Diese Arbeit wurde von der Abteilung für Bioengineering und Therapiewissenschaften an der UCSF, dem California Institute for Quantitative Biosciences (QB3) unterstützt wird, und das Bridging the Gap Award von der Rogers-Familienstiftung.

1. Aufbau Geräte Maße und Topologien Basierend auf experimentellen Anforderungen Computer Aided Design (CAD) Software Hinweis: Wählen Emulsion Kanaldurchmesser kleiner als die der kugelförmigen Tropfen. Dies zwingt die Tröpfchen in eine zylindrische oder &quot;Wurst&quot;-Form und eine effektivere picoinjection. Für unsere Zwecke, haben wir 30 x 30 um Kanäle für Tröpfchen, 50 um im Durchmesser waren. <ol><li> Modell picoinjection Stelle (n), nachdem die von Abate et al. 3 mit der Ausnahme, daß die Kanäle für den Metallelektroden entfernt werden, da sie unnötig sind beschrieben. </li><li> Kanäle hinzufügen, die als Faraday Moat (Abbildung 1), die zwischen picoinjection Website (s) und der stromaufwärts gelegenen Emulsion, so dass sie die Tropfen aus dem elektrischen Feld abschirmen laufen zu dienen. Hinweis: Dieser verhindert ein unbeabsichtigtes Zusammenführung. </li></ol> 2. Fabrizieren Geräte mit Soft-Photolithographieographic Techniken <ol><li> Generieren Sie eine Transparenz Photolithographiemaske auf der Basis der CAD-Datei mit bestehenden kommerziellen Dienstleistungen. </li><li> Mit der Photomaske, heilen Photolack auf Silizium-Wafern, ein Gerät Master zu erzeugen, wie zuvor 4 beschrieben. </li><li> Gießen PDMS gemischt mit Härter (11.01-Verhältnis) über das Gerät Master in einem 5 cm Petrischale aus Polystyrol enthalten. </li><li> Setzen Sie den Master mit PDMS im Vakuumtrockenschrank für etwa 15 Minuten, um Luftblasen zu entfernen. </li><li> Cure die PDMS-Gerät, indem Sie es in einer 95 ° C-Ofen für 1 Stunde. Alternativ werden die PDMS bei RT nach 24 Stunden aushärten. </li><li> Entfernen Sie das Gerät, indem um den Umfang mit einem chirurgischen Messer und sorgfältig schälen Sie das Gerät vom Master. </li><li> Punch-und Austrittslöcher in die PDMS mit einem 0,5 mm-Biopsie Punch. </li><li> Bond das Gerät auf einen Glasobjektträger mit Hilfe eines Plasma-Bonder-4. </li></ol> 3. Bereiten Sie ein LuftdruckSteuerpumpe, ein Reservoir, das die Flüssigkeit unter Druck setzen <ol><li> Ändern der Pumpleistung, so dass die Druckluft tritt über eine Länge von 2,7 mm Innendurchmesser Polyethylenschlauch. </li><li> Konstruieren, so dass der Schlauch endet an einem Luer-Lock-Spritzenspitze durch Einsetzen in das Lumen über den Nippel auf der Rückseite des Luer-Lock. </li><li> Abzudichten, indem der Raum zwischen den Luer-Lock-Gewinde und die Rohrleitung mit Epoxidharz. </li><li> Bringen Sie ein 27,5 G-Nadel. </li></ol> 4. Bereiten Sie eine monodisperse Emulsion von wässrigen (Wasser-in-Öl) Tröpfchen in einem inerten Fluorträgeröl mit 2% (w / w) Abgehängte Gelöste Biokompatible Surfactant 7 Die spezifischen Reagenzien in diesen Tröpfchen enthalten sind abhängig von der Anwendung <ol><li> In der Vorbereitung für die Wiedereinleitung, laden Sie die Emulsion in einer 1 ml-Spritze mit einer 27,5 G-Nadel. </li><li> Befestigen Sie die Spritze in einer Spritzenpumpe und richten Sie die Pumpe vertikal (Nadel nach oben). Anmerkung: Diese Orientierung führt die Tröpfchen in einer Schicht über dem Trägeröl zu packen. Wenn die Pumpe gestartet wird, die Tröpfchen aus der Spritze bei hohen Volumenanteil von der Ölschicht unter ihnen gedrückt werden. </li></ol> 5. Bereiten Reagenzien für die Einführung in die Mikrofluidik-Chip <ol><li> Lochen Sie drei 0,5-mm-Löcher in die Kappe einer 15 ml-Zentrifugenröhrchen (alle Behälter mit einem Schraubdeckel genügt) mit einer Biopsie-Punch-, Nadel-oder Bohrmaschine. </li><li> Legen Sie eine 0,5 mm Drahtelektrode