CZ37961U1 - A microfluidic chip and an analytic assembly for the characterization and identification of microbes using optical detection methods - Google Patents
A microfluidic chip and an analytic assembly for the characterization and identification of microbes using optical detection methods Download PDFInfo
- Publication number
- CZ37961U1 CZ37961U1 CZ2024-41991U CZ202441991U CZ37961U1 CZ 37961 U1 CZ37961 U1 CZ 37961U1 CZ 202441991 U CZ202441991 U CZ 202441991U CZ 37961 U1 CZ37961 U1 CZ 37961U1
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- channel
- central channel
- microfluidic chip
- meander
- outlet
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 25
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 title claims description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 43
- 238000012576 optical tweezer Methods 0.000 claims description 32
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 27
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 13
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 238000007431 microscopic evaluation Methods 0.000 claims description 10
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 9
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 9
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 8
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 claims description 7
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 17
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 8
- 239000003242 anti bacterial agent Substances 0.000 description 7
- 229940088710 antibiotic agent Drugs 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 230000000845 anti-microbial effect Effects 0.000 description 5
- 244000052769 pathogen Species 0.000 description 5
- 229910001374 Invar Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- 238000002174 soft lithography Methods 0.000 description 4
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 3
- JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N benzene-1,4-diol;bis(4-fluorophenyl)methanone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1.C1=CC(F)=CC=C1C(=O)C1=CC=C(F)C=C1 JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 3
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 3
- 238000001840 matrix-assisted laser desorption--ionisation time-of-flight mass spectrometry Methods 0.000 description 3
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 3
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 2
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229920001817 Agar Polymers 0.000 description 1
- 241000537222 Betabaculovirus Species 0.000 description 1
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 1
- 206010040047 Sepsis Diseases 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- 239000008272 agar Substances 0.000 description 1
- 239000012984 antibiotic solution Substances 0.000 description 1
- 230000003115 biocidal effect Effects 0.000 description 1
- 238000010170 biological method Methods 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 238000009640 blood culture Methods 0.000 description 1
- 208000037815 bloodstream infection Diseases 0.000 description 1
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 description 1
- 239000010839 body fluid Substances 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000003759 clinical diagnosis Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000009149 molecular binding Effects 0.000 description 1
- 230000035479 physiological effects, processes and functions Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 210000003296 saliva Anatomy 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000000405 serological effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
- C12M23/02—Form or structure of the vessel
- C12M23/16—Microfluidic devices; Capillary tubes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/02—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms
- C12Q1/18—Testing for antimicrobial activity of a material
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Zoology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Clinical Laboratory Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Optical Measuring Cells (AREA)
Description
Mikrofluidní čip a analytická sestava pro charakterizaci a identifikaci mikrobů pomocí optických detekčních metodMicrofluidic chip and analytical assembly for the characterization and identification of microbes using optical detection methods
Oblast technikyField of technology
Technické řešení se týká mikrofluidního čipu a analytické sestavy pro charakterizaci a identifikaci mikrobů. Lze ji využít pro měření vlivu antibiotik na baktérie, pro uchovávání bakterií v mikrokomůrkách a k měření jejich vitality prostřednictvím různých detekčních metod (např. fluorescence, ramanovské spektroskopie, atd.). Uvedenou sestavu je tedy možné připojit například k Ramanovu spektrometru.The technical solution concerns a microfluidic chip and an analytical assembly for the characterization and identification of microbes. It can be used to measure the effect of antibiotics on bacteria, to store bacteria in microcells and to measure their vitality through various detection methods (e.g. fluorescence, Raman spectroscopy, etc.). It is therefore possible to connect the set-up to, for example, a Raman spectrometer.
Dosavadní stav technikyCurrent state of the art
Rychlá a přesná identifikace patogenů je jednou z největších výzev medicíny. Včasná identifikace bakterií a jejich antimikrobiální rezistence by zjednodušila a zefektivnila nasazení odpovídající léčby infekcí, čímž by snížila náklady na zdravotní péči, výrazně pomohla zmírnit problém s narůstající antimikrobiální rezistenci, a především v mnoha případech by pomohla zachránit životy.Rapid and accurate identification of pathogens is one of the biggest challenges in medicine. Early identification of bacteria and their antimicrobial resistance would simplify and streamline the deployment of appropriate treatment for infections, thereby reducing health care costs, significantly helping to mitigate the problem of increasing antimicrobial resistance, and above all, in many cases, helping to save lives.
Zlatý standard diagnostiky u většiny infekcí vychází z kultivace na agarových plotnách a/nebo hemokultur v automatizovaných systémech (pro infekce krevního řečiště). Rutině následuje biochemická identifikace a fenotypová charakterizace profilu citlivosti/rezistence k antimikrobiálním látkám. Čas potřebný pro identifikaci je mezi 48 hodinami až několika dny (pro pomalu rostoucí mikroby).The gold standard of diagnosis for most infections is based on cultivation on agar plates and/or blood cultures in automated systems (for bloodstream infections). The routine is followed by biochemical identification and phenotypic characterization of the antimicrobial susceptibility/resistance profile. The time required for identification is between 48 hours and several days (for slow-growing microbes).
Existují i sérologické a/nebo imunochromatografické metody, které jsou vysoce specifické a mohou být použity pro potvrzení/vyloučení přítomnosti určitých mikrobů.There are also serological and/or immunochromatographic methods that are highly specific and can be used to confirm/exclude the presence of certain microbes.
V posledních dekádách dochází k mnoha snahám o zrychlení procesu klinické diagnostiky různými metodami. Přelomem byl nástup hmotnostní spektrometrie MALDI-TOF MS (matrix assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry), která je rychlá, efektivní a relativně levná metoda založená na fingerprintingu proteinů v mikrobiálních buňkách. Avšak i u MALDI-TOF MS je pro přesnou identifikaci krok kultivace potřebný a využívá poměrně nákladný spotřební materiál.In recent decades, there have been many efforts to accelerate the process of clinical diagnosis by various methods. The breakthrough was the advent of MALDI-TOF MS mass spectrometry (matrix assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry), which is a fast, effective and relatively cheap method based on protein fingerprinting in microbial cells. However, even with MALDI-TOF MS, a cultivation step is required for accurate identification and uses relatively expensive consumables.
Oproti molekulárně-biologickým metodám (které také možno využít pro diagnostiku z malých objemů vzorků) ponechává Ramanova spektrometrie buňky živé, co umožňuje jejich další testování. Příprava vzorku je jednoduchá a rychlá, nevyžaduje nutně nákladný spotřební materiál.Compared to molecular-biological methods (which can also be used for diagnosis from small volumes of samples), Raman spectrometry leaves the cells alive, which enables their further testing. Sample preparation is simple and quick, and does not necessarily require expensive consumables.
