실험실을 위한 단순화된 3D 유체역학적 흐름 포커싱

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 14671(2023) 이 기사 인용

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랩온어칩(Lab-on-a-Chip) 플랫폼 내에서 유체와 입자의 위치를 ​​정확하게 제어하는 ​​것은 검출, 트래핑, 분리, 단일 입자 수준에서 감지 이동과 같은 많은 다운스트림 분석 프로세스의 중요한 전제 조건입니다. 미세유체 제조 기술의 발전으로 입자/세포 초점이 2차원에서 3차원으로 이동했습니다. 들어오는 입자 구름을 분류하고 정렬하여 입자가 조사 영역을 하나씩 통과하도록 하는 3D 유체역학적 포커싱은 단일 세포 분석 시스템의 새로운 가능성과 획기적인 발전을 가능하게 합니다. 문헌에 나타난 우수한 결과에도 불구하고, 생물의학 연구 및 임상 응용을 위해 널리 수용되는 작업 센터가 되기 위해 높은 처리량, 소형화, 높은 통합성 및 사용 용이성 요구 사항을 동시에 충족할 수 있는 장치가 여전히 부족합니다. 여기에서 우리는 이 모든 장점을 잠재적으로 결합하는 용융 실리카 기판에 묻혀 있는 독특한 3D 흐름 집중 미세유체 장치를 제안했습니다. 레이저 보조 마이크로머신 기술을 활용하여 제조된 더 큰 버퍼 채널 내부에 매달린 샘플 채널을 설계함으로써 크기에 의존하지 않는 초점 기능이 표시됩니다. 15 μm와 6 μm PS 입자의 혼합물에서 1 μm PS 마이크로스피어 용액으로의 공간적, 시간적으로 안정적인 중심 흐름이 높은 정확도로 얻어졌습니다. 마지막으로, 달성 가능한 초점 분해능을 테스트하기 위해 생물학적 응용 개념의 증거로 수용액에서 대장균 박테리아를 검출하기 위해 칩을 테스트했습니다.