und eine ~ 20 cm langen PE-Schlauch 2 durch zwei der Löcher, so daß sie den Boden des Rohrs zu erreichen. </li><li> In der verbleibende Loch, Gewinde Ø 2,5 cm von einer ~ 20 cm Länge der PE-Schlauch, so dass es oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegen. </li><li> Verschließen Sie alle Lücken auf der Oberseite der Kappe mit UV-gehärteten Epoxid. </li><li> Das Rohr wird mit der Flüssigkeit und picoinjection Schraube auf der Kappe. </li><li> Den Ausgang von dem Luftdruck-Regelpumpe zu dem kürzeren Schlauch durch Einsatzten der Nadel in das Lumen. Die Nadel sollte eng anliegen. </li><li> Füllen Sie eine 1-ml-Spritze mit 1 M NaCl als Faraday Moat zu dienen. </li><li> Schließen Sie ein 27,5 G-Nadel und sichern Sie die Spritze in einer Spritzenpumpe. </li><li> Füllen Sie ein weiteres 1-ml-Spritze mit Träger / Spacer Öl, schließen Sie ein 27,5 G-Nadel, und sichern Sie sie in eine Spritzenpumpe. </li></ol> 6. Bereiten Sie die Mikrofluidik-Vorrichtung zur Picoinjection <ol><li> Verbinden der Ausgangsleitungen (Länge länger) von der Injektionsmittelbehälter mit der Einlaßöffnung des picoinjection Flüssigkeit auf der Mikrofluid-Chip. </li><li> Die Spritze, die das 1 M NaCl zu der Einlassöffnung für den Faraday Graben auf dem mikrofluidischen Chip mit einer Länge von PE-Schlauch. </li><li> Die Spritze, die das Trägeröl zu dem Einlassanschluss des mikrofluidischen Chips mit einer Länge von PE-Schlauch. </li><li> Legen PE-Schlauch in die Emulsion Austrittsöffnung auf dem Mikrofluidik-Chip. Der Schlauch sollte in einer Emulsion Sammelgefäß zu beenden, nochnormalerweise ein 1,5-ml-Zentrifugenröhrchen. </li><li> Legen PE-Schlauch in die Auslassöffnung für den Faraday Graben auf dem mikrofluidischen Chip. Der Schlauch sollte in einer nicht-leitenden und elektrisch isolierten Behälter, um einen Kurzschluss zu verhindern beenden. </li><li> Den Ausgang der Hochspannungs-(HV)-Verstärker über Krokodilklemme mit der Metallelektrode in die Flüssigkeit eingetaucht picoinjection. </li><li> Verbinden der Masseelektrode der Hochspannungsverstärker über Krokodilklemme mit dem Metall der Spritzennadel, die das 1 M NaCl. </li></ol> 7. Infuse Reagenzien in Mikrofluidik-Chip <ol><li> Führen Sie die 1 M NaCl (Faraday Moat) an das Gerät mit einer Geschwindigkeit von 100 ul / hr. </li><li> Führen Sie die Tröpfchen Emulsion und Trägeröl bei Raten für den Geräteabmessungen. Für unsere Demo-Gerät, führen wir die Tropfen und Öl bei 200 und 400 ul / h auf. Die Flussraten ermöglichen sollten die Tröpfchen, die in regelmäßigen Abständen picoinjector getrennt gebendurch einen Spalt von Trägeröl. </li><li> Den Druck auf die Flüssigkeit picoinjection so dass der Fluiddruck an der Öffnung picoinjection in mechanischem Gleichgewicht mit der Tröpfchen Kanal angewendet. Hinweis: Bei diesem Druck (der Laplace-Druck), ist die Injektion von Fluid in den Kanal ohne Tröpfchen Knospung aus und bildet einen eigenen Tropfen (Abbildung 2) zu wölben. Bei diesen oben beschriebenen Strömungsgeschwindigkeiten, einen Druck von ca. 13 psi wenden wir auf die Injektionsflüssigkeit bis zum Gleichgewicht an der Injektionsstelle zu erreichen. </li></ol> 8. Beginnen Picoinjection <ol><li> Wie Tröpfchen passieren die Einspritzöffnung, gelten ein 0-10 V, 10 kHz, AC-Signal verstärkt 1.000 x von der HV-Verstärker (Abbildung 3). </li><li> Modulation der Einspritzmenge durch Änderung der Amplitude der angelegten Spannung. Hinweis: Höhere Spannungen sollten mehr auf die Tröpfchen Flüssigkeit eingebracht werden können. Bei unseren Tests beobachten wir stabile und konsistente Injektion bei Spannungen seinzwischen 100 und 3.000 V mit Injektionslösungen von NaCl im Bereich von 10 bis 500 mm (Abbildung 4). </li></ol>

