Picoinjection av mikroflödes Drops Utan metallelektroder
Summary
Vi har utvecklat en teknik för picoinjecting mikroflödes droppar som inte kräver metallelektroder. Som sådana utrustningar med vår teknik är enklare att tillverka och att använda.
Abstract
Befintliga metoder för picoinjecting reagenser i mikroflödes droppar kräver metallelektroder integrerade i mikroflödessystem chip. Integrationen av dessa elektroder lägger omständliga och felbenägna steg till enheten tillverkningsprocessen. Vi har utvecklat en teknik som undanröjer behovet av metallelektroder under picoinjection. Istället använder man injektionsvätskan sig som en elektrod, eftersom de flesta biologiska reagenser innehåller upplösta elektrolyter och är ledande. Genom att eliminera elektroderna minskar vi Komponentframställning tid och komplexitet, och göra enheterna mer robusta. Dessutom, med vår strategi, injektionsvolym beror på den spänning som appliceras på picoinjection lösning; detta gör det möjligt för oss att snabbt justera volymen injicerades genom att modulera den pålagda spänningen. Vi visar att vår metod är kompatibel med reagens som innehåller gemensamma biologiska föreningar, innefattande buffertar, enzymer och nukleinsyror.
Introduction
I droppBaserade mikrofluidik, är micron skala vattendroppar som "provrör" för biologiska reaktioner. Fördelen med att utföra reaktioner i de små dropparna är att varje droppe använder bara ett fåtal pl av reagens och, med mikrofluidik, kan dropparna formas och bearbetas vid kilohertz priser 1. Tillsammans har dessa egenskaper tillåter miljontals reaktioner med individuella celler, nukleinsyramolekyler, eller föreningar som skall utföras i en fråga om minuter med pl av totala materialet.
För att använda droppar för tillämpningar som dessa, är tekniker som behövs för att lägga kontrollerade volymer av reagens till dropparna; sådan verksamhet är analoga med pipettering i provrör. En metod för att åstadkomma detta är electrocoalescence, varvid en droppe av reagens slås samman med målet droppe genom att applicera ett elektriskt fält. Det elektriska fältet stör arrangemanget av ytaktiva molekyler på gränssnitten i dropparna, inducing en tunnfilms instabilitet och utlösa sammansmältning i emulsioner som i övrigt är stabil 2. Elektriskt inducerad sammansmältning utnyttjas också vid utformningen av den picoinjector, en anordning som sprutar in reagens in i dropparna när de strömmar förbi en trycksatt kanal 3. För att tillämpa det elektriska fältet, picoinjector anordningar utnyttjar metallelektroder, men integrering av metallelektroder i microfluidic chips är ofta en komplex och felbenägen process som flytlödningstrådar är lätt äventyras av luftbubblor eller damm och annat skräp i kanalen samt frakturer från stressen eller böjning under Enhetsinställningar.
Här presenterar vi en metod för att utföra picoinjection utan användning av metallelektroderna, vilket gör tillverkningen enklare och mer robust. För att utlösa picoinjection, istället använder vi injektionsvätskan sig som en elektrod, eftersom de flesta biologiska reagenser innehåller upplösta elektrolyter och är ledande. Vi lägger också en "Faraday Moat "för att skydda känsliga delar av anordningen och fungera som en universell marken (Figur 1). The vallgrav isolerar elektriskt dropparna uppströms om picoinjection plats genom att tillhandahålla en grund, vilket förhindrar oavsiktlig dropp fusion. En extra fördel med vår teknik är att volym injicerades i dropparna beror på storleken av den pålagda spänningen, så att det kan justeras genom att trimma den pålagda signalen.
Vi tillverka våra enheter i poly (dimetylsiloxan) (PDMS) med mjuka fotolitografiska tekniker 4,5. Vår strategi är kompatibel med enheter som tillverkas i andra material, såsom plaster, plast och epoxi. Kanalerna har höjder och bredder av 30 | im, som är optimala för att arbeta med droppar 50 ^ m i diameter (65 pl). Vi introducerar reagenser via polyethelene slang (0.3/1.09 mm inner / ytterdiameter) in i hamnar som skapats under Komponentframställning med 0.50 mm biopsi slag, liknande metoder described tidigare 5. Den exakta sammansättningen av injektionsvätskan är beroende av den specifika tillämpningen. Vätskan behöver endast innehålla upplösta elektrolyter vid koncentrationer som är tillräckligt höga för att ge tillräcklig ledningsförmåga för den elektriska signal som skall sändas till picoinjector. I bänktester, har vi funnit att joniska högre koncentrationer än 10 mM borde räcka 6, även om detta värde och vätske konduktivitet beror på de specifika enhets dimensionerna och storleken på den pålagda spänningen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Förhållandet mellan injektionsvolym och pålagd spänning är beroende av många faktorer, inklusive enhetsdimensioner, slangens längd uppbär picoinjection fluid till enheten molaritet picoinjection fluidum och hastigheten hos de små dropparna när de passerar de injektor. Därför rekommenderar vi att volymen / spänningsförhållande karakteriseras före varje körning av picoinjection genom att mäta injektionsvolymer vid kanterna av arbets serier av spänning och molaritet. Dessutom vid högre spänningar och i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Institutionen för Bioteknik och Terapeutiska vetenskap vid UCSF, California Institute för Kvantitativa Biosciences (QB3), och överbrygga klyftan Award från 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).
