This protocol describes a system architecture for performing automated small volume (0.15–1.5 ml) particle separations using a microfluidic device, and discusses methods to optimize acoustofluidic device performance and operation.
Een groot voordeel van microfluïdische apparaten is de mogelijkheid om kleine steekproef volumes manipuleren, waardoor reagens afval verminderen en het behoud van kostbare monster. Echter, robuuste sample manipulatie bereiken is het noodzakelijk device integratie richten de macroschaal omgeving. Om herhaalbare, gevoelige deeltje scheiding met microfluïdische apparaten te realiseren, dit protocol presenteert een compleet geautomatiseerde en geïntegreerde microfluïdische platform dat precieze verwerking van 0,15-1,5 ml monsters met behulp van microfluïdische apparaten mogelijk maakt. Belangrijke aspecten van dit systeem zijn onder modulaire apparaat lay-out en robuuste armaturen resulteert in betrouwbare en flexibele wereld om verbindingen chip, en volledig geautomatiseerde materiaalbehandeling die closed-loop monstername, systeem schoonmaken en priming stappen om herhaalbare werking volbrengt. Verschillende microfluïdische inrichtingen kunnen uitwisselbaar worden gebruikt met deze architectuur. Een acoustofluidic apparaat Hier nemen we, detail zijn characterizatie, performance optimalisatie, en demonstreren het gebruik ervan voor de grootte-scheiding van biologische monsters. Door het gebruik van real-time feedback tijdens de scheiding experimenten wordt monstername geoptimaliseerd om te besparen en zich te concentreren monster. Hoewel die de integratie van meerdere apparaten, voordeel van deze architectuur zijn de mogelijkheid om onbekende monsters te verwerken zonder extra systeemoptimalisatie, gemakkelijke vervangingsapparaat en nauwkeurige en robuuste monster verwerking.
Sample scheiding en fractionering is een van de meest veelbelovende toepassingsgebieden van microfluïdische technologie. Dergelijke sample handling stappen zijn integraal voor een effectieve klinische diagnostiek, therapeutische ontwikkeling, biosurveillance inspanningen, en de vooruitgang in het leven wetenschappelijk onderzoek en technologie. Talloze microfluïdische scheidingsstrategieën aangetoond voor vloeistof zwevende deeltjes en colloïden, alsmede voor chemische en biologische species; verschillende reviews bieden overzicht van de recente vorderingen en de ontwikkelingen op deze gebieden 1-9. Hoewel veel van deze microfluïdische scheidingstechnieken (hierna "Core Devices") zijn uitgebreid gekarakteriseerd, zijn enkele rapporten als het monster scheiding probleem op systeemniveau. De Core apparaten zijn meestal individuele centimeter schaal chips, gekoppeld aan fluorpolymeren buizen, met vloeistof door een verplaatsing of druk pomp geleverd.Toch, als de belofte van microfluidics – waaronder meer automatisering, betrouwbaarheid en vermindering van monstervolumes – is werkelijkheid te laten worden, ten minste een gelijkwaardige inspanning moet worden besteed aan het ontwerp van een volledige scheiding systeem waarin de Core Device is geïntegreerd .
Daarnaast is een grote uitdaging voor microfluïdische benaderingen BioDetection is de macro micro-interface. Dit betreft niet alleen de fysieke "wereld naar chip" verbindingen van een microfluïdische inrichting macroschaal componenten en de mismatch tussen typische klinische en analytische monstervolumes (~ 0,1-10 ml) en het inwendige volume van microfluïdische chips (~ 0,01-10 ui), maar ook voor de statistische steekproef beperkingen die voortvloeien uit het overbruggen van deze formaataanduidingen. Deze kwesties dragen bij aan de perceptie dat monster pre-processing en voorbereiding zijn de 'zwakke schakel' van BioDetection. 10 De in dit werk ta beschreven platformkes belangrijke stappen in de richting van het aanpakken van deze uitdagingen.
