Profiterend van Reduced Droplet-oppervlak interactie aan Transport van Bioanalytes Optimaliseer in 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

De miniaturisatie van apparaten die werken met vloeistoffen is van groot belang voor de ontwikkeling van "lab-on-a-chip 'platformen. In deze richting, hebben de afgelopen twee decennia een belangrijke vooruitgang op het gebied van microfluidics getuige, met een verscheidenheid aan toepassingen. ^1-5 Contrasterende met het vervoer van vloeistof in gesloten kanalen (kanaal microfluidics), DMF manipuleert druppels op arrays van elektroden. Een van de meest aantrekkelijke voordelen van deze techniek is de afwezigheid van bewegende delen om vloeistoffen te transporteren en beweging direct gestopt door het uitschakelen van elektrische signalen.

Echter, druppeltje beweging afhankelijk inhoud druppel, zeker een ongewenste eigenschap voor een universele "lab-on-a-chip" platform. Druppeltjes bevattende eiwitten en andere analyten vasthouden aan het apparaat oppervlakken, steeds onbeweeglijk. Ongetwijfeld is dit al de grote beperking voor het verbreden van de reikwijdte van de DMF-toepassingen; ^6-8alternatieven voor het ongewenste oppervlak vervuiling te minimaliseren omvatten de toevoeging van extra chemische species om de druppel of omgeving die potentieel druppeltje inhoud kunnen beïnvloeden.

Voorheen onze groep ontwikkelde een apparaat om het transport van cellen en eiwitten in DMF toe te staan, zonder extra toevoegingen (Field-DW-apparaten). ⁹ Dit werd bereikt door het combineren van een oppervlak op basis van kaars roet, ¹⁰ met een apparaat geometrie die druppel rollende gunsten en leidt tot een opwaartse kracht op de druppel verder afnemende interactie droplet-oppervlak. In deze benadering wordt druppeltje beweging niet geassocieerd met oppervlaktebevochtiging. ¹¹

Het doel van de gedetailleerde methode hieronder beschreven aan een DMF inrichting kan transporteren druppeltjes bevattende eiwitten, cellen en gehele organismen produceren zonder extra toevoegingen. The Field-DW-apparaten maken de weg vrij voor een volledig gecontroleerde platformen grotendeels zelfstandig werken van de druppel chemicusry.

Hier presenteren we ook simulaties blijkt dat, ondanks de voor de werking van het apparaat hoogspanning, de spanningsval over de druppel is een kleine fractie van de aangelegde spanning, op verwaarloosbare effecten op bioanalytes in de druppel. In feite, voorproeven met Caenorhabditis elegans (C. elegans), een nematode gebruikt voor verschillende studies in de biologie, blijkt dat wormen zwemmen ongestoord als voltages toegepast.

Protocol

OPMERKING: In de hierna beschreven procedures, moet veiligheidsrichtlijnen altijd opgevolgd. Van bijzonder belang is de veiligheid bij de behandeling van hoge spanning (> 500 V) en handen wassen. 1. Coating van een geleidend substraat met Kaars Roet Cut koper metaal in rechthoeken (75 x 43 mm, 0,5 mm dik). Reinig elke koper substraat door onderdompeling in koper etsmiddel voor ongeveer 30 sec, wassen met leidingwater voor ongeveer 20 sec, en droog met papier. OPMERKING: …

Representative Results

Eerder hebben we Field-DW apparatuur gebruikt voor de beweging van eiwitten in DMF toe. In het bijzonder zou druppeltjes met bovine serum albumine (BSA) in een concentratie 2000 maal hoger dan eerder gerapporteerd door andere auteurs (zonder additieven) worden bewogen. Dit was te wijten aan de verminderde interactie tussen druppel en het oppervlak Figuur 4 toont een druppel die fluorescent gelabeld BSA (zie Freire et al 9 voor meer informatie over de experimenten.). De eerst…

Discussion

De meest kritische stap van het protocol is de bescherming van het roet laag rechtstreeks bij het succes bewegende druppeltjes. Metalliseren roet laag (methode 1 hierboven) kan bijna 100% van fabricage succes. De maximale werking is ongeveer 10 min; eventueel worden druppel fracties bevochtigen roet door gaten in de metaallaag. Het roet laag met de gefluoreerde vloeibare coating is de makkelijkste en snelste alternatief, en vereist minimale middelen, maar slechts 40-50% van de (min maximaal 20) gefabriceerd substraten w…

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