2 verwendet, um Geräte für die Reinigung und Sammlung von Mikromaterialien zu entwickeln und zu untersuchen2,3,4. Die Partikelabscheidung wird als aktiv oder passiv kategorisiert. Aktive Fallen wurden für externe dielektrische5, magnetophorische6, auditive7, visuelle8 oder thermische9-Kräfte verwendet, die auf unabhängige Partikel wirken und eine präzise Steuerung ihrer Bewegungen ermöglichen. Es ist jedoch eine Wechselwirkung zwischen dem Teilchen und der äußeren Kraft erforderlich; Somit ist der Durchsatz gering. In mikrofluidischen Systemen ist die Kontrolle der Durchflussrate sehr wichtig, da die äußeren Kräfte auf die Zielpartikel übertragen werden.
Im Allgemeinen haben passive mikrofluidische Bauelemente Mikrosäulen in Mikrokanälen10,11. Partikel werden durch Wechselwirkung mit einer strömenden Flüssigkeit gefiltert, und diese Geräte sind einfach zu entwerfen und kostengünstig herzustellen. Sie verursachen jedoch Partikelverstopfungen in Mikrosäulen, so dass komplexere Geräte entwickelt wurden, um eine Verstopfung von Partikelnzu verhindern 12. Mikrofluidische Bauelemente mit komplexen Strukturen eignen sich im Allgemeinen für die Verwaltung einer begrenzten Anzahl von Partikeln 13,14,15,16,17,18.
Dieser Artikel beschreibt ein Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb einer pneumatisch angetriebenen mikrofluidischen Plattform für große Partikelkonzentrationen, die die oben genannten Mängel18 überwindet. Diese Plattform kann Partikel durch Verformung und Betätigung der dünnen Membranschicht der Siebventilplatte (Vs), die sich in gekrümmten mikrofluidischen Kanälen ansammelt, blockieren und konzentrieren. Partikel sammeln sich in gekrümmten mikrofluidischen Kanälen an, und die konzentrierten Partikel können sich trennen, indem sie das Arbeitsfluid über die Betätigung von zwei Ein- / Aus-Ventilen der PDMS-Dichtungenablassen 18. Diese Methode ermöglicht es, eine begrenzte Anzahl von Partikeln zu verarbeiten oder eine große Anzahl kleiner Partikel zu konzentrieren. Betriebsbedingungen wie die Größe der Durchflussrate und des Druckluftdrucks können unerwünschte Zellschäden verhindern und die Effizienz des Zellfangs erhöhen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1.5 mm puncture</td>
			<td>Self procduction</td>
			<td>Self procduction</td>
			<td>This puncture was made by requesting a mold maker based on the Miltex&#174; Biopsy Punch with Plunger (15110-15) product.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4 inch Silicon Wafer/SU-8 mold</td>
			<td>4science</td>
			<td>29-03573-01</td>
			<td>4 inch (100) Ptype silicon wafer/SU-8 mold</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carboxyl Polystyrene Crosslinked Particle(24.9 &#956;m)</td>
			<td>Spherotech</td>
			<td>CPX-200-10</td>
			<td>Concentrated bead sample1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flow meter</td>
			<td>Sensirion</td>
			<td>SLI-1000</td>
			<td>Flow measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed camera</td>
			<td>Photron</td>
			<td>FASTCAM Mini</td>
			<td>Observation of concentration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot plate</td>
			<td>As one</td>
			<td>HI-1000</td>
			<td>heating plate for curing of liquid PDMS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KOVAX-SYRINGE 10 mL/Syringe</td>
			<td>Koreavaccine</td>
			<td>22G-10ML</td>
			<td>Fill the microfluidic channel with bubble-free demineralized water.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory Conona treater/Atmospheric plasma</td>
			<td>Electro-Technic</td>
			<td>BD-20AC</td>
			<td>Chip bonding/atmospheric plasma</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Liquid polydimethylsiloxane, PDMS</td>
			<td>Dow Corning Inc.</td>
			<td>Sylgard 184</td>
			<td>Components of chip</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>IX-81</td>
			<td>Observation of concentration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PEEK Tubes</td>
			<td>SAINT-GOBAIN PPL CORP.</td>
			<td>AAD04103</td>
			<td>Inject or collect particles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polystyrene Particle(4.16 &#956;m)</td>
			<td>Spherotech</td>
			<td>PP-40-10</td>
			<td>Concentrated bead sample3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polystyrene Particle(8.49 &#956;m)</td>
			<td>Spherotech</td>
			<td>PP-100-10</td>
			<td>Concentrated bead sample2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure controller/&#956;flucon</td>
			<td>AMED</td>
			<td>&#956;flucon</td>
			<td>Control of air pressure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spin coater</td>
			<td>iNexus</td>
			<td>ACE-200</td>
			<td>spread the liquid PDMS on SU-8 mold</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

