الاستفادة من انخفاض التفاعل الرذاذ على سطح لتحسين نقل Bioanalytes في علم الموائع الدقيق الرقمي
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
التصغير من الأجهزة التي تعمل مع السوائل له أهمية قصوى لتطوير منصات "مختبر على رقاقة". في هذا الاتجاه، وقد شهدت خلال العقدين الماضيين تقدما كبيرا في مجال على microfluidics، مع مجموعة متنوعة من التطبيقات. 1-5 المتناقضة مع نقل السوائل في القنوات المغلقة (قناة على microfluidics)، DMF تعالج قطرات على صفائف من الأقطاب الكهربائية. واحدة من مزايا أكثر جاذبية من هذه التقنية هو عدم وجود أجزاء متحركة لنقل السوائل، وتوقف الحركة على الفور عن طريق إيقاف الإشارات الكهربائية.
ومع ذلك، حركة قطرات تعتمد على محتويات قطرة، وبالتأكيد خاصية غير مرغوب فيها للمنصة العالمية "مختبر على رقاقة". قطرات تحتوي على البروتينات والتحاليل الأخرى تلتصق بالأسطح الجهاز، تصبح غير قابلة للنقل. يمكن القول، وقد كان هذا هو القيد الرئيسي لتوسيع نطاق التطبيقات DMF، 6-8وتشمل بدائل للحد من تلوث سطح غير المرغوب فيها إضافة الأنواع الكيميائية اضافية لالحبرية أو المناطق المحيطة بها، والتي من المحتمل أن تؤثر على محتوى الحبرية.
سابقا، وضعت مجموعتنا جهاز للسماح بنقل الخلايا والبروتينات في DMF، من دون إضافات زائدة (الأجهزة الميدانية DW) (9). وقد تحقق ذلك من خلال الجمع بين سطح استنادا السخام شمعة، 10 مع هندسة الجهاز الذي تفضل قطرة المتداول ويؤدي إلى قوة صاعدة على الحبرية، مما خفض التفاعل قطيرة أرض. في هذا النهج، لا يرتبط قطرة الحركة مع ترطيب السطح. 11
الهدف من أسلوب مفصل موضح أدناه هو إنتاج جهاز DMF قادرة على نقل قطرات تحتوي على البروتينات والخلايا والكائنات كلها، من دون إضافات زائدة. الأجهزة الميدانية DW تمهد الطريق لمنصات تسيطر بشكل كامل العمل بشكل مستقل إلى حد كبير من قطرات الكيميائيراي.
هنا، ونحن أيضا محاكاة الحالية تظهر أنه على الرغم من ارتفاع الجهد المطلوب لتشغيل الجهاز، وانخفاض الجهد عبر الحبرية هو جزء صغير من الجهد تطبيقها، مشيرا إلى آثار ضئيلة على bioanalytes داخل الحبرية. في الواقع، اختبارات أولية مع انواع معينة ايليجانس (C. ايليجانس)، والدودة الخيطية تستخدم لمجموعة متنوعة من الدراسات في علم الأحياء، وتبين أن الديدان تسبح دون عائق كما يتم تطبيقها الفولتية.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوة الأكثر أهمية من البروتوكول هو حماية طبقة السناج، ويرتبط مباشرة مع نجاح في تحريك قطرات. تعدين طبقة السناج (أسلوب 1 أعلاه) يتيح ما يقرب من 100٪ من نجاح تلفيق. ومع ذلك، الحد الأقصى للوقت العملية حوالي 10 دقيقة. ربما، والكسور قطرات ترطيب والسخام من خلال ثقوب في طبقة مع?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر مؤسسة ليندباك للدعم المالي، والدكتور الكسندر سيدورنكو وإلزا تشو لإجراء مناقشات مثمرة والمساعدة التقنية، والبروفيسور روبرت سميث للحصول على المساعدة مع C. المقايسات ايليجانس.
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).
