Picoinjection van Microfluidic Drops Zonder metalen elektroden
Summary
We hebben een techniek voor picoinjecting microfluïdische druppels die metalen elektroden niet vereist ontwikkeld. Als zodanig hulpmiddelen die onze techniek eenvoudiger te fabriceren en te gebruiken.
Abstract
Bestaande methoden voor picoinjecting reagentia in microfluïdische druppels vereisen metalen elektroden geïntegreerd in de microfluïdische chip. De integratie van deze elektroden voegt omslachtig en foutgevoelig stappen om het apparaat fabricageproces. We hebben een techniek die de behoefte aan metalen elektroden ondervangt tijdens picoinjection ontwikkeld. In plaats daarvan gebruikt de injectievloeistof zelf als elektrode, aangezien de meeste biologische reagentia bevatten opgeloste elektrolyten en geleidend. Door het elimineren van de elektroden, verminderen we apparaat fabricage tijd en complexiteit, en maken de apparaten meer robuust. Bovendien, onze benadering het injectievolume is afhankelijk van de spanning op de picoinjection oplossing; Dit stelt ons in staat om het volume geïnjecteerd door het moduleren van de aangelegde spanning snel aan te passen. We zien dat onze techniek verenigbaar met reagentia daarin gemeenschappelijke biologische verbindingen, waaronder buffers, enzymen en nucleïnezuren.
Introduction
In-druppel op basis microfluidics, worden micronschaal waterige druppeltjes gebruikt als "reageerbuizen" voor biologische reacties. Het voordeel van het uitvoeren van reacties in de kleine druppeltjes is dat elke druppel gebruikt slechts een paar pl van reagens en, met microfluidics, kunnen de druppels worden gevormd en verwerkt op kilohertz tarieven 1. Gecombineerd, deze eigenschappen kunnen miljoenen reacties met individuele cellen, nucleïnezuurmoleculen of verbindingen worden uitgevoerd in enkele minuten met ui totaal materiaal.
Druppels voor toepassingen zoals deze te gebruiken, zijn technieken die nodig zijn voor gecontroleerde hoeveelheden reagentia toe te voegen aan de druppels; dergelijke operaties zijn analoog aan pipetteren in reageerbuizen. Een werkwijze voor het bereiken is electrocoalescence, waarbij een druppel reagens wordt samengevoegd met het doel druppel aanleggen van een elektrisch veld. Het elektrische veld verstoort de rangschikking van oppervlakte-actieve moleculen op de interfaces van de druppels, inducing een dunne film instabiliteit en triggering coalescentie in emulsies die anders stabiel 2 zijn. Elektrisch geïnduceerde samenvoegen wordt ook benut in het ontwerp van de picoinjector, een apparaat dat reagentia injecteert in druppels als zij door een druk kanaal 3 stroomt. Om het elektrisch veld, picoinjector apparaten maken gebruik van metalen elektroden, maar de integratie van metalen elektroden in microfluïdische chips is vaak een complex en foutgevoelig proces als de vloeistof-soldeer draden gemakkelijk worden aangetast door luchtbellen of stof en ander vuil in het kanaal , evenals breuken van stress of buigen tijdens de installatie-apparaat.
Hier presenteren we een methode om picoinjection voeren zonder het gebruik van metalen elektroden, waardoor de fabricage eenvoudiger en robuuster. Om picoinjection triggeren, we gebruiken in plaats van de injectie vloeistof zich als een elektrode, aangezien de meeste biologische reagentia bevatten opgeloste elektrolyten en zijn geleidend. We voegen ook een "Faraday Moat "gevoelige gebieden van het apparaat en fungeren als een universele grond (figuur 1) af te schermen. moat elektrisch isoleert de druppeltjes stroomopwaarts van de picoinjection plaats door middel van een grond, het voorkomen van onbedoelde druppel fusie. Een bijkomend voordeel van onze techniek is dat de volume geïnjecteerd in de druppels hangt af van de grootte van de aangelegde spanning, waardoor het kan worden bijgesteld door het afstemmen van het toegevoerde signaal.
Wij fabriceren onze toestellen in poly (dimethylsiloxaan) (PDMS) met behulp van zachte fotolithografische technieken 4,5. Onze aanpak is compatibel met apparaten vervaardigd in andere materialen, zoals harsen, kunststoffen en epoxy. De kanalen hebben hoogtes en breedtes van 30 micrometer, die optimaal zijn voor het werken met druppeltjes 50 micrometer in doorsnede (65 pl) zijn. We introduceren reagentia via polyethyleen buis (0.3/1.09 mm binnen / buitendiameter) ingebracht in havens gemaakt tijdens apparaat fabricage met 0,50 mm biopsie stoten, vergelijkbaar met methoden descrIBED eerder 5. De exacte samenstelling van de injectievloeistof afhankelijk van de specifieke toepassing. De vloeistof hoeft alleen bevatten opgeloste elektrolyten bij concentraties hoog genoeg om voldoende geleidbaarheid opleveren voor de elektrische signaal naar de picoinjector te zenden. In benchtests hebben wij gevonden dat ionische concentraties hoger dan 10 mM moeten volstaan 6, hoewel deze waarde en de geleidbaarheid fluïdum afhangen van de specifieke afmetingen inrichting en grootte van de aangelegde spanning.
Protocol
Representative Results
Discussion
De relatie tussen geïnjecteerde volume en aangelegde spanning is afhankelijk van vele factoren, met afmetingen inrichting lengte van de buis die de picoinjection vloeistof naar de inrichting, molariteit van picoinjection vloeistof en de snelheid van de druppels als ze passeren zij injector. Om deze reden adviseren wij dat het volume / spanning relatie vóór elke run van picoinjection worden gekenmerkt door het meten van injectie volumes aan de randen van het werkbereik van de spanning en molariteit. Bovendien, bij hog…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het Ministerie van Biotechniek en Therapeutische Wetenschappen aan UCSF, het California Institute for Quantitative Biosciences (QB3), en de Bridging the Gap Award van de Stichting Rogers Family.
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).