pneumatically driven microfluidic platform for micro-particle concentration

Der vorliegende Artikel stellt ein Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb eines pneumatischen Ventils zur Steuerung der Partikelkonzentration unter Verwendung einer mikrofluidischen Plattform vor. Diese Plattform verfügt über ein dreidimensionales (3D) Netzwerk mit gekrümmten Fluidkanälen und drei pneumatischen Ventilen, die Netzwerke, Kanäle und Räume durch Duplexreplikation mit Polydimethylsiloxan (PDMS) erzeugen. Das Gerät arbeitet auf der Grundlage des Einschwingverhaltens einer Flüssigkeitsdurchflussrate, die von einem pneumatischen Ventil in der folgenden Reihenfolge gesteuert wird: (1) Probenbeladung, (2) Probenblockierung, (3) Probenkonzentration und (4) Probenfreigabe. Die Partikel werden durch dünne Membranschichtverformung der Siebventilplatte (Vs) blockiert und reichern sich im gekrümmten mikrofluidischen Kanal an. Das Arbeitsfluid wird durch die Betätigung von zwei Ein-/Aus-Ventilen ausgetragen. Als Ergebnis der Operation wurden alle Partikel verschiedener Vergrößerungen erfolgreich abgefangen und ausgebremst. Wenn diese Technologie angewendet wird, können der Betriebsdruck, die für die Konzentration erforderliche Zeit und die Konzentrationsrate je nach Geräteabmessungen und Partikelgrößenvergrößerung variieren.

Abbildung 8 zeigt die Durchflussrate der Fluidraten für einen vierstufigen Plattformbetrieb, wie in Tabelle 2 erwähnt. Die erste Stufe ist der Ladezustand (ein Zustand). Die Plattform wurde mit Flüssigkeit versorgt, wobei alle Ventile geöffnet waren, und das Arbeitsfluid (Qf) und die Partikel (Qp) sind fast identisch, da das mikrofluidische Kanalnetzwerk strukturelle Symmetrie aufweist. In der zweiten Stufe (b-Zustand) wurde Druckluft nach Vs transportiert, um die Partik...

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Pneumatically Driven Microfluidic Platform for Micro-Particle Concentration

Das vorliegende Protokoll beschreibt eine pneumatische mikrofluidische Plattform, die für eine effiziente Mikropartikelkonzentration verwendet werden kann.

Pneumatisch angetriebene mikrofluidische Plattform für die Mikropartikelkonzentration

The present article introduces a method for fabricating and operating a pneumatic valve to control particle concentration using a microfluidic platform. ...

