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

ملاحظة: في الإجراءات الموضحة أدناه، يجب دائما أن يتبع إرشادات السلامة في المختبرات. أهمية خاصة هو السلامة عند التعامل مع الجهد العالي (> 500 V) ومناولة المواد الكيميائية.

1. طلاء من الركيزة التوصيلية مع شمعة السخام

1. قطع معدن النحاس في مستطيل (75 × 43 مم، 0.5 مم). تنظيف كل الركيزة النحاس عن طريق الغمر في النحاس منمش لمدة 30 ثانية، ويغسل بماء الصنبور لمدة 20 ثانية، وجافة مع ورقة.
   ملاحظة: في حالة استخدام أسلوب 1 أدناه، تغيير أبعاد 75 × 25 ملم لتناسب الجهاز.
2. اكتساح شمعة البارافين مضاءة تحت الركيزة النحاس لمدة 30-45 ثانية، إلى الحصول على السناج طلاء موحد تقريبا (حوالي 40 ميكرون سميكة). تبقى الركيزة في ~ 1 سم داخل اللهب. لا تلمس سطح السخام الهش.

2. حماية طبقة السخام مع طلاء

ملاحظة: طبقة السناج هشة جداويجب أن تكون مغلفة للحماية. واقترح بديلين بسيطة (أساليب 1 و 2 أدناه) هنا، ولكن بروتوكولات أكثر قوة حاليا قيد التطوير.

1. طريقة 1
   1. تحميل العينة إلى المبخر المعدن أو نظام الاخرق. في أعقاب الإجراءات العملية للنظام، بإخلاء القاعة، وبدء ترسيب الذهب تسيطر على طبقة السناج (150-200 نانومتر). ترك الجهاز يبرد إلى درجة حرارة الغرفة.
   2. تراجع معطف الركيزة المعدنى في حل 1-dodecanethiol (1٪ ت / ت، في 95٪ من الإيثانول، ACS / USP الصف)، لمدة 10 دقيقة داخل غطاء الكيميائية. بعد ذلك، عقد الجهاز في زاوية قريبة من 60 درجة، وغسل بلطف السطح مع عدة قطرات من الايثانول فقط. السماح للأجهزة الجافة، بين عشية وضحاها.
2. طريقة 2
   1. في غطاء الكيميائية، مباشرة بعد طلاء الركيزة مع السخام وبينما لا تزال الركيزة الدافئة من لهب شمعة، إيداع بعض قطرات من السائل المفلورة على جانب واحد منالركيزة، والركيزة يميل إلى زاوية قريبة من 90 درجة. إيداع المزيد من قطرات، والسماح لهم لفة على سطح السخام بأكمله.
      ملاحظة: عندما تسقط قطرة على الفور، وسوف تغسل السخام بعيدا عن تلك المنطقة. دعونا قطرات من انتشار السائل المفلورة قدر الإمكان.
   2. خبز الركيزة على طبق ساخن (160 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة) داخل غطاء الكيميائية.
   3. دعونا الركيزة الجلوس بين عشية وضحاها في درجة حرارة الغرفة قبل الاستخدام. تخزين أجل غير مسمى.

3. تلفيق الأعلى أقطاب (مقتبس من عبد الجواد وآخرون. ¹²⁾

1. رسم الأقطاب باستخدام برنامج تصميم الرسوم البيانية. كل قطب هو 2 مم طويل، 0.3 مم، والفجوة بين الأقطاب هو 0.3 ملم. الهوة بين الاتصالات (لتستقر في الموصل، انظر أدناه) هو 2.3 مم (الشكل 1).
2. تقليم مرنة النحاس صفح (35 ميكرون سميكة) في شكل خادم الحرمين الشريفين (3.87 X 7.5 بوصة). استخدام أحجام أخرى طو متوافقة مع الطابعة. تحميل صفح في علبة التغذية اليدوية للطابعة ملونة.
3. تأكد من استخدام "أسود غني"، أو "تسجيل الأسود"، عند الطباعة على ورقة النحاس (انظر عبد الجواد وآخرون. ¹² لمزيد من التفاصيل) للسماح للطبقة كثيفة من الحبر الأسود على الركيزة النحاس، وحماية نمط المطبوعة أثناء الحفر . السماح للطبع الركيزة جافة تماما، بين عشية وضحاها.
4. داخل غطاء الكيميائية، الاحماء (40 درجة مئوية) كوب مع 50 مل من النحاس منمش. تراجع صفح المطبوعة في الكأس، ويهز برفق في المحلول لمدة 10 دقيقة. الوقت الحفر يعتمد على حل النحاس منمش. كل بضع دقائق، والتحقق من التآكل ومعرفة ما إذا كان هذا النمط غير سليمة.
5. تغسل بعناية صفح مع المياه، وإزالة الطلاء مع الأسيتون والإيثانول في غطاء الكيميائية. يغسل مرة أخرى، وتجف بلطف صفح مع منشفة ورقية.
6. إرفاق بعناية صفح مع الأقطاب إلى غلاالشريحة ق ق (75 × 25 مم، ~ 1 مم)، وذلك باستخدام الشريط مزدوجة من جانب. تجنب جيوب هوائية.
7. إرفاق فيلم perfluoroalkoxy PFA لالأقطاب باستخدام الشريط. هذا يساعد على منع الاتصال العرضي من الأقطاب مع الحبرية، الامر الذي يسيء الى أعلى الأقطاب بسبب ماس كهربائى.