<ol>
	<li>Kritikou, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=It's+cheaper+in+the+Picolab.">It's cheaper in the Picolab.</a> Nat. Rev. Genet. 6 (9), (2005).</li><li>Ahn, K., Agresti, J., Chong, H., Marquez, M., Weitz, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrocoalescence+of+drops+synchronized+by+size-dependent+flow+in+microfluidic+channels.">Electrocoalescence of drops synchronized by size-dependent flow in microfluidic channels.</a> Appl. Phys. Lett. 88 (26), (2006).</li><li>Abate, A. R., Hung, T., Mary, P., Agresti, J. J., Weitz, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-throughput+injection+with+microfluidics+using+picoinjectors.">High-throughput injection with microfluidics using picoinjectors.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 107, 19163-19166 (2010).</li><li>Harris, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+a+microfluidic+device+for+the+compartmentalization+of+neuron+soma+and+axons.">Fabrication of a microfluidic device for the compartmentalization of neuron soma and axons.</a> J. Vis. Exp. (7), (2007).</li><li>Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+prototyping+of+microfluidic+systems+in+poly(dimethylsiloxane).">Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane).</a> Anal. Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).</li><li>O'Donovan, B., Eastburn, D. J., Abate, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrode-free+picoinjection+of+microfluidic+drops.">Electrode-free picoinjection of microfluidic drops.</a> Lab on a Chip. 12 (20), 4029-4032 (2012).</li><li>Holtze, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biocompatible+surfactants+for+water-in-fluorocarbon+emulsions.">Biocompatible surfactants for water-in-fluorocarbon emulsions.</a> Lab on a Chip. 8 (10), 1632-1639 (2008).</li><li>Chung, C., Lee, M., Char, K., Ahn, K., Lee, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+dynamics+passing+through+obstructions+in+confined+microchannel+flow.">Droplet dynamics passing through obstructions in confined microchannel flow.</a> Microfluid. Nanofluid. 9, 1151-1163 (2010).</li><li>Herminghaus, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamical+instability+of+thin+liquid+films+between+conducting+media.">Dynamical instability of thin liquid films between conducting media.</a> Phys. Rev. Lett. 83 (12), 2359-2361 (1999).</li><li>Priest, C., Herminghaus, S., Seemann, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+electrocoalescence+in+microfluidics:+Targeting+a+single+lamella.">Controlled electrocoalescence in microfluidics: Targeting a single lamella.</a> Appl. Phys. Lett. 89 (13), 134101-134103 (2006).</li><li>Florent, M., Siva, A. V., Hao, G., Dirk, E., Frieder, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrowetting-controlled+droplet+generation+in+a+microfluidic+flow-focusing+device.">Electrowetting-controlled droplet generation in a microfluidic flow-focusing device.</a> J. Phys: Condens. Matter. 19 (46), (2007).</li><li>Eastburn, D. J., Sciambi, A., Abate, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Picoinjection+enables+digital+detection+of+RNA+with+droplet+rt-PCR.">Picoinjection enables digital detection of RNA with droplet rt-PCR.</a> PLoS ONE. 8 (4), (2013).</li></ol>

Wir nicht vollständig verstehen genaue physikalische Mechanismus hinter der Beziehung zwischen der angelegten Spannung und Injektionsvolumen in unseren Experimenten beobachtet. Interessen des Labors und relevante Fachgebiete sind nicht für die Fortsetzung dieser anhaltende Frage gut geeignet. Wir ermutigen diejenigen mit mehr Physik und Ingenieurscharfsinn, dieses Phänomen zu erforschen.

