Tomando ventaja de la reducción de la interacción de gotas en la superficie para optimizar el transporte de Bioanalytes en microfluídica digitales
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
La miniaturización de los dispositivos que funcionan con líquidos es de suma importancia para el desarrollo de plataformas de "lab-on-a-chip". En este sentido, las dos últimas décadas han sido testigos de un avance significativo en el campo de la microfluídica, con una variedad de aplicaciones. 5.1 En contraste con el transporte de fluidos en los canales cerrados (canal de microfluidos), DMF manipula gotitas en matrices de electrodos. Uno de los méritos más atractivas de esta técnica es la ausencia de partes móviles para el transporte de fluidos, y el movimiento se detiene al instante apagando señales eléctricas.
Sin embargo, el movimiento de gotitas depende de su contenido de gota, sin duda una característica indeseable para una plataforma universal "lab-on-a-chip". Las gotitas que contienen proteínas y otros analitos se adhieren a las superficies de dispositivos, convirtiéndose en inamovible. Sin duda, ésta ha sido la principal limitación para ampliar el alcance de las aplicaciones de DMF; 6-8alternativas para minimizar el ensuciamiento superficie no deseado implican la adición de especies químicas adicionales a la gota o sus alrededores, lo que podría afectar el contenido de las gotas.
Anteriormente, nuestro grupo desarrolló un dispositivo para permitir el transporte de células y proteínas en DMF, sin aditivos adicionales (aparatos de campo-DW). 9 Esto se logró mediante la combinación de una superficie basada en el hollín vela, 10 con una geometría del dispositivo que favorece la gotita de laminación y conduce a una fuerza hacia arriba en la gotita, disminuyendo aún más la interacción de gotitas en la superficie. En este enfoque, el movimiento gotita no está asociado con humectación de la superficie. 11
El objetivo del método detallado se describe a continuación es producir un dispositivo de DMF capaz de transportar gotitas que contienen proteínas, células y organismos enteros, sin aditivos adicionales. Los dispositivos de campo-DW allanan el camino para las plataformas de trabajo totalmente controladas en gran medida independiente de farmacia gotary.
Aquí, también presentes simulaciones que muestran que, a pesar de la alta tensión necesaria para el funcionamiento del dispositivo, la caída de voltaje a través de la gotita es una pequeña fracción de la tensión aplicada, lo que indica efectos insignificantes en bioanalytes dentro de la gotita. De hecho, las pruebas preliminares con Caenorhabditis elegans (C. elegans), un nematodo utilizado para una variedad de estudios de la biología, muestran que los gusanos nadan sin perturbaciones como se aplican voltajes.
Protocol
Representative Results
Discussion
El paso más importante del protocolo es la protección de la capa de hollín, directamente relacionado con el éxito en gotas en movimiento. Metalizar la capa de hollín (método 1 anterior) permite cerca de 100% de éxito de fabricación. Sin embargo, el tiempo máximo de funcionamiento es de aproximadamente 10 min; posiblemente, las fracciones de gotitas están mojando el hollín a través de agujeros en la capa de metal. El recubrimiento de la capa de hollín con el líquido fluorado es la alternativa más fácil y …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Damos las gracias a la Fundación Lindbäck de apoyo financiero, y el Dr. Alexander Sidorenko y Elza Chu para un debate fructífero y asistencia técnica, y el profesor Robert Smith para obtener ayuda con la C. ensayos elegans.
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).
