Vorteilhafte Reduzierte Droplet-Oberflächen-Wechselwirkung, um den Transport Bioanalyten in Digitale Mikrofluidik Optimieren
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
Die Miniaturisierung von Vorrichtungen, die mit Flüssigkeiten arbeiten, ist von größter Bedeutung für die Entwicklung des "lab-on-a-chip" Plattformen. In dieser Richtung haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Mikrofluidik erlebt, mit einer Vielzahl von Anwendungen. 1-5 Kontrast mit dem Transport von Flüssigkeit in geschlossenen Kanälen (Kanal Mikrofluidik), DMF manipuliert Tröpfchen auf Arrays von Elektroden. Einer der attraktivsten Vorzüge dieser Technik ist das Fehlen von beweglichen Teilen, um Flüssigkeiten zu transportieren, und die Bewegung wird sofort durch Ausschalten von elektrischen Signalen angehalten.
Jedoch ist Tröpfchenbewegung abhängig Tröpfchen Inhalt sicher eine unerwünschte Eigenschaft für ein universelles "lab-on-a-chip" Plattform. Tröpfchen, die Proteine und andere Analyten bleibe Gerät Flächen, zu unbeweglich. Wohl hat sich diese für die Ausweitung der DMF-Anwendungen war die große Einschränkung; 6-8Alternativen zu den unerwünschten Oberflächenverschmutzung zu minimieren beinhalten die Zugabe von zusätzlichen chemischen Spezies an das Tröpfchen oder seiner Umgebung, die möglicherweise Tröpfchengehalt beeinträchtigen könnten.
Früher entwickelte unsere Gruppe eine Vorrichtung, um den Transport von Zellen und Proteinen in DMF zu ermöglichen, ohne zusätzliche Additive (Field-DW-Geräte). 9. Dies wurde durch Kombinieren einer Oberfläche, bezogen auf Kerze Ruß, 10 mit einer Vorrichtung, die Tröpfchengeometrie begünstigt erreicht Walz und führt zu einer nach oben gerichteten Kraft auf das Tröpfchen, weiter verringert Tröpfchenoberflächenwechselwirkung. In diesem Ansatz wird Tröpfchenbewegung mit Oberflächenbenetzung verbunden ist. 11
Ziel des nachfolgend beschriebenen detaillierten Verfahrens ist es, eine Vorrichtung DMF transportieren kann Tröpfchen enthaltende Proteine, Zellen und ganzen Organismen zu erzeugen, ohne zusätzliche Additive. The Field-DW-Geräte ebnen den Weg für völlig gesteuerten Plattformen weitgehend unabhängig arbeiten von Tröpfchen Chemikerry.
Auch hier haben wir vorliegenden Simulationen zeigen, dass trotz der hohen Spannung zum Betrieb der Vorrichtung erforderlich ist, der Spannungsabfall über dem Tröpfchen ist ein kleiner Bruchteil der angelegten Spannung, was vernachlässigbare Auswirkungen auf Bioanalyten innerhalb des Tropfens. In der Tat, Vorversuche mit Caenorhabditis elegans (C. elegans), eine Nematode für eine Vielzahl von Studien in der Biologie verwendet, zeigen, dass Würmer schwimmen ungestört Spannungen angelegt werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der wichtigste Schritt des Protokolls ist der Schutz der Rußschicht, direkt mit dem Erfolg beim Bewegen Tröpfchen verbunden. Metallisieren der Russschicht (Methode 1 oben) können nahezu 100% der Herstellungs Erfolg. Jedoch ist die maximale Betriebsdauer 10 min; möglicherweise werden Tröpfchen Fraktionen Benetzen der Ruß durch Löcher in der Metallschicht. Beschichten der Rußschicht mit dem fluorierten Flüssigkeit ist die einfachste und schnellste Alternative und erfordert minimalen Ressourcen, aber nur 40-50% de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken dem Lindbäck Stiftung für die finanzielle Unterstützung und Dr. Alexander Sidorenko und Elza Chu für fruchtbare Diskussionen und technische Unterstützung, und Professor Robert Smith für die Unterstützung bei der 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).
