Упрощенная трехмерная гидродинамическая фокусировка потока для лаборатории

Том 13 научных докладов, номер статьи: 14671 (2023) Цитировать эту статью

387 Доступов

Подробности о метриках

Точный контроль положения жидкости и частиц внутри платформы «лаборатория на чипе» является важнейшим условием для многих последующих процессов анализа, таких как обнаружение, улавливание и разделение, перемещение датчиков на уровне одной частицы. С развитием технологии микрофлюидного производства фокусировка частиц/клеток сместилась с двух измерений на три. Трехмерная гидродинамическая фокусировка, которая сортирует и выравнивает поступающее облако частиц так, чтобы они проходили через область опроса одна за другой, открывает новые возможности и прорывы в системе анализа одиночных клеток. Несмотря на отличные результаты, показанные в литературе, до сих пор не хватает устройства, которое могло бы одновременно удовлетворить требования высокой производительности, компактности, высокой интегрируемости и простоты использования, чтобы стать широко признанным рабочим центром для биомедицинских исследований и клинических применений. Здесь мы предложили уникальное микрофлюидное устройство для фокусировки трехмерного потока, погруженное в подложку из плавленого кварца, которое потенциально сочетает в себе все эти преимущества. Путем разработки канала для образца, подвешенного внутри буферного канала большего размера, изготовленного с использованием лазерной микромашинной техники, показана способность фокусировки, не зависящая от размера. С высокой точностью получен пространственно и временно стабильный центральный поток смеси частиц ПС размером 15 и 6 мкм в раствор микросфер ПС размером 1 мкм. Наконец, чтобы проверить достижимое разрешение фокусировки, чип был протестирован на обнаружение бактерий Escherichia Coli в водном растворе в качестве доказательства концепции биологического применения.

