流体力学的トラッピング

マイクロ流体工学において、流体力学的トラッピングは、粒子を分離してその挙動を観察するために、非常に小さな粒子を水溶液中に長時間捕捉する技術である。 ^[1]

マイクロ流体

流体力学的トラッピングは、マイクロ流体工学において有利である。他のトラッピング装置は、トラッピングに音響、電気、磁気、および光学場を利用する。この装置は、流体力学的流れのみを使用する。音響、電気、磁気、または光学場を利用しないため、研究対象の粒子は、これらの場に対応する化学的または物理的特性を有する必要はない。代わりに、流体力学的トラッピングは普遍的であり、あらゆる粒子に使用できる。流体力学的トラップは、小さなナノ粒子を閉じ込めることができる。これは、流体力学的トラッピング力が粒子の半径と密接に関連しているのに対し、他のトラッピング方法は粒子の体積とより密接に関連しているためである。これらのトラップは安定しており、環境要因を正確に制御することができる。つまり、溶液中の特定のナノ粒子を研究対象とする場合、このナノ粒子を濃縮サンプル懸濁液にトラップすることができる。トラップ内の周囲の媒体は簡単に制御できる。^[2]前述の流体力学的トラッピングの利点に加えて、流体力学的トラッピングは比較的低コストのトラッピング方法でもあり、使用と分析が非常に簡単である。既存のソフトリソグラフィーベースのマイクロ流体システムに組み込むことも簡単かつ安価です。^[1]

デバイス

流体力学的トラッピングに使用されるマイクロ流体デバイスを作成するための最初のステップは、SU-8型を作成することです。この型から、PDMS でデバイスを作成できます。完成したデバイスは、制御層と流体層の 2 つの層で構成されます。制御層には、調査対象の水溶液の流れを調節するバルブが含まれています。流体層には、水溶液が通過するチャネルが含まれています。多くのデバイスには、2 つの反対方向の層流が収束するクロススロットがあります。これにより、速度がゼロになる点 (流体のよどみ点として知られています) を持つ平面伸張流が作成されます。顕微鏡下でビーズ、DNA、またはその他の非常に小さな粒子を含む流体を分析すると、粒子の軌跡とよどみ点を決定できます。^[1]

バイオメディカルアプリケーション

マイクロ流体流体力学は、医療、特にポイントオブケア診断において、今後注目されるアプリケーションです。流体力学的トラッピングにより、水性混合物から標的細胞を分離できます。分離技術としての流体力学的トラッピングには、処理速度の向上、サンプル使用量の削減、空間分解能の向上、コスト効率など、いくつかの利点があります。標的細胞が溶液中で分離される方法は、いくつかの種類の効果に依存します。1 つ目は慣性効果です。層流の慣性により、溶液中の粒子が流線を横切って移動します。慣性効果はレイノルズ数に関係しています。もう 1 つの効果は、非ニュートン流体における粘弾性フォーカスです。この効果は、異なる粒子の移動方向を考慮したもので、ポリマー流体の特性に基づいています。もう 1 つの効果は、粒子の変形可能性です。これにより、変形可能性選択的な細胞分離が可能になります。この技術は、体の同じ部分の健康な細胞よりも変形しやすい癌細胞を特定するのに特に役立ちます。もう 1 つの方法は、渦度誘起トラッピングです。これは、高スループットの状況や、標的細胞または粒子と溶液中の他の粒子との間に大きな差がある状況で特に有用である。渦は、チャネルの形状を変更することによって作成することができる。^[3]

脂質二重層

流体力学的トラッピングは、脂質二重層内の分子を捕捉して研究するためにも使用できます。これは、脂質二重層から約1マイクロメートル離れたところにある非常に小さな円錐形のピペットを通る流体の流れによって生成される流体力学的抗力を使用して行われます。これにより、脂質二重層から突き出ている粒子を捕捉して研究することができます。^[4]

鉱物捕獲

流体力学的トラッピングは、よりマクロなスケールで鉱物を捕獲するために使用できます。地熱貯留層にCO2を貯蔵するために使用できます。地熱エネルギーは、大気中に大量のCO2を排出する可能性があります_。流体力学的トラッピングにより、CO2をCaCO3に変換できます_。CaCO3_は_地球化学的_に安定しています。^[5]

参考文献

^ abc Johnson-Chavarria, EM; Schroeder, CM; Tanyeri, M.; 単一粒子用のマイクロ流体ベースの流体力学的トラップ。Journal of Visualized Experiments。47. 2011。
^ 「Schroeder Research」Scs.illinois.edu。2014年1月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年1月11日閲覧。
^ Karimi, A.、S. Yazdi、AM Ardekani。「マイクロ流体における細胞および粒子の捕捉の流体力学的メカニズム」Biomicrofluidics 7.2 (2013): 021501-021501-23。
^ ピーター・ヨンソン、ジェームズ・マッコール、リチャード・W・クラーク、ビクター・P・オスタニン、ベングト・ヨンソン、デヴィッド・クレナーマン;脂質二重層における分子の流体力学的捕捉。 PNAS 2012 109 (26) 10328-10333。
^ Michael Kühn、Helge Stanjek、Stefan Peiffer、Christoph Clauser、「運用中の地熱貯留層におけるCO2の鉱物捕捉 - さまざまなスケールの数値シミュレーション」、Energy Procedia、第40巻、2013年。

[JohnsonChavarria-1] Johnson-Chavarria, EM; Schroeder, CM; Tanyeri, M.; 単一粒子用のマイクロ流体ベースの流体力学的トラップ。Journal of Visualized Experiments。47. 2011。

[2] 「Schroeder Research」Scs.illinois.edu。2014年1月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年1月11日閲覧。

[3] Karimi, A.、S. Yazdi、AM Ardekani。「マイクロ流体における細胞および粒子の捕捉の流体力学的メカニズム」Biomicrofluidics 7.2 (2013): 021501-021501-23。

[4] ピーター・ヨンソン、ジェームズ・マッコール、リチャード・W・クラーク、ビクター・P・オスタニン、ベングト・ヨンソン、デヴィッド・クレナーマン;脂質二重層における分子の流体力学的捕捉。 PNAS 2012 109 (26) 10328-10333。

[5] Michael Kühn、Helge Stanjek、Stefan Peiffer、Christoph Clauser、「運用中の地熱貯留層におけるCO2の鉱物捕捉 - さまざまなスケールの数値シミュレーション」、Energy Procedia、第40巻、2013年。