Методическая статья

Использование преимуществ Снижение капель поверхности взаимодействия для оптимизации Перевозка Bioanalytes в Digital Microfluidics

DOI:

10.3791/52091

⸱

10 ноября 2014 г.

 ,  ,  , 
1Department of Mathematics, Physics and Statistics, University of the Sciences

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Описан протокол изготовления и эксплуатации полевых обезвочивающих устройств (Field-DW), а также предварительные исследования влияния электрических полей на содержимое капель.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Цифровая микрофлюидика (DMF), метод манипулирования каплями, является многообещающей альтернативой для разработки платформ «лаборатория на чипе». Часто движение капель основано на смачивании поверхности, непосредственно связанном с приложением электрического поля; Поверхностные взаимодействия, однако, ставят движение в зависимость от содержимого капель, ограничивая широту применения этого метода.

Некоторые альтернативы были представлены для минимизации этой зависимости. Тем не менее, они полагаются на добавление дополнительных химических веществ в каплю или окружающую ее среду, которые потенциально могут взаимодействовать с фрагментами капель. Решая эту проблему, наша группа недавно разработала устройства Field-DW, позволяющие транспортировать клетки и белки в DMF без дополнительных добавок.

Здесь предоставляется протокол для изготовления и работы устройства, включая электронный интерфейс для управления движением. Мы также продолжаем исследования с помощью устройств, показывающие, что многоклеточные, относительно большие, модельные организмы также могут транспортироваться, возможно, не подвергаясь воздействию электрических полей, необходимых для работы устройства.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Миниатюризация устройств, которые работают с жидкостями имеет первостепенное значение для развития "Лаборатория на чипе" платформ. В этом направлении, в последние два десятилетия мы стали свидетелями значительного прогресса в области микрофлюидики, с различными приложениями. 1-5 Контрастные с перевозкой жидкости в закрытых каналах (канал микрофлюидики), DMF манипулирует капли на массивы электродов. Один из самых привлекательных достоинств этого метода является отсутствие подвижных частей для транспортировки жидкостей, и движение мгновенно остановился, выключив электрические сигналы.

Тем не менее, капля движения зависит от содержания капель, конечно нежелательно характерно для универсальной платформы "Лаборатория на чипе". Капли, содержащие белки и другие анализируемые придерживаться поверхностей устройств, становится неподвижным. Возможно, это было главное ограничение для расширения сферы применения DMF; 6-8альтернативы, чтобы минимизировать нежелательные поверхности обрастания включать добавление дополнительных химических веществ в капле или его окрестностях, которые потенциально могут повлиять капель содержание.

Ранее наша группа разработали устройство, чтобы позволить перенос клеток и белков в ДМФА, без дополнительных добавок (полевые устройства-DW). 9 Это было достигнуто путем объединения поверхность свечи на основе сажи, 10 с геометрией устройства, что способствует капель прокатки и приводит к направленное вверх усилие на капли, капли в дальнейшем уменьшении-поверхности взаимодействия. В этом подходе, движение капель не связан с смачивания поверхности. 11

Цель подробного способом, описанным ниже, чтобы произвести DMF устройство, способное транспортировать капель, содержащих белки, клетки и целые организмы, без дополнительных добавок. Устройства поле-DW проложить путь для полностью управляемых платформ, работающих в значительной степени независимо от капель химикары.

Здесь мы также нынешние расчеты, показывающие, что, несмотря на высокое напряжение, необходимое для работы устройства, падение напряжения на капле небольшая часть приложенного напряжения, с указанием незначительное воздействие на bioanalytes внутри капли. На самом деле, предварительные испытания с Caenorhabditis Элеганс (C. Элеганс), нематоды, используемого для различных исследований в области биологии, показывают, что черви плавают спокойно, как напряжениях.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ПРИМЕЧАНИЕ: При выполнении процедур, описанных ниже, принципы лаборатория безопасности всегда должны быть соблюдены. Особое значение имеет безопасность при работе с высоким напряжением (> 500 В) и химическими веществами.