Het nemen van een system-level view, dit protocol worden de betrouwbare verwerking van nauwkeurig gedoseerde analytische schaal volumes (variërend 0,15-1,5 ml) op ~ 10 min tijdschalen. Dit is een "one-button" bediening: zodra de bron flacon met het monster en bestemming flesjes voor fractie collectie in het systeem worden geplaatst, de "run" commando initieert de procedure, en alle stappen zijn computergestuurd. Aan het einde van een run, kan de collectie flacons worden verwijderd uit het systeem voor de downstream-analyse van de gescheiden fracties.
De Core-apparaat in dit systeem is een acoustophoresis chip die zoogdiercellen-formaat (5-20 pm) deeltjes uittreksels uit de steekproef. Acoustophoretic scheiding wordt hier gekozen voornamelijk omdat het high-throughput (tot 100s van pl / min), label-free en non-contact, en biedt dus voordelen bij het scheiden van levensvatbare viruses uit cellen die weinig andere microfluïdische technieken kan evenaren. De fysica van de akoestische deeltjes scherpstellen zijn uitvoerig beschreven, 11-13 en zijn niet de focus van dit protocol, maar een korte samenvatting van de onderliggende concepten volgt om te helpen bij het begrijpen van de applicatie om microfluïdische scheiding.
Ultrasone staande golven resoneert in met vloeistof gevulde microkanalen produceren drukvelden, die tot krachten die deeltjes drijven richting knopen van lagedruk geven. De kracht magnitude afhankelijk van het volume van het deeltje, en een akoestisch contrast factor afgeleid van de relatieve dichtheden en compressibilities van het deeltje en het suspenderende vloeistof. 14 Als zodanig akoestische gericht is ideaal voor het scheiden van cellen-sized (~ 7-15 pm) van virus-en kleinbedrijf (~ 50-200 nm) deeltjes. De grotere deeltjes migreren naar een druk knooppunt; Aangezien de kracht magnitude is zeer klein voordeeltjes kleiner dan 2-3 urn, deze kleine deeltjes of opgeloste species nauwelijks bewegen helemaal. De specifieke implementatie van dempingwaarde, zoals eerder beschreven, 15 bevat een dunne wand voor het vloeistofkanaal verdelen en maakt afstembare, asymmetrische plaatsing van de scherpstelpositie. Dit voegt flexibiliteit in het apparaat design en de prestaties voordelen, waaronder verhoogde afscheiding kwaliteit en snelheid zijn volledig elders beschreven. 16,17
Echter, een belangrijk voordeel van de in dit werk beschreven systeemniveau ontwerpbenadering is dat het kan worden aangepast aan een grote verscheidenheid van microfluïdische apparaten Core. Zo kunnen bijvoorbeeld de meeste andere doorstroom scheiding modes, waaronder inertie, stroom-veld fractionering, deterministische laterale verplaatsing (DLD), en diverse soorten elektrokinetische apparaten gemakkelijk worden opgenomen, met de nodige aanpassingen om rekening te houden met veranderingen in de inlaat / uitlaat configuratie , stroomsnelheden,en sample volumes. Apparaten met verschillende soorten on-chip velden (elektrisch, magnetisch) of gradiënten (thermisch, chemisch) kunnen aanvullende verbindingen met de chip of de integratie van extra hardware, waarbij dit platform herbergt nodig.
Dit protocol voorziet in de stappen die nodig zijn om een microfluïdische scheiding apparaat te ontwerpen, en silicium-glazen chips te fabriceren door diepe reactief ionen etsen (DRIE, een plasma-etsproces verkrijgbaar in vele microfabricage faciliteiten, die gebruik maakt van afwisselende cycli van etsen en passiveren tot diep te bereiken eigenschappen met verticale zijwanden 18). Vervolgens beschrijven we de karakterisering van het acoustofluidic apparaat om de optimale bedrijfsparameters voor de scheiding vast, en tenslotte detail de volledig geïntegreerde scheidingssysteem en de procedure voor het verwerken van biologische monsters. Typische apparaat karakterisering resultaten en monster verwerking van gegevens worden vervolgens gepresenteerd en besproken, en de belangrijkste voordelen van deze voorkomendach zijn gemarkeerd, zoals modulariteit, robuustheid, precisie en automatisering.
