Picoinjection من قطرات ميكروفلويديك بدون أقطاب معدنية
Summary
قمنا بتطوير تقنية لpicoinjecting قطرات ميكروفلويديك التي لا تتطلب أقطاب معدنية. على هذا النحو، وأجهزة دمج تقنية لدينا هي أبسط لصنع واستخدام.
Abstract
الأساليب القائمة لpicoinjecting الكواشف إلى قطرات ميكروفلويديك تتطلب أقطاب معدنية دمجها في رقاقة ميكروفلويديك. دمج هذه الأقطاب يضيف خطوات مرهقة وعرضة للخطأ في عملية تصنيع الجهاز. قمنا بتطوير تقنية يغني عن احتياجات الأقطاب المعدنية خلال picoinjection. بدلا من ذلك، فإنه يستخدم السائل حقن نفسها باعتبارها القطب، لأن معظم الكواشف البيولوجية تحتوي على الشوارد الذائبة وغير موصل. من خلال القضاء على الأقطاب، ونحن لحد الساعة الجهاز تلفيق والتعقيد، وجعل الأجهزة أكثر قوة. بالإضافة إلى ذلك، مع نهجنا، وحجم الحقن يعتمد على الجهد المطبق على حل picoinjection؛ وهذا يسمح لنا بسرعة لضبط حجم حقن عن طريق تحوير الجهد المطبق. علينا أن نظهر أن لدينا تقنية متوافق مع الكواشف دمج المركبات البيولوجية المشتركة، بما في ذلك مخازن، والإنزيمات، والأحماض النووية.
Introduction
في على microfluidics القائم على الحبرية، وتستخدم قطرات مائي ميكرون النطاق باسم "أنابيب اختبار" لردود الفعل البيولوجية. ميزة لأداء ردود الفعل في قطرات صغيرة هو أن كل قطرة يستخدم سوى عدد قليل من رر الكاشف، ومع على microfluidics، قطرات يمكن تشكيلها ومعالجتها في معدلات كيلوهيرتز 1. مجتمعة، هذه الخصائص تسمح لملايين من التفاعلات مع الخلايا الفردية، جزيئات الحمض النووي، أو مركبات التي يتعين القيام بها في غضون دقيقة مع ميكرولتر من إجمالي المواد.
لاستخدام قطرات للتطبيقات مثل هذه، وهناك حاجة إلى تقنيات لإضافة وحدات التخزين التي تسيطر عليها من الكواشف إلى قطرات؛ هذه العمليات هي مماثلة لpipetting لفي أنابيب الاختبار. طريقة واحدة لتحقيق هذا هو electrocoalescence، حيث يتم دمج قطرة من كاشف مع انخفاض الهدف من خلال تطبيق مجال كهربائي. الحقل الكهربائي يعطل ترتيب الجزيئات بالسطح على واجهات من قطرات، الهندucing عدم الاستقرار الأغشية الرقيقة وتسبب في التحام المستحلبات التي هي على خلاف ذلك مستقر 2. يتم استغلالها دمج يسببها كهربائيا أيضا في تصميم picoinjector، وهو الجهاز الذي يضخ الكواشف إلى قطرات لأنها تتدفق الماضي قناة الضغط 3. لتطبيق الحقل الكهربائي، وأجهزة picoinjector استخدام أقطاب معدنية، ولكن التكامل بين الأقطاب المعدنية في رقائق ميكروفلويديك وغالبا ما يكون عملية معقدة وعرضة للخطأ كما هي خطر الأسلاك السائل جندى بسهولة عن طريق فقاعات الهواء أو الغبار وغيرها من الحطام في القناة ، فضلا عن كسور من الإجهاد أو الانحناء أثناء الإعداد الجهاز.
ونحن هنا نقدم وسيلة لأداء picoinjection دون استخدام أقطاب معدنية، مما يجعل تصنيع أبسط وأكثر قوة. لتحريك picoinjection، ونحن بدلا من استخدام السائل حقن نفسها باعتبارها القطب، لأن معظم الكواشف البيولوجية تحتوي على الشوارد الذائبة وغير موصل. نحن أيضا إضافة "فاراداي موار "لحماية المناطق الحساسة من الجهاز ويكون بمثابة الأرض العالمي (الشكل 1). يعزل خندق كهربائيا قطرات المنبع للموقع picoinjection من خلال توفير الأرض، ومنع غير مقصودة الحبرية الاندماج. والفائدة المضافة من أسلوبنا هو أن حجم حقنها في قطرات يعتمد على حجم الجهد تطبيقها، والسماح لها أن تعدل عن طريق ضبط إشارة تطبيقها.
