감소 물방울 표면 상호 작용을 활용하는 디지털 미세 유체에 Bioanalytes의 전송을 최적화하려면

요약

계자 디웨팅 장치(Field-DW)의 제조 및 작동을 위한 프로토콜과 액적 내용물에 대한 전기장의 영향에 대한 예비 연구에 대해 설명합니다.

초록

DMF(Digital Microfluidics)는 액적 조작 기술로, "랩온칩(lab-on-a-chip)" 플랫폼 개발을 위한 유망한 대안입니다. 종종, 물방울 운동은 전기장의 적용과 직접 관련된 표면의 젖음에 의존합니다. 그러나 표면 상호 작용은 액적 내용물에 따라 움직임을 의존하게 만들어 기술의 적용 범위를 제한합니다.

이 의존성을 최소화하기 위해 몇 가지 대안이 제시되었습니다. 그러나 그들은 물방울 또는 그 주변에 여분의 화학 종을 추가하는 데 의존하며, 이는 잠재적으로 물방울 부분과 상호 작용할 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 우리 그룹은 최근 추가 첨가제 없이 DMF에서 세포와 단백질을 수송할 수 있는 Field-DW 장치를 개발했습니다.

여기에서는 모션 제어를 위한 전자 인터페이스를 포함하여 장치 제작 및 작동을 위한 프로토콜이 제공됩니다. 우리는 또한 장치에 대한 연구를 계속하여 상대적으로 큰 다세포 모델 유기체도 운반될 수 있으며 장치 작동에 필요한 전기장의 영향을 받지 않는다는 것을 보여줍니다.

서론

액체 작동 장치의 소형화는 "랩 온어 칩"플랫폼의 개발을 위해 매우 중요하다. 이 방향에서, 지난 20 년간 다양한 용도로, 미세 유체 분야에서 상당한 진전을 보아왔다. ^1-5 동봉 채널 (채널 미세 유체) 내의 유체의 수송과 대조, DMF는 전극 어레이의 방울을 조작한다. 이 기술의 가장 매력적인 장점 중 하나는 유체를 수송하는 가동부의 부재이며, 모션 즉시 전기 신호를 해제하여 정지된다.

그러나, 액적 모션 범용 "랩 온어 칩"플랫폼에 확실히 바람직하지 않은 특성, 액적 내용에 의존한다. 단백질과 다른 분석을 포함하는 물방울은 이동이 불가능한되고, 장치 표면에 충실. 이론의 여지는 있지만, 이것은 DMF 애플리케이션의 범위를 넓혀위한 주요 제한되었다; ^6-8원하지 않는 표면의 오염을 최소화하는 대안 잠재적 액적 콘텐츠에 영향을 미칠 수있는 액적 또는 그 주변에 추가 된 화학 종의 첨가를 포함한다.

이전에, 우리 그룹은 추가의 첨가제 (현장 DW 장치)없이 DMF 세포와 단백질의 이동을 허용하는 장치를 개발 하였다. ^(9)이 액적 압연 호의 장치 기하학 촛불 수트 ^10에 기초하여 표면을 결합함으로써 달성되었다 또한 물방울 표면의 상호 작용을 감소, 물방울에 상향 력에 연결됩니다. 이 방법에서는, 액적 이동은 표면 습윤과 연관되지 않는다. ¹¹

후술하는 상세한 방법의 목적은 별도의 첨가제없이 단백질, 세포 및 유기체 전체를 함유하는 액 적을 이송 할 DMF 장치를 생산하는 것이다. 현장 DW 장치는 방울 화학자의 대부분 독립적으로 작업을 완벽하게 제어 플랫폼을위한 방법을 포장공예.

여기서, 우리는 또한, 본 시뮬레이션 장치 동작에 필요한 고전압에도 불구하고, 그 게재 액적 양단의 전압 강하는 액적 내부 bioanalytes 무시할만한 영향을 나타내는,인가 전압의 작은 부분이다. 사실, 예쁜 꼬마 선충 (C. elegans의), 생물학의 다양한 연구에 사용되는 선충과 예비 시험은, 전압이인가 될 때 벌레가 방해받지 않고 수영을 보여준다.