Dit protocol geeft de system-level integratie van microfluïdische apparaten op macroschaal apparatuur om geautomatiseerde verwerking van biologisch monster uit te voeren. De modulariteit van dit platform maakt het mogelijk om aanpasbaar aan elke continue stroom apparaat, en, als voorbeeld, de gepresenteerde protocol is gericht op het karakteriseren en optimaliseren van de prestaties van een acoustofluidic deeltjes- scheidingsinrichting. Drie grote voordelen van dit protocol zijn gemarkeerd: (i) modulariteit en chip-to-wereld interfacing, (ii) uitgebreide karakterisering van de prestaties van het apparaat, en (iii) automatische verwerking van nauwkeurig gedoseerde monster volumes voor deeltjesfysica scheiding.
ik. Modulariteit en chip-to-wereld interfacing
Zoals getoond in figuur 2, wordt de microfluïdische chip gemonteerd op een aangepaste breadboard om gemakkelijk op een microscoop podium voor directe waarneming. De broodplank bevat # 6-40 UNF schroefgaten op een 5 mm-pitch raster, enabling de chip te beveiligen en fluïdumverbindingen worden gemaakt. De vloeistofaansluitingen worden PEEK buis met gedraaide einden, waarbij afdichting tegen vloeibare chip met een rubber-face pakking en een roestvrij stalen kraag. Deze interface regeling zorgt voor een gemakkelijke en snelle vervanging chip apparaat redesign, waarvoor weinig of geen wijzigingen in andere onderdelen van het systeem, mits chip voetafdrukken voldoen aan het raster formaat. Zo hebben we dit platform met microfluïdische chips voor de continue stroming elektroforese thermische cellysis, 29 snel mengen van reagentia voor chemische synthese en eencellige capture en ondervraging.
ik ik. Robuuste karakterisering van prestaties van het apparaat
Om de prestatie van elke microfluïdische scheidingsinrichting optimaliseren de werkzaamheden eerst grondig gekarakteriseerd. De hier beschreven systeem ondersteunt de ontwikkeling van snelle en geautomatiseerde protocollen om dit te doen. Voor de specifieke example akoestische focusseerinrichtingen, de focusserende kwaliteit, werkfrequentie en de positie van de gerichte deeltjes in de microfluïdische kanaal worden gemeten voor elk apparaat. Deze metingen vereisen vegen door een reeks van piezoceramic rijden frequenties, spanningen en debieten, om de optimale parameter combinaties voor hoogwaardige scheiding identificeren. Het gepresenteerde protocol verschilt automatisch deze instelbare parameters en vangt de betreffende data- dwz fluorescentiebeelden deeltjes stroomt in het kanaal dat nabewerkt tot de vereiste afmetingen van deeltjes concentreren, het aantal keren, en de positie (figuur 3) genereren.
Volledige karakterisering van akoestische prestaties van het apparaat moet herhalen van de stappen 4.4 en 4.5 als nodig is onder verschillende experimentele omstandigheden. Zo wordt de absolute scherpstelpositie van een chip gevonden door uitvoering van de frequentiescan relatief lage stroomsnelheden en hoogspannings volledige migratie naar de knooppuntlocatie waarborgen. Bovendien kunnen dergelijke frequentiescans de kwaliteit van inrichtingsamenstel (indien uitgevoerd met polystyreen kralen van bekende grootte) beoordelen of om te bepalen hoe een eerder onbekend soort deeltje gedragen in het systeem (nadat een chip is gekarakteriseerd met kralen). Een chip met goede energieoverdracht van de piezoceramic de microfluïdische kanaal resulteert in strakke focus bij hoge stroomsnelheden (> 1 ml / min) en de lage spanning (V pp 12-15), terwijl die met slechte energieoverdracht niet eens richten bij lage stroomsnelheden (<100 pl / min) en hoge spanningen (> 20 V pp). Wij hebben gevonden dat innig contact tussen de microfluïdische chip en de piëzokeramische is essentieel voor efficiënte energieoverdracht in de vloeistof. Verder onderzoek van de optimale methode van hechten van de microfluïdische chip en de piëzokeramische zal betrouwbare productie van hoogwaardige apparaten.