نبتدع أجهزتنا في بولي (dimethylsiloxane) (PDMS) باستخدام تقنيات الطباعة بصفائح معدة ضوئيا لينة 4،5. نهجنا هو متوافق مع الأجهزة ملفقة في مواد أخرى، مثل الراتنجات والبلاستيك وإيبوكسى. قنوات لديها آفاق وبعرض من 30 ميكرون، والتي هي الأمثل للعمل مع قطرات 50 ميكرومتر في القطر (65 رر). ونحن نقدم الكواشف عبر أنابيب بولييثيليني (0.3/1.09 مم القطر الداخلي / الخارجي) إدراجها في الموانئ التي تم إنشاؤها أثناء تصنيع الجهاز مع 0.50 ملم اللكمات خزعة، على غرار أساليب described سابقا 5. ماكياج الدقيق للحقن السوائل يعتمد على تطبيق معين. السائل بحاجة تحتوي على الشوارد الذائبة بتركيزات عالية بما يكفي لانتاج ما يكفي من الموصلية الكهربائية للإشارة إلى أن تنتقل إلى picoinjector فقط. في اختبار مقاعد البدلاء، وجدنا أن تركيزات أيونية أكبر من 10 ملم 6 ينبغي أن يكون كافيا، على الرغم من هذه القيمة والتوصيلات السائل تعتمد على أبعاد جهاز معين وحجم الجهد المطبق.
Protocol
Representative Results
Discussion
العلاقة بين حجم الحقن والجهد تطبيقها يعتمد على العديد من العوامل بما في ذلك أبعاد الجهاز، وطول الأنبوب تحمل السوائل picoinjection إلى الجهاز، المولية من السوائل picoinjection، وسرعة قطرات لأنها تمر أنهم حاقن. لهذا السبب نحن نوصي بأن تتسم العلاقة حجم / الجهد قبل كل شوط من picoinjection ع…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل وزارة العلوم والهندسة الحيوية العلاجية في سان فرانسيسكو، ومعهد كاليفورنيا للالكمي العلوم البيولوجية (QB3)، وجائزة سد الفجوة من مؤسسة روجرز الأسرة.
Materials
| 1 mL Leur-Lok™ syringes | BD Medical | 309628 | |
| LocTite UV-cured adhesive | Henkel | 35241 | |
| PE-2 Tubing | Scientific Commodities | BB31695-PE/2 | |
| Novec HFE-7500 | 3M | 98-0212-2928-5 | |
| NaCl | Sigma Aldrich | S9888 | |
| 1.5 mL centrifuge tubes | Eppendorf | 22363531 | |
| BD Falcon 15 ml tube | BD Biosciences | 352097 | |
| Air Pressure Control Pump | Control Air Inc. | We recommend one under the control of DAQ and control software | |
| Syringe Pumps | New Era | Must be capable of holding 1ml syringes and flowing at rates as low as 100 uL/hr | |
| HV-Amplfier | Must be capable of 1000x amplification of signals between 0.01 and 10 V | ||
| Plasma Bonder/Cleaner | Harrick Plasma | ||
| 3” silicon wafers | Sigma Aldrich | 647535 | |
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 with curing agent should be included | |
| SU-8 Photoresist | MicroChem | Viscocity depends on device dimensions |
References
- Kritikou, E. It’s cheaper in the Picolab. Nat. Rev. Genet. 6 (9), (2005).
- Ahn, K., Agresti, J., Chong, H., Marquez, M., Weitz, D. A. Electrocoalescence of drops synchronized by size-dependent flow in microfluidic channels. Appl. Phys. Lett. 88 (26), (2006).
- Abate, A. R., Hung, T., Mary, P., Agresti, J. J., Weitz, D. A. High-throughput injection with microfluidics using picoinjectors. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 107, 19163-19166 (2010).
- Harris, J., et al. Fabrication of a microfluidic device for the compartmentalization of neuron soma and axons. J. Vis. Exp. (7), (2007).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J., Whitesides, G. M. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane). Anal. Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- O’Donovan, B., Eastburn, D. J., Abate, A. R. Electrode-free picoinjection of microfluidic drops. Lab on a Chip. 12 (20), 4029-4032 (2012).
- Holtze, C., et al. Biocompatible surfactants for water-in-fluorocarbon emulsions. Lab on a Chip. 8 (10), 1632-1639 (2008).
- Chung, C., Lee, M., Char, K., Ahn, K., Lee, S. Droplet dynamics passing through obstructions in confined microchannel flow. Microfluid. Nanofluid. 9, 1151-1163 (2010).
- Herminghaus, S. Dynamical instability of thin liquid films between conducting media. Phys. Rev. Lett. 83 (12), 2359-2361 (1999).
- Priest, C., Herminghaus, S., Seemann, R. Controlled electrocoalescence in microfluidics: Targeting a single lamella. Appl. Phys. Lett. 89 (13), 134101-134103 (2006).
- Florent, M., Siva, A. V., Hao, G., Dirk, E., Frieder, M. Electrowetting-controlled droplet generation in a microfluidic flow-focusing device. J. Phys: Condens. Matter. 19 (46), (2007).
- Eastburn, D. J., Sciambi, A., Abate, A. R. Picoinjection enables digital detection of RNA with droplet rt-PCR. PLoS ONE. 8 (4), (2013).
