以减少液滴表面的相互作用来优化Bioanalytes运输中的数字微流体

摘要

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.

摘要

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.

引言

该液体的工作装置的小型化是非常重要的用于"芯片实验室"的平台的开发。在这个方向上，在过去二十年已经见证了在微流体领域的显著进展，具有各种应用^。1-5用流体在封闭的通道（通道微流）的传输对比，DMF操纵上的电极阵列的微滴。其中，最有吸引力的这种技术的优点是没有可动部件运送流体，并且运动是通过关闭电信号即刻停止。

然而，雾滴的运动依赖于液滴内容，当然对于通用的"芯片实验室"的平台不希望的特性。含有蛋白质和其它分析物的微滴粘到设备的表面，成为不可移动。可以说，这一直是主要的限制为拓宽DMF的应用范围; ^6-8替代方案，以尽量减少不希望的表面结垢涉及添加额外的化学物质，以液滴或它的周围，这有可能影响液滴的内容。

先前，我们小组开发出一种装置，以允许细胞和蛋白质在DMF中的传输，而无需额外的添加剂（现场DW的设备^）。9这是通过基于蜡烛烟灰^，10与设备的几何形状有利于液滴滚动表面相结合来实现并导致在熔滴上的向上的力，从而进一步降低液滴的表面相互作用。在这种方法中，液滴运动并不与表面润湿相关联^。11

下面描述的详细方法的目标是产生一个微流体装置能够输送含有蛋白质，细胞和整个生物体的液滴，而无需额外的添加剂。在现场-DW设备铺平了道路液滴工作的化学家很大程度上独立完全控制平台RY。

在这里，我们还存在模拟表明，尽管所需的设备的操作的高电压，在整个液滴上的电压降是所施加的电压的一小部分，这表明在液滴内部bioanalytes的影响可以忽略。事实上，与秀丽隐杆线虫 （ 线虫 ），用于各种生物学研究线虫的初步试验，表明蠕虫游泳原状作为施加电压。

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研究方案

注:在下面描述的步骤，实验室安全准则必须始终遵循。特别重要的是，当与高电压（> 500 V）和处理化学品处理的安全性。

1，涂料的导电性基板与蜡烛的烟灰

1. 切割金属铜为矩形（75×43毫米，厚0.5毫米）。清洁浸没在铜蚀刻剂的铜基板为大约30秒，洗净用自来水进行约20秒，干燥的纸。
   注意:如果使用方法1以下，更改尺寸为75×25毫米到适合的机器。
2. 扫铜衬底下的点燃石蜡蜡烛为30-45秒，以获得近似均匀的烟灰涂层（约40μm厚）。保持基板在约1cm焰内。请勿触摸脆弱的烟灰表面。

2.保护与涂层的烟灰层

注:烟灰层非常脆弱的，必须涂上保护层。两个简单的替代品（方法1和2所示）被认为在这里，但更可靠的协议，目前正在开发中。

1. 方法1
   1. 加载样品放入金属蒸发或溅射系统。以下所述系统的操作过程，排空腔室，并且开始金受控沉积在烟灰层（150-200纳米）。让该装置冷却到室温。
   2. 浸涂金属化基片在一个1-十二硫醇溶液（1％体积/体积，在95％乙醇中，ACS / USP级），用于化学罩内10分钟。然后，拿着该设备以一定的角度接近60°，轻轻地用只有几个乙醇滴洗表面。让设备干燥过夜。
2. 方法2
   1. 在化学罩，涂敷煤烟基板后立即和同时衬底仍从蜡烛火焰温，沉积氟化液体的一些液滴上的一侧基板上，并倾斜衬底的角度接近90°。存放更多的水滴，让他们滚在整个油烟面。
      注:当水滴落在一个点，烟灰会被冲离该区域。让的氟化液体扩散的液滴尽可能。
   2. 烘烤的热板上（160℃，15分钟）的化学罩内的衬底。
   3. 让基板放置过夜，在室温下在使用前。保存下去。