Tenslotte volledigbeeld van de werking van een acoustophoretic apparaat kan worden verkregen door het combineren van de beeldgebaseerde frequentie scanmetingen van Stap 4 (en figuur 3) met deeltjesaantallen vanuit het SPO LPO als functies van de relevante bedrijfsparameters vanuit scheidingsexperimenten met microbolletjes uitgevoerd zoals beschreven in Stap 5. Zoals getoond in figuur 6, kan een dergelijke reeks geautomatiseerde experimenten snel karakteriseren van de prestaties van een individu apparaat en tunability informeren van de gebruiker van de optimale parameter speelt de inrichting voor deeltjesscheiding bedienen.
iii. Geautomatiseerde kleine steekproef verwerking voor deeltjesscheiding
Voor een succesvolle en nauwkeurige microfluïdische chip-gebaseerde monster verwerking, is het essentieel om betrouwbaar en nauwkeurig meter, belasting, leveren, en het verzamelen van de hoeveelheden vloeistof als ze door. Deze nauwkeurigheid is vooral belangrijk wanneer het monster volume is klein(~ 0,1-1 ml), die gebruikelijk is in klinische of onderzoekslaboratorium instellingen. 30 Precise sample handling is een uitdaging in traditionele microfluïdische experimenten die manuele terugtrekking van het monster in een spuit en infusie in een apparaat gebruiken zonder feedback van wanneer het monster heeft gescheiden en wanneer deze moet worden verzameld. De gepresenteerde protocol wendt geautomatiseerde monster spoel het laden en het afgeven in combinatie met real-time feedback van stroom sensoren om reproduceerbare scheidingen van kleine steekproef volumes mogelijk te maken.
Figuur 5 toont de stroom profielen gemeten op de SPO LPO van een typische scheiding experiment. Ten eerste leidt buffer van ten minste 35 gl geladen in een stabiele stroom voordat het monster akoestische chip bereikt. Monstervolumes minder dan 100 gl worden niet aanbevolen voor deze systeemconfiguratie, omdat monsterverdunning vanwege de leidende buffer excessief. Een plug van lucht wordt gebruikt bij het begin van the injectie voordat de leidende buffer om het monster stekker scheiden van de vloeistof die volgt voorkomen menging en verdunning van monster en dient als indicator voor de flowsensoren. Na een voorbijgaande als vloeistof begint te bewegen door het systeem scherpe piek signalen in beide uitstroomopeningen geven de doorgang van de eerste luchtbel. Deze transiënten worden gevolgd door een langdurige stabiele stroom wanneer het monster stroomt door het systeem, een piek wanneer de tweede luchtbel passeert, en tenslotte een eventuele afname van de stroomsnelheid tot nul na de injectiepomp stopt.
De passage van de lucht door de pluggen flow sensoren wordt gebruikt als triggerpoints de ventielen schakelen starten en stoppen monstername, de gemaskeerde monster en verdunning minimaliseren van niet-monstervloeistof volumes. Closed-loop dosering van verwerkte monstervolumina hoeft te herprogrammeren deze waarden voor de aanvang van het experiment telkens de input sample veranderd. Deze functie isvooral belangrijk wanneer monstervolume beperkt is, bijvoorbeeld bij vele klinische monsters. Real-time stroom bewaking helpt ook bij het oplossen van problemen; een slechte run (bijvoorbeeld een belemmering vormen in een van de uitlaten) is onmiddellijk duidelijk uit de resultante stromingsprofielen, zoals in figuur 5b.
Om de flexibiliteit en doelmatigheid van acoustofluidic scheiding met gebruikmaking van de systeemarchitectuur, gezuiverd DENV en GGV virusvoorraden demonstreren werden ingespoten in cel voorraden en gescheiden door verwerking via de microfluïdische chip. Figuur 7a toont dat Raji-cellen werden goed gescheiden van virussen, zoals 97 % van Raji cellen verlaten de chip bleken in het LPO, waardoor een sterk verrijkt monster van DENV in de SPO verlaten. In vergelijking, de efficiëntie van DENV scheiding was lager, met 70% van DENV verlaten van de chip in de SPO. Dit kan worden toegeschreven aan de geringe convectieve menging geïnduceerd door de windingen van de separatiop kanaal, maar meer waarschijnlijk enige DENV deeltjes migreert samen met de Raji cellen in de LPO. Cellen migreren lateraal over stroomlijnt slepen wat vocht met hen, zelfs bij lage Reynolds getal. Door dit mechanisme, en niet-specifieke adsorptie oppervlak, virusdeeltjes over in het LPO. Toch is de sterk verrijkt monster DENV in het SPO is een belangrijk voordeel, bijvoorbeeld wanneer de novo sequentie wordt gebruikt voor het opsporen en virussen te identificeren.