Die Beziehung zwischen Einspritzmenge und der angelegten Spannung ist abhängig von vielen Faktoren, einschließlich Geräteabmessungen, die Länge der Rohrleitung trägt die picoinjection Fluid zu der Vorrichtung, Molarität picoinjection Flüssigkeit und die Geschwindigkeit der Tröpfchen, wie sie passieren sie Injektors. Aus diesem Grund empfehlen wir, dass die Volumen / Spannungsbeziehung vor jedem Lauf picoinjection durch Messung Injektionsvolumina an den Rändern der Arbeitsbereiche der Spannung und Molarität cha...

In tröpfchenbasierte Mikrofluidik, Mikrometermaßstab sind Wassertröpfchen als &quot;Reagenzglas&quot; für biologische Reaktionen verwendet. Der Vorteil für die Durchführung von Reaktionen in den winzigen Tröpfchen ist, dass jeder Tropfen verwendet nur wenige pl von Reagenz und mit Mikrofluidik, können die Tropfen geformt und bei 1 Kilohertz Raten verarbeitet werden. Durch Kombination dieser Eigenschaften können Millionen von Reaktionen mit einzelnen Zellen, Nukleinsäuremoleküle oder Verbindungen, die in wenigen Minuten mit ul Gesamtmaterials durchgeführt werden. Tropfen für Anwendungen wie diese verwenden, sind Techniken für das Hinzufügen kontrollierter Mengen von Reagenzien zu den Tropfen erforderlich ist; solche Operationen sind analog den in Teströhrchen pipettiert. Ein Verfahren, um dies zu erreichen ist Elektrokoaleszenz, wobei ein Tropfen des Reagenz mit dem Ziel Tropfen durch Anlegen eines elektrischen Feldes fusioniert. Das elektrische Feld stört die Anordnung der Tensidmoleküle an den Schnittstellen der Tropfen, inducing einen Dünnfilm-Instabilität und Auslösen Koaleszenz in Emulsionen, die sonst stabile 2 sind. Elektrisch induzierten Fusion ist ebenfalls in der Gestaltung des picoinjector, eine Vorrichtung, die Reagenzien in Tropfen spritzt, als sie an einem unter Druck stehenden Strömungskanal 3 ausgenutzt. Um das elektrische Feld gelten, picoinjector Geräte nutzen Metallelektroden, sondern die Integration von Metallelektroden in Mikrofluidik-Chips ist oft ein komplexer und fehleranfälliger Prozess, wie die Flüssig-Lote werden leicht durch Luftblasen oder Staub und andere Ablagerungen im Kanal beeinträchtigt sowie Frakturen von Stress oder während der Geräte-Setup Biegen. Hier stellen wir ein Verfahren zur picoinjection ohne die Verwendung von Metallelektroden führen, wodurch die Herstellung einfacher und robuster. Um picoinjection auslösen, wir verwenden stattdessen die Injektionsflüssigkeit selbst als Elektrode, da die meisten biologischen Reagenzien enthalten gelösten Elektrolyten und leitend sind. Wir haben auch eine &quot;Faraday Moa hinzufügent &quot;, um sensible Bereiche der Vorrichtung und als universelle Boden (1) abzuschirmen. Der Graben elektrisch isoliert die Tröpfchen stromaufwärts des picoinjection Website durch einen Boden und verhindert unbeabsichtigte Tröpfchen Fusion. Ein zusätzlicher Vorteil der Technik ist, dass der Menge in den Tropfen eingespritzten hängt von der Größe der angelegten Spannung, so dass sie durch Einstellen des angelegten Signals eingestellt werden. Wir fertigen unsere Geräte in Poly (dimethylsiloxan) (PDMS) mit weichen Photolithographietechniken 4,5. Unser Ansatz ist mit Geräten in anderen Materialien hergestellt kompatibel, wie Harzen, Kunststoffen und Epoxidharzen. Die Kanäle weisen Höhen und Breiten von 30 um, die optimal für die Arbeit mit Tröpfchen 50 um Durchmesser (65 pl) sind. Wir stellen Reagenzien über Polyethylen-Schlauch (0.3/1.09 mm inneren / äußeren Durchmesser) in den Häfen während der Herstellung der Vorrichtung geschaffen mit 0,50 mm Biopsieausstanzungen, ähnlich descr Methoden eingesetztibed zuvor 5. Der genaue Aufbau der Einspritzfluid ist abhängig von der spezifischen Anwendung. Das Fluid braucht nur gelösten Elektrolyten in Konzentrationen, die hoch genug, um eine ausreichende Leitfähigkeit für das elektrische Signal an die picoinjector übertragen werden erhalten. In Laborversuchen wurde gefunden, dass die Ionenkonzentrationen größer als 10 mm sollte ausreichen 6, wenn dieser Wert und die Fluidleitfähigkeit auf den spezifischen Geräteabmessungen und Größe der angelegten Spannung abhängen.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1000">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:283px;">1 mL Leur-Lok&#8482; syringes</td>
			<td style="width:143px;">BD Medical</td>
			<td align="right" style="width:160px;">309628</td>
			<td style="width:415px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LocTite UV-cured adhesive</td>
			<td style="width:143px;">Henkel</td>
			<td align="right">35241</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:283px;">PE-2 Tubing</td>
			<td style="width:143px;">Scientific Commodities</td>
			<td>BB31695-PE/2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Novec HFE-7500</td>
			<td>3M</td>
			<td style="width:160px;">98-0212-2928-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:283px;">NaCl</td>
			<td style="width:143px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:160px;">S9888</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:283px;">1.5 mL centrifuge tubes</td>
			<td style="width:143px;">Eppendorf</td>
			<td align="right" style="width:160px;">22363531</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:283px;">BD Falcon 15 ml tube</td>
			<td style="width:143px;">BD Biosciences</td>
			<td align="right" style="width:160px;">352097</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:283px;">Air Pressure Control Pump</td>
			<td style="width:143px;">Control Air Inc.</td>
			<td style="width:160px;"></td>
			<td style="width:415px;">We recommend one under the control of DAQ and control software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Syringe Pumps</td>
			<td>New Era</td>
			<td style="width:160px;"></td>
			<td>Must be capable of holding 1ml syringes and flowing at rates as low as 100 uL/hr</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:283px;">HV-Amplfier</td>
			<td style="width:143px;"></td>
			<td style="width:160px;"></td>
			<td>Must be capable of 1000x amplification of signals between 0.01 and 10 V</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Plasma Bonder/Cleaner</td>
			<td style="width:143px;">Harrick Plasma</td>
			<td style="width:160px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">3&#8221; silicon wafers</td>
			<td style="width:143px;">Sigma Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:160px;">647535</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">PDMS</td>
			<td style="width:143px;">Dow Corning</td>
			<td style="width:160px;"></td>
			<td>Sylgard 184 with curing agent should be included</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:283px;">SU-8 Photoresist</td>
			<td style="width:143px;">MicroChem</td>
			<td style="width:160px;"></td>
			<td>Viscocity depends on device dimensions</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

