Yöntem makalesi

Azaltılmış Damlacık-yüzey etkileşiminden yararlanarak Dijital Mikroakiskan içinde Bioanalytes ulaşımı optimize etmek

DOI:

10.3791/52091

⸱

10 Kasım 2014

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

Bu makalede

Özet

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

Sahada ıslatma cihazlarının (Field-DW) imalatı ve çalıştırılması için protokolün yanı sıra, elektrik alanlarının damlacık içerikleri üzerindeki etkilerinin ön çalışmaları açıklanmaktadır.

Özet

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

Damlacıkların manipülasyonu için bir teknik olan dijital mikroakışkanlar (DMF), "çip üzerinde laboratuvar" platformlarının geliştirilmesi için umut verici bir alternatiftir. Genellikle, damlacık hareketi, doğrudan bir elektrik alanının uygulanmasıyla ilişkili olan bir yüzeyin ıslanmasına dayanır; Bununla birlikte, yüzey etkileşimleri, hareketi damlacık içeriğine bağımlı hale getirerek, tekniğin uygulamalarının genişliğini sınırlar.

Bu bağımlılığı en aza indirmek için bazı alternatifler sunulmuştur. Bununla birlikte, damlacığa veya çevresine, damlacık parçalarıyla potansiyel olarak etkileşime girebilecek ekstra kimyasal türlerin eklenmesine güvenirler. Bu zorluğun üstesinden gelen grubumuz, hücrelerin ve proteinlerin ekstra katkı maddeleri olmadan DMF'de taşınmasına izin vermek için yakın zamanda Field-DW cihazlarını geliştirdi.

Burada, hareket kontrolü için elektronik arayüz de dahil olmak üzere cihaz üretimi ve işletimi için protokol sağlanır. Ayrıca, çok hücreli, nispeten büyük, model organizmaların da taşınabileceğini ve cihazın çalışması için gerekli olan elektrik alanlarından tartışmasız bir şekilde etkilenebileceğini gösteren cihazlarla ilgili çalışmalara devam ediyoruz.

Giriş

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

Sıvı ile çalışan cihaz boyut küçültme "lab-on-a-chip" platformlar gelişimi için büyük önem taşımaktadır. Bu doğrultuda, son iki yıl çeşitli uygulamalar ile, Mikroakiskan alanında önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. 1-5 kapalı kanallarda (kanal Mikroakiskan) sıvı taşınması ile zıt, DMF elektrotlar diziler üzerinde damlacıklar yönetir. Bu tekniğin en cazip yararları biri sıvıları taşımak üzere hareket edebilen parçaların olmaması ve hareket anında elektrik sinyallerini kapatarak durdurulur.

Ancak, damlacık hareket evrensel bir "lab-on-a-chip" platformu için kesinlikle istenmeyen bir özellik, damlacık içeriğine bağlıdır. Proteinler ve diğer analitlerinin içeren damlacıklar kımıldamaz hale, cihaz yüzeylere sopa. Muhtemelen, bu DMF uygulamaların kapsamının genişletilmesi için önemli bir sınırlama olmuştur; 6-8İstenmeyen yüzey tıkanmayı en aza indirmek için alternatifler, potansiyel olarak damlacık içeriğini etkileyebilecek damlacık ya da çevresi ile ilave kimyasal türlerin eklenmesini içerir.

Daha önce, bir grup ilave katkı maddeleri (alan-DW cihazlar olmadan), DMF içinde hücreleri ve proteinlerin taşınmasını sağlamak için bir cihaz geliştirdiler. 9 bu damlacık haddeleme çıkaran bir elemanın geometrisine sahip mum is, 10 dayalı bir yüzey birleştirilmesi ile elde edilmiştir ve daha fazla damlacık yüzey etkileşimi azaltmak, damla üstünde yukarı doğru kuvvete yol açar. Bu yaklaşımda, damlacık hareket yüzey ıslaklığı ile ilişkili değildir. 11

Aşağıda tarif edilen ayrıntılı yöntemin amacı, ilave katkı maddesi olmadan proteinleri, hücreleri ve bütün organizmaları içeren damlacıkların taşıma yeteneğine sahip bir DMF cihazı üretmektir. Saha-DW cihazlar damlacık kimyager büyük ölçüde bağımsız çalışan tam kontrollü platformları için önünügelmelidir.

