[論文レビュー] Viscophoretic particle transport

Vahid Khandan, Vincent J.P. Boerkamp+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2022

Microfluidic and Bio-sensing Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、急峻で安定した粘度勾配を持つマイクロフルイディクスデバイスにおいて、粘性フォレティック粒子輸送を実験的に実証し、理論的予測をはるかに上回る漂流速度を明らかにした。高分解能蛍光顕微鏡と相関解析を用いて、粘性フォレティクスを定量的に評価し、新規の方法として粘性フォレティクスと拡散フォレティクスの協働効果によるナノ粒子捕集を実証した。

ABSTRACT

Viscosity is a fundamental property of liquids and determines the diffusivity of suspended particles. A gradient in viscosity leads to a gradient in diffusivity, yet it is unknown whether such a gradient can lead to directed transport of particles. In this work, we generate a steep, stable viscosity gradient in a microfluidic channel and image the resulting transport of suspended nanoparticles at the single-particle level using high-resolution microscopy. We observe high viscophoretic drift velocities that significantly exceed theoretical predictions. In addition, we utilize viscophoresis for a new type of particle trap. We provide a first quantification of a transport phenomenon that is of importance in any system and any application exhibiting viscosity gradients, for example in separation using membrane technology as well as in inter- and intracellular biomolecular transport.

研究の動機と目的

• 単一粒子レベルでの粘度勾配駆動によるナノ粒子の粘性フォレティック輸送を実験的に調査すること。
• 空間依存拡散係数を伴う輸送において、イトウ-ストラトニチッチのジレンマを、実際の漂流速度の測定によって解明すること。
• 精密な粒子操作が可能な、急峻で安定した粘度勾配を生成・維持できるマイクロフルイディクスプラットフォームの開発。
• 粘性フォレティクスと拡散フォレティクスの相乗効果を解明し、新たな粒子濃縮・捕集戦略を検討すること。
• 異なる確率過程解釈（α = 0, 1/2, 1）に基づく理論的予測と比較して、粘性フォレティック漂流速度を定量的に評価すること。

提案手法

• ポリジオキシメチレン（PDMS）とバナジルガラスを用いてマイクロフルイディクスデバイスを加工し、酸素プラズマ表面活性化およびシラン修飾を施して、蛍光ナノ粒子を反発する負に charged な表面を形成した。
• 流量比を粘度比の逆数に比例させるように制御する二入口系を設計し、シリンジポンプを用いて安定的かつ急峻な粘度勾配を生成した。
• 402 nm、520 nm、680 nmのレーザーとsCMOSカメラを備えた自作TIRF顕微鏡装置を用い、200–500 fpsの高スルーレートで180–360 nmの有効ピクセル分解能で高速撮影を行った。
• 高速フーリエ変換を用いたペア相関関数（pCF）解析を実施し、8つの角度領域に分けて平均二乗変位（MSD）を定量し、方向性拡散係数を抽出した。
• 遅延時間の増加に伴いpCFの中心位置の変位を測定し、個々のナノ粒子の高精度な速度測定（ボロシティメトリー）を可能にした。
• 8 nm、28 nm、110 nmのカルボキシル化された蛍光ビーズを用いて、異なる拡散係数領域における粒子サイズ依存の粘性フォレティック効果を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定的かつ急峻な粘度勾配内におけるナノ粒子の粘性フォレティック漂流速度の大きさは何か？ また、理論的予測と比較するとどうなるか？
• RQ2 空間依存拡散係数場における粘性フォレティック輸送を最も適切に記述するのは、イトウ（α = 0）、ストラトニチッチ（α = 1/2）、あるいは等温モデル（α = 1）のうちどれか？
• RQ3 勾配内での粒子サイズおよび拡散係数の変化が、合成漂流速度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 粘性フォレティクスと拡散フォレティクスを組み合わせることで、マイクロフルイディクス系における能動的粒子捕集と濃縮が可能か？
• RQ5 これまでの集合的測定からの推定にとどまっていた粘性フォレティック輸送が、単一粒子レベルで実際に存在することを裏付ける実験的証拠は何か？

主な発見

• ナノ粒子の粘性フォレティック漂流速度は、特に大きな粒子（例：110 nm）において理論的予測を著しく上回っており、強い非平衡輸送効果が顕在していることが示された。
• 観測された漂流速度は、イトウ解釈（α = 0）やストラトニチッチ解釈（α = 1/2）とは整合せず、コロイド系においては等温モデル（α = 1）が最も適切であると支持された。
• 2 μm × 5 μm の断面を持つマイクロチャネル内で、安定的かつ急峻な粘度勾配を実現し、粒子の運動を精密に制御・観察可能となった。
• 粘性フォレティクスと拡散フォレティクスの併用により、マイクロチャネル内の特定領域にナノ粒子を効果的に捕集・濃縮でき、新規なマイクロフルイディクス原理の実証に成功した。
• 高分解能pCF解析により、方向性拡散の異方性が判明し、粘度が低下する方向にMSDが増加する傾向が確認され、低粘度側へのネット輸送が裏付けられた。
• 最大500 fpsの高時間分解能で、個々の粒子の拡散および方向性運動を正確に測定可能な、単一粒子レベルでの漂流速度の定量的評価が達成された。