미세유체 플랫폼에서 유체를 정밀하게 조작하는 것은 구현될 수 있는 응용 범위가 넓기 때문에 최근 LOC(Lab-On-a-Chip) 연구 분야의 관심을 불러일으켰습니다. 샘플을 처리하는 양을 대폭 줄이고 장비 크기를 휴대용 규모로 축소하는 것 외에도 미세유체 장치 내에서 유체의 위치(즉, 그 안에 흐르는 입자의 흐름)를 정확하게 제어할 수 있는 기능은 다음과 같은 감지 방식을 전환했습니다. 단일 입자 수준. 이를 통해 추출 가능한 정보의 민감도와 양이 크게 향상됩니다. 여러 분야에서 이미 유세포 분석 및 단일 입자 검출1과 같은 생의학 분야 또는 기후 변화 모니터링, 미생물 수질 오염2과 같은 환경 분야, 화장품3, 식품 및 음료 순도 등의 산업 분야에서 이러한 이점을 활용하고 있습니다. 컨트롤2. 미세 유체 플랫폼 내에서 특히 고농도로 흐르는 입자는 채널 단면에 무작위로 분포되어 추가 분석 단계4의 효율성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 3D 흐름 포커싱의 기본 원리는 들어오는 입자 구름의 순서를 지정하여 하나씩 조사 영역을 가로지르도록 정렬하는 것입니다. 따라서 이러한 관점에서 볼 때 이상적인 포커싱 장치는 하나 이상의 다운스트림 분석 단계(예: 검출, 트래핑 및 분리)의 존재를 고려해야 하며 동시에 크기에 의존하지 않고 매우 작은 입자와 심지어 분자까지 관리할 수 있어야 합니다. 초점 기능은 게임 체인저입니다. 이러한 이유로 충족되어야 할 중요한 요구 사항은 플랫폼의 이식성에 영향을 주지 않는 소형화, 전체 분석 프로세스를 느리게 하지 않는 높은 처리량, 장치를 최대한 자동화되고 유연하게 만들기 위한 사용 편의성입니다. . 이러한 도전에 직면하기 위해 이미 다양한 전략이 시도되었습니다. 주로 입자에 힘을 외부적으로(즉, 능동) 또는 내부적으로(즉, 수동) 유도하는 두 가지 접근 방식을 식별할 수 있습니다. 첫 번째 경우 가장 많이 사용되는 역장은 음향5, 6, 자기장7 및 전기8, 9입니다. 효과적인 방법이지만 다른 외부 자극의 필요성으로 인해 압전 변환기, 자석과 같은 요소의 통합이 필요한 제조 공정이 모두 복잡해집니다. , 전극 및 작동에는 흐름 외에 힘 생성의 제어가 필요합니다. 그런 다음 필드가 입자 궤적에 작용하도록 하려면 유속을 제한해야 하며 처리량은 0.85 µL/min에서 수백 µL/min까지, 제한된 경우에는 약 500 µL/min4입니다. 6. 반면, 수동적 방법은 흐름 구성 덕분에 포커싱 작업을 수행합니다. 이 경우 또 다른 구별이 가능합니다. 일부 접근 방식은 채널 형상10 또는 홈이나 기둥과 같은 구조의 통합으로 인해 발생하는 관성력으로 인해 덮개 없는 효과를 사용하는 반면 다른 접근 방식은 여러 입구를 사용합니다. , 1에서 4까지, 샘플 흐름을 제한합니다. 관성 미세유체공학은 높은 처리량(최대 몇 mL/min)17을 달성할 수 있고 외장 흐름이 필요하지 않아 운영 복잡성을 줄일 수 있기 때문에 매력적인 방법입니다. 그러나 관성 포커싱은 특히 작은 공간에서 포커싱 해상도를 향상시키는 데 어려움이 있습니다. 실제로 이러한 장치는 크기와 밀접한 관련이 있는 입자 흐름에 작용하는 두 가지 힘, 즉 전단 유도 리프트력과 벽 유도 리프트력 사이의 경쟁을 활용한다는 것이 잘 알려져 있습니다. 따라서 흐름 집중을 달성하려면 한 번에 하나의 입자 직경만 사용하는 것이 필요합니다. 또한 입자 크기가 감소함에 따라 효과적인 포커싱에 필요한 최소 마이크로채널 길이가 극적으로 증가하여 칩 소형화에 영향을 미치고 추가 분석 단계의 통합을 복잡하게 하기 때문에 (서브)마이크로미터 규모에 가까운 입자를 포커싱하는 데 어려움이 있습니다. 직선 채널에서는 형상과 초점 길이가 입자 직경10, 18,19,20,21에 따라 달라지지만 나선형 채널22, 23 또는 수축-팽창 배열24의 경우 다양한 크기, 서로 다른 평형을 혼합하여 사용합니다. 포인트는 채널 섹션 전체에서 서로 다른 위치에 설정됩니다. 이로 인해 단일 심문 영역에 적합하지 않은 여러 집중 흐름이 발생합니다. 그런 다음 입자-입자 상호 작용이 포커싱을 방해하는 것을 방지하기 위해 입자의 부피 분율이 1% 미만일 때 관성 효과가 나타납니다. 이는 시료를 희석해야 하고 유효 처리량을 감소시키며 추가 전처리 단계가 필요함을 의미합니다. 입자 크기에 관계없이 미세 유체 채널의 중심에 샘플 흐름을 제한하는 개념적으로 가장 쉬운 방법은 동일한 채널 내에 다른 4개의 흐름을 주입하는 것입니다. 많은 연구에서 이러한 전략을 구현하여 좋은 초점 결과를 얻었지만 여전히 5개(또는 6개)의 흡입구를 동시에 관리해야 하기 때문에 임상 응용 분야에서 장치의 사용이 용이하지 않습니다. 이러한 이유로 몇몇 그룹에서는 주입 포트 수를 줄이기 위한 흥미로운 솔루션을 제시했습니다. 가장 많이 사용되는 전략 중 하나는 주 채널에 연결하기 전에 원래 가지를 분할하여 입구 수를 2개(13, 28, 29)로 줄이는 것입니다. 이러한 장치 작동의 복잡성이 줄어드는 것 외에도 흐름은 다음과 같이 정밀하게 분할되어야 합니다. 모든 가지가 정확한 입자 위치에 도달합니다. 따라서 유체 조작이나 형상, 제조 공정 중 또는 실험 기능(예: 기포로 인해)에 비대칭이 발생할 위험이 증가합니다. Tripathi et al.30은 완충 흐름과 곡선 채널로 인한 Dean 와류 효과의 조합을 활용하여 분할이 없는 두 개의 입구만으로 단순화된 형상을 달성했습니다. 우수한 초점 효율성 외에도 처리량은 100 µL/min으로 제한됩니다. 대신, 일부 다른 연구에서는 두 개의 외피 입구를 사용하고 샘플 채널의 종횡비를 줄여 버퍼 흐름이 접합부31,32의 주요 흐름을 포위하도록 절충점에 도달했습니다. 그럼에도 불구하고 이러한 장치는 제한된 처리량 범위를 보여줍니다. µL/min에서 30 µL/min까지, 주로 폴리디메틸실록산(PDMS)의 변형 가능성으로 인해 만들어집니다. 대신 Patel 등33은 유사한 전략을 사용했지만 PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트) 마이크로밀링 덕분에 장치 유량이 제한되지 않았습니다. 그러나 집속된 입자가 메인 채널 바닥으로 흐르기 때문에 장치가 막힐 위험이 있습니다. 다른 창의적인 솔루션은 두 개의 마이크로파이펫34, 여러 개의 마이크로 모세관35 또는 마이크로 노즐36을 통합하여 입구를 버퍼링하여 메인 채널을 둘러싸려는 시도로 표현됩니다. 우아한 구현 외에도 장치는 매우 취약하며 성능은 제조 공정의 정확성과 엄격하게 연관되어 있습니다.