Profiterend van Reduced Droplet-oppervlak interactie aan Transport van Bioanalytes Optimaliseer in Digital Microfluidics
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
De miniaturisatie van apparaten die werken met vloeistoffen is van groot belang voor de ontwikkeling van "lab-on-a-chip 'platformen. In deze richting, hebben de afgelopen twee decennia een belangrijke vooruitgang op het gebied van microfluidics getuige, met een verscheidenheid aan toepassingen. 1-5 Contrasterende met het vervoer van vloeistof in gesloten kanalen (kanaal microfluidics), DMF manipuleert druppels op arrays van elektroden. Een van de meest aantrekkelijke voordelen van deze techniek is de afwezigheid van bewegende delen om vloeistoffen te transporteren en beweging direct gestopt door het uitschakelen van elektrische signalen.
Echter, druppeltje beweging afhankelijk inhoud druppel, zeker een ongewenste eigenschap voor een universele "lab-on-a-chip" platform. Druppeltjes bevattende eiwitten en andere analyten vasthouden aan het apparaat oppervlakken, steeds onbeweeglijk. Ongetwijfeld is dit al de grote beperking voor het verbreden van de reikwijdte van de DMF-toepassingen; 6-8alternatieven voor het ongewenste oppervlak vervuiling te minimaliseren omvatten de toevoeging van extra chemische species om de druppel of omgeving die potentieel druppeltje inhoud kunnen beïnvloeden.
Voorheen onze groep ontwikkelde een apparaat om het transport van cellen en eiwitten in DMF toe te staan, zonder extra toevoegingen (Field-DW-apparaten). 9 Dit werd bereikt door het combineren van een oppervlak op basis van kaars roet, 10 met een apparaat geometrie die druppel rollende gunsten en leidt tot een opwaartse kracht op de druppel verder afnemende interactie droplet-oppervlak. In deze benadering wordt druppeltje beweging niet geassocieerd met oppervlaktebevochtiging. 11
Het doel van de gedetailleerde methode hieronder beschreven aan een DMF inrichting kan transporteren druppeltjes bevattende eiwitten, cellen en gehele organismen produceren zonder extra toevoegingen. The Field-DW-apparaten maken de weg vrij voor een volledig gecontroleerde platformen grotendeels zelfstandig werken van de druppel chemicusry.
Hier presenteren we ook simulaties blijkt dat, ondanks de voor de werking van het apparaat hoogspanning, de spanningsval over de druppel is een kleine fractie van de aangelegde spanning, op verwaarloosbare effecten op bioanalytes in de druppel. In feite, voorproeven met Caenorhabditis elegans (C. elegans), een nematode gebruikt voor verschillende studies in de biologie, blijkt dat wormen zwemmen ongestoord als voltages toegepast.
Protocol
Representative Results
Discussion
De meest kritische stap van het protocol is de bescherming van het roet laag rechtstreeks bij het succes bewegende druppeltjes. Metalliseren roet laag (methode 1 hierboven) kan bijna 100% van fabricage succes. De maximale werking is ongeveer 10 min; eventueel worden druppel fracties bevochtigen roet door gaten in de metaallaag. Het roet laag met de gefluoreerde vloeibare coating is de makkelijkste en snelste alternatief, en vereist minimale middelen, maar slechts 40-50% van de (min maximaal 20) gefabriceerd substraten w…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken de Lindback Stichting voor financiële steun, en Dr Alexander Sidorenko en Elza Chu voor vruchtbare discussies en technische bijstand, en professor Robert Smith voor hulp bij de C. elegans assays.
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).