프로토콜

참고 : 아래에 설명 된 절차, 실험실 안전 지침을 항상 준수해야합니다. 특히 중요한 고전압 (> 500 V) 및 처리 화학 물질 취급 안전성이다.

캔들 그을음과 도전성 기판 1. 코팅

1. 사각형으로 잘라 구리 금속 (0.5 mm 두께 75 X 43mm). 약 30 초 동안 구리 식각액 침지하여 각 구리 기판을 청소 약 20 초 동안 수돗물로 세척, 종이 건조.
   참고 : 아래의 방법 1을 사용하는 경우, 기기에 맞도록 75 × 25 mm의 크기를 변경합니다.
2. (약 40 μm의 두께) 대략 균일 수트 코팅을 얻기 위해, 30-45 초간 구리 기판 아래에 조명 된 파라핀 양초 스윕. 화염 내부 ~ 1cm에서 기판을 유지합니다. 깨지기 쉬운 매연 표면을 만지지 마십시오.

2. 코팅 그을음 계층 보호

참고 : 그을음 층이 매우 취약및 보호를위한 코팅해야합니다. 두 개의 간단한 대안 (방법 1 아래 2) 여기에 제시되어 있지만,보다 강력한 프로토콜은 현재 개발 중에 있습니다.

1. 방법 1
   1. 금속 증발기 또는 스퍼터링 시스템에 샘플을로드합니다. 시스템의 작동 절차에 따라, 챔버 대피하고, 수트 층 (150-200 ㎚) 상에 금을 증착 제어를 시작한다. 장치를 실온까지 냉각하자.
   2. 딥 코트 화학 후드 내부에 10 분 동안 (95 % 에탄올, ACS / USP 등급의 1 % V / V) 1 도데 칸 티올 용액에 금속을 입힌 기판. 그런 다음, 60 °에 가까운 각도로 장치를 잡고 천천히 만 에탄올 몇 방울 표면을 씻어. 하룻밤 장치가 건조 보자.
2. 방법 2
   1. 기판이 여전히 촛불 불꽃에서 따뜻한 동안 화학 후드에서 즉시 그을음 기판을 코팅 한 후, 한쪽에 불소계 액체의 일부 방울을 증착하고기판은 90 °에 가까운 각도로 기판을 기울여. 더 방울을 입금하고 전체 매연 표면에 롤 수 있습니다.
      참고 : 물방울이 자리에서 떨어지면, 그을음이 떨어져 그 지역에서 세척 될 것입니다. 가능한 플루오르 액체 확산의 방울만큼 보자.
   2. 화학 후드 내부 핫 플레이트 (15 분 동안 160 ° C)에 기판 굽는다.
   3. 기판은 사용하기 전에 실온에서 밤새 앉아 보자. 무기한으로 저장합니다.

3. 상단 전극의 제조 (Abdelgawad 등에서 적응. ¹²⁾

1. 그래픽 디자인 소프트웨어를 사용하여 전극을 그린다. 각 전극은 0.3 mm, 폭 2mm 길이이고, 전극 간의 갭은 0.3 mm이다. 연락처 (아래 참조, 커넥터에 스냅) 사이의 간격은 2.3 mm (그림 1)입니다.
2. 바둑 형식 (3.87 X 7.5 인치)에 유연한 구리 라미네이트 (두께 35 μm의) 트림. 다른 크기를 사용하여 I프린터와 호환 F. 컬러 프린터의 수동 급지 트레이에 라미네이트를 넣습니다.
3. 구리 시트에 인쇄 할 때, 에칭 동안 인쇄 된 패턴을 보호, 구리 기판에 검은 잉크의 밀도가 높은 층을 할 수 있도록 "풍부한 블랙", 또는 "등록 블랙"을 사용하십시오 (자세한 내용은 Abdelgawad 등. ¹² 참조) 확인 . 하룻밤 완전히 인쇄 기판 건조하자.
4. 화학 후드 내부 (40 ° C) 구리 식각액의 50 mL를 비커 따뜻하게. 비커에 인쇄 된 적층 물을 찍어, 부드럽게 약 10 분 동안 용액에 흔들어. 에칭 시간은 구리 에칭액에 따라 달라집니다. 모든 몇 분, 부식을 확인하고 패턴이 그대로 있는지.
5. 조심스럽게 물 라미네이트를 세척하고 화학 후드에서 아세톤과 에탄올로 코팅을 제거합니다. 다시 한 번 세척하고, 부드럽게 종이 타월로 라미네이트를 건조.
6. 조심스럽게 GLA에 전극 적층 체를 부착SS 슬라이드 (75 X 25mm, 두께 ~ 1mm), 양면 테이프를 사용. 공기 주머니를 피하십시오.
7. 테이프를 사용하여 전극에 퍼플 루오로 PFA의 필름을 부착합니다. 이 물방울과 전극의 접촉 사고를 방지하는 역할을하는 합선에 손해 상단 전극.