Burada, aynı zamanda bu simülasyonlar cihazın çalışması için gerekli yüksek gerilim rağmen gösteren, damlacık boyunca gerilim düşüşü damlacık içinde bioanalytes üzerinde ihmal edilebilir etkilere işaret, uygulanan voltajın bir küçük bir bölümünü oluşturur. Aslında, Caenorhabditis elegans (C. elegans), biyolojide çalışmaların çeşitli için kullanılan bir nematod ile ön testler, gerilimler uygulandığı gibi solucanlar rahatsız yüzmek olduğunu göstermektedir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

NOT: Aşağıda açıklanan prosedürlerde, laboratuvar güvenlik kurallarına mutlaka uyulmalıdır. Özel öneme sahip yüksek gerilim (> 500 V) ve taşıma kimyasallar ile ilgili güvenliğidir.

Mum İs ile İletken Yüzey 1. Kaplama

  1. Dikdörtgenler halinde kesilmiş bakır metal (0,5 mm kalınlığında 75 x 43 mm). , Yaklaşık 30 saniye boyunca bakır dağlayıcıda batırılarak her bakır yüzeyin temizliği yaklaşık 20 saniye musluk suyu ile yıkayın ve kağıt ile kurulayın.
    NOT: Yöntem 1 altında kullanılıyorsa, makinenin içine sığacak şekilde 75 x 25 mm boyutları değiştirin.
  2. (Yaklaşık 40 mikron kalınlığında) yaklaşık olarak eşit kurum kaplama elde etmek için, 30-45 saniye boyunca bakır tabaka altında yanan parafin mum süpürün. Alev içine ~ 1 cm tabakayı tutun. Kırılgan kurum yüzeyine dokunmayın.

2. Kaplama ile Kurum Tabakasının Korunmasına

NOT: is tabakası çok kırılgan olduğunuVe korunması için kaplanabilir. İki basit alternatifleri (yöntemleri 1 ve 2) Burada önerilen, ancak daha sağlam protokoller şu anda geliştirilme aşamasındadır.

  1. Yöntem 1
    1. Metal buharlaştırıcı veya püskürtme sistemine örnek yükleyin. Sistemin çalışma prosedürleri izlenerek, bölmeyi tahliye ve kurum katman (150-200 nm) üzerinde altın depozisyonu başlar. Cihazın oda sıcaklığına kadar soğumasını bekleyin.
    2. Dip kaplama, kimyasal bir bölme içine 10 dakika süre ile (% 95 etanol, ACS / USP olarak% 1 h / h) 1-dodekantiol çözelti içinde metalize tabaka. Daha sonra, 60 ° ye yakın bir açı ile tutucularına, hafifçe ancak etanolün büyük damlacıklar ile yüzeyini yıkamak. Gecede, cihazlar kurumaya bırakın.
  2. Yöntem 2
    1. Taban madde mum alevden sıcakken kimyasal bir kaput, derhal kurum ile kaplanmasından sonra, bir tarafında fluorlu bir miktar sıvı damlalarını bırakmak vesubstrat ve 90 ° yakın bir açıya tabakayı eğin. Daha damlalarını bırakmak ve onları tüm kurum yüzey üzerinde çevirelim.
      NOT: damlacık bir nokta üzerine düştüğünde, kurum uzakta o bölgeden yıkanmış olur. Mümkün olan fluorlu yayılmış sıvının damlacıklar kadar bildirin.
    2. Kimyasal bir kaput içerisinde sıcak bir plaka (15 dakika boyunca 160 ° C) üzerindeki alt-tabaka pişirin.
    3. Alt-tabaka kullanımdan önce gece boyunca oda sıcaklığında bekletin. Süresiz saklayın.

