Drage fordel af reducerede Droplet-overflade Interaktion Optimer Transport af Bioanalytes i Digital Microfluidics

Summary

The protocol for fabrication and operation of field dewetting devices (Field-DW) is described, as well as the preliminary studies of the effects of electric fields on droplet contents.

Abstract

Digital microfluidics (DMF), a technique for manipulation of droplets, is a promising alternative for the development of “lab-on-a-chip” platforms. Often, droplet motion relies on the wetting of a surface, directly associated with the application of an electric field; surface interactions, however, make motion dependent on droplet contents, limiting the breadth of applications of the technique.

Some alternatives have been presented to minimize this dependence. However, they rely on the addition of extra chemical species to the droplet or its surroundings, which could potentially interact with droplet moieties. Addressing this challenge, our group recently developed Field-DW devices to allow the transport of cells and proteins in DMF, without extra additives.

Here, the protocol for device fabrication and operation is provided, including the electronic interface for motion control. We also continue the studies with the devices, showing that multicellular, relatively large, model organisms can also be transported, arguably unaffected by the electric fields required for device operation.

Introduction

Miniaturisering af enheder, der arbejder med væsker er af afgørende betydning for udviklingen af ​​"lab-on-a-chip" platforme. I denne retning, har de seneste to årtier oplevet en markant fremgang inden for mikrofluidik, med en bred vifte af applikationer. ^1-5 kontrast til transport af væske i lukkede kanaler (kanal mikrostrømning), DMF manipulerer dråber på arrays af elektroder. Et af de mest attraktive fordele ved denne teknik er fraværet af bevægelige dele til at transportere væsker, og bevægelse øjeblikkeligt stoppet ved at slukke elektriske signaler.

Men dråbe bevægelse er afhængig dråbe indhold, bestemt en uønsket egenskab for en universel platform "lab-on-a-chip". Dråber indeholder proteiner og andre analytter holde sig til enhedens overflader bliver urokkelige. Formentlig har det været den største begrænsning for at udvide anvendelsesområdet for DMF-applikationer; ^6-8alternativer til at minimere uønskede overflade begroning involverer tilføjelse af ekstra kemiske stoffer til dråben eller dens omgivelser, der potentielt kan påvirke dråbe indhold.

Tidligere vores gruppe udviklet et apparat til at tillade transport af celler og proteiner i DMF, uden ekstra additiver (Field-DW enheder). ^9. Dette blev opnået ved at kombinere en overflade baseret på lys sod, ¹⁰ med en anordning geometri, der favoriserer dråbe rullende og fører til en opadgående kraft på dråben yderligere faldende dråbe-overflade interaktion. I denne fremgangsmåde er dråbe bevægelse ikke forbundet med overfladebefugtning. ¹¹

Målet med den detaljerede nedenfor beskrevne metode er at fremstille en anordning DMF stand til at transportere dråber indeholdende proteiner, celler og hele organismer uden ekstra additiver. Field-DW-enheder bane vejen for fuldt kontrollerede platforme arbejder stort set uafhængigt af dråber kemikerry.

Her vil vi også fremlægge simulationer viser, at på trods af den høje spænding der kræves for enhedens drift, spændingsfaldet over dråben er en lille brøkdel af den påtrykte spænding, hvilket indikerer ubetydelig virkning på bioanalytes inde i dråben. Faktisk indledende forsøg med Caenorhabditis elegans (C. elegans), en nematode, der anvendes til en række undersøgelser inden for biologi, viser, at orme svømme uforstyrret som spændinger anvendes.

Protocol

BEMÆRK: I de nedenfor beskrevne procedurer, skal retningslinjer laboratorium sikkerhedsregler altid følges. Af særlig betydning er den sikkerhed, når der beskæftiger sig med høj spænding (> 500 V) og håndtering af kemikalier. 1. Coating af et ledende substrat med Candle Sod Cut kobbermetal i rektangler (75 x 43 mm, 0,5 mm tyk). Rengør hver kobber substrat ved nedsænkning i kobber ætsemiddel i ca. 30 sek, vask med vand fra hanen i ca. 20 sek, og tør efter med papir. …

Representative Results

Tidligere har vi anvendt Field-DW anordninger, der muliggør bevægelsen af ​​proteiner i DMF. Navnlig kunne dråber med bovint serumalbumin (BSA) bevæges ved en koncentration 2.000 gange højere end tidligere rapporteret af andre forfattere (uden tilsætningsstoffer). Dette skyldtes den reducerede samspil mellem dråbe og overflade Figur 4 viser en dråbe indeholdende fluorescens-mærket BSA (se Freire m.fl. 9 for mere information om forsøgene.). Det første billede t…

Discussion

Den mest kritiske trin i protokollen er beskyttelsen af ​​sod lag direkte forbundet med succes i at flytte dråber. Metallisering soden lag (metode 1 ovenfor) giver mulighed for tæt på 100% af fabrikation succes. Den maksimale driftstid er ca. 10 min; eventuelt er dråbe fraktioner fugte sod gennem huller i metallaget. Belægning sod lag med den fluorerede væske er den nemmeste og hurtigste alternativ, og kræver minimum af ressourcer, men kun 40-50% af (min højst 20) fabrikeret substrater arbejde – og belægnin…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Paraffin candle			Any paraffin candle
Sputtering system	Denton Vacuum, Moorestown, NJ		Sputter coater Desk V HP equipped with an Au target.
1-dodecanethiol	Sigma-Aldrich	471364
Teflon	Dupont	AF-1600
Fluorinert FC-40	Sigma-Aldrich	F9755	Fluorinated liquid: Prepare Teflon-AF resin in Fluorinert FC-40, 1:100 (w/w), to create the hydrophobic coating.
Graphic design software -Adobe Illustrator	Adobe Systems		Other softwares might be used as well.
Copper laminate	Dupont	LF9110
Laser Printer	Xerox	Phaser 6360 or similar	Check for the compatibility with "rich black" or "registration black" (see text).
Copper Etchant	Transene	CE-100
Perfluoroalkoxy (PFA) film	McMaster-Carr	84955K22
Breadboard	Allied Electronics	70012450 or similar	Large enough to allow the assemble of 10 drivers.
Universal circuit board	Allied Electronics	70219535 or similar
Connector	Allied Electronics	5145154-8 or similar
Control board and control program (LabView software)	National Instruments	NI-6229 or similar
High-voltage amplifier	Trek	PZD700
Resistor R 27 kΩ, 1/4 W	Allied	2964762
Capacitors C and C1, 100 nF, 60 V	Allied	8817183
Transistor T, NPN	Allied	9350289
Diode D, 1N4007	Allied	2660007
Relay	Allied	8862527
Visualization system	Edmund Optics	VZM 200i or similar	System magnification 24X- 96X. It is combined with a Hitachi KP-D20B 1/2 in CCD Color Camera.
Recorder	Sony	GV-D1000 NTSC or similar	It is connected to the camera by an S-video cable.
Simulations	COMSOL Multiphysics	V. 4.4