4. (그림 2의 회로) 전자 인터페이스

1. 범용 회로 기판에 릴레이, 콘덴서 C를 납땜한다.
2. 전자 회로 납땜 브레드 보드에 10 릴레이 드라이버의 나머지 부분을 조립합니다.
3. 와이어 제어 기판의 채널에 각각 릴레이 드라이버의 입력.
4. 조심스럽게 커넥터에 (그림 3) 상부 전극 웁니다. 와이어 도면에 나타내는 바와 같이 상부 전극에 각각 릴레이 드라이버의 출력. 전기적 잡음을 최소화하기 위해 릴레이에서 와이어 쌍 사이 접지 커넥터 접촉이 있음을 유의.
   주 : 커넥터는 t을 제어하는​​ 조절 가능한 플랫폼에 앉아상단과 하단 (그을음 코팅) 기판 사이의 그 거리 (0.1 ~ 0.5 mm).
5. 다음, 2345, 3456 등; 0.8 초, 작용하다 1234, 즉 운동 (방향 1 전극 시프트, 동시에 4 전극에 고전압 (HV) 응용 프로그램 (약 0.8 초)을위한 타이밍을 제어하는 프로그램을 사용하여 ., 각 그룹에 대해 0.8 초 후 거꾸로, 반대 ​​방향으로 이동하므로 액적뿐만 아니라).

5. 물방울 시각화 및 취급

1. CCD 카메라와 결합 96X 배율 어셈블리 - 액적 모션을 기록하려면, 24X 구성된다 시각화 시스템을 사용한다. S-비디오를 사용하여 카메라에 비디오 레코더를 연결합니다.
2. C.를 함유하는 4 ㎕의 방울을 피펫 그을음 코팅 된 기판의 바닥에있는 미디어에 간스.
3. ~ 방울 위의 0.3 mm를 가기 전극을 가져와. 물방울은 쉽게 조작, 단지 5 전극 아래, 중간에 근접해야합니다.
4. 전자 인터페이스와 높은 전압 (500 V _RMS)의 전원을 켜서 이동 시작할 때까지 액에 상부 전극의 거리를 조정합니다. 상부 전극이 물방울에 접촉하지 않도록.
5. 전기 펄스에 응답하여 상기 디바이스에서 성공적인 액적 전송 수를 기록함으로써 데이터를 수집. 성공적인 실험은, 적어도 700 방울 전송을 특징으로 즉, 각각의 전기 펄스 후 하나의 전송.
6. 액이 5 ~ 10 펄스에 대한 응답으로 더 이상 움직이지 않을 때까지, 지속적으로 데이터를 수집합니다.
   참고 : 표면이 떨어지기 시작하면 움직임이 가까이 방울 가기 전극을 가져와 복원 할 수 있습니다.