Zavedení dodatečného zdroje záření v technikách mikroskopie lze využít například k excitaci fluorescence, k fotopolymeracím, k laserovému řezání biologických preparátů a také k vytváření fokusovaných zářivých polí pro manipulaci s částicemi (např. viry a bakteriemi).The introduction of an additional source of radiation in microscopy techniques can be used, for example, for fluorescence excitation, for photopolymerizations, for laser cutting of biological preparations, and also for the creation of focused radiant fields for the manipulation of particles (e.g. viruses and bacteria).
Jedním ze zařízení, které lze použít pro zavedení dodatečného zdroje záření kolmo vůči optické ose objektivu mikroskopu, je optická pinzeta popsaná v užitném vzoru č. CZ 21642. Podstata optické pinzety spočívá v tom, že silové účinky fokusovaného laserového svazku zacíleného na mikrometrové objekty (živé i neživé) umožní prostorové zachycení těchto objektů. Tyto objekty jsou následně charakterizovány pomocí mikroskopu.One of the devices that can be used to introduce an additional source of radiation perpendicular to the optical axis of the microscope objective is the optical tweezers described in utility model No. CZ 21642. The essence of the optical tweezers is that the force effects of a focused laser beam aimed at micrometer objects (living even inanimate) will enable the spatial capture of these objects. These objects are subsequently characterized using a microscope.
Uvedená optická pinzeta je v podstatě adaptér, který umožňuje snadné zavedení ultrafialového, viditelného a infračerveného záření do optické cesty mikroskopu. Tento adaptér zahrnuje hlavní část adaptéru a kovové, s výhodou invarové, těleso, které jsou vzájemně spojeny tak, že záření vycházející z kovového (invarového) tělesa je kolmé vůči optické ose mikroskopového objektivu, přičemž v hlavní části adaptéru je umístěno dichroidní zrcadlo, nakloněné vůči optické oseSaid optical tweezers are essentially an adapter that allows easy introduction of ultraviolet, visible and infrared radiation into the optical path of the microscope. This adapter includes the main part of the adapter and a metal, preferably invar, body, which are connected to each other in such a way that the radiation emanating from the metal (invar) body is perpendicular to the optical axis of the microscope objective, while the main part of the adapter houses a dichroic mirror, inclined to optical axis
- 1 CZ 37961 U1 mikroskopového objektivu pod úhlem 45°, za dichroidním zrcadlem je umístěno skleněné okénko, svírající s optickou osou mikroskopového objektivu úhel 45° a zároveň s dichroidním zrcadlem úhel 90°, na spodní straně hlavní části adaptéru je přišroubován upevňovací šroub pro připojení adaptéru k tělu optického mikroskopu, k upevňovacímu šroubu je připevněn optický filtr blokující záření použitého zdroje záření a na vrchní straně hlavní části adaptéru je vlisována mosazná objímka se závitem pro připojení mikroskopového objektivu. Kovové (invarové) těleso zahrnuje zdroj záření a čočku, která je umístěna za zdrojem záření, blíže k hlavní části adaptéru.- 1 CZ 37961 U1 microscope objective at a 45° angle, behind the dichroic mirror there is a glass window, forming an angle of 45° with the optical axis of the microscope objective and at the same time with the dichroic mirror an angle of 90°, on the bottom side of the main part of the adapter there is a fastening screw for connection adapter to the body of the optical microscope, an optical filter blocking the radiation of the used radiation source is attached to the fixing screw, and a brass sleeve with a thread for connecting the microscope objective is pressed on the top of the main part of the adapter. The metal (invar) body includes a radiation source and a lens that is located behind the radiation source, closer to the main body of the adapter.
Popsaná optická pinzeta umožňuje manipulaci s částicemi, ale nijak neřeší paralelní stanovení jejich vitality za různých podmínek, které je zásadní pro rychlou a přesnou identifikaci patogenů, popřípadě pro studium vlivu různých léčiv na jednotlivé skupiny patogenů.The described optical tweezers enable manipulation of particles, but do not solve the parallel determination of their vitality under different conditions, which is essential for quick and accurate identification of pathogens, or for studying the effect of different drugs on individual groups of pathogens.
Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution
Výše popsané nevýhody řeší mikrofluidní čip, který obsahuje mikrofluidní kanály a k nim připojené komory. Studované patogeny jsou ke komorám přiváděny uvedenými mikrofluidními kanály a do jednotlivých komor mohou být transportovány výše popsanou optickou pinzetou. Při jednom měření je možné použít více nezávislých komor, do kterých je možné vložit jak stejné tak i rozdílné druhy bakterií a následně je všechny ovlivňovat stejným typem a koncentrací antibiotik.The disadvantages described above are solved by a microfluidic chip, which contains microfluidic channels and chambers connected to them. The studied pathogens are brought to the chambers through the mentioned microfluidic channels and can be transported to the individual chambers by the optical tweezers described above. In one measurement, it is possible to use several independent chambers, into which both the same and different types of bacteria can be placed and then all of them can be influenced by the same type and concentration of antibiotics.
Mikrofluidní čip je umístěný na podstavě, která je umístěna kolmo k ose objektivu optického mikroskopu, ke kterému je připojena výše popsaná optická pinzeta, a které dohromady tvoří analytickou sestavu. Mikroskopovým objektivem je svazek záření přiveden do mikrofluidního čipu a slouží k výběru a zachycení požadovaných buněk.The microfluidic chip is placed on a base that is placed perpendicular to the axis of the optical microscope objective, to which the optical tweezers described above are attached, and which together form the analytical assembly. The beam of radiation is brought to the microfluidic chip by a microscope lens and is used to select and capture the desired cells.
Předkládané technické řešení umožňuje neinvazivní a nedestruktivní detekci a další charakterizaci mikrobů a jejich citlivosti, případně rezistence vůči antimikrobiálním látkám, a to přímo z lidských tělesných tekutin (krev, sliny apod.). V porovnání s jinými dostupnými metodami dokáže analytická sestava pracovat s nízkým množstvím mikrobů ve vzorku, dokáže identifikovat velké množství možných patogenů a její provoz je relativně levný.The presented technical solution enables non-invasive and non-destructive detection and further characterization of microbes and their sensitivity, or resistance to antimicrobial substances, directly from human body fluids (blood, saliva, etc.). Compared to other available methods, the analytical kit can work with a low amount of microbes in the sample, can identify a large number of possible pathogens, and is relatively inexpensive to operate.
