微流控的Picoinjection滴无金属电极

摘要

我们已经开发了用于picoinjecting微滴，不需要金属电极的技术。因此，结合我们的技术设备是简单的制造和使用。

摘要

对于picoinjecting试剂进入微滴现有方法需要集成到微流控芯片的金属电极。这些电极的集成增加了麻烦和容易出错的步骤，该装置的制造过程。我们已经开发了消除picoinjection在金属电极的需求的技术。相反，它使用的注射液本身作为一个电极，因为大多数生物试剂含有溶解的电解质和具有导电性。通过消除在电极上，我们减少器件的制造时间和复杂性，并且使设备更加坚固。此外，用我们的方法中，注射量取决于施加到picoinjection溶液中的电压;这使我们能够迅速调整通过调整施加电压的注入量。我们证明，我们的方法是用掺入普通的生物化合物，包括缓冲液，酶和核酸的试剂相容。

引言

在液滴的基于微流体，微米级的水滴被用作“试管”用于生物反应。在执行中的微小液滴反应的优点是，每一滴用试剂只有几个PL，并与微流体液滴可形成并在千赫速率¹处理。结合这些特性使数以百万计的反应与个体细胞，核酸分子，或将在最小的事，总材料微升进行化合物。

使用滴像这些应用，需要技术加试剂的体积控制到滴;这样的操作是类似的移液到试管。一种用于实现这一点是electrocoalescence，其中一滴试剂是通过施加电场合并与靶下降。的电场扰乱了表面活性剂分子的结构上的液滴的界面，INDucing薄膜的不稳定性和乳液触发聚结是稳定的，否则^2。电诱导融合也利用在picoinjector，即注入的试剂成液滴，因为它们流过的加压通道³的设备的设计。以应用电场，picoinjector装置利用金属电极，但金属电极集成到微流控芯片通常是一个复杂且容易出错的过程，作为液体焊料导线由气泡或灰尘等杂物的通道容易受到损害，以及从应力性骨折或设备安装过程中弯曲。

这里，我们提出以执行picoinjection无需使用金属电极，使得制造更简单和更可靠的方法。触发picoinjection，我们改用注射液本身作为一个电极，因为大多数生物试剂含有溶解的电解质和具有导电性。我们还添加了一个“法拉第莫阿t“的屏蔽装置，并作为一个通用地面（ 图1）的敏感区域的电壕沟通过提供一接地，以防止意外的液滴合并隔离picoinjection站点的液滴上游。我们的技术的一个好处是，在量注入滴依赖于所施加的电压的大小，允许它通过调整施加的信号进行调整。

我们采用软光刻技术制造^4,5我们在聚二甲基硅氧烷设备（PDMS）。我们的方法是与制作在其它材料的设备兼容，如树脂，塑料，以及环氧树脂。该通道具有高度和宽度为30微米，这是最适合于与液滴50微米的直径（65 PL）工作。我们通过插入在设备制造与0.50毫米活检穿孔，类似的方法创建单位描述端口聚乙烯管（0.3/1.09毫米内/外径）引入试剂离子束增强沉积以前^5。注入流体的精确化妆取决于具体的应用。唯一的流体需要含有溶解的电解质的浓度高到足以产生足够的导电性为要被发送到的picoinjector的电信号。在台架测试中，我们已经发现，离子浓度大于10mM的应该足够^6，尽管这个值和流体的电导率取决于特定器件的尺寸和所施加的电压的幅值。

研究方案

1，设计器件尺寸和拓扑根据实验需要使用计算机辅助设计（CAD）软件

注意：选择乳液通道的直径比球形液滴的直径。这迫使液滴成圆柱形或“腊肠”形，并能更有效地picoinjection。我们的目的，我们设计了30×30微米的渠道为分别为50微米直径的液滴。

1. 模型picoinjection工地后那些由硫磷等 ³与该异常的通道，该金属电极被除去，因为它们是不必要的说明。
2. 加信道，作为法拉第壕沟（ 图1），该picoinjection网站，并在上游乳剂，使得它们从屏蔽电场的液滴之间运行。
   注：这可以防止意外的合并。

2，使用软Photolith制造设备海洋学技术

1. 生成基于使用现有的商业服务CAD文件透明光刻掩模。
2. 从光罩，光阻固化在硅片上产生一个主设备，如前面⁴所述。
3. PDMS浇在包含在5cm的聚苯乙烯培养皿设备主用固化剂（11:1比例）混合。
4. 将主带在真空干燥器中PDMS为大约15分钟，以除去任何气泡。
5. 通过将其放置在95℃的烘箱中1小时，固化的PDMS装置。可替换地，PDMS将24小时后固化在RT。
6. 通过削减在周边用手术刀片，小心剥离从主设备中删除该设备。
7. 冲入口，并使用0.5mm的活检穿孔器出口孔进入PDMS。
8. 使用等离子焊接机⁴粘合设备到玻璃显微镜幻灯片。

3，准备一个气压控制泵加压到一个水库容纳流体

1. 通过2.7毫米的内直径的聚乙烯管的长度改变泵的输出，使得所述加压空气出口。
2. 构造它，使得由管子上的路厄氏锁的后部嵌合的管腔通过乳头终止于路厄锁注射器尖端。
3. 通过填充鲁尔锁的线程并用环氧树脂管之间的空间密封。
4. 附上27.5号针头。

