Picoinjection von Mikrofluidik-Tropfen ohne Metall-Elektroden
Summary
Wir haben eine Technik für picoinjecting Mikrofluidik-Tropfen, die Metallelektroden nicht auskommt. Als solche Vorrichtungen, die unsere Technik sind einfacher herzustellen und zu verwenden.
Abstract
Bestehende Verfahren zur picoinjecting Reagenzien in mikrofluidischen Tropfen erfordern in der mikrofluidischen Chip integrierten Metallelektroden. Die Integration dieser Elektroden fügt umständliche und fehleranfällige Schritte zum Komponenten-Herstellungsverfahren. Wir haben eine Technik entwickelt, die die Anforderungen für die Metallelektroden während picoinjection vermeidet entwickelt. Stattdessen wird die Injektionsflüssigkeit selbst als Elektrode, da die meisten biologischen Reagenzien enthalten gelöste Elektrolyte und leitend sind. Durch die Beseitigung der Elektroden reduzieren wir Gerät Herstellungszeit und Komplexität, und machen die Geräte robuster. Zusätzlich zu unserem Ansatz hängt die Einspritzvolumen auf, das mit dem picoinjection Lösung angelegt wird; dies ermöglicht es, die durch die Modulation der angelegten Spannung injizierte Volumen schnell einzustellen. Wir zeigen, dass unser Verfahren mit Reagenzien wie gemeinsame biologische Verbindungen, einschließlich Puffer, Enzyme und Nukleinsäuren kompatibel.
Introduction
In tröpfchenbasierte Mikrofluidik, Mikrometermaßstab sind Wassertröpfchen als "Reagenzglas" für biologische Reaktionen verwendet. Der Vorteil für die Durchführung von Reaktionen in den winzigen Tröpfchen ist, dass jeder Tropfen verwendet nur wenige pl von Reagenz und mit Mikrofluidik, können die Tropfen geformt und bei 1 Kilohertz Raten verarbeitet werden. Durch Kombination dieser Eigenschaften können Millionen von Reaktionen mit einzelnen Zellen, Nukleinsäuremoleküle oder Verbindungen, die in wenigen Minuten mit ul Gesamtmaterials durchgeführt werden.
Tropfen für Anwendungen wie diese verwenden, sind Techniken für das Hinzufügen kontrollierter Mengen von Reagenzien zu den Tropfen erforderlich ist; solche Operationen sind analog den in Teströhrchen pipettiert. Ein Verfahren, um dies zu erreichen ist Elektrokoaleszenz, wobei ein Tropfen des Reagenz mit dem Ziel Tropfen durch Anlegen eines elektrischen Feldes fusioniert. Das elektrische Feld stört die Anordnung der Tensidmoleküle an den Schnittstellen der Tropfen, inducing einen Dünnfilm-Instabilität und Auslösen Koaleszenz in Emulsionen, die sonst stabile 2 sind. Elektrisch induzierten Fusion ist ebenfalls in der Gestaltung des picoinjector, eine Vorrichtung, die Reagenzien in Tropfen spritzt, als sie an einem unter Druck stehenden Strömungskanal 3 ausgenutzt. Um das elektrische Feld gelten, picoinjector Geräte nutzen Metallelektroden, sondern die Integration von Metallelektroden in Mikrofluidik-Chips ist oft ein komplexer und fehleranfälliger Prozess, wie die Flüssig-Lote werden leicht durch Luftblasen oder Staub und andere Ablagerungen im Kanal beeinträchtigt sowie Frakturen von Stress oder während der Geräte-Setup Biegen.
Hier stellen wir ein Verfahren zur picoinjection ohne die Verwendung von Metallelektroden führen, wodurch die Herstellung einfacher und robuster. Um picoinjection auslösen, wir verwenden stattdessen die Injektionsflüssigkeit selbst als Elektrode, da die meisten biologischen Reagenzien enthalten gelösten Elektrolyten und leitend sind. Wir haben auch eine "Faraday Moa hinzufügent ", um sensible Bereiche der Vorrichtung und als universelle Boden (1) abzuschirmen. Der Graben elektrisch isoliert die Tröpfchen stromaufwärts des picoinjection Website durch einen Boden und verhindert unbeabsichtigte Tröpfchen Fusion. Ein zusätzlicher Vorteil der Technik ist, dass der Menge in den Tropfen eingespritzten hängt von der Größe der angelegten Spannung, so dass sie durch Einstellen des angelegten Signals eingestellt werden.
Wir fertigen unsere Geräte in Poly (dimethylsiloxan) (PDMS) mit weichen Photolithographietechniken 4,5. Unser Ansatz ist mit Geräten in anderen Materialien hergestellt kompatibel, wie Harzen, Kunststoffen und Epoxidharzen. Die Kanäle weisen Höhen und Breiten von 30 um, die optimal für die Arbeit mit Tröpfchen 50 um Durchmesser (65 pl) sind. Wir stellen Reagenzien über Polyethylen-Schlauch (0.3/1.09 mm inneren / äußeren Durchmesser) in den Häfen während der Herstellung der Vorrichtung geschaffen mit 0,50 mm Biopsieausstanzungen, ähnlich descr Methoden eingesetztibed zuvor 5. Der genaue Aufbau der Einspritzfluid ist abhängig von der spezifischen Anwendung. Das Fluid braucht nur gelösten Elektrolyten in Konzentrationen, die hoch genug, um eine ausreichende Leitfähigkeit für das elektrische Signal an die picoinjector übertragen werden erhalten. In Laborversuchen wurde gefunden, dass die Ionenkonzentrationen größer als 10 mm sollte ausreichen 6, wenn dieser Wert und die Fluidleitfähigkeit auf den spezifischen Geräteabmessungen und Größe der angelegten Spannung abhängen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Beziehung zwischen Einspritzmenge und der angelegten Spannung ist abhängig von vielen Faktoren, einschließlich Geräteabmessungen, die Länge der Rohrleitung trägt die picoinjection Fluid zu der Vorrichtung, Molarität picoinjection Flüssigkeit und die Geschwindigkeit der Tröpfchen, wie sie passieren sie Injektors. Aus diesem Grund empfehlen wir, dass die Volumen / Spannungsbeziehung vor jedem Lauf picoinjection durch Messung Injektionsvolumina an den Rändern der Arbeitsbereiche der Spannung und Molarität cha…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Abteilung für Bioengineering und Therapiewissenschaften an der UCSF, dem California Institute for Quantitative Biosciences (QB3) unterstützt wird, und das Bridging the Gap Award von der Rogers-Familienstiftung.
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
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