picoinjection of microfluidic drops without metal electrodes

Bestehende Verfahren zur picoinjecting Reagenzien in mikrofluidischen Tropfen erfordern in der mikrofluidischen Chip integrierten Metallelektroden. Die Integration dieser Elektroden fügt umständliche und fehleranfällige Schritte zum Komponenten-Herstellungsverfahren. Wir haben eine Technik entwickelt, die die Anforderungen für die Metallelektroden während picoinjection vermeidet entwickelt. Stattdessen wird die Injektionsflüssigkeit selbst als Elektrode, da die meisten biologischen Reagenzien enthalten gelöste Elektrolyte und leitend sind. Durch die Beseitigung der Elektroden reduzieren wir Gerät Herstellungszeit und Komplexität, und machen die Geräte robuster. Zusätzlich zu unserem Ansatz hängt die Einspritzvolumen auf, das mit dem picoinjection Lösung angelegt wird; dies ermöglicht es, die durch die Modulation der angelegten Spannung injizierte Volumen schnell einzustellen. Wir zeigen, dass unser Verfahren mit Reagenzien wie gemeinsame biologische Verbindungen, einschließlich Puffer, Enzyme und Nukleinsäuren kompatibel.

Mikroskopische Aufnahmen am picoinjection Website zeigen werden, dass die Elektrifizierung der picoinjection Flüssigkeit ist genug, um Injektion (Abbildung 2) auslösen. Das Injektionsvolumen kann durch Modulieren der Amplitude der angelegten Spannung, mit höheren Spannungen ermöglicht eine höhere Einspritzvolumina gesteuert werden. Zeichnen wir das Injektionsvolumen gegenüber dem Betrag der angelegten Spannung für drei repräsentative Molaritäten von Injektionsflüssigkeit in (Fig. 3).</...