Předmětem předkládaného technického řešení je tedy mikrofluidní čip pro mikroskopickou analýzu, který obsahuje centrální kanál, opatřený na jednom konci alespoň jedním vstupním kanálkem, připojeným ke vstupnímu otvoru pro kapalné médium, a na druhém konci alespoň jedním výstupním kanálkem, připojeným k výstupnímu otvoru pro kapalné médium. Počet vstupních a výstupních kanálků je variabilní podle účelu mikroskopické analýzy. V jednom provedení může mikrofluidní čip obsahovat až 10 vstupních a až 10 výstupních kanálků, umístěných na opačných koncích mikrofluidního čipu.The subject of the presented technical solution is therefore a microfluidic chip for microscopic analysis, which contains a central channel, equipped at one end with at least one inlet channel, connected to the inlet opening for a liquid medium, and at the other end with at least one outlet channel, connected to the outlet opening for a liquid medium . The number of input and output channels is variable according to the purpose of microscopic analysis. In one embodiment, the microfluidic chip can contain up to 10 input and up to 10 output channels, located at opposite ends of the microfluidic chip.
Centrální kanál je v jedné své části uspořádán do meandru, který slouží k promíchání protékající kapaliny. Meandrem se rozumí několik (typicky 3 až 5) půlkruhových zatáček centrálního kanálu, kde dochází změnou rychlostí kapaliny na vnitřní a vnější straně oblouku k promíchání a homogenizaci postupující kapaliny. Poloměr půlkruhové zatáčky centrálního kanálu je s výhodou v rozmezí od 100 μm do 500 μm.One part of the central channel is arranged in a meander, which is used to mix the flowing liquid. Meander refers to several (typically 3 to 5) semicircular bends of the central channel, where the fluid velocity changes on the inside and outside of the arc to mix and homogenize the advancing liquid. The radius of the semicircular bend of the central channel is preferably in the range from 100 μm to 500 μm.
Mezi meandrem centrálního kanálu a výstupním kanálkem je k centrálnímu kanálu připojen alespoň jeden boční kanálek opatřený na svém konci mikrokomorou. Ta slouží k umístění testovaného vzorku, například buněk. Centrálním kanálem a bočním kanálkem je při mikroskopické analýze k testovanému vzorku přiváděno kapalné médium obsahující testované sloučeniny a kombinace. Počet bočních kanálků může být od 1 do několika desítek, například od 1 do 50.Between the meander of the central channel and the outlet channel, at least one side channel is connected to the central channel, equipped at its end with a microchamber. This is used to place the tested sample, for example cells. During microscopic analysis, a liquid medium containing tested compounds and combinations is fed to the test sample through the central channel and the side channel. The number of side channels can be from 1 to several tens, for example from 1 to 50.
Všechny kanálky mikrofluidního čipu, s vyjímkou vstupních a výstupních otvorů, jsou po celé své délce uzavřeny vzduchotěsnou a kapalinotěsnou vrstvou.All the channels of the microfluidic chip, with the exception of the inlet and outlet holes, are closed along their entire length with an airtight and liquid-tight layer.
- 2 CZ 37961 U1- 2 CZ 37961 U1
Mikrofluidní čip je vyrobený z opticky čistého materiálu. Opticky čistým materiálem se rozumí materiál, který má velmi malé množství nečistot a defektů, což umožňuje volný průchod světla bez výrazného rozptylu nebo absorpce.The microfluidic chip is made of optically pure material. An optically pure material is one that has a very small amount of impurities and defects, allowing light to pass freely without significant scattering or absorption.
Mikrofluidní čip má s výhodou takové rozměry, aby byl kompatibilní s laboratorním mikroskopem. S výhodou má mikrofluidní čip rozměry plochy krycího nebo podložního sklíčka mikroskopu. V jednom provedení jsou rozměry mikrofluidního čipu v rozmezí od 20 mm x 40 mm x 0,5 mm do 26 mm x 76 mm x 10 mm.The microfluidic chip is preferably sized to be compatible with a laboratory microscope. Advantageously, the microfluidic chip has the dimensions of the area of a microscope cover or glass slide. In one embodiment, the dimensions of the microfluidic chip range from 20 mm x 40 mm x 0.5 mm to 26 mm x 76 mm x 10 mm.
V jednom konkrétním provedení mají vstupní a výstupní kanálky s výhodou obdélníkový průřez 250 μm x 20 μm. Jednotlivé vstupní kanálky se postupně spojují do centrálního kanálu o stejném průřezu. Centrální kanál se dále s výhodou ještě před meandrem zúží, s výhodou na průřez 100 μm x 20 μm. Za meandrem z centrálního kanálu odbočuje několik (jednotky až desítky) bočních kanálků, s výhodou o průřezu 20 μm x 20 μm a s výhodou o délce 50 μm, které jsou zakončeny válcovou mikrokomorou, s výhodou o průměru 150 μm.In one particular embodiment, the inlet and outlet channels preferably have a rectangular cross-section of 250 μm x 20 μm. The individual inlet channels are gradually connected to a central channel of the same cross-section. The central channel is further preferably narrowed before the meander, preferably to a cross-section of 100 μm x 20 μm. After the meander, several (units to tens) side channels branch off from the central channel, preferably with a cross-section of 20 μm x 20 μm and preferably with a length of 50 μm, which are terminated by a cylindrical microchamber, preferably with a diameter of 150 μm.
Regulací toku kapalného média ve vstupních kanálcích je možné přesně a rychle měnit koncentraci látek (například koncentraci antibiotik) v mikrokomoře.By regulating the flow of the liquid medium in the inlet channels, it is possible to accurately and quickly change the concentration of substances (for example, the concentration of antibiotics) in the microchamber.
V jednom provedení je mikrofluidní čip vyrobený z opticky čistého materiálu, vybraného ze skupiny zahrnující polydimethylsiloxan (PDMS), polymethylmethakrylát a sklo. Příprava mikrofluidních čipů z polymethylmethakrylátu nebo skla je však výrazně náročnější a to jak po přístrojové, chemické, finanční i časové stránce, nežli příprava mikročipů z PDMS. S výhodou je tedy materiálem mikrofluidního čipu PDMS.In one embodiment, the microfluidic chip is made of an optically clear material selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), polymethyl methacrylate, and glass. However, the preparation of microfluidic chips from polymethyl methacrylate or glass is significantly more demanding in terms of equipment, chemistry, finance and time than the preparation of microchips from PDMS. Thus, the microfluidic chip material is preferably PDMS.
