Profitant de interaction réduite des gouttelettes de la surface pour optimiser le transport de Bioanalytes en microfluidique digitale

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

La miniaturisation des dispositifs qui fonctionnent avec des liquides est d'une importance primordiale pour le développement de plates-formes "lab-on-a-chip». En ce sens, les deux dernières décennies ont vu un progrès significatif dans le domaine de la microfluidique, avec une variété d'applications. ^1-5 Contrastant avec le transport de fluide dans les canaux fermés (canal microfluidique), DMF manipule gouttelettes sur des réseaux d'électrodes. L'un des mérites les plus attrayants de cette technique est l'absence de pièces mobiles pour le transport de fluides, et le mouvement est immédiatement arrêté en désactivant signaux électriques.

Cependant, le mouvement des gouttelettes dépend contenu de gouttelettes, certainement une caractéristique indésirable pour une plate-forme universelle "lab-on-a-chip». Gouttelettes contenant des protéines et d'autres analytes collent aux surfaces de l'appareil, devenir immobile. Sans doute, cela a été la principale limitation pour élargir le champ des applications DMF; ^6-8alternatives pour minimiser l'encrassement de la surface indésirable impliquent l'ajout d'espèces chimiques supplémentaires à la goutte ou ses environs, ce qui pourrait avoir une incidence sur le contenu de gouttelettes.

Auparavant, notre groupe a développé un dispositif pour permettre le transport des cellules et des protéines dans le DMF, sans additifs supplémentaires (appareils de terrain-DW). ⁹ Ceci a été réalisé en combinant une surface basé sur la suie de bougie, ¹⁰ avec une géométrie du dispositif qui favorise gouttelettes de roulement et conduit à une force ascendante sur la gouttelette, ce qui réduit davantage l'interaction des gouttelettes de la surface. Dans cette approche, le mouvement des gouttelettes est pas associé à un mouillage de la surface ^11.

Le but de la méthode détaillée décrit ci-dessous est de réaliser un dispositif de DMF capable de transporter des gouttelettes contenant des protéines, des cellules et des organismes entiers, sans additifs supplémentaires. Les appareils de terrain-DW ouvrent la voie à des plates-formes entièrement contrôlées de travail en grande partie indépendamment de gouttelettes chimistery.

Ici, nous avons également présentes simulations montrent que, malgré la haute tension nécessaire au fonctionnement du dispositif, la chute de tension aux bornes de la gouttelette est d'une petite fraction de la tension appliquée, ce qui indique des effets négligeables sur l'intérieur de la gouttelette bioanalytes. En fait, des essais préliminaires avec Caenorhabditis elegans (C. elegans), un nématode utilisé pour une variété d'études de la biologie, qui montrent vers nage normale que des tensions sont appliquées.

Protocol

NOTE: Dans les procédures décrites ci-dessous, les consignes de sécurité de laboratoire doivent toujours être respectées. Il est particulièrement important de la sécurité lorsqu'ils traitent avec haute tension (> 500 V) et manipulation de produits chimiques. 1. revêtement d'un substrat conducteur avec la suie de bougie Cut cuivre métal en rectangles (75 x 43 mm, 0,5 mm d'épaisseur). Nettoyez chaque substrat de cuivre par immersion dans de gravure de cuiv…

Representative Results

Auparavant, nous avons utilisé les appareils de terrain-DW pour permettre le mouvement des protéines dans le DMF. En particulier, les gouttelettes avec de l'albumine de sérum bovin (BSA) peuvent être déplacés à une concentration 2000 fois plus élevée que celle rapportée précédemment par d'autres auteurs (sans additifs). Cela était dû à l'interaction réduite entre gouttelettes et surface; La figure 4 montre une gouttelette contenant étiquetées par fluorescence BSA (voir Frei…

Discussion

L'étape la plus critique de ce protocole est la protection de la couche de suie, directement associée à la réussite dans les gouttelettes en mouvement. Métallisation de la couche de suie (méthode 1 ci-dessus) permet à près de 100% de réussite de la fabrication. Toutefois, la durée de fonctionnement maximale est d'environ 10 min; éventuellement, les fractions sont gouttelettes mouillent la suie à travers des trous dans la couche de métal. Le revêtement de la couche de suie avec le liquide fluoré es…

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