3. Üst Elektrotlar Fabrikasyon (Abdelgawad ark uyarlanmıştır. 12)

  1. Grafik tasarım yazılımları kullanarak elektrotları çizin. Her bir elektrot 0.3 mm genişliğinde, 2 mm uzunluğunda ve elektrot arasındaki fark 0.3 mm'dir. Rehber (aşağıya bakınız, konnektörüne oturana) arasındaki boşluk 2.3 mm (Şekil 1).
  2. Monarch formatında (3.87 x 7.5 inç) bir esnek bakır laminat (kalın 35 mikron) Trim. Diğer boyutları kullanın iyazıcıyla uyumlu f. Renkli yazıcının elle besleme tepsisine laminat yükleyin.
  3. Bakır levha üzerine baskı yaparken, dağlama sırasında baskılı desen koruyan, bakır tabaka üzerine siyah mürekkep yoğun bir tabaka sağlamak için "zengin siyah", ya da "kayıt siyah" kullanmak için emin olun (detaylar için Abdelgawad ve ark. 12 bakınız) olun . Gecede, tamamen basılı tabaka kurumasını bekleyin.
  4. Kimyasal bir kaput içinde, (40 ° C) bakır dağlayıcıda 50 ml ile bir beher ısınmak. Beher içinde baskılı laminat Dip ve bu, hafifçe yaklaşık 10 dakika boyunca çözelti içinde sallayın. Dağlama zaman bakır dağlayıcıları çözümüne bağlıdır. Her birkaç dakikada, korozyon kontrol ve desen sağlam olup olmadığını görmek.
  5. Dikkatle su ile laminat yıkayın ve kimyasal kaput aseton ve etanol ile kaplama çıkarın. Bir kez daha yıkayın ve yavaşça kağıt havlu ile laminat kurulayın.
  6. Dikkatli bir GLA için elektrotlar ile laminat takmakss slayt (75 x 25 mm kalınlığı ~ 1 mm), çift taraflı bant kullanarak. Hava cepleri kaçının.
  7. Bant kullanarak elektrotlara perfloroalkoksi PFA bir film takın. Bu damlacık ile elektrotların yanlışlıkla temas önlemek için hizmet eden dolayı kısa devre zararlar üst elektrotlar.

4. (Şekil 2'de devre) elektronik arabirim

  1. Evrensel bir devre kartına röleleri ve kapasitörler C lehim.
  2. Elektronik devreler için bir kaynaksız breadboard üzerinde 10 röle sürücüleri kalanını birleştirin.
  3. Tel kumanda panosunda bir kanala her röle sürücü girişi.
  4. Dikkatlice bir bağlantı yerine (Şekil 3) üst elektrotlar oturtun. Tel Şekilde gösterildiği gibi bir üst elektrot her röle sürücü çıkışı. Elektriksel gürültüyü en aza indirmek için, röleleri teller bir çift arasında bir topraklı konnektör temas olduğunu unutmayın.
    NOT: konnektör t kontrol ayarlanabilir bir platform üzerinde otururüst ve alt (kurum-kaplamalı) alt tabaka arasındaki o mesafe (0.1-0.5 mm).
  5. Daha sonra 2345, 3456, vb; 0.8 sn, actuate 1234, yani hareket (yönünde 1 elektrot kayması, aynı anda 4 elektrotlara yüksek voltaj (HV) uygulama (yaklaşık 0.8 sn) için zamanlama kontrol etmek için bir programı kullanın ., 0.8 her bir grup için sn ve daha sonra geriye doğru ters yönde çok damlacık hareket de).