V jednom provedení může být mikrofluidní čip vyroben metodou „soft lithography“ (měkká litografie), odléváním na masku z SU-8 vytvořenou UV litografií na křemíkovou destičku. Na mikrofluidním čipu jsou měkkou litografií vytvořeny kanálky. Reliéfní kanálek je následně uzavřen vzduchotěsným a kapalino těsným přilepením krycího sklíčka, s výhodou plasmatickou aktivací, které tuto strukturu uzavře a je dostatečně opticky vhodné pro následné měření a případnou manipulaci optickou pinzetou.In one embodiment, the microfluidic chip can be fabricated by "soft lithography" by casting onto a SU-8 mask formed by UV lithography on a silicon wafer. Channels are created on the microfluidic chip by soft lithography. The relief channel is then closed by air-tight and liquid-tight gluing of the cover glass, preferably by plasmatic activation, which closes this structure and is sufficiently optically suitable for subsequent measurement and possible manipulation with optical tweezers.
Kanálky mají s výhodou obdélníkový nebo čtvercový průřez, tento tvar je jednodušší vytvořit metodou litografie než kanálek o kruhovém či půlkruhovém průřezu (tyto typy kanálků se vyrábějí spíše chemickým leptáním). Další výhodou čtvercového nebo obdélníkového průřezu kanálku je, že nezkresluje obraz, protože horní i spodní plocha jsou rovnoběžné a rovinné. Válcová plocha by tvořila jakousi čočku a kazila by obraz měřené bakterie a mohla by deformovat svazek optické pinzety. Výhodou je i to, že v případě čtvercového/obdélníkového průřezu se nebude příliš měnit rovina zaostření objektivu při pozorování bakterií a bakterie budou plavat kanálkem přibližně ve stejné vzdálenosti od krycího skla a bude jednodušší je zachytit optickou pinzetou a změřit jejich spektrum.The channels preferably have a rectangular or square cross-section, this shape is easier to create by the lithography method than a channel with a circular or semi-circular cross-section (these types of channels are rather produced by chemical etching). Another advantage of the square or rectangular cross-section of the channel is that it does not distort the image, since the top and bottom surfaces are parallel and flat. The cylindrical surface would form a kind of lens and would spoil the image of the measured bacteria and could distort the beam of the optical tweezers. The advantage is that in the case of a square/rectangular cross-section, the focus plane of the objective will not change too much when observing bacteria, and the bacteria will swim through the channel at approximately the same distance from the cover glass, and it will be easier to catch them with optical tweezers and measure their spectrum.
Samotný centrální kanál je opatřen vstupními a výstupními kanálky, s výhodou obdélníkového průřezu o rozměrech 250±50 μm x 25±10 μm, které jsou připojené ke vstupním a výstupním otvorům pro kapalné médium, které je do/z nich přiváděno/odváděno pomocí hadiček. Jednotlivé vstupní kanálky se postupně spojují do jednoho centrálního kanálu o stejném průřezu. Centrální kanál se následně zúží alespoň na polovinu své původní šířky, s výhodou se centrální kanál zúží na 30 až 50 % své původní šířky. V jednom provedení se centrální kanál zúží do kanálku o průřezu 100±20 μm x 25±10 μm.The central channel itself is provided with inlet and outlet channels, preferably of rectangular cross-section with dimensions of 250±50 μm x 25±10 μm, which are connected to the inlet and outlet openings for the liquid medium which is fed/removed to/from them by means of tubes. The individual inlet channels are gradually connected into one central channel of the same cross-section. The central channel is subsequently narrowed to at least half of its original width, preferably the central channel is narrowed to 30 to 50% of its original width. In one embodiment, the central channel is narrowed to a channel with a cross section of 100±20 μm x 25±10 μm.
V další části je zúžený centrální kanál uspořádán do meandru (jedná se o 3 až 5 půlkruhových zatáček kanálku), kde dochází změnou rychlostí kapaliny na vnitřní a vnější straně oblouku k promíchání kapaliny, která se jinak pohybuje pouze laminárně a k mísení dochází pouze difúzí) zamíchá a homogenizuje.In the next part, the narrowed central channel is arranged in a meander (this is 3 to 5 semicircular bends of the channel), where by changing the speed of the liquid on the inside and outside of the arc, the liquid, which otherwise moves only laminarly and mixing only by diffusion) is mixed and homogenizes.
- 3 CZ 37961 U1- 3 CZ 37961 U1
Z centrálního kanálu za meandrem odbočuje několik (jednotky až desítky) bočních kanálků, s výhodou obdélníkového průřezu o rozměrech 25±10 μm x 25±10 μm o délce 50±20 μm, z nichž každý je zakončen mikrokomorou, s výhodou válcového tvaru, výhodněji o průměru 150±50 μm a výšce 25±10 μm. Veškeré kapaliny, jak vstupní tak i výstupní, jsou přivedeny do mikrofluidního čipu pomocí hadiček.From the central channel behind the meander, several (units to tens) side channels branch off, preferably with a rectangular cross-section with dimensions of 25±10 μm x 25±10 μm and a length of 50±20 μm, each of which ends with a microchamber, preferably cylindrical in shape, more preferably with a diameter of 150±50 μm and a height of 25±10 μm. All liquids, both input and output, are brought to the microfluidic chip using tubes.
Mikrokomory jsou určené pro umístění vzorku. Výše uvedené výhodné rozměry mikrokomor umožňují zkoumaní i velmi malého množství vzorku (například buněk). Díky mikrokomorám v mikrofluidním čipu je možné vystavovat buňky stresovým faktorům, včetně antimikrobiálních látek, v uzavřeném prostředí.Microchambers are intended for sample placement. The advantageous dimensions of the microchambers mentioned above allow the examination of even a very small amount of sample (for example, cells). Thanks to the microchambers in the microfluidic chip, it is possible to expose cells to stress factors, including antimicrobial substances, in a closed environment.
Mikrokomora má s výhodou objem v rozmezí od 100 do 1100 mm3, výhodněji je ve tvaru válce o průměru 150±50 μm a výšce 25±10 μm.The microchamber preferably has a volume in the range from 100 to 1100 mm 3 , more preferably in the shape of a cylinder with a diameter of 150±50 μm and a height of 25±10 μm.
