Dra nytta av Minskad Droplet-yta Interaktion att optimera Transport av Bioanalytes i digitala Mikrofluidik

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

Den miniatyrisering av produkter som fungerar med vätska är av största vikt för utvecklingen av "lab-on-a-chip" plattformar. I denna riktning, har de senaste två decennierna upplevt en betydande framsteg inom mikrofluidik, med en mängd olika applikationer. ^1-5 Kontrasterande med transport av vätska i slutna kanaler (kanal mikrofluidik), DMF manipulerar droppar på kedjor av elektroder. En av de mest attraktiva fördelarna med denna teknik är avsaknaden av rörliga delar för att transportera vätskor, och rörelsen omedelbart stoppas genom att stänga av elektriska signaler.

Dock är dropp rörelse beroende av dropp innehåll, förvisso en oönskad egenskap för en universell "lab-on-a-chip" plattform. Droppar som innehåller proteiner och andra analyter hålla sig till enhetsytor, blir orörlig. Vågar jag påstå, har detta varit den största begränsningen för att bredda omfattningen av DMF-program, ^6-8alternativ för att minimera ytan påväxt oönskade bära tillägg av ytterligare kemiska ämnen till droppen eller dess omgivning, vilket potentiellt kan påverka dropp innehåll.

Tidigare vår grupp utvecklat en enhet för att tillåta transporter av celler och proteiner i DMF, utan extra tillsatser (Områdes DW enheter). ⁹ Detta uppnåddes genom att kombinera en yta baserad på ljus sot, ¹⁰ med en anordning geometri som gynnar dropp rullande och leder till en uppåtriktad kraft på den lilla droppen, vilket ytterligare minskar interaktionen droppytan. I detta tillvägagångssätt är dropp rörelse inte förknippas med ytvätning. ¹¹

Målet med den detaljerade metod som beskrivs nedan, är att producera en DMF-anordning med förmåga att transportera små droppar innehållande proteiner, celler och hela organismer, utan extra tillsatser. The Field-DW-enheter banar väg för helt kontrollerade plattformar arbetar till stor del oberoende av dropp kemistry.

Här har vi också närvarande simuleringar som visar att, trots den höga spänning som krävs för enhetens funktion, är spänningsfallet över droppen en liten fraktion av den pålagda spänningen, vilket indikerar försumbara effekter på bioanalytes inuti droppen. Faktum är att preliminära tester med Caenorhabditis elegans (C. elegans), en nematod som används för en mängd olika studier i biologi, visar att maskar simma ostört som spänningar appliceras.

Protocol

OBS: I de förfaranden som beskrivs nedan, måste riktlinjer laboratoriesäkerhets alltid följas. Av särskild betydelse är säkerheten vid hanteringen av hög spänning (> 500 V) och hantering av kemikalier. 1. Beläggning av ett ledande substrat med Candle Soot Skär kopparmetall i rektanglar (75 x 43 mm, 0,5 mm tjock). Rengöra varje kopparsubstrat genom nedsänkning i koppar etsmedel i ungefär 30 sekunder, tvätta med kranvatten i ungefär 20 sekunder, och torka med papp…

Representative Results

Tidigare har vi använt Field-DW-enheter så att rörelsen av proteiner i DMF. I synnerhet kan små droppar med bovint serumalbumin (BSA) förflyttas i en koncentration 2000 gånger högre än vad som tidigare rapporterats av andra författare (utan tillsatser). Detta berodde på den minskade samspelet mellan droppen och ytan; Figur 4 visar en droppe innehåller fluorescerande-märkta BSA (se Freire m fl 9 för mer information om experimenten.). Den första bilden till väns…

Discussion

Det mest kritiska steget i protokollet är att skydda sot skiktet, direkt förknippade med framgång i rörliga droppar. Metallisera sotet skiktet (metod 1 ovan) tillåter nära 100% av fabrikation framgång. Emellertid är den maximala driftstiden ca 10 min; möjligen är dropp fraktioner blöta sot genom hål i metallskiktet. Beläggning av sot lager med den fluorerade vätskan är det enklaste och snabbaste alternativet, och kräver ett minimum av resurser, men bara 40-50% av (min högst 20) fabricerade substraten ar…

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