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Picoinjection of Microfluidic Drops Without Metal Electrodes

Wir haben eine Technik für picoinjecting Mikrofluidik-Tropfen, die Metallelektroden nicht auskommt. Als solche Vorrichtungen, die unsere Technik sind einfacher herzustellen und zu verwenden.

Picoinjection von Mikrofluidik-Tropfen ohne Metall-Elektroden

Existing methods for picoinjecting reagents into microfluidic drops require metal electrodes integrated into the microfluidic chip. The integration of ...

picoinjection-of-microfluidic-drops-without-metal-electrodes

Research

JoVE Journal

Engineering

11.0K Aufrufe.  Unversity of California, San Francisco.  Wir haben eine Technik für picoinjecting Mikrofluidik-Tropfen, die Metallelektroden nicht auskommt. Als solche Vorrichtungen, die unsere Technik sind einfacher herzustellen und zu verwenden. 

Serie: Picoinjection of Microfluidic Drops Without Metal Electrodes

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Herstellung und Prüfung von Mikrofluidik-Optomechanische Oszillatoren

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Forschung

Ingenieurwesen

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently more difficult than measuring the flow of a transparent fluid, since optical methods are not applicable. Ultrasound can be used to measure the velocity of an opaque fluid, not only at isolated points, but at hundreds or thousands of points arrayed along lines, with good temporal resolution. When applied to a liquid metal electrode, ultrasound velocimetry involves additional challenges: high temperature, chemical activity, and electrical conductivity. Here we describe the experimental apparatus and methods that overcome these challenges and allow the measurement of flow in a liquid metal electrode, as it conducts current, at operating temperature. Temperature is regulated within &#177;2 &#176;C using a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller that powers a custom-built furnace. Chemical activity is managed by choosing vessel materials carefully and enclosing the experimental setup in an argon-filled glovebox. Finally, unintended electrical paths are carefully prevented. An automated system logs control settings and experimental measurements, using hardware trigger signals to synchronize devices. This apparatus and these methods can produce measurements that are impossible with other techniques, and allow optimization and control of electrochemical technologies like liquid metal batteries.

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung in einem Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

Iridium Oxide-reduced Graphene Oxide Nanohybrid Thin Film Modified Screen-printed Electrodes as Disposable Electrochemical Paper Microfluidic pH Sensors

A facile, controllable, inexpensive and green electrochemical synthesis of IrO2-graphene nanohybrid thin films is developed to fabricate an easy-to-use integrated paper microfluidic electrochemical pH sensor for resource-limited settings. Taking advantages from both pH meters and strips, the pH sensing platform is composed of hydrophobic barrier-patterned paper micropad (&#181;PAD) using polydimethylsiloxane (PDMS), screen-printed electrode (SPE) modified with IrO2-graphene films and molded acrylonitrile butadiene styrene (ABS) plastic holder. Repetitive cathodic potential cycling was employed for graphene oxide (GO) reduction which can completely remove electrochemically unstable oxygenated groups and generate a 2D defect-free homogeneous graphene thin film with excellent stability and electronic properties. A uniform and smooth IrO2 film in nanoscale grain size is anodically electrodeposited onto the graphene film, without any observable cracks. The resulting IrO2-RGO electrode showed slightly super-Nernstian responses from pH 2-12 in Britton-Robinson (B-R) buffers with good linearity, small hysteresis, low response time and reproducibility in different buffers, as well as low sensitivities to different interfering ionic species and dissolved oxygen. A simple portable digital pH meter is fabricated, whose signal is measured with a multimeter, using high input-impedance operational amplifier and consumer batteries. The pH values measured with the portable electrochemical paper-microfluidic pH sensors were consistent with those measured using a commercial laboratory pH meter with a glass electrode.

The study demonstrates the growth of iridium oxide-reduced graphene oxide (IrO2-RGO) nanohybrid thin films on irregular and rough screen-printed carbon substrate through a green electrochemical synthesis, and their implementation as a pH sensor with a patterned paper-fluidic platform.

Iridium-Oxid-reduziertem Graphenoxid Nanohybrid- Thin Film Modified Siebdruck Elektroden als Einweg-Elektro Papier Mikrofluidik pH-Sensoren

A facile, controllable, inexpensive and green electrochemical synthesis of IrO2-graphene nanohybrid thin films is developed to fabricate an easy-to-use ...