Předmětem předkládaného technického řešení je dále analytická sestava pro charakterizaci a identifikaci mikrobů pomocí optických detekčních metod, která obsahuje výše popsaný mikrofluidní čip, umístěný na podstavě, která je svou rovinou v podstatě kolmá vůči optické ose objektivu mikroskopu.The subject of the presented technical solution is also an analytical assembly for the characterization and identification of microbes using optical detection methods, which contains the microfluidic chip described above, placed on a base whose plane is essentially perpendicular to the optical axis of the microscope objective.
Ve výhodném provedení je rovina podstavy (a tedy i v ní umístěného mikrofluidního čipu) nastavitelná vůči optické ose objektivu mikroskopu, který je osazen optickou pinzetou popsanou v CZ 21642. Pro optickou pinzetu je potřeba objektivů s vysokou numerickou aperturou (větší než 1, s výhodou je numerická apertura v rozmezí od 1,2 do 1,3). Pracovní vzdálenost těchto objektivů je v rozmezí mezi 0,2 mm a 0,5 mm. Vzdálenost mezi objektivem mikroskopu a mikrofluidním čipem umístěným na podstavě je v témže rozmezí mínus tloušťka krycího skla (0,15 mm ± 0,05 mm).In an advantageous embodiment, the plane of the base (and therefore also of the microfluidic chip placed in it) is adjustable with respect to the optical axis of the microscope objective, which is fitted with optical tweezers described in CZ 21642. For optical tweezers, objectives with a high numerical aperture (greater than 1, preferably is a numerical aperture ranging from 1.2 to 1.3). The working distance of these lenses is between 0.2mm and 0.5mm. The distance between the microscope objective and the microfluidic chip placed on the base is in the same range minus the thickness of the cover glass (0.15 mm ± 0.05 mm).
Ve výhodném provedení je podstavou tříosý stolek, s výhodou tříosý řiditelný stolek, který umožňuje naklápění mikrofluidního čipu vůči ose objektivu mikroskopu a tím paralelizovat měření rychlým přesunem kapaliny mezi jednotlivými komorami. Je tak možné měřit více vzorků najednou, každý v jiné mikrokomoře, což značně urychluje měření.In an advantageous embodiment, the base is a three-axis table, preferably a three-axis steerable table, which allows the microfluidic chip to be tilted relative to the axis of the microscope objective and thereby parallelize the measurement by rapidly moving the liquid between the individual chambers. It is thus possible to measure several samples at the same time, each in a different microchamber, which considerably speeds up the measurement.
V jednom provedení je mikroskop připojen k Ramanovu spektrometru. Toto uspořádání umožňuje studium vitality bakterií pomocí Ramanovy spektroskopie. V jednom uspořádání je mikroskop součástí Ramanova spektrometru, respektive optická pinzeta a mikrofluidní čip jsou vloženy do Ramanovského mikroskopu tak, že se optická pinzeta našroubuje mezi tělo mikroskopu a mikroskopový objektiv a mikrofluidní čip se vloží do řiditelného stolku mikroskopu.In one embodiment, the microscope is connected to a Raman spectrometer. This arrangement enables the study of bacterial vitality using Raman spectroscopy. In one arrangement, the microscope is part of a Raman spectrometer, or the optical tweezers and the microfluidic chip are inserted into the Raman microscope by screwing the optical tweezers between the microscope body and the microscope objective and the microfluidic chip is inserted into the steerable stage of the microscope.
Optická pinzeta je popsána v užitném vzoru č. CZ 21642. Jedná se o adaptér, který umožňuje snadné zavedení ultrafialového, viditelného a infračerveného záření do optické cesty mikroskopu. Tento adaptér zahrnuje hlavní část adaptéru a kovové těleso, které jsou vzájemně spojeny tak, že záření vycházející z kovového tělesa je kolmé vůči optické ose mikroskopového objektivu, přičemž v hlavní části adaptéru je umístěno dichroidní zrcadlo, nakloněné vůči optické ose mikroskopového objektivu pod úhlem 45°, za dichroidním zrcadlem je umístěno skleněné okénko, svírající s optickou osou mikroskopového objektivu úhel 45° a zároveň s dichroidním zrcadlem úhel 90°, na spodní straně hlavní části adaptéru je přišroubován upevňovací šroub pro připojení adaptéru k tělu optického mikroskopu, k upevňovacímu šroubu je připevněn optický filtr blokující záření použitého zdroje záření a na vrchní straně hlavní části adaptéru je vlisována mosazná objímka se závitem pro připojení mikroskopového objektivu. Uvedené kovové těleso je s výhodou z invarového materiálu a zahrnuje zdroj záření a čočku, která je umístěna za zdrojem záření, blíže k hlavní části adaptéru.Optical tweezers are described in utility model No. CZ 21642. It is an adapter that enables the easy introduction of ultraviolet, visible and infrared radiation into the optical path of the microscope. This adapter includes a main body of the adapter and a metal body, which are connected to each other so that the radiation emanating from the metal body is perpendicular to the optical axis of the microscope objective, and a dichroic mirror is placed in the main part of the adapter, inclined to the optical axis of the microscope objective at an angle of 45° , behind the dichroic mirror there is a glass window, forming an angle of 45° with the optical axis of the microscope objective and at the same time with the dichroic mirror an angle of 90°, on the lower side of the main part of the adapter is screwed a fixing screw for connecting the adapter to the body of the optical microscope, to the fixing screw is attached an optical filter blocking the radiation of the used radiation source, and on the upper side of the main part of the adapter a brass sleeve with a thread for connecting a microscope objective is pressed. Said metal body is preferably made of invar material and includes a radiation source and a lens which is located behind the radiation source, closer to the main part of the adapter.
Optická pinzeta obsahuje jeden chytací a druhý analyzační laserový paprsek. Optická pinzeta_slouží pro výběr a zachycení požadovaného vzorku, umožňuje bezkontaktní transport tohoto vzorku doThe optical tweezers contain one catching and the other analyzing laser beam. Optical tweezers_use for selecting and capturing the desired sample, it enables non-contact transport of this sample to
- 4 CZ 37961 U1 mikrokomory a jeho analýzu Ramanovou spektroskopií s využitím jednoho chytacího a druhého analyzačního laserového svazku.- 4 CZ 37961 U1 microchamber and its analysis by Raman spectroscopy using one trapping and the other analyzing laser beam.
V objektivu mikroskopu jsou chytací laserový svazek a analyzační laserový svazek optické pinzety přivedeny do mikrofluidního čipu.In the microscope objective, the capture laser beam and the analysis laser beam of the optical tweezers are fed into the microfluidic chip.