Figuur 7b toont dat in een experimentele run, slechts ongeveer 70% van de cellen Boa verlaten de chip werden gevonden in het LPO, tegen bijna 100% scheidingsrendement van Raji-cellen. Het verschil in scheidingsprestatie tussen de twee celtypen kan worden toegeschreven aan een kleinere gemiddelde grootte of een lagere dichtheid van Boa cellen in vergelijking met Raji-cellen, dus resulteert in kleinere akoestische krachten. Om te bevestigen of weerleggen deze veronderstellingen, de grootte, dichtheid en morfologie van Boacellen in suspensie (die normaal hechtende kweken) van Boa cellen moeten nauwkeurig worden gemeten, een poging voor verder onderzoek. In dezelfde experimenten vergelijkbaar met de experimenten met DENV het grootste deel van het gewonnen GGV verlaten van de SPO, wijst op een verrijking van de virale fractie.
De gepresenteerde gegevens benadrukken de inherente problemen van techniek breed toepasbare platforms voor het verwerken van een verscheidenheid van biologische monsters. Belangrijk is, kan de biologische interacties gaan even grote rol spelen als de fysische en mechanische effecten. Echter, deze voorlopige experimenten de kracht en de belofte van het gebruik van dit systeem architectuur voor monster verwerking in de klinische en wetenschappelijke toepassingen tonen ook aan. Als een robuuste, goed gekarakteriseerd ontworpen systeem, dit platform biedt de mogelijkheid om antwoorden op nieuwe wetenschappelijke vragen te zoeken.
The authors have nothing to disclose.
This work was performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by Lawrence Livermore National Laboratory under Contract DE-AC52-07NA27344, and partially supported by LLNL’s Laboratory Directed Research and Development (LDRD) program, 14-LW-077. The authors thank Michael Wilson, Mark Stenglein and Joe DeRisi at the Univeristy of California, San Francisco for generously providing GGV and Boa cell samples. EJF acknowledges support from the LLNL Lawrence Scholar Graduate Program. MS acknowledges support from the UC Office of the President Lab Fees Research Program. LLNL-JRNL-665235
Materials required for Steps 1-3: Device Design, Fabrication and Assembly | |||
Double Sided Polished Silicon Wafer | Silicon Quest International, Inc. San Jose, CA, USA | 100 mm <100> prime wafer | 1-20 ohm-cm, 495 +/- 25µm Double-side polished |
Glass Wafer | Bullen Ultrasonics, Eaton, OH, USA | 100mmx0.5mm Boro | |
Photoresist, AZ 1518 | MicroChemicals GmbH, Ulm, Germany | AZ 1518 | Photoresist used to adhere wafer to blank wafer for DRIE etching |
Photoresist, AZ 4620 | MicroChemicals GmbH, Ulm, Germany | AZ 4620 | Photoresist to define fluidic and via mask patterns |
DRIE plasma etcher | STPS, Newport, NP, United Kingdom | Multiplex Advance Oxide Etch (AOE) ICP system | |
Wafer Bonder | Electronic Visions Group, St.Florian am Inn, Austria | EVG 501 | |
Dicing saw | Kulicke & Soffa Industries, Singapore | K&S 982 | |
Epoxy kit | Epoxy Technology, Billerica, MA, USA | EPO-TEK 301 | Epoxy used to couple piezo and microfluidic chip |
PZT piezoceramic | Piezo Systems, Woburn, MA, USA | PSI-5A4E | 37.5 × 10 × 0.5 mm |
28 AWG Kynar-insulated solid wire | Squires Electronics, Cornelius, OR, USA | UL1422 | |
2-part silver epoxy | MG Chemicals, Surrey, BC, Canada | 8331 | Conductive adhesive for attaching wire leads to PZT |