3.上电极的制作（从Abdelgawad 等人改编^。12）

1. 通过绘制图形设计软件的电极。每个电极为2毫米长，0.3毫米宽，与电极之间的间隙为0.3mm。触头（卡入连接器中，见下文）之间的间隙为2.3毫米（ 图1）。
2. 修剪灵活的铜层压板（35微米厚）为国君格式（3.87×7.5cm的英寸）。使用其他尺寸的我f相的打印机兼容。加载层压到一台彩色打印机的手动进纸托盘。
3. 请务必使用"富黑"，或"登记黑"，在铜表打印时（见Abdelgawad 等 ¹²查看详情），让黑色墨水的一层致密的铜基材上，蚀刻过程中保护印刷图案。让印刷基板完全干燥，过夜。
4. 内部的化学罩，预热（40℃），用50ml的铜蚀刻液的烧杯中。浸在烧杯中的印刷层压板，并轻轻摇动它在溶液中约10分钟。刻蚀时间取决于铜蚀刻剂溶液中。每隔几分钟，检查腐蚀，看看图案是否完好。
5. 小心地用水冲洗所述层压体，并用丙酮和乙醇中的化学引擎盖除去包衣。再次洗净，并轻轻擦干用纸巾层压板。
6. 小心地连接层压用电极为GLASS滑动件（75×25毫米，约1毫米厚），用双面胶带。避免气穴。
7. 附上氟烷的PFA薄膜，以使用磁带的电极。这用于防止电极与液滴的意外接触，从而损害顶电极由于短路。

4.电子接口（电路如图2）

1. 焊接继电器和电容器C为通用电路板。
2. 装配了10继电器驱动器的其余部分在一个无焊面包板的电子电路。
3. 线各继电器驱动器的输入，以在所述控制板上的频道。
4. 小心管理单元的顶部电极到一个连接器（ 图3）。线的每个中继驱动器的输出到一个顶部电极，如该图所示。注意，有一对导线由继电器之间的接地连接器的接触，以最小化电噪声。
   注:该连接器位于一个可调节的平台来控制T ON他的顶部和底部（碳黑涂覆）衬底之间的距离（0.1-0.5毫米）。
5. 使用程序来控制高电压（HV）的应用程序（约0.8秒），以4个电极在同一时间定时，移位1电极在运动（ 即方向，为0.8秒时，致动1234，然后2345，3456 等。，0.8秒的每个组，然后向后，使液滴移动在相反的方向上也同样）。

5.滴可视化和处理

1. 以记录液滴的运动，可以使用可视化系统，它是由一个24X的 - 96X放大率组件结合了CCD照相机。视频记录器连接到使用S视频相机。
2. 吸管含C的 4微升滴线虫中的烟灰的基板的底部的介质。
3. 使顶端电极，以-0.3毫米的液滴之上。液滴应当接近中间，只是在第五电极的下方，以便于操作。
4. 把电子接口和高电压（500伏_RMS）上，并调整顶部电极距离的液滴，直到它开始移动。不要让顶部电极接触到液滴。
5. 通过记录响应于电脉冲在设备上成功液滴转移的次数采集数据。一个成功的实验的特征在于，至少700微滴转移， 也就是说 ，每一个电脉冲后一个传送。
6. 连续地收集数据，直到微滴不响应再移动到5至10个脉冲。
   注意:当表面开始退化，运动可以通过使顶电极更接近液滴被恢复。

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结果

以前，我们已经使用现场DW的设备，以允许蛋白质在DMF中的运动。特别是，用牛血清白蛋白（BSA）的液滴可以在一个浓度2000倍高于先前报道的其他作者（无添加剂）移动。这是由于在液滴和表面之间的相互作用减小; 图4显示了含有荧光标记的牛血清白蛋白的液滴（见弗莱雷等 ⁹为在实验的详细信息）。在左侧的第一图为液滴坐在烟灰涂覆的表面;中间的一个，电场...

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讨论

该协议中最关键的步骤是保护的烟灰层的，可直接与在移动液滴的成功相关联。金属化的烟灰层（上述的方法1）允许接近制造成功的100％。然而，最大的操作时间约为10分钟;可能的话，微滴级分通过在所述金属层的孔润湿烟灰。涂烟灰层的氟化液是最简单和最快的替代，需要最少的资源，但只有40％-50％的基板制作工作（20分最高）的 - 和涂层不均匀。实际上，该烟灰层是非常脆弱的，而且在粘?...

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材料

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