1. Покрытие из подложка с Свеча сажи

  1. Вырезать металлической меди на прямоугольники (75 х 43 мм, толщиной 0,5 мм). Чистить каждый медную подложку путем погружения в медной травителя в течение приблизительно 30 сек, промывают водопроводной водой в течение 20 секунд, и сухой бумагой.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании метода 1 ниже, изменить размеры 75 х 25 мм, чтобы вписаться в машине.
  2. Развертки зажженную свечу парафина под медную подложку для 30-45 сек, чтобы получить приблизительно равномерное покрытие сажи (около 40 мкм). Держите субстрат на ~ 1 см внутри пламени. Не прикасайтесь к хрупкой поверхности сажи.

2. Защита Сажа слой с покрытием

ПРИМЕЧАНИЕ: сажа слой очень хрупокИ должны быть покрыты для защиты. Два простых альтернатив (методы 1 и 2 ниже) предлагаются здесь, но более надежные протоколы находятся в стадии разработки.

  1. Способ 1
    1. Загрузите образец в металлической испарителя или распыления системы. После процедур функционирования системы, вакуумировать камеру, и начать контролируемое осаждение золота на сажи слоя (150-200 нм). Пусть устройство остыть до комнатной температуры.
    2. Dip-покрытие металлизированной подложки в 1-додекантиола раствора (1% объем / объем, в 95% -ном этаноле, ACS / USP класс), в течение 10 мин внутри химической капотом. Затем, удерживая устройство под углом, близким к 60 °, аккуратно вымыть поверхность с несколькими каплями только этанол. Пусть устройства сухой, на ночь.
  2. Способ 2
    1. В химической капот, сразу же после нанесения на подложку с сажей и в то время как подложка еще теплый от пламени свечи, депозит несколько капель фторированной жидкости на одной сторонеПодложка, и наклонить подложку под углом, близким к 90 °. Депозит больше капелек, и пусть катиться по всей поверхности сажи.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Когда капля падает на месте, сажа будет вымываться из этой области. Пусть капельки жидкого фторированного распространения как можно больше.
    2. Печь подложки на горячей плите (160 ° C в течение 15 мин) внутри химической капотом.
    3. Пусть субстрат на ночь при комнатной температуре перед использованием. Храните на неопределенный срок.

3. Изготовление Топ электродов (взято из Abdelgawad др. 12)

  1. Нарисуйте электродов с использованием графических программ. Каждый электрод имеет длину 2 мм, шириной 0,3 мм, и зазор между электродами составляет 0,3 мм. Разрыв между контактами (привязать к разъему, смотрите ниже) составляет 2,3 мм (рисунок 1).
  2. Обрезать гибкий медный ламинат (35 мкм толщиной) в формате Monarch (3,87 х 7,5 дюйма). Используйте другие размеры яе совместимы с принтером. Загрузите ламинат в лоток ручной подачи на цветном принтере.
  3. Убедитесь, что использовать "богатый черный" или "прописку черный", при печати на листовой меди (см Abdelgawad др. 12 для получения подробной информации), чтобы позволить более плотную слой черной краски на медной подложке, защищая напечатанному шаблону во время травления , Пусть Печатная подложка полностью не высохнет, на ночь.
  4. Внутри химической капот, разогреть (40 ° C) Химический стакан 50 мл меди травителя. Опустите печатную ламинат в стакан, и осторожно встряхните его в растворе в течение 10 мин. Офорт время зависит от меди травильного раствора. Каждые несколько минут, проверить коррозии и посмотреть, если картина не повреждена.
  5. Тщательно мыть ламинат с водой, и удалить покрытие с ацетоном и этанолом в химической капотом. Промыть еще раз, и осторожно высушить ламината с бумажным полотенцем.
  6. Тщательно прикрепите ламинат с электродами на ГЛКсс слайд (75 х 25 мм, ~ 1 мм толщиной), используя двусторонний скотч. Избегайте воздушных карманов.
  7. Прикрепите пленку перфторалкокси PFA к электродам, используя ленту. Это служит для предотвращения случайного контакта электродов с каплей, которая повреждает верхние электроды из-за короткого замыкания.