Hadičky během provozu analytické sestavy přivádějí do vstupních otvorů mikrofluidního čipu veškeré vstupní kapaliny a odvádějí veškeré výstupní kapaliny z výstupních otvorů mikrofluidního čipu. Ve výhodném provedení jsou používány dva typy hadiček. Tenké hadičky o vnějším průměru 360±20 μm a vnitřním průměru 140±20 μm vyrobené z materiálu PEEK a hadičky o vnějším průměru 1,5±0,1 mm a vnitřním průměru od 0,1 mm do 1 mm, tyto hadičky mohou být vyrobené též z PEEKu nebo z teflonu.During operation of the analytical assembly, the tubing supplies all input liquids to the microfluidic chip inlets and drains all outlet liquids from the microfluidic chip outlet holes. In an advantageous embodiment, two types of tubes are used. Thin tubing with an outer diameter of 360±20μm and an inner diameter of 140±20μm made of PEEK material and tubing with an outer diameter of 1.5±0.1mm and an inner diameter from 0.1mm to 1mm, these tubes can be made also from PEEK or Teflon.
Tenké hadičky se používají pro přívod kapalných vzorků do čipu z důvodu nutnosti přesnější manipulace s průtoky kapalin a jejich průměr bývá lépe definovaný, silnější hadičky slouží spíše k odvodu kapaliny z čipu. Mají zpravidla větší vnitřní průřezy, aby nedocházelo k jejich ucpávání.Thin tubes are used for the supply of liquid samples to the chip due to the need for more precise handling of liquid flows and their diameter tends to be better defined, thicker tubes are more likely to drain the liquid from the chip. They usually have larger internal cross-sections to prevent clogging.
Krycí sklíčko slouží k uzavření profilu mikrofluidního kanálku, který je po odlití nebo otištění z masky tvořen otevřeným reliéfem v opticky čistém materiálu mikrofluidního čipu (plastu nebo skle) a je potřeba ho překrýt. Je vhodné použít krycí sklíčko, protože má optické a rozměrové vlastnosti vhodné a potřebné pro použití optické pinzety. Lze použít i jiné materiály, ale jejich tloušťka nesmí být větší než je pracovní vzdálenost mikroskopového objektivu s vyšší numerickou aperturou a to je 0,15 mm až 0,5 mm. V jednom provedení je pracovní vzdálenost optické pinzety od krycího sklíčka v rozmezí od 0 do 100 μm.The cover glass is used to close the profile of the microfluidic channel, which, after casting or printing from the mask, is formed by an open relief in the optically clean material of the microfluidic chip (plastic or glass) and needs to be covered. It is convenient to use a coverslip because it has optical and dimensional properties suitable and necessary for the use of optical tweezers. Other materials can be used, but their thickness must not be greater than the working distance of a microscope objective with a higher numerical aperture, which is 0.15 mm to 0.5 mm. In one embodiment, the working distance of the optical tweezers from the coverslip is in the range of 0 to 100 μm.
Během provozu analytické sestavy jsou hadičkami do mikrofluidního čipu přiváděny vstupní kapaliny. Vzorek (například mikroby v nosném médiu) je přiváděn vstupním kanálkem, centrálním kanálem a následně je bočním kanálkem transportován do mikrokomory prostřednictvím optické pinzety. Optická pinzeta obsahuje jeden chytací a druhý analyzační laserový paprsek. Díky tomu je možné vybrat a zachytit požadovaný vzorek, bezkontaktně transportovat tento vzorek do mikrokomory a analyzovat jej například Ramanovou spektroskopií s využitím Ramanova spektrometru. Po vyčištění centrálního kanálu od zbytků vzorků (mikrobů) jsou s výhodou vstupními kanálky, dále centrálním kanálem a následně bočními kanálky do mikrokomory prostřednictvím optické pinzety přiváděny další látky, jejichž vliv na vzorek může být zkoumán (například roztok antibiotik a média). Koncentrace těchto látek v mikrokomoře může být ovlivňována změnou rychlosti toku kapaliny ve vstupních kanálcích. Vzorky jsou následně měřeny Ramanovou spektroskopií s využitím Ramanova spektrometru.During the operation of the analytical set-up, the input liquids are fed through tubes to the microfluidic chip. The sample (for example, microbes in the carrier medium) is fed through the inlet channel, the central channel, and is subsequently transported through the side channel into the microchamber via optical tweezers. The optical tweezers contain one catching and the other analyzing laser beam. Thanks to this, it is possible to select and capture the desired sample, transport this sample contactlessly into the microchamber and analyze it, for example, by Raman spectroscopy using a Raman spectrometer. After the central channel has been cleaned of sample residues (microbes), other substances whose effect on the sample can be examined (for example, antibiotic solution and media) are preferably introduced into the microchamber via optical tweezers through the inlet channels, then through the central channel and then through the side channels. The concentration of these substances in the microchamber can be influenced by changing the liquid flow rate in the inlet channels. The samples are subsequently measured by Raman spectroscopy using a Raman spectrometer.
Záření nepružně rozptýlené zachyceným vzorkem (Ramanův rozptyl) nese informaci o molekulárních vazebných vibracích ve vzorku a napomáhá určit jeho chemické složení s mikrometrovým prostorovým rozlišením. Jediný laserový svazek tak umožní bezkontaktně a sterilně zachytit vzorky v kapalině a současně je diagnostikovat, aniž by byla poškozena jejich struktura nebo fyziologie. Vlnová délka je volena tak, aby nedocházelo k absorpci záření, a tím i k destrukci vzorku a současně, aby byl Ramanův rozptyl detekovatelný. Pro živé mikroorganismy je vhodné volit delší vlnové délky (700 až 900 nm). Při takto zvolené vlnové délce, je možné požadovaný vzorek sledovat i několik hodin (tzv. časosběrná měření) nebo naopak sledovat velmi rychlé dynamické procesy.Radiation inelastically scattered by the captured sample (Raman scattering) carries information about molecular binding vibrations in the sample and helps to determine its chemical composition with micrometer spatial resolution. A single laser beam will thus enable non-contact and sterile capture of samples in liquid and at the same time diagnose them without damaging their structure or physiology. The wavelength is chosen so that there is no absorption of radiation and thus destruction of the sample and at the same time so that Raman scattering is detectable. For living microorganisms, it is advisable to choose longer wavelengths (700 to 900 nm). With the wavelength chosen in this way, it is possible to observe the desired sample for several hours (so-called time-lapse measurements) or, on the contrary, to observe very fast dynamic processes.
