Picoinjection av Microfluidic Drops Uten metall elektroder

Summary

Vi har utviklet en teknikk for picoinjecting microfluidic dråper som ikke krever metall elektroder. Som sådan, utstyr som inneholder vår teknikk er enklere å fremstille og å bruke.

Abstract

Eksisterende metoder for picoinjecting reagenser inn microfluidic dråper krever metall elektroder integrert i microfluidic chip. Integreringen av disse elektrodene legger tungvinte og utsatt for feil skritt til enheten fabrikasjon prosessen. Vi har utviklet en teknikk som unngår behovet for metall elektroder under picoinjection. I stedet bruker den i seg selv injeksjonsfluid som en elektrode, siden de fleste biologiske reagenser inneholder oppløste elektrolytter, og er elektrisk ledende. Ved å eliminere elektrodene, reduserer vi enheten fabrikasjon tid og kompleksitet, og gjøre de enheter mer robust. I tillegg, med vår tilnærming, injeksjonsvolumet er avhengig av spenningen som påføres picoinjection løsning; Dette gir oss mulighet til å raskt justere volumet injiseres ved å modulere spenningen. Vi viser at vår teknikk er kompatibel med reagenser inneholdende vanlige biologiske forbindelser, inkludert buffere, enzymer og nukleinsyrer.

Introduction

I dråpebasert MicroFluidics blir mikron skala vandige dråper som brukes som "test"-rør for biologiske reaksjoner. Fordelen å utføre reaksjoner i de små dråper er at hver dråpe bruker bare noen få pl av reagenser, og med MicroFluidics, kan dråpene bli dannet og behandles på kilohertz priser ^en. Sammen har disse egenskaper tillater millioner av reaksjoner med de enkelte celler, nukleinsyre-molekyler, eller forbindelser som skal utføres i løpet av noen minutter med pl av totalmaterialet.

Slik bruker dråper for slike programmer, er teknikker som trengs for å legge kontrollerte mengder reagenser til dråpene; slike operasjoner er analoge til pipettering i reagensglass. En metode for å oppnå dette er elektrokoalescens, karakterisert ved at en dråpe av reagens slås sammen med målet fallet ved å påføre et elektrisk felt. Den elektriske feltet forstyrrer arrangement av overflateaktive molekyler på grensesnittene av dråpene, inducing en tynn-film ustabilitet og utløser koalesens i emulsjoner som er ellers stabil ^to. Elektrisk indusert sammenslåing er også utnyttes ved utformingen av picoinjector, en enhet som injiserer reagenser inn i dråper som de strømmer forbi en trykk kanal ^3. For å anvende det elektriske felt, picoinjector anordninger anvender metallelektroder, men integrering av metallelektroder i microfluidic brikker er det ofte et komplisert og utsatt for feil prosess som den væske-lodde ledninger er lett kompromittert av luftbobler eller støv og annet rusk i kanalen , samt brudd fra stresset eller bøyd under oppsett enhet.

Her presenteres en fremgangsmåte for å utføre picoinjection uten anvendelse av metallelektroder, noe som gjør fremstillingen enklere og mer robust. For å utløse picoinjection, vi i stedet bruke seg selv injeksjonsvæske som en elektrode, siden de fleste biologiske reagenser inneholder oppløste elektrolytter og er ledende. Vi legger også til et "Faraday Moat "for å skjerme sensitive områder av enheten og fungere som en universell bakken (Figur 1). Den vollgrav elektrisk isolerer dråpene oppstrøms av picoinjection området ved å tilby et bakken, hindrer utilsiktet dråpe fusjonen. En ekstra fordel med vår teknikk er at volum injisert i dråpene er avhengig av størrelsen av den påtrykte spenning, slik at den kan justeres ved å justere den påtrykte signal.

Vi dikte våre enheter i poly (dimethylsiloxane) (PDMS) ved hjelp av myke fotolitografiske teknikker ^4,5. Vår tilnærming er kompatibel med enheter fabrikkert i andre materialer, som harpiks, plast og epoxy. Kanalene har høyder og bredder på 30 mikrometer, som er optimal for å arbeide med små dråper 50 mikrometer i diameter (65 pl). Vi introduserer reagenser via polyethelene tubing (0.3/1.09 mm indre / ytre diameter) settes inn portene som er opprettet i løpet av enheten fabrikasjon med 0,50 mm biopsi slag, ligner metoder descrIbed tidligere ^fem. Den nøyaktige sammensetningen av injeksjonsvæske avhenger av den spesifikke applikasjonen. Væsken trenger kun inneholder oppløste elektrolytter ved konsentrasjoner høye nok til å gi tilstrekkelig ledningsevne for det elektriske signalet for å bli overført til picoinjector. I benken testing, har vi funnet at konsentrasjoner større enn ioniske 10 mM bør være tilstrekkelig ^{til 6,} selv om denne verdien og væskeledningsevnen er avhengig av de spesifikke dimensjoner og størrelsen av den påtrykte spenning for enheten.

Protocol

En. Design Enhets Mål og Topologier Basert på Experimental Trenger hjelp Computer Aided Design (CAD) programvare Merk: Valg emulsjon kanaldiameter som er mindre enn de av de kuleformede dråper. Dette tvinger dråper inn i et sylindrisk eller "pølse"-form, og sørger for mer effektiv picoinjection. For vårt formål, har vi designet 30 x 30 mikrometer kanaler for dråper som var 50 mikrometer i diameter. Model picoinjection side (r) etter de som er beskrevet av Abate …

Representative Results

Mikroskopiske bilder tatt på picoinjection nettstedet viser at elektrifisering av picoinjection væske er nok til å utløse injeksjon (figur 2). Det injiserte volum kan reguleres ved å modulere amplituden av den påtrykte spenning, med høyere spenninger muliggjør høyere injeksjonsvolumer. Vi plotte injeksjonsvolum sammenlignet med størrelsen av det påtrykte spenning for tre representative molarities av injeksjonsvæske i (fig. 3). For å demonstrere den hastighet vår metode, vi…

Discussion

Forholdet mellom injeksjonsvolum, og spenningen er avhengig av mange faktorer, inkludert enhet dimensjoner, lengde av produksjonsrøret som bærer picoinjection fluid til enheten, molaritet av picoinjection fluid, og hastigheten av dråpene når de passerer de injektor. Av denne grunn anbefaler vi at volumet / spenningsforhold karakteriseres før hver kjøring av picoinjection ved å måle injeksjonsvolum på kantene av arbeids utvalgene av spenning og molariteten. I tillegg, ved høyere spenninger og injeksjonsfluid mo…

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