4. Электронный интерфейс (Circuit на рисунке 2)

  1. Припой реле и конденсаторы C до универсальной плате.
  2. Соберите остальные реле водителей 10 на беспаечное плате для электронных схем.
  3. Провод ввода каждого реле водителя на канал в панели управления.
  4. Осторожно надавите на верхнюю электроды в разъем (рисунок 3). Провод выход каждого реле водителя на верхнем электроде, как показано на рисунке. Следует отметить, что существует заземлен контакт в разъеме между парой проводов от реле, чтобы свести к минимуму электрические помехи.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Разъем сидит на регулируемой платформе для управления тон расстояние (0,1-0,5 мм) между верхней и нижней (сажи покрытием) подложке.
  5. С помощью программы для управления синхронизацией для применения высокого напряжения (HV) (около 0,8 сек) до 4 электродов в то же время, сдвигая 1 электрод в направлении движения (то есть, в течение 0,8 сек, приводить в 1234, затем 2345, 3456, и т.д. ., 0,8 сек для каждой группы, а затем в обратном направлении, так что капли движется в противоположном направлении, а).

5. капель Визуализация и обработка

  1. Чтобы записать движение капель, использовать систему визуализации, которая состоит из 24X - 96X увеличении сборки в сочетании с ПЗС-камерой. Подключите видеомагнитофон к камере с помощью S-Video.
  2. Внесите 4 мкл каплю, содержащую С. Elegans в средствах массовой информации на нижней части сажи покрытием подложки.
  3. Принесите верхние электроды к ~ 0,3 мм над капли. Капелька должна быть близка к середине, чуть ниже пятого электрода, для облегчения операции.
  4. Включите электронный интерфейс и высокое напряжение (500 В RMS), и отрегулируйте верхнюю расстояние между электродами к капле, пока не начнет двигаться. Не позволяйте топ электроды коснуться капли.
  5. Сбор данных по записи числа успешных передач капель на устройстве в ответ на электрические импульсы. Успешный эксперимент характеризуется по крайней мере, 700 капель трансфертов, то есть, один перевод после каждого электрического импульса.
  6. Сбор данных непрерывно, пока капля не двигается больше в ответ на 5 до 10 импульсов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Когда поверхность начинает деградировать, движение может быть восстановлено путем привлечения лучших электродов ближе к капле.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ранее мы использовали устройства Поле-DW, чтобы позволить движение белков в DMF. В частности, капельки с бычьим сывороточным альбумином (BSA) может быть перемещен в концентрации 2000 раз выше, чем ранее сообщалось другими авторами (без добавок). Это было связано с уменьшением взаимодействия капли и поверхности; Рисунок 4 показывает капельку, содержащую флуоресцентно-меченый BSA (см Фрейре и др 9 для получения дополнительной информации о экспериментах.). Первая картина слева ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Наиболее важным шагом протокола является защита сажи слоя, непосредственно связанные с успехом в продвижении капельки. Металлизации сажи слой (метод 1 выше) позволяет близка к 100% успеха изготовления. Тем не менее, максимальное время работы составляет около 10 мин; возможно, капель фракции смачивания сажу через отверстия в металлическом слое. Покрытие сажи слой с фторированной жидкости является простой и быстрый альтернативой, и требует минимальных ресурсов, но только 40-50% от (мин максимум 20) изготовлены субстраты р...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы благодарим Lindback Фонд финансовой поддержки, и д-р Александр Сидоренко и Эльзу Чу для плодотворных дискуссий и технической помощи, а также профессора Роберта Смита за помощь в С. Элеганс анализы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Парафиновая свечаЛюбая парафиновая свеча
Система напыленияDenton Vacuum, Moorestown, NJНапылеватель Desk V HP оснащен мишенью Au.
1-додекантиолSigma-Aldrich471364
тефлонDupontAF-1600
Фтористый FC-40Sigma-AldrichF9755Фторированная жидкость: Приготовьте смолу Teflon-AF в Fluorinert FC-40, 1:100 (по массе), для создания гидрофобного покрытия.
Программное обеспечение для графического дизайна -Adobe IllustratorAdobe SystemsТакже могут использоваться другие программы.
Медный ламинатDupontLF9110
Лазерный принтерXeroxPhaser 6360 или аналогичныйПроверьте совместимость с "насыщенным черным" или "черным приводкой" (см. текст).
Медный травительTranseneCE-100
Perfluoroalkoxy (PFA) пленкаMcMaster-Carr84955K22
Макетная платаAllied Electronics70012450 или аналогичнаяДостаточно большая, чтобы можно было собрать 10 драйверов.
Универсальная печатная платаAllied Electronics70219535 или аналогичная
РазъемAllied Electronics5145154-8 или аналогичная
Плата управления и управляющая программа (программное обеспечение LabView)National InstrumentsNI-6229 или аналогичная
Высоковольтный усилительTrekPZD700
Конденсаторы C и C1, 100 нФ, 60 ВAllied 
Транзистор Т, НПНСоюзники 
Диод Д, 1N4007Allied  
Эстафета Союзники 
Система визуализацииEdmund OpticsVZM 200i или аналогичнаяСистема увеличения 24X – 96X. Он совмещен с цветной камерой Hitachi KP-D20B 1/2 in CCD.
РегистраторSonyGV-D1000 NTSC или аналогичныйподключается к камере с помощью кабеля S-video.
Моделированиев COMSOL MultiphysicsV. 4.4
8817183935028926600078862527

