Picoinjection של Microfluidic טיפות בלי אלקטרודות מתכת
Summary
פיתחנו טכניקה לpicoinjecting טיפות microfluidic שאינו דורשות אלקטרודות מתכת. ככזה, מכשירים המשלבים הטכניקה שלנו הם פשוט כדי להמציא ולהשתמש.
Abstract
שיטות קיימות לpicoinjecting ריאגנטים לטיפי microfluidic דורשות אלקטרודות מתכת משולבות בשבב microfluidic. השילוב של אלקטרודות אלה מוסיף צעדים מסורבלים ומועדת לטעויות לתהליך ייצור מכשיר. אנחנו פיתחנו שיטה שמייתרת את הצרכים עבור אלקטרודות מתכת במהלך picoinjection. במקום זאת, היא משתמשת בנוזל להזרקה עצמה כאלקטרודה, מכיוון שרוב חומרים כימיים ביולוגיים מכילים אלקטרוליטים מומסים ומוליכים. על ידי ביטול את האלקטרודות, אנו להפחית את זמן ייצור מכשיר ומורכב, ולהפוך את המכשירים חזקים יותר. בנוסף, עם הגישה שלנו, את עוצמת הזריקה תלויה במתח להחיל את פתרון picoinjection; זה מאפשר לנו להתאים את עוצמת הקול שהוחדר על ידי ויסות המתח להחיל במהירות. אנו מראים כי הטכניקה שלנו היא בקנה אחד עם חומרים כימיים בשילוב תרכובות ביולוגיות משותפות, כוללים כריות, אנזימים, וחומצות גרעין.
Introduction
במיקרופלואידיקה מבוסס אגל, טיפות מימיות מיקרון בקנה המידה משמשות כ" מבחנות "לתגובות ביולוגיות. היתרון לביצוע תגובות בטיפין הזעירות הוא שכל טיפה משתמשת רק כמה pl של מגיב ו, עם מיקרופלואידיקה, יכולות להיווצר הטיפות ומעובד בשיעורי kilohertz 1. בשילוב, מאפיינים אלה מאפשרים למ' תגובות עם תאים בודדים, מולקולות חומצות גרעין, או תרכובות שיש לבצע בעניין של דקות עם μl של חומר בסך הכל.
כדי להשתמש בטיפין ליישומים כמו אלה, טכניקות דרושות להוספת כמויות מבוקרות של חומרים כימיים לטיפין; פעולות כאלה הם מקבילים pipetting לתוך מבחנות. שיטה אחת לביצוע הזה היא electrocoalescence, שבו ירידה של מגיב ממוזגת עם טיפת המטרה על ידי החלת שדה חשמלי. השדה החשמלי משבש את הסדר של מולקולות פעילי שטח בממשקים של הטיפות, inducing חוסר יציבות סרט דק ומפעיל גיבוש בתחליבים כי הם יציבים 2 בדרך אחרת. מיזוג חשמלי מושרה הוא גם ניצל בעיצוב של picoinjector, מכשיר שמזריק חומרים כימיים לטיפין שהם זורמים בעבר בערוץ 3 בלחץ. כדי להחיל את השדה החשמלי, מכשירי picoinjector לנצל אלקטרודות מתכת, אבל שילוב של אלקטרודות מתכת לתוך שבבי microfluidic הוא לעתים קרובות תהליך מורכב ומועדת לטעויות כמו חוטי נוזל ההלחמה נמצאים בסכנה בקלות על ידי בועות אוויר או אבק ופסולת אחרת בערוץ , כמו גם שברים מלחץ או כיפוף במהלך התקנת התקן.
כאן אנו מציגים שיטה לביצוע picoinjection ללא השימוש באלקטרודות מתכת, מה שהופך את הייצור פשוטים יותר וחזק יותר. כדי לעורר picoinjection, אנחנו במקום להשתמש בנוזל להזרקה עצמה כאלקטרודה, מכיוון שרוב חומרים כימיים ביולוגיים מכילים אלקטרוליטים מומסים ומוליכים. אנחנו גם להוסיף "פאראדיי מואהלא "כדי להגן על אזורים רגישים של המכשיר ולפעול כקרקע אוניברסלית (איור 1). החפיר חשמלי מבודד את הטיפות במעלה הזרם של אתר picoinjection על ידי מתן קרקע, מניעת מיזוג טיפה לא מכוון. יתרון נוסף של השיטה שלנו הוא ש נפח שהוחדר לתוך הטיפות תלויה בגודלו של המתח להחיל, שמאפשר לו להיות מותאמים על ידי כוונון האות מיושמת.
אנחנו לפברק המכשירים שלנו בפולי (dimethylsiloxane) (PDMS) תוך שימוש בטכניקות photolithographic רכים 4,5. הגישה שלנו היא בקנה אחד עם ההתקנים מפוברק בחומרים אחרים, כמו רפים, פלסטיק, ואפוקסי. יש הערוצים לגבהים ורוחב של 30 מיקרומטר, שהם אופטימליים לעבודה עם טיפות 50 מיקרומטר בקוטר (65 pl). אנחנו מציגים את חומרים כימיים דרך צינורות polyethelene (0.3/1.09 מ"מ קוטר חיצוני / פנימי) מוכנסים לתוך יציאות שנוצרו במהלך ייצור מכשיר עם 0.50 מ"מ אגרופים ביופסיה, בדומה לשיטות described בעבר 5. האיפור של נוזל ההזרקה המדויק תלוי ביישום הספציפי. הנוזל צריך להכיל רק אלקטרוליטים מומסים בריכוזים גבוהים מספיק כדי להניב מוליכות מספיק לאות החשמלי שמועבר לpicoinjector. בבדיקת ספסל, מצאנו כי ריכוזים יוניים גדולים מ10 מ"מ צריכים להספיק 6, אם כי ערך זה ומוליכות נוזל תלויות בממדי המכשיר הספציפיים ובהיקף של המתח המופעל.
Protocol
Representative Results
Discussion
הקשר בין נפח הזרקה ומתח להחיל תלוי בגורמים רבים, כולל מידות מכשיר, אורכו של הצינור שנשא את נוזל picoinjection למכשיר, molarity של picoinjection נוזלים, ואת המהירות של הטיפות כשהם עוברים הם מזרק. מסיבה זו אנו ממליצים כי יחסי נפח / מתח להתאפיין לפני כל ריצה של picoinjection על ידי מדידת נפחי הזר?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המחלקה להנדסה ביוטכנולוגיה והמדעים טיפוליים בקליפורניה בסן פרנסיסקו, קליפורניה המכון לכמותית Biosciences (QB3), ופרס גאפ גישור מקרן רוג'רס המשפחה.
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).