Analytickou sestavu podle předkládaného technického řešení lze s výhodou použít pro měření vlivu antibiotik na bakterie, při němž jsou bakterie uchovávány v mikrokomorách a jejich vitalita je měřena prostřednictvím různých detekčních metod, např. fluorescence, Ramanovy spektroskopie, atd.The analytical assembly according to the presented technical solution can advantageously be used for measuring the effect of antibiotics on bacteria, in which the bacteria are kept in microchambers and their vitality is measured by means of various detection methods, e.g. fluorescence, Raman spectroscopy, etc.
Koncentrace antibiotik se mění v závislosti na rychlosti toku média s antibiotiky ve vstupních kanálcích. Vitalita bakterií se měří například Ramanovou spektroskopií a hledá se koncentraceThe concentration of antibiotics changes depending on the flow rate of the antibiotic medium in the inlet channels. The vitality of bacteria is measured, for example, by Raman spectroscopy and the concentration is sought
- 5 CZ 37961 U1 a typ antibiotik, které dané bakterie zabíjejí. Při jednom měření je možné použít více nezávislých mikrokomor, do kterých je možné vložit jak stejné, tak i rozdílné druhy bakterií a následně tyto rozdílné druhy bakterií ovlivňovat stejným typem a koncentrací antibiotik.- 5 CZ 37961 U1 and the type of antibiotics that kill the given bacteria. In one measurement, it is possible to use several independent microchambers, in which both the same and different types of bacteria can be inserted and then these different types of bacteria can be influenced by the same type and concentration of antibiotics.
Předkládané technické řešení umožňuje rychlé, bezkontaktní a šetrné měření Ramanova spektra živých i neživých vzorků (například bakteriálních buněk). Měření je nedestruktivní, bakteriální buňky měření přežijí, a je tedy možné je využít pro následné analýzy.The presented technical solution enables fast, non-contact and gentle measurement of the Raman spectrum of living and non-living samples (for example, bacterial cells). The measurement is non-destructive, the bacterial cells survive the measurement, and it is therefore possible to use them for subsequent analyses.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Obrázek 1: Axonometrický pohled na analytickou sestavu.Figure 1: Axonometric view of the analysis assembly.
Obrázek 2: Boční pohled na analytickou sestavu.Figure 2: Side view of the analytical assembly.
Obrázek 3: Nákres mikrofluidního čipu a schéma kanálu 6.Figure 3: Microfluidic chip drawing and channel 6 schematic.
Příklad uskutečnění technického řešeníAn example of the implementation of a technical solution
Byla sestrojena analytická sestava pro charakterizaci a identifikaci mikrobů Ramanovou spektroskopií podle obrázků 1 a 2. Analytická sestava obsahuje mikrofluidní čip 2, z jehož horní strany po bocích vystupují hadičky 3 z materiálu PEEK a který je svou spodní stranou uložený na řiditelném tříosém stolku, sloužícím jako podstava 4, který je umístěn na horní části objektivu 5 mikroskopu (s numerickou aperturou 1,3), který je dále svou spodní částí připojen k optické pinzetě 7 dle CZ 21642. Objektivem 5 mikroskopu jsou chytací a analytické laserové svazky optické pinzety 7 přivedeny do mikrofluidního čipu 2. Mikroskop je součástí Ramanova spektrometru, optická pinzeta 7 a mikrofluidní čip 2 jsou vloženy do Ramanovského mikroskopu tak, že optická pinzeta 7 se našroubuje mezi tělo mikroskopu a mikroskopový objektiv 5 a mikrofluidní čip 2 (obrázek 3) se vloží do řiditelného stolku mikroskopu.An analytical set-up for the characterization and identification of microbes by Raman spectroscopy was constructed according to Figures 1 and 2. The analytical set-up contains a microfluidic chip 2, from the upper side of which tubes 3 of PEEK material protrude from the sides, and which is placed on its lower side on a steerable three-axis table, which serves as base 4, which is located on the upper part of the objective 5 of the microscope (with a numerical aperture of 1.3), which is further connected by its lower part to the optical tweezers 7 according to CZ 21642. Through the objective 5 of the microscope, the catching and analytical laser beams of the optical tweezers 7 are brought to of the microfluidic chip 2. The microscope is part of the Raman spectrometer, the optical tweezers 7 and the microfluidic chip 2 are inserted into the Raman microscope so that the optical tweezers 7 are screwed between the microscope body and the microscope objective 5, and the microfluidic chip 2 (Figure 3) is inserted into the steerable stage microscope.
Mikrofluidním čipem 2 (obrázek 3) prostupuje centrální kanál 6, k němuž jsou připojeny vstupní 6.1, výstupní 6.2 a boční kanálky 12. Vstupní a výstupní kanálky mají obdélníkový průřez 250 μm x 20 μm. Jednotlivé vstupní kanálky se postupně spojují do centrálního kanálu 6 o průřezu 250 μm x 20 μm. Centrální kanál 6 se dále zužuje na průřez 100 μm x 20 μm a jím procházející kapalný obsah se následně v meandru 11 zamíchá a homogenizuje. Meandr 11 obsahuje 5 půlkruhových zatáček o poloměru 125 μm. Z centrálního kanálu 6 odbočuje 10 bočních kanálků 12 o průřezu 20 μm x 20 μm a o délce 50 μm, které jsou zakončeny válcovými mikrokomorami o průměru 150 μm a výšce 20 μm.The central channel 6 passes through the microfluidic chip 2 (Figure 3), to which the input 6.1, output 6.2 and side channels 12 are connected. The input and output channels have a rectangular cross-section of 250 μm x 20 μm. The individual input channels are gradually connected to the central channel 6 with a cross-section of 250 μm x 20 μm. The central channel 6 is further narrowed to a cross-section of 100 μm x 20 μm, and the liquid content passing through it is subsequently mixed and homogenized in the meander 11. Meander 11 contains 5 semicircular turns with a radius of 125 μm. From the central channel 6 branch off 10 side channels 12 with a cross-section of 20 μm x 20 μm and a length of 50 μm, which are terminated by cylindrical microchambers with a diameter of 150 μm and a height of 20 μm.
Mikrofluidní čip 2 byl vyroben metodou měkké litografie, odléváním na masku z SU-8 vytvořenou UV litografií na křemíkovou destičku. Na mikrofluidním čipu 2 byly měkkou litografií z PDMS vytvořeny reliéfní kanálky, které byly následně uzavřeny vzduchotěsným a kapalino těsným přilepením krycího sklíčka plasmatickou aktivací.Microfluidic chip 2 was fabricated by soft lithography, casting onto a SU-8 mask created by UV lithography on a silicon wafer. On the microfluidic chip 2, relief channels were created by soft lithography from PDMS, which were then closed by air-tight and liquid-tight gluing of the cover glass by plasmatic activation.