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Fair, R. B. Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible. Microfluid Nanofluid. 3 (3), 245-281 (2007).
  2. Gupta, S., Alargova, R. G., Kilpatrick, P. K., Velev, O. D. On-Chip Dielectrophoretic Coassembly of Live Cells and Particles into Responsive Biomaterials. Langmuir. 26 (5), 3441-3452 (2009).
  3. Shih, S. C., et al. Dried blood spot analysis by digital microfluidics coupled to nanoelectrospray ionization mass spectrometry. Anal Chem. 84 (8), 3731-3738 (2012).
  4. Gorbatsova, J., Borissova, M., Kaljurand, M. Electrowetting-on-dielectric actuation of droplets with capillary electrophoretic zones for off-line mass spectrometric analysis. J Chromatogr. 1234 (0), 9-15 (2012).
  5. Qin, J., Wheeler, A. R. Maze exploration and learning in C. elegans. Lab Chip. 7 (2), 186-192 (2007).
  6. Koc, Y., de Mello, A. J., McHale, G., Newton, M. I., Roach, P., Shirtcliffe, N. J. Nano-scale superhydrophobicity: suppression of protein adsorption and promotion of flow-induced detachment. Lab Chip. 8 (4), 582-586 (2008).
  7. Perry, G., Thomy, V., Das, M. R., Coffinier, Y., Boukherroub, R. Inhibiting protein biofouling using graphene oxide in droplet-based microfluidic microsystems. Lab Chip. 12 (9), 1601-1604 (2012).
  8. Kumari, N., Garimella, S. V. Electrowetting-Induced Dewetting Transitions on Superhydrophobic Surfaces. Langmuir. 27 (17), 10342-10346 (2011).
  9. Freire, S. L. S., Tanner, B. Additive-Free Digital Microfluidics. Langmuir. 29 (28), 9024-9030 (2013).
  10. Deng, X., Mammen, L., Butt, H. -J., Vollmer, D. Candle Soot as a Template for a Transparent Robust Superamphiphobic Coating. Science. 335, 67-70 (2011).
  11. Kang, K. H. How Electrostatic Fields Change Contact Angle in Electrowetting. Langmuir. 18 (26), 10318-10322 (2002).
  12. Abdelgawad, M., Watson, M. W. L., Young, E. W. K., Mudrik, J. M., Ungrin, M. D., Wheeler, A. R. Soft lithography: masters on demand. Lab Chip. 8 (8), 1379-1385 (2008).
  13. Barbulovic-Nad, I., Yang, H., Park, P. S., Wheeler, A. R. Digital microfluidics for cell-based assays. Lab Chip. 8 (4), 519-526 (2008).
  14. Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Genetics. 77 (1), 71-94 (1974).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Digital MicrofluidicsDroplet TransportField De WettingElectrode FabricationSoot CoatingFluoro Polymer ApplicationC Elegans TransportBSA Interaction AnalysisElectronic Interface ControlLab On Chip

Похожие статьи