Picoinjection af Mikrofluid Drops Uden metalelektroderne
Summary
Vi har udviklet en teknik til picoinjecting mikrofluide dråber, der ikke kræver metalelektroder. Som sådan udstyr, som indeholder vores teknik er enklere at fremstille og bruge.
Abstract
Eksisterende metoder til picoinjecting reagenser i microfluidic dråber kræver metal elektroder integreret i mikrofluid chip. Integrationen af disse elektroder tilføjer besværlige og fejlbehæftede skridt til enheden produktionsprocessen. Vi har udviklet en teknik, der overflødiggør behovet for metal elektroder under picoinjection. I stedet bruger den injektionsfluid selv som en elektrode, da de fleste biologiske reagenser indeholder opløste elektrolytter og er ledende. Ved at eliminere elektroderne, reducerer vi enheden fabrikation tid og kompleksitet, og gøre enhederne mere robust. Hertil kommer, med vores tilgang, injektionsvolumen afhænger af spænding til picoinjection løsning; dette giver os mulighed for hurtigt at justere lydstyrken injiceres ved at modulere den anvendte spænding. Vi viser, at vores teknik er forenelig med reagenser, der inkorporerer fælles biologiske forbindelser, herunder buffere, enzymer og nukleinsyrer.
Introduction
I dråbe-baserede mikrofluidik er micron skala vandige dråber anvendes som "reagensglas" biologiske reaktioner. Fordelen ved at udføre reaktioner i bittesmå dråber er, at hver dråbe bruger kun et par pl reagens, og med MicroFluidics kan dråberne dannes og behandles i kilohertz vækst1. Kombineret disse egenskaber tillader millioner af reaktioner med individuelle celler, nukleinsyremolekyler, eller forbindelser, der skal udføres i løbet af minutter med pi samlede materiale.
For at bruge dråber til applikationer som disse, er der behov for teknikker til at tilføje kontrollerede mængder af reagenser til dråberne; sådanne operationer er analoge til pipettering i reagensglas. En fremgangsmåde til at opnå dette er electrocoalescence, hvor en dråbe reagens sammen med det mål dråbe ved at anvende et elektrisk felt. Det elektriske felt forstyrrer arrangement af molekyler af overfladeaktivt middel på grænsefladerne mellem dråberne, INDucing en tyndfilms ustabilitet og udløser sammenflydning i emulsioner, der ellers er stabile 2. Elektrisk induceret sammenfletning udnyttes også i udformningen af picoinjector, en enhed, der injicerer reagenser i dråber, når de strømmer forbi en tryksat kanal 3. At anvende det elektriske felt, picoinjector enheder udnytter metal elektroder, men integrationen af metal elektroder i mikrofluid chips er ofte en kompleks og fejlbehæftet proces som væske-lodde ledninger let bliver kompromitteret af luftbobler eller støv og andet snavs i kanalen , samt frakturer fra stress eller bøjes under installation af enheden.
Her præsenterer vi en metode til at udføre picoinjection uden brug af metal elektroder, hvilket gør fremstillingen enklere og mere robust. At udløse picoinjection, vi i stedet bruge injektionsfluid selv som en elektrode, da de fleste biologiske reagenser indeholder opløste elektrolytter og er ledende. Vi tilføjer også en "Faraday Moat "for at beskytte følsomme områder på enheden og fungere som en universel jord (figur 1). Voldgraven elektrisk isolerer dråberne opstrøms for picoinjection webstedet ved at give en begrundelse, som forhindrer utilsigtet dråber fusion. En ekstra fordel af vores teknik er, at indsprøjtet i dråberne volumen afhænger af størrelsen af den påtrykte spænding, så det kan justeres ved at tune det tilførte signal.
Vi fabrikere vores enheder i poly (dimethylsiloxan) (PDMS) med bløde fotolitografisk teknikker 4,5. Vores tilgang er kompatibel med enheder, fremstillet i andre materialer, såsom harpiks, plast og epoxy. Kanalerne har højder og bredder på 30 um, som er optimale for at arbejde med dråber 50 um i diameter (65 pl). Vi introducerer reagenser via polyethelene slange (0.3/1.09 mm indvendig / udvendig diameter) indsat i porte oprettet under enheden fabrikation med 0,50 mm biopsi slag, svarende til metoder descrIbed tidligere 5. Den nøjagtige sammensætning af injektionsfluid afhænger af den specifikke anvendelse. Væsken behøver kun indeholde opløste elektrolytter i koncentrationer høje nok til at give tilstrækkelig ledningsevne til elektrisk signal, der skal sendes til picoinjector. I bench test, har vi fundet, at ioniske koncentrationer over 10 mM burde være nok 6, selv om denne værdi og væske ledningsevne afhænger af den specifikke enhed dimensioner og størrelsen af den anvendte spænding.
Protocol
Representative Results
Discussion
Forholdet mellem injektionsvolumen og påførte spænding er afhængig af mange faktorer, herunder enhed dimensioner, længde af røret, der bærer picoinjection fluidum til anordningen, molariteten af picoinjection fluidum, og hastigheden af dråberne, når de passerer de injektor. Derfor anbefaler vi, at volumen / spænding forholdet karakteriseres før hver kørsel af picoinjection ved at måle injektionsvoluminer på kanterne af de arbejdende serier af spænding og molaritet. Derudover, ved højere spæn…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Institut for bioteknologi og terapeutiske Fakultet ved UCSF, California Institute for Kvantitative Biosciences (QB3) og Bridging the Gap Award fra Rogers Family Foundation.
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).