5. Damlacık Görselleştirme ve Taşıma

  1. CCD kamera ile kombine 96x büyütme montaj - damlacık hareketini kaydetmek için, bir 24X oluşan görselleştirme sistemi kullanırlar. S-video kullanarak kameraya video kaydedici bağlayın.
  2. C ihtiva eden, 4 ul damlacık Pipet kurum kaplanmış alt-tabakanın altındaki ortam elegans'da.
  3. ~ Damlacık üzerinde 0.3 mm için üst elektrotlar getirin. Damlacık daha kolay işlem için, beşinci elektrotun altında ortadan yakın olmalıdır.
  4. Elektronik arayüzü ve yüksek gerilim (500 V RMS) açın ve hareket başlayana kadar damlacık üst elektrot mesafeyi ayarlayın. Üst elektrotlar damlacık dokunmasına izin vermeyin.
  5. Elektrik darbeleri yanıt cihaz üzerinde başarılı damlacık transferlerin sayısını kaydederek verileri toplayın. Başarılı bir deney, en az 700 damlacık transferi ile karakterize, yani her elektrik nabız sonra bir transferi.
  6. Damlacık 5-10 darbeleri yanıt artık hareket etmiyor kadar, sürekli veri toplamak.
    NOT: Yüzey aşağılamak başladığında, hareket yakın damlacık üst elektrotlar getirerek restore edilebilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Daha önce, DMF içinde proteinlerin hareketini sağlamak için alan-DW cihazları kullanılmıştır. Özellikle, sığır serumu albümini (BSA) ile damlacıklar daha önce başka yazarlar tarafından (katkı maddesi olmadan) rapor 2.000 kat daha yüksek bir konsantrasyonda taşınmış olabilir. Bu damlacık ve yüzey arasındaki azaltılmış etkileşim nedeniyle oldu; Şekil 4 (. Bakınız Freire ve ark 9 deneyler hakkında daha fazla bilgi için) floresan etiketli BSA içeren bir damlacık gösterir. Soldak...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Protokolün en önemli nokta doğrudan damlacıkları hareketli başarı ile ilişkili kurum tabakanın korumasıdır. Kurum katmanı (yukarıdaki yöntem 1) metallenmesi fabrikasyon başarı% 100'e yakın verir. Bununla birlikte, maksimum işletim süresi yaklaşık 10 dakikadır; muhtemelen, damlacık fraksiyonlar metal katmandaki delikler içinden kurum ıslatma edilir. Florlu sıvı ile kurum tabakayla kaplanması kolay ve hızlı bir alternatif olduğunu ve en az kaynak gerektirir, ancak fabrikasyon yüzeylerde çalışma (20 dk maksimum) sadece...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarlar, rekabet eden hiçbir finansal çıkarları olmadığını beyan ederler.

Teşekkürler

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

Biz C ile yardım için mali destek için Lindback Vakfı, Dr. Alexander Sidorenko ve verimli tartışmalar ve teknik yardım için Elza Chu, ve Profesör Robert Smith'e teşekkür C. elegans deneyleri.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Parafin mumHerhangi bir parafin mum
Püskürtme sistemiDenton Vacuum, Moorestown, NJPüskürtme kaplayıcı Masa V HP bir Au hedefi ile donatılmıştır.
1-dodekanetiolSigma-Aldrich471364
TeflonDupontAF-1600
Florinert FC-40Sigma-AldrichF9755Florlu sıvı: Hidrofobik kaplamayı oluşturmak için Teflon-AF reçinesini Fluorinert FC-40, 1:100 (a/a) içinde hazırlayın.
Grafik tasarım yazılımı -Adobe IllustratorAdobe SystemsDiğer yazılımlar da kullanılabilir.
Bakır laminatDupontLF9110
Lazer YazıcıXeroxPhaser 6360 veya benzeri"Zengin siyah" veya "kayıt siyahı" ile uyumluluğu kontrol edin (metne bakın).
Bakır DağlayıcıTransenCE-100
Perfloroalkoksi (PFA) filmiMcMaster-Carr84955K22
BreadboardAllied Electronics70012450 veya benzeri10 sürücünün bir araya getirilmesine izin verecek kadar büyük.
Üniversal devre kartıAllied Electronics70219535 veya benzeri
BağlayıcıAllied Electronics5145154-8 veya benzeri
Kontrol kartı ve kontrol programı (LabView yazılımı)National InstrumentsNI-6229 veya benzeri
Yüksek voltajlı amplifikatörTrekPZD700
Kondansatörler C ve C1, 100 nF, 60 VAllied 
Transistör T, NPNMüttefik 
Diyot D, 1N4007Müttefik 
Röle Müttefik 
Görselleştirme sistemiEdmund OpticsVZM 200i veya benzeriSistem büyütme 24X – 96X. CCD Renkli Kamerada Hitachi KP-D20B 1/2 ile birleştirilmiştir.
KaydediciSonyGV-D1000 NTSC veya benzeriKameraya bir S-video kablosu ile bağlanır.
SimülasyonlarCOMSOL MultiphysicsV. 4.4
, 8817183935028926600078862527

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

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

İlgili makaleler