4. واجهة الإلكترونية (الدوائر في الشكل 2)

1. جندى التبديلات والمكثفات C إلى لوحة الدوائر العالمي.
2. تجميع ما تبقى من 10 السائقين التتابع على اللوح لحام للدوائر الإلكترونية.
3. سلك مدخلات كل سائق التتابع لقناة في لوحة التحكم.
4. المفاجئة بعناية قصوى الأقطاب في الموصل (الشكل 3). سلك انتاج كل سائق التتابع في القطب العلوي، كما هو مبين في الشكل. نلاحظ أن هناك اتصال موصل على الارض بين زوج من الأسلاك من التبديلات، للحد من الضوضاء الكهربائية.
   ملاحظة: الرابط يجلس على منصة قابلة للتعديل للسيطرة رانه المسافة (0،1-0،5 مم) بين أعلى وأسفل (السخام المطلي) الركيزة.
5. استخدام برنامج للسيطرة على توقيت الجهد العالي (HV) تطبيق (حوالي 0.8 ثانية) إلى 4 أقطاب كهربائية في نفس الوقت، وتحويل 1 القطب في اتجاه الحركة (أي 0.8 ثانية، وتحفيز 1234، ثم 2345، 3456، الخ .، 0.8 ثانية لكل مجموعة، ثم إلى الوراء، والتحركات قطرة حتى في الاتجاه المعاكس أيضا).

5. التصور قطرة والمناولة

1. لتسجيل قطرة الحركة، واستخدام نظام التصور، الذي يتكون من 24X - 96X التكبير التجمع جنبا إلى جنب مع كاميرا CCD. قم بتوصيل مسجل الفيديو إلى الكاميرا باستخدام S-فيديو.
2. ماصة قطرات 4 ميكرولتر تحتوي على C. ايليجانس في وسائل الإعلام على الجزء السفلي من الركيزة المغلفة السخام.
3. جلب الأقطاب أعلى إلى ~ 0.3 مم فوق الحبرية. يجب أن يكون قطرة مقربة من الوسط أسفل القطب الخامس، لتسهيل عملية.
4. بدوره على واجهة الكترونية والجهد العالي (500 V _RMS)، وضبط المسافة القطب العلوي إلى قطرة حتى يبدأ التحرك. لا تدع كبار أقطاب تلمس قطرة.
5. جمع البيانات من خلال تسجيل عدد التحويلات قطرة ناجحة على الجهاز في الاستجابة لنبضات كهربائية. وتتميز تجربة ناجحة من قبل ما لا يقل عن 700 تحويلات قطرة، أي نقل واحدة بعد كل نبضة كهربائية.
6. جمع البيانات بشكل مستمر، حتى قطرات لا يتحرك بعد الآن ردا من 5 إلى 10 البقول.
   ملاحظة: عندما يبدأ السطح لتتحلل، يمكن استعادة الحركة من خلال جلب كبار أقطاب أقرب إلى قطرات.

النتائج

سابقا، وقد استخدمنا الأجهزة الميدانية DW للسماح للحركة من البروتينات في DMF. على وجه الخصوص، قطرات مع ألبومين المصل البقري (BSA) يمكن نقل بتركيز أعلى 2000 مرة من المبلغ عنها سابقا من قبل مؤلفين آخرين (بدون إضافات). ويعزى ذلك إلى انخفاض التفاعل بين قطرة والسطحية، ويبين ا?...

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?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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
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