Aproveitando-se de Redução Interação gota-superfície para otimizar o transporte de Bioanalytes em microfluídica Digital
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
A miniaturização dos dispositivos que funcionam com líquidos é de suma importância para o desenvolvimento de plataformas "lab-on-a-chip". Nesse sentido, as duas últimas décadas têm testemunhado um progresso significativo na área da microfluídica, com uma variedade de aplicações. 1-5 Contrastando com o transporte de fluidos em canais fechados (canal microfluídicos), DMF manipula gotas em matrizes de eletrodos. Um dos méritos mais atraentes desta técnica é a ausência de partes móveis para o transporte de fluidos, e movimento é imediatamente interrompida ao desligar sinais elétricos.
No entanto, o movimento das gotículas é dependente de conteúdos das gotículas, certamente uma característica indesejável para uma plataforma universal "lab-on-a-chip". Gotículas contendo proteínas e outros analitos aderir a superfícies do dispositivo, tornando-se inabalável. Indiscutivelmente, esta tem sido a principal limitação para o alargamento do âmbito de aplicações DMF; 6-8alternativas para minimizar a proliferação indesejada superfície envolvem a adição de espécies químicas extras para a gota ou seus arredores, o que poderia afetar o conteúdo da gota.
Anteriormente, o nosso grupo desenvolveu um dispositivo para permitir o transporte de células e proteínas em DMF, sem aditivos adicionais (dispositivos Campo-DW). 9 Isto foi conseguido através da combinação de uma superfície com base na fuligem vela, 10 com uma geometria do dispositivo que favorece a gotícula de rolamento e leva a uma força ascendente sobre a gotícula, diminuindo ainda mais a interacção gotícula-superfície. Nesta abordagem, gota movimento não está associado a molhar a superfície 11.
O objectivo do método descrito abaixo é detalhado para produzir um dispositivo de DMF capaz de transportar gotas contendo proteínas, células e organismos inteiros, sem aditivos adicionais. Os dispositivos de campo-DW pavimentar o caminho para as plataformas totalmente controlados que trabalham em grande parte de forma independente da gota de químicory.
Aqui, nós também apresentam simulações mostra que, apesar da alta tensão necessária para o funcionamento do dispositivo, a queda de tensão através da gotícula é uma pequena fracção da tensão aplicada, indicando efeitos insignificantes sobre bioanalytes no interior da gotícula. Na verdade, os testes preliminares com Caenorhabditis elegans (C. elegans), um nemátodo usado para uma variedade de estudos em biologia, mostram que os vermes nadar sem perturbações como as tensões são aplicadas.
Protocol
Representative Results
Discussion
A etapa mais crítica do protocolo é a proteção da camada de fuligem, diretamente associado ao sucesso em gotas em movimento. Metalização da camada de fuligem (método 1 acima) permite que perto de 100% de sucesso de fabricação. No entanto, o tempo máximo de operação é de cerca de 10 min; possivelmente, fracções de gotículas são molhar a fuligem através de furos na camada de metal. Revestimento da camada de fuligem com o líquido fluorado é a alternativa mais fácil e rápida, e exige o mínimo de recur…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos à Fundação Lindback de apoio financeiro, e Dr. Alexandre Sidorenko e Elza Chu para discussões frutíferas e assistência técnica, eo professor Robert Smith para a assistência com o C. Os ensaios de elegans.
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 |
References
- Fair, R. B. Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible. Microfluid Nanofluid. 3 (3), 245-281 (2007).
- Gupta, S., Alargova, R. G., Kilpatrick, P. K., Velev, O. D. On-Chip Dielectrophoretic Coassembly of Live Cells and Particles into Responsive Biomaterials. Langmuir. 26 (5), 3441-3452 (2009).
- Shih, S. C., et al. Dried blood spot analysis by digital microfluidics coupled to nanoelectrospray ionization mass spectrometry. Anal Chem. 84 (8), 3731-3738 (2012).
- Gorbatsova, J., Borissova, M., Kaljurand, M. Electrowetting-on-dielectric actuation of droplets with capillary electrophoretic zones for off-line mass spectrometric analysis. J Chromatogr. 1234, 9-15 (2012).
- Qin, J., Wheeler, A. R. Maze exploration and learning in C. elegans. Lab Chip. 7 (2), 186-192 (2007).
- Koc, Y., de Mello, A. J., McHale, G., Newton, M. I., Roach, P., Shirtcliffe, N. J. Nano-scale superhydrophobicity: suppression of protein adsorption and promotion of flow-induced detachment. Lab Chip. 8 (4), 582-586 (2008).
- Perry, G., Thomy, V., Das, M. R., Coffinier, Y., Boukherroub, R. Inhibiting protein biofouling using graphene oxide in droplet-based microfluidic microsystems. Lab Chip. 12 (9), 1601-1604 (2012).
- Kumari, N., Garimella, S. V. Electrowetting-Induced Dewetting Transitions on Superhydrophobic Surfaces. Langmuir. 27 (17), 10342-10346 (2011).
- Freire, S. L. S., Tanner, B. Additive-Free Digital Microfluidics. Langmuir. 29 (28), 9024-9030 (2013).
- Deng, X., Mammen, L., Butt, H. -. J., Vollmer, D. Candle Soot as a Template for a Transparent Robust Superamphiphobic Coating. Science. 335, 67-70 (2011).
- Kang, K. H. How Electrostatic Fields Change Contact Angle in Electrowetting. Langmuir. 18 (26), 10318-10322 (2002).
- Abdelgawad, M., Watson, M. W. L., Young, E. W. K., Mudrik, J. M., Ungrin, M. D., Wheeler, A. R. Soft lithography: masters on demand. Lab Chip. 8 (8), 1379-1385 (2008).
- Barbulovic-Nad, I., Yang, H., Park, P. S., Wheeler, A. R. Digital microfluidics for cell-based assays. Lab Chip. 8 (4), 519-526 (2008).
- Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Genetics. 77 (1), 71-94 (1974).