Точные манипуляции с жидкостями на борту микрофлюидных платформ в последние годы привлекли внимание исследователей в области «Лаборатории на чипе» (LOC) из-за широкого спектра применений, которые могут быть реализованы. Помимо резкого сокращения объема обрабатываемых образцов и сокращения размеров инструментов до портативных масштабов, возможность точного контроля положения жидкости (а значит, и частиц, плывущих в ней) внутри микрофлюидных устройств сместила восприятие на более высокий уровень. уровень одной частицы. Это значительно повышает чувствительность и объем извлекаемой информации. Этими преимуществами уже воспользовались многие области, такие как биомедицинская (например, проточная цитометрия и обнаружение одиночных частиц)1 или экологическая (например, мониторинг изменения климата, микробное загрязнение воды2) и промышленность (косметика3), а также чистота продуктов питания и напитков. контроль2. Частицы, текущие внутри микрофлюидной платформы, особенно при высоких концентрациях, распределяются случайным образом в поперечном сечении канала, резко влияя на эффективность любого дальнейшего этапа анализа4. Таким образом, основным принципом фокусировки трехмерного потока является упорядочение приближающегося облака частиц, выравнивание их так, чтобы они пересекали область опроса одна за другой. Таким образом, с этой точки зрения идеальное фокусирующее устройство должно учитывать наличие одного или нескольких последующих этапов анализа (например, обнаружение, улавливание и разделение), а также иметь возможность управлять очень маленькими частицами и даже молекулами, что не зависит от размера. Возможность фокусировки меняет правила игры. По этой причине важнейшими требованиями, которые необходимо выполнить, являются компактность, чтобы не влиять на мобильность платформы, высокая пропускная способность, чтобы не замедлять весь процесс анализа, и простота использования, чтобы сделать устройство максимально автоматизированным и гибким. . Многие различные стратегии уже пытались решить эту проблему. В основном можно выделить два различных подхода: методы, которые воздействуют на частицы внешними силами (также известными как активные) или изнутри (также известные как пассивные). В первом случае наиболее часто используемыми силовыми полями являются акустические5, 6, магнитные7 и электрические8, 9. Хотя они являются эффективными методами, необходимость других внешних стимулов усложняет как процесс изготовления, так и требует интеграции таких элементов, как пьезопреобразователи, магниты. , и электроды, и операции, требующие управления не только потоком, но и генерацией силы. Затем, чтобы позволить полю воздействовать на траекторию частицы, необходимо ограничить скорость потока, в результате чего пропускная способность составит от 0,85 мкл/мин до нескольких сотен мкл/мин и только в ограниченных случаях около 500 мкл/мин4, 6. С другой стороны, пассивные методы оказывают фокусирующее действие именно благодаря своей потоковой конфигурации. В этом случае можно сделать еще одно различие: некоторые подходы используют эффекты без оболочки из-за сил инерции, создаваемых геометрией канала10 или интеграцией структур, таких как канавки или стойки, в канал11, 12, в то время как другие используют несколько входных отверстий. , от 1 до 4, чтобы ограничить поток пробы13,14,15,16. Инерционная микрофлюидика является привлекательным методом, поскольку позволяет достичь высокой производительности (до нескольких мл/мин)17 и не требует потоков через оболочку, что снижает сложность работы. Однако инерционная фокусировка затрудняет улучшение разрешения фокусировки, особенно в небольшом пространстве. Фактически, хорошо известно, что эти устройства используют конкуренцию между двумя силами, действующими на текущие частицы, которые тесно связаны с их размером: подъемными силами, вызванными сдвигом, и подъемными силами, вызванными стенкой17. Таким образом, для достижения фокусировки потока необходимо одновременно использовать частицы только одного диаметра. Кроме того, фокусировка частиц, близких к (суб)микрометровому масштабу, сталкивается с трудностями, поскольку минимальная длина микроканала, необходимая для эффективной фокусировки, резко увеличивается с уменьшением размера частиц, что влияет на компактность чипа и усложняет интеграцию дальнейших этапов анализа. В прямых каналах геометрия и длина фокусировки изменяются в зависимости от диаметра частиц10, 18,19,20,21, тогда как в случае спиральных каналов22,23 или массивов сжатия-расширения24 за счет использования смеси разных размеров, различных равновесных точки устанавливаются в разных позициях по сечению канала. Это приводит к образованию множества сфокусированных потоков, которые не подходят для одной области опроса. Затем инерционные эффекты наблюдаются, когда объемная доля частиц составляет менее 1% — чтобы избежать нарушения фокусировки межчастичными взаимодействиями25. Это означает, что образец необходимо разбавить, что снижает эффективную производительность и требует дополнительного этапа предварительной обработки. Концептуально самый простой способ ограничить поток пробы в центре микрофлюидного канала, независимо от размера частиц, — это ввести еще четыре потока в тот же канал. Во многих работах такая стратегия реализована, что позволило добиться хороших результатов фокусировки14, 16, 26, 27, но все же необходимость управления пятью (или шестью) входами одновременно не облегчает использование устройства в клинических приложениях. По этой причине несколько групп представили интригующие решения по уменьшению количества инъекционных портов. Одна из наиболее часто используемых стратегий — разделить исходную ветвь перед подключением ее к основному каналу, уменьшив количество входов до двух13, 28, 29. Помимо снижения сложности работы таких устройств, поток должен быть точно разделен на все ветви для достижения точного позиционирования частиц. Таким образом, увеличивается риск внесения асимметрий в манипуляции с жидкостью или в геометрию, во время процессов изготовления или в экспериментальное функционирование - например, из-за пузырька воздуха. Трипати и др.30 добились упрощенной геометрии всего с двумя входными отверстиями и без разделения, в которой используется комбинация буферного потока и вихревого эффекта Дина из-за изогнутых каналов. Помимо хорошей эффективности фокусировки, пропускная способность ограничена 100 мкл/мин. Вместо этого в некоторых других работах был достигнут компромисс за счет использования двух входных отверстий оболочки и уменьшения соотношения сторон канала отбора проб, так что поток буфера обволакивает основной поток в месте соединения31, 32. Тем не менее, эти устройства также демонстрируют ограниченный диапазон пропускной способности. от мкл/мин до 30 мкл/мин, в основном за счет деформируемости полидиметилсилоксана (ПДМС), из которого они изготовлены. Вместо этого Патель и др.33 использовали аналогичную стратегию, но скорость потока в их устройстве не ограничена благодаря микроизмельчению полиметилметакрилата (ПММА). Однако, поскольку их сфокусированные частицы текут по дну основного канала, устройство подвергается риску засорения. Другие творческие решения представляют собой попытки окружить основной канал буферными входами, интегрируя две микропипетки34, несколько микрокапилляров35 или микронасадку36. Помимо элегантной реализации, устройства очень хрупкие, а их характеристики строго связаны с точностью процесса изготовления.