Dieses Protokoll beschreibt unsere Methode zur Herstellung und zum Betrieb auf einer pneumatisch angetriebenen mikrofluidischen Plattform für Multiteilchenkonzentrationen, die Mängel wie Partikelverstopfung und komplexe Strukturen überwindet. Diese Methode ermöglicht es, eine unbegrenzte Anzahl von Partikeln zu verarbeiten, sich auf eine große Anzahl kleiner Partikel zu konzentrieren, unerwünschte Zellschäden zu verhindern und die Entropieeffizienz zu erhöhen. Aufgrund der Bedeutung der biologischen Analyse werden mikrofluidische und biomedizinische mikroelektromechanische Systemtechnologien verwendet, um Geräte zur Reinigung und Sammlung von Mikromaterialien zu entwickeln und zu untersuchen.Verwenden Sie zunächst eine vorgefertigte pneumatische Ventilkanal-SU8-Form, um die PDMS-Schicht zur pneumatischen Steuerung des Ventils zu replizieren. Gießen Sie 10 Milliliter flüssiges PDMS und einen Milliliter Härter in eine vorbereitete pneumatische Ventilkanalform und aktivieren Sie die Hitze bei 90 Grad Celsius für 30 Minuten. Nachdem die PDMS-Strukturen ausgehärtet sind, trennen Sie die SU8-Form.Stanzen Sie drei 1,5-Millimeter-Pneumatikanschlüsse mit einer 1,5-Millimeter-Punktion in den pneumatischen Ventilkanal. Gießen Sie 10 Milliliter flüssiges PDMS und einen Milliliter Härter in eine saubere SU8-Form. Spin Coat für 15 Sekunden bei 1500 Umdrehungen pro Minute mit einem Spin Counder, dann Hitze aktiviert bei 90 Grad Celsius für 30 Minuten.Trennen Sie die SU8-Form, nachdem die PDMS-Strukturen ausgehärtet wurden. Behandeln Sie die PDMS-Struktur 20 Sekunden lang mit atmosphärischem Plasma. Richten Sie die plasmabehandelten PDMS-Strukturen mit einem Mikroskop entsprechend der Kanalstruktur aus.Verkleben Sie die ausgerichteten PDMS-Strukturen, indem Sie sie 30 Minuten lang auf 90 Grad Celsius erhitzen. Machen Sie mit einer Punktion von 1,5 Millimetern ein Loch mit einem Durchmesser von 1,5 Millimetern im Flüssigkeitskanaleinlass und -auslass innerhalb des pneumatischen Kanalteils, das mit der dünnen Membranschicht verbunden ist. Replizieren Sie beide Seiten der PDMS-Schicht mit zwei SU8-Formen, um einen mikrofluidischen Kanal zu erzeugen.Verwenden Sie eine gekrümmte und rechteckige mikrofluidische Kanalform auf der Vorderseite und eine mikrofluidische Verbindungskanalform auf der Rückseite. Gießen Sie 10 Milliliter flüssiges PDMS und einen Milliliter Härter in die gekrümmte und rechteckige mikrofluidische Kanalform und drehen Sie es mit 1200 Umdrehungen pro Minute für 15 Sekunden, dann erstellen Sie Formen für die gekrümmte Flüssigkeitskammer und die Flüssigkeitskanäle durch Wärmeaktivierung bei 90 Grad Celsius für 30 Minuten. Trennen Sie die PDMS-Schicht, auf der der mikrofluidische Kanal gebildet wird.Behandeln Sie es dann 20 Sekunden lang mit atmosphärischem Plasma, um eine wärmeaktivierte Form herzustellen, die die versiegelte Entlüftungswand bedeckt, indem sie sich an den Glaswafer bindet. Gießen Sie drei Milliliter flüssige PDMS in den Verbindungskanal des SU8-Werkzeugs. Ordnen Sie die Struktur, die mit der Verbindungskanalform hergestellt wurde, in flüssigem PDMS auf der mikrofluidischen Verbindungskanalform an.Trocknen Sie dann die überlagerte Struktur bei 130 Grad Celsius für 30 Minuten. Entfernen Sie nach dem Aushärten die vordere SU8-Form von der mikrofluidischen Kanalnetzwerkschicht und ziehen Sie die hintere PDMS-Form vorsichtig ab. Gießen Sie 10 Milliliter flüssiges PDMS und einen Milliliter Härter in eine saubere SU8-Form und aktivieren Sie sie bei 90 Grad Celsius für 30 Minuten.Trennen Sie die SU8-Form, nachdem die PDMS-Strukturen ausgehärtet wurden. Behandeln Sie die mikrofluidischen PDMS-Verbindungskanalformen 20 Sekunden lang mit atmosphärischem Plasma. Richten Sie die plasmabehandelten PDMS-Strukturen mit einem Mikroskop entsprechend der Kanalstruktur aus.Verkleben Sie die ausgerichteten PDMS-Strukturen, indem Sie sie 30 Minuten lang auf 90 Grad Celsius erhitzen. Richten Sie die während dieses Prozesses vorbereiteten PDMS-Strukturen entsprechend der Kanalstruktur aus und verbinden Sie sie durch Behandlung mit atmosphärischem Plasma für 20 Sekunden. Füllen Sie mit einer 10-Milliliter-Spritze den mikrofluidischen Kanal mit blasenfreiem, demineralisiertem Wasser.Um den Druck der Arbeitsflüssigkeit und der drei pneumatischen Ventile, die den Mikroperlenfluss steuern, zu steuern, setzen Sie einen Präzisionsdruckregler mit vier oder mehr Auslasskanälen für das Arbeitsfluid in die mikrofluidische Plattform ein. Bereiten Sie Carboxylpolystyrol-Testpartikel verschiedener Größen in destilliertem Wasser vor. Um den Durchfluss der Arbeitsflüssigkeit zu steuern, füllen Sie die Hälfte einer Glasflasche mit dem Wasser und verbinden Sie den Glasflaschenverschluss mit dem Steuerungsausgangskanal und dem Mikroventil.Beobachten Sie mit einem inversen Mikroskop alle Bahnsteigvorgänge und messen Sie den Betriebsdurchfluss im Laufe der Zeit am Auslass mit einem Flüssigkeitsdurchflussmesser. Injizieren Sie das Partikel- oder Flüssigkeitsgemisch unter Druck am Einlass mit dem Partikelventil. Üben Sie Druck auf das CIV-Ventil mit 15 Kiopascal und das Partikelventil mit 18 Kilopascal aus, um das Ventil zu betätigen.Wenn die Partikel konzentriert sind, üben Sie nur Druck auf das Flüssigkeitsventil aus. Der Durchfluss der Fluide wurde in einen vierstufigen Plattformbetrieb unterteilt. Die erste Stufe war der Ladezustand.Die Arbeitsflüssigkeit und die Partikel waren fast identisch, da das mikrofluidische Kanalnetzwerk eine strukturelle Symmetrie aufwies. Die zweite Stufe war der Sperrzustand. Der Strömungsweg verengte sich und die am Auslassanschluss gemessene Durchflussmenge wurde durch den hydraulischen Widerstand reduziert.Die dritte Stufe war der Konzentrationszustand. Die gemessene QP lag nahe Null und die QF etwa 1,42-mal so hoch wie der Sperrzustand. Die letzte Stufe war der Release-Zustand.Die resultierenden Durchfluss- und Konzentrationsraten bewiesen, dass die mit dem pneumatischen Ventil programmierte sequentielle Betätigung aufgrund von Strömungsänderungen gut funktioniert. Partikel wurden konzentriert und im Sammelbereich akkumuliert, wenn das CIV-Ventil und das Partikelventil geschlossen wurden, und alle gesammelten, konzentrierten Partikel wurden innerhalb von vier Sekunden freigesetzt, wenn nur das Flüssigkeitsventil geschlossen war. Ein wesentlicher Teil dieses Verfahrens ist die Aushärtung der hinteren Struktur, wo die PDMS-Schicht durch den etwas mehr Druck der Luftschicht implantiert wird.Und die deformierte Filmschicht wird plötzlich aktiviert. Diese Plattform kann für die automatische Vorbehandlung von sehr konzentrierten und geraden und suspendierten Biopartikeln verwendet werden, da der Betrieb nicht durch die Eigenschaften der physikalischen Partikel beeinträchtigt wird.