Během provozu analytické sestavy jsou hadičkami 3 do mikrofluidního čipu 2 přiváděny vstupní i výstupní kapaliny. Vzorek (například mikroby v nosném médiu) je přiváděn vstupním kanálkem 6.1, dále centrálním kanálem 6 a následně je bočním kanálkem 12 transportován do mikrokomory 11 prostřednictvím optické pinzety 7. Optická pinzeta 7 obsahuje jeden chytací a druhý analyzační laserový paprsek. Díky tomu je možné vybrat a zachytit požadované vzorky, bezkontaktně transport tyto vzorky do mikrokomory a analyzovat je Ramanovou spektroskopií s využitím Ramanova spektrometru. Následuje vyčištění centrálního kanálu 6 od zbytků vzorků a přivedení dalších látek, jejichž vliv na vzorek může být zkoumán, vstupním kanálkem, dále centrálním kanálem 6 a následně transport bočním kanálkem do mikrokomory prostřednictvím optické pinzety 7. Koncentrace těchto látek v mikrokomoře může být ovlivňována změnou rychlosti toku kapaliny ve vstupních kanálcích. Vzorky jsou následně měřeny Ramanovou spektroskopií s využitím Ramanova spektrometru. Řiditelný tříosý stolek sloužící jako podstava 4 umožňuje paralelizaciDuring the operation of the analytical assembly, the input and output liquids are supplied to the microfluidic chip 2 through the tubes 3. The sample (for example, microbes in the carrier medium) is fed through the inlet channel 6.1, then through the central channel 6, and subsequently transported through the side channel 12 to the microchamber 11 by means of optical tweezers 7. Optical tweezers 7 contain one catching and the other analyzing laser beam. Thanks to this, it is possible to select and capture the required samples, contactlessly transport these samples into the microchamber and analyze them by Raman spectroscopy using a Raman spectrometer. This is followed by the cleaning of the central channel 6 from sample residues and the introduction of other substances whose effect on the sample can be investigated through the inlet channel, then through the central channel 6 and subsequently transported through the side channel into the microchamber via optical tweezers 7. The concentration of these substances in the microchamber can be influenced by changing the speed of liquid flow in the inlet channels. The samples are subsequently measured by Raman spectroscopy using a Raman spectrometer. A steerable three-axis table serving as a base 4 enables parallelization
- 6 CZ 37961 U1 měření rychlým přesunem mezi jednotlivými mikrokomorami. Je tak možné měřit více vzorků najednou, každý v jiné mikrokomoře, což značně urychluje měření. Velice malé rozměry mikrokomory umožňují zkoumaní i velmi malého množství vzorku (například bakteriálních buněk).- 6 CZ 37961 U1 measurement by rapid movement between individual microchambers. It is thus possible to measure several samples at the same time, each in a different microchamber, which considerably speeds up the measurement. The very small dimensions of the microchamber allow the examination of even a very small amount of sample (for example, bacterial cells).
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Uplatnění tohoto zařízení může být jak ve výzkumu, tak i v klinické diagnostice, či jiných aplikacích, kde je potřeba zkoumat bakterie na úrovni jednotlivých buněk, případně kde je žádoucí 10 jejich kultivace v kontrolovaném mikroprostředí, včetně vystavování různým stresovým faktorům (změna teploty nebo koncentrace různých látek).The application of this device can be both in research and in clinical diagnostics, or other applications where it is necessary to examine bacteria at the level of individual cells, or where it is desirable to cultivate them in a controlled microenvironment, including exposure to various stress factors (changes in temperature or concentration different substances).
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2024-41991U CZ37961U1 (en) | 2024-05-28 | 2024-05-28 | A microfluidic chip and an analytic assembly for the characterization and identification of microbes using optical detection methods |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2024-41991U CZ37961U1 (en) | 2024-05-28 | 2024-05-28 | A microfluidic chip and an analytic assembly for the characterization and identification of microbes using optical detection methods |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ37961U1 true CZ37961U1 (en) | 2024-06-25 |
Family
ID=91664317
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2024-41991U CZ37961U1 (en) | 2024-05-28 | 2024-05-28 | A microfluidic chip and an analytic assembly for the characterization and identification of microbes using optical detection methods |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ37961U1 (en) |
-
2024
- 2024-05-28 CZ CZ2024-41991U patent/CZ37961U1/en active IP Right Grant
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU739824B2 (en) | A method and a system for determination of particles in a liquid sample | |
| JP5328663B2 (en) | Apparatus and method for analyzing biological samples | |
| US6852527B2 (en) | Apparatus and method for the measurement of cells in biological samples | |
| JP2808321B2 (en) | Cell analysis method and device | |
| AU766434B2 (en) | A method for the assessment of particles and a system and a device for use in the method | |
| US9329130B2 (en) | Systems and methods for counting cells and biomolecules | |
| JP4842796B2 (en) | Microorganism testing apparatus and microbe testing measuring chip | |
| CN109266717B (en) | Method and device for detecting bacterial drug resistance through single cell analysis | |
| SE531233C2 (en) | Apparatus and method for detecting fluorescently labeled biological components | |
| US9933415B2 (en) | Internal focus reference beads for imaging cytometry | |
| US20090185734A1 (en) | Apparatus and method for analysis of particles in a liquid sample | |
| US20080257071A1 (en) | Microfluidic Device with Porous Membrane and an Unbranched Channel | |
| RU2686937C2 (en) | Sample holder for biological samples | |
| JP7086868B2 (en) | Image-based sample analysis | |
| CN112424329A (en) | Systems and methods for cell imaging, analysis, and measurement | |
| JP3824641B2 (en) | Method and apparatus for preparing an object for optical analysis | |
| CZ37961U1 (en) | A microfluidic chip and an analytic assembly for the characterization and identification of microbes using optical detection methods | |
| Lai et al. | Lab‐on‐a‐chip biophotonics: its application to assisted reproductive technologies | |
| KR102458032B1 (en) | Rt-pcr device | |
| DE10132761A1 (en) | Climatic chamber for reactions of very small samples on slides, comprises that it controls the slide temperature and surrounding microclimate | |
| CN112955260A (en) | Biological sample holder and processor | |
| Awate et al. | 3D printed imaging platform for portable cell counting | |
| JP2807988B2 (en) | Cell analysis method and device | |
| JP2807989B2 (en) | Cell analysis method and device | |
| EP4409263A1 (en) | Method and hematology analyzer for optically analyzing blood cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG1K | Utility model registered |
Effective date: 20240625 |