결과

이전에는 DMF 단백질의 움직임을 허용하도록 필드-DW 장치를 사용 해왔다. 특히, 소 혈청 알부민 (BSA)와 액적 이전 다른 작성자 (무첨가)보고 된 것보다 2000 배 더 높은 농도로 이동 될 수있다. 이 물방울과 표면 사이의 상호 작용의 감소 때문, 그림 4 (. 참조 프레 이레 등 ⁹ 실험에 대한 자세한 내용은) 형광 표지 된 BSA가 포함 된 물방울을 보여줍니다. 왼쪽의 첫 번째 그림은 그을음​​ 코팅 표면에 앉아 물방울을 보여줍니다; 가운데 하나, 액적 압연을 생산 외에, 또한 상기 표면과의 상호 작용을 감소 방울에 상향 력을인가 전계의 효과. 만 (촛불 그을음없이) 플루오르 액체로 코팅 된 표면입니다 DMF에 사용되는 일반적인 대안에 전단 대비 (오른쪽) 참고; 하부 접촉에 의해 표시된 표면과 강한 상호 작용,ngle, 자주 운동을 방해한다.

여기서, 우리는 이제 더 큰 유기체를 ...

토론

프로토콜의 가장 중요한 단계는 방울을 직접 이동에 성공과 연관 수트 층의 보호이다. 수트 층 (위의 방법 1) 금속 화하는 제조 성공의 100 %에 근접 할 수 있습니다. 그러나, 최대 작동 시간은 약 10 분이며; 아마도, 액적 분획 금속층에 관통 구멍 그을음 습윤된다. 플루오르 액체와 그을음 층을 코팅하는 가장 쉽고 빠른 대안이며, 최소 자원을 필요로하지만, 제작 된 기판 작업 (20 분 최대) 만 40~50% - 그리고 코팅은 균일하지 않다. 사실, 수트 층은 매우 깨지기 및 점성 액체 불소화 쉽게 손상 그것. 우리는 현재 장치의 동작 시간을 증가시킬 수트 층을 보호하기 위해보다 강력한 대안에서 작동된다. 그러나, 한 가지 중요한 측면은 표면에 액적 콘텐츠의 흡착이다. 이전에, 우리는 ⁹ ATT 단백질의 양을 정량화장치 작동 중에 표면 아팠다 및 상관 계속 동작 및 소 혈청 알부민 (BSA)의 감소 된 표면 흡착 사이에서 발견되었다. 불구하고, 생물 연료는 복잡한 문제이며, 몇몇 저자는 심지어 완전히 ...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
파라핀 캔들			모든 파라핀 캔들
스퍼터링 시스템	Denton Vacuum, Moorestown, NJ		스퍼터 코터 데스크 V HP는 Au 타겟을 갖추고 있습니다.
1-dodecanethiol	Sigma-Aldrich	471364
Teflon	Dupont	AF-1600
Fluorinert FC-40	Sigma-Aldrich	F9755	불소화 액체: Fluorinert FC-40, 1:100 (w/w)에 Teflon-AF 수지를 준비하여 소수성 코팅을 만듭니다.
그래픽 디자인 소프트웨어 -Adobe Illustrator	Adobe Systems		다른 소프트웨어도 사용할 수 있습니다.
구리 라미네이트	Dupont	LF9110
레이저 프린터	Xerox	Phaser 6360 또는 이와 유사한	"리치 블랙" 또는 "등록 블랙"과의 호환성을 확인하십시오(텍스트 참조).
구리 에칭	트란센	CE-100
퍼플루오로알콕시(PFA) 필름	McMaster-Carr	84955K22
브레드보드	Allied Electronics	70012450 또는 이와 유사한	10개의 드라이버를 조립할 수 있을 만큼 충분히 큽니다.
유니버설 회로 보드	Allied Electronics	70219535 또는 유사한
커넥터	Allied Electronics	5145154-8 또는 유사한
제어 보드 및 제어 프로그램 (LabView 소프트웨어)	National Instruments	NI-6229 또는 유사한
고전압 증폭기	Trek	PZD700
커패시터 C 및 C1, 100 nF, 60 V	Allied
트랜지스터 T, NPN	연합
다이오드 D, 1N4007	연합
릴레이	동맹
시각화 시스템	Edmund Optics	VZM 200i 또는 유사	시스템 배율 24X – 96X. 히타치 KP-D20B 1/2 in CCD 컬러 카메라와 결합됩니다.
레코더	Sony	GV-D1000, NTSC 또는 이와 유사한	S-video 케이블로 카메라에 연결되어 있습니다.
시뮬레이션	COMSOL Multiphysics	V. 4.4