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Surface-acoustic-wave-driven Acoustic-counterflow Microfluidics

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Oberflächenschallwellen-wave-driven Acoustic-Gegenstrom Mikrofluidik

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we ...

Forschung

Ingenieurwesen

Picoinjection of Microfluidic Drops Without Metal Electrodes

Picoinjection von Mikrofluidik-Tropfen ohne Metall-Elektroden

Existing methods for picoinjecting reagents into microfluidic drops require metal electrodes integrated into the microfluidic chip. The integration of ...

Time Multiplexing Super Resolving Technique for Imaging from a Moving Platform

Zeit-Multiplexing-Technik für überauflösenden Imaging von einer beweglichen Plattform

We propose a method for increasing the resolution of an object and overcoming the diffraction limit of an optical system installed on top of a moving ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

Thermal-Messtechnik in Analytical Mikrofluidiksysteme

Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. ...

Capillary-based Centrifugal Microfluidic Device for Size-controllable Formation of Monodisperse Microdroplets

Kapillar-basierten Kreisel Mikrofluidik-Vorrichtung zur Größe steuerbare Bildung von monodispersen Mikrotröpfchen

Here, we demonstrate a simple method for the rapid production of size-controllable, monodisperse, W/O microdroplets using a capillary-based centrifugal ...

A High Performance Impedance-based Platform for Evaporation Rate Detection

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Colloidal semiconductor nanocrystals, known as quantum dots (QDs), are a rapidly growing class of materials in commercial electronics, such as light ...

Scalable Quantum Integrated Circuits on Superconducting Two-Dimensional Electron Gas Platform

Skalierbare Quantum Integrated Circuits auf supraleitender zweidimensionaler Elektronengasplattform

To form a coherent quantum transport in hybrid superconductor-semiconductor (S-Sm) junctions, the formation of a homogeneous and barrier-free interface ...