Арт. COBALT
Аннотация
Микрофлюидика позволяет генерировать капли для применения в широком спектре лабораторных приложений. Однако современные методы визуализации, используемые для определения характеристик капель, занимают много времени и требуют хранения большого объема данных. В рамках данного проекта разработана новая оптико-микрофлюидная система для надежного и воспроизводимого маркирования капель с использованием оптических волноводов в конфигурации Маха-Цендера. Разработанная авторами оптико-микрофлюидная платформа соединила регулятор давления и датчик потока с гелий-неоновым лазером и подложкой для успешного определения последовательности, характеристик и маркировки капель. Благодаря биосовместимости и химической стойкости подложки из ниобата лития, использованной в экспериментах, система может быть адаптирована к широкому спектру применений, включая методы "лаборатория-на-чипе".
Чтобы узнать больше, посмотрите вебинар Лесли Лабарре и Орели Винье о микрофлюидике на основе капель!
Капельная микрофлюидика
Введение | Подход к определению характеристик капель в режиме реального времени
Интегрированный подход, разработанный авторами, объединяет оптические волноводы в конфигурации интерферометра Маха-Цендера (MZI) для маркировки капель, создаваемых микрофлюидикой. Конфигурация MZI состоит из входного световода, который разделяется на два рукава, проходящих через микрофлюидический канал. После прохождения через канал два ответвления рекомбинируют в одно, образуя выходной волновод (рисунок/диаграмма).
Фотодиод собирает выходной свет и передает сигнал в систему сбора данных (DAQ) для обработки. Интенсивность оптической передачи (ОТ) изменяется в зависимости от преломления света от капли и окружающей фазы (масла). Изменение сигнала ОТ определяет движение капли по каналу. Таким образом, устройство последовательно маркирует и анализирует длину и скорость капель. Авторы соединили камеру и микроскоп с микрофлюидной системой, приводимой в действие давлением, чтобы синхронно сравнить производительность и надежность обоих методов.
Цель и задачи
Доказательство концепции этого проекта было направлено на:
- Преодолеть недостатки существующих методов визуализации при маркировке капель, сохраняя при этом надежность полученных данных.
- Создать полностью интегрированную оптико-микрофлюидную платформу, адаптированную к различным лабораторным приложениям и потребностям.
Материалы и методы | Создание оптико-микрофлюидной системы
Микрофлюидная установка состоит из контроллера давления Elveflow OB1 MK3+, подключенного к датчику потока BFS. Elveflow OB1 MK3+ обеспечивает практически любой профиль давления в системе. Датчик потока BFS измеряет скорость потока в устройствах. Эта комбинация позволяет регулировать как давление, так и расход. Контроллер давления и датчик расхода были соединены с гелий-неоновым лазером с MZI и фотодиодом. Таким образом, исследователи могли создавать определенные и изменяемые скорости потока для тестирования различных конфигураций для определения характеристик капель.
Подложка из ниобата лития была интегрирована в микрофлюидную систему. Микрофлюидная система состоит из генератора капель с перекрестным переходом, соединенного с прямым каналом. Фотодиод собирает свет, выходящий из волновода, и сигнал передается в систему сбора данных (DAQ). Капли были получены с помощью перекрестного потока, состоящего из трех каналов. Вода MilliQ впрыскивалась в центральный канал с переменной скоростью потока [10:55] мкл/мин. Гексадекановое масло, содержащее 3% SPAN80, вводилось в два перпендикулярных канала с диапазоном скорости потока [10:125] мкл/мин.
Видео 1: Оптофлюидическая система и конфигурация MZI. Микрофлюидная система состоит из генератора капель с перекрестным переходом, подключенного к прямому каналу. Фотодиод собирает свет, выходящий из волновода, и сигнал передается в систему сбора данных (DAQ).
Чтобы сравнить производительность микрофлюидного устройства с подходом к визуализации, к системе были подключены видеокамера и микроскоп. Видеокамера одновременно записывала динамику капель в канале, а микроскоп позволял визуализировать капли в реальном времени.
Видео 2: подход к визуализации. К системе были подключены видеокамера и микроскоп. Видеокамера одновременно записывала динамику капель в канале, а микроскоп позволял визуализировать капли в реальном времени.
Изображения со стандартной системы и сигнал оптической передачи (OT) от MZI анализировались специальным программным обеспечением для отслеживания.
Используемое оборудование
- Подложка из ниобата лития (LN);
- Устройство интерферометра Маха-Цендера;
- Контроллер давления Elveflow OB1 MK3+;
- Кориолисовый датчик расхода BFS;
- Вода Millipore Milli-Q;
- Суспензия гексадеканового масла (Sigma Aldrich), содержащая 3% SPAN80 (Sigma Aldrich);
- Opto-fast камера acA800-510 мкм.
Основные выводы | Надежное и быстрое определение характеристик капель
Ассоциируя время срабатывания и сигналы ОТ с различными конфигурациями, устройство могло маркировать даже капли произвольной формы, размера и скорости. Кроме того, различия в составе капель создавали различные конфигурации, а вариации размеров капель демонстрировали различную интенсивность ОТ. Последовательность прохождения капель определялась по временному интервалу между двумя моментами, когда капля пересекает два волноводных ответвления в микрофлюидном канале. Таким образом, платформа MZI предоставляла данные о длине и скорости капель.
Чтобы проверить способность MZI к последовательности быстротекущих капель, было проанализировано 43 эмульсии с более чем 100 каплями при различной скорости потока. Платформа MZI продемонстрировала отличную способность определять длину и скорость отдельных капель и эмульсий, аналогично широко используемому методу визуализации. Важно подчеркнуть, что все результаты были проверены при одновременном использовании стандартной системы визуализации. Этот протокол валидации подтвердил, что платформа MZI может использоваться независимо от получения изображений с той же надежностью, но с лучшей воспроизводимостью и временем обработки данных.
Заключение | Определение характеристик капель с помощью оптико-микрофлюидики повышает воспроизводимость данных
По сравнению со стандартными используемыми системами визуализации, интегрированный метод MZI надежно обнаруживает капли, генерируемые микрофлюидикой, без необходимости калибровки (как это требуется для большинства методов на основе электричества). Благодаря маркировке скорости и длины в режиме реального времени, интегрированная система успешно оптимизирует время и воспроизводимость лабораторных протоколов. Самое главное, MZI может быть легко интегрирован в микрофлюидные устройства. Кроме того, волноводная структура MZI может быть адаптирована для обнаружения более мелких биологических единиц - таких как клетки и частицы, - что невозможно сделать с помощью стандартных волоконных устройств.
"Примечательно, что принцип работы детектора MZI не зависит ни от интенсивности оптического сигнала передачи, ни от характера взаимодействия, пока можно выделить вышеупомянутые временные моменты. Таким образом, любые комбинации жидкостей могут быть обнаружены, если они обеспечивают триггерный сигнал, который позволяет выделить четыре момента между различными взаимодействиями капель с двумя ветвями", - заключают авторы.