4，准备一个单分散乳液的水（水包油）悬浮于惰性氟基础油与2％（重量/重量）液滴溶解生物相容性表面活性⁷

包含在这些液滴中的特定试剂取决于应用

1. 在准备回注，加载乳液为1 ml注射器用27.5号针头。
2. 安全注射器在注射器泵和定向的泵的垂直（针向上）。
   注：这种定位使得水滴在一层载体油上面收拾。当泵启动时，液滴将根据他们的油层被压出注射器在高体积分数。

5，准备试剂介绍微流控芯片

1. 冲30.5毫米孔入15ml离心管（带旋盖任何容器就足够了），用活检穿孔器，针或钻的上限。
2. 插入一个0.5mm直径的线电极和PE-2管道的约20厘米长通过两个孔，使得它们到达管底。
3. 在剩余的孔中，一个线程〜2.5厘米PE管材的约20厘米长的，使得其将休息高于液体高度。
4. 密封件用UV固化的环氧树脂的盖的顶部没有任何间隙。
5. 填充管与picoinjection流体和螺钉上的盖子。
6. 从空气压力控制泵的输出连接管通过插入较短的长度，以ing的针刺入管腔。针应紧贴。
7. 填写1毫升注射器1 M氯化钠作为法拉第护城河。
8. 连接一个27.5号针头并固定在注射器注射泵。
9. 填写另有1毫升注射器与运营商/油隔，连接27.5号针头，并且将其固定在注射泵。

6，准备了微流控装置Picoinjection

1. 从注射流体容器连接输出管（长径）向所述微流体芯片上的picoinjection流体的入口。
2. 连接含有1M NaCl的用于法拉第壕沟的入口端口的微流控芯片用PE管的长度上的注射器。
3. 连接包含载体油的微流控芯片用PE管的长度的进气口的注射器。
4. 将PE管材到微流体芯片上的乳状液出口。油管应终止在乳液收集容器，也不马利1.5 ml的离心管中。
5. 将PE管材成法拉第护城河出口的微流控芯片上。管道应终止在一个不导电的，电隔离的容器，以防止短路。
6. 高电压（HV）放大器通过鳄鱼夹的输出连接到淹没在picoinjection流体金属电极。
7. 经由鳄鱼夹连接高压放大器的接地电极，以含1M NaCl的注射器针头的金属。

7，输液试剂为微流控芯片

1. 介绍了1M NaCl的（法拉第壕沟）到设备在100的速率 微升/小时。
2. 介绍在适合于该设备的尺寸率液滴乳剂和载体油。对于我们的演示设备，介绍200分别滴石油和400微升/小时。流速应该让液滴通过picoinjector在分离定期通过载体油的差距。
3. 调整施加到picoinjection流体使得在picoinjection孔中的流体压力与所述液滴通道机械平衡的压力。
   注意：在这个压力（拉普拉斯压力），注射液应隆起成液滴通道，而萌芽了，并形成了自己滴（ 图2）。在上述这些流速下，可以应用的〜13 psi的压力来喷射流体，以达到平衡，在注射部位。

8。 开始Picoinjection

1. 作为液滴通过喷射孔，应用一个0-10伏，10千赫，交流信号放大1000×由HV型放大器（ 图3）。
2. 通过改变施加的电压的振幅调制的注射体积。
   注意：较高的电压应该允许更多的流体被引入到液滴。在我们的测试中，我们观察到稳定持续注入，在电压是之间100和3,000 V采用氯化钠注射液，范围从10-500毫米（ 图4）。

结果

采取在picoinjection现场表演显微图像，该picoinjection流体的电气化是足以触发注射（ 图2）。注入量可以通过调节所施加的电压的振幅，具有更高的电压允许更高的喷射量进行控制。我们绘制了喷射量与所施加电压的注射液中（ 图3）3代表摩尔浓度的大小。为了演示速度我们的方法中，我们有选择地注入通过注射部位取决于存在或荧光染料（ 电影1）的缺勤液滴?...

讨论

注射量和施加的电压之间的关系依赖于许多因素，包括设备的尺寸，管携带picoinjection流体的设备，摩尔浓度picoinjection流体的长度，并且液滴的速度，因为它们通过它们喷射器。出于这个原因，我们建议量/电压的关系，通过测量的进样量在电压和摩尔浓度的工作范围的边缘被定性picoinjection的每次运行前。此外，在更高的电压和注射液的摩尔浓度，我们观察到的现象，其中picoinjection流体不再是在?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
1 ml Luer-Lok™ syringes	BD Medical	309628
LocTite UV-cured adhesive	Henkel	35241
PE-2 tubing	Scientific Commodities	BB31695-PE/2
Novec HFE-7500	3M	98-0212-2928-5
NaCl	Sigma Aldrich	S9888
1.5 ml centrifuge tubes	Eppendorf	22363531
BD Falcon 15 ml tube	BD Biosciences	352097
Air pressure control pump	Control Air Inc.		We recommend one under the control of DAQ and control software
Syringe pumps	New Era		Must be capable of holding 1 ml syringes and flowing at rates as low as 100 μl/hr
HV-amplfier			Must be capable of 1,000x amplification of signals between 0.01 and 10 V
Plasma bonder/cleaner	Harrick Plasma
3” silicon wafers	Sigma Aldrich	647535
PDMS	Dow Corning		Sylgard 184 with curing agent should be included
SU-8 photoresist	MicroChem		Viscocity depends on device dimensions