L-edit | Tanner EDA, Monrovia, CA, USA | Ledit v15.1 64-bit | CAD software for mask layout |
Materials required for Step 4: Characterizaiton of Acoustic Focusing Performance | |||
Dual Pump | Harvard Apparatus, Holliston, MA, USA | PHD ULTRA Series, 703007 | |
5ml syringes | Becton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ, USA | 309646 | |
Luer to Threaded port adapter | IDEX, Oak Harbor, WA, USA | P-659 | Connects syringe to tubing |
Union | IDEX, Oak Harbor, WA, USA | P-623 | Connects world to chip connections to fluoropolymer tubing. Can also use webbed |
Ferrule 1/4-28 flat bottom | IDEX, Oak Harbor, WA, USA | P-200 | Used with nut to make connections between tubing and syringe, flow sensors and world to chip hardware |
Nut 1/4-28 flat bottom | IDEX, Oak Harbor, WA, USA | P-202 | Used with ferrule to make connections between tubing and syringe, flow sesnsors and world to chip hardware |
1/16" OD Fluoropolymer tubing | IDEX, Oak Harbor, WA, USA | 1912L | Tubing to connect syringe pumps to world to chip connections. Tubing size is not critical during claibration steps (.01-.03" ID typically used, other suitable part numbers: 1907L, 1902L). |
Small ID fluoropolymer tubing | IDEX, Oak Harbor, WA, USA | 1476-20 | Used for Flow restrictors: 0.006" ID, 1/16" OD FEP |
PEEK tubing | Connects from chip to fluoropolymer tubing. | ||
Cooling fan | Multicomp, Leeds, England | MC19663 | |
Function Generator | Agilent, Santa Clara, CA, USA | 33220A | |
RF amplifier | ENI, Rochester, NY | 325 LA | Must be able to amplify signals from <1V in the range of 1-2MHz to 25 Vpp to the piezo. |
CCD Camera | Photometrics, Tucscon, AZ, USA | CoolSnap HQ | |
Inverted Microscope | Zeiss, Oberkochen, Germany | Axiovert S100 | |
FITC filter set | Chroma Tech, VT, USA | SP101 | |
Objective, 10x | Zeiss, Oberkochen, Germany | ACHROPLAN | |
Oscilloscope | Tektronix, Beaverton, OR, USA | TDS3014B | To monitor voltage output by RF amplifier |
MatLab | Mathworks, Natick, MA, USA | R2014a | |
Driver interface software to integrate Photometrics camera with LabVIEW | R Cubed Software, Lawrenceville, NJ, USA | SITK | |
Tween 20 | Sigma Aldrich, St. Lousi, MO, USA | P9416 | |
Dragon Green Fluorescent 5.76 or 7.32 µm Beads | Bangs Laboratory, IN, USA | FS06F | |
Additional materials required for Step 5: Automated Separation | |||
Multiport valves | VICI, Houston, TX, USA | C25Z-3180EUHA | In the current configuration 4 valves are needed |
Flow Sensors | Sensirion, Westlake Village, CA, USA | SLI-1000 | |
Fluoropolymer tubing, .01 and .03" ID | IDEX, Oak Harbor, WA, USA | 1902L and 1912L | High purity PFA preferred |
Nut | VICI, Houston, TX, USA | ZN1PK-10 | Used with ferrule to make connections between tubing and valves. Alternative part numbers: MZN1PK-10, LZN1PK-10 |
Ferrule | VICI, Houston, TX, USA | ZGF1PK-10 | Used with nut to make connections between tubing and valves. |
LabVIEW | National Instruments, Austin, TX, USA | LabVIEW Professional Development system | Laboratory Automation Software |
PBS | Teknova, Hollister, CA, USA | P0200 | |
Raji Cells | ATTC, Manassas, VA, USA | CCL86 | |
Boa Cells | Kindly provided by the DeRisi Laboratory at UCSF | ||
GGV | Kindly provided by the DeRisi Laboratory at UCSF | ||
DENV | Kindly provided by Jose Pena at LLNL | ||
Coulter Counter Z2 | Beckman Coulter, Brea, CA, USA | Z2 | |
Hemacytometer | Fisher Scientific, Waltman, MA, USA | 0267151B |