Knowledge Based Cloud FE Simulation of Sheet Metal Forming Processes

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the efficiency and lowering the development time of such processes, whilst reducing costs involved in trial-and-error prototyping. Recent focus on the substitution of steel components with aluminum alloy alternatives in the automotive and aerospace sectors has increased the need to simulate the forming behavior of such alloys for ever more complex component geometries. However these alloys, and in particular their high strength variants, exhibit limited formability at room temperature, and high temperature manufacturing technologies have been developed to form them. Consequently, advanced constitutive models are required to reflect the associated temperature and strain rate effects. Simulating such behavior is computationally very expensive using conventional FE simulation techniques.
This paper presents a novel Knowledge Based Cloud FE (KBC-FE) simulation technique that combines advanced material and friction models with conventional FE simulations in an efficient manner thus enhancing the capability of commercial simulation software packages. The application of these methods is demonstrated through two example case studies, namely: the prediction of a material's forming limit under hot stamping conditions, and the tool life prediction under multi-cycle loading conditions.

The following paper presents a novel FE simulation technique (KBC-FE), which reduces computational cost by performing simulations on a cloud computing environment, through the application of individual modules. Moreover, it establishes a seamless collaborative network between world leading scientists, enabling the integration of cutting edge knowledge modules into FE simulations.

Wissensbasierte Wolke FE Simulation von Blechumformprozessen

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the ...

In Situ Synthesis of Gold Nanoparticles without Aggregation in the Interlayer Space of Layered Titanate Transparent Films

Combinations of metal oxide semiconductors and gold nanoparticles (AuNPs) have been investigated as new types of materials. The in situ synthesis of AuNPs within the interlayer space of semiconducting layered titania nanosheet (TNS) films was investigated here. Two types of intermediate films (i.e., TNS films containing methyl viologen (TNS/MV2+) and 2-ammoniumethanethiol (TNS/2-AET+)) were prepared. The two intermediate films were soaked in an aqueous tetrachloroauric(III) acid (HAuCl4) solution, whereby considerable amounts of Au(III) species were accommodated within the interlayer spaces of the TNS films. The two types of obtained films were then soaked in an aqueous sodium tetrahydroborate (NaBH4) solution, whereupon the color of the films immediately changed from colorless to purple, suggesting the formation of AuNPs within the TNS interlayer. When only TNS/MV2+ was used as the intermediate film, the color of the film gradually changed from metallic purple to dusty purple within 30 min, suggesting that aggregation of AuNPs had occurred. In contrast, this color change was suppressed by using the TNS/2-AET+ intermediate film, and the AuNPs were stabilized for over 4 months, as evidenced by the characteristic extinction (absorption and scattering) band from the AuNPs.

In Situ Synthesis of Gold Nanoparticles without Aggregation in the Interlayer Space of Layered Titanate Transparent Films

Here, we present a protocol for the in situ synthesis of gold nanoparticles (AuNPs) within the interlayer space of layered titanate films without the aggregation of AuNPs. No spectral change was observed even after 4 months. The synthesized material has expected applications in catalysis, photo-catalysis, and the development of cost-effective plasmonic devices.

In - situ - Synthese von Gold - Nanopartikeln ohne Aggregation zwischen die Schichten von Layered - Titanat OHP - Folien

Combinations of metal oxide semiconductors and gold nanoparticles (AuNPs) have been investigated as new types of materials. The in situ synthesis of AuNPs ...

Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of electrospun titanium dioxide nanofibers (TiO2-NFs) on top of a blocking layer made of commercially available titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs). This is achieved by first electrospinning a solution of titanium (IV) butoxide, polyvinylpyrrolidone (PVP), and glacial acetic acid in ethanol to obtain composite PVP/TiO2 nanofibers. These are then calcined at 500 &#176;C to remove the PVP and to obtain pure anatase-phase titania nanofibers. This material is characterized using scanning electron microscopy (SEM) and powder X-ray diffraction (XRD). The photoanode is prepared by first creating a blocking layer through the deposition of a TiO2-NPs/terpineol slurry on a fluorine-doped tin oxide (FTO) glass slide using doctor blading techniques. A subsequent thermal treatment is performed at 500 &#176;C. Then, the light-scattering layer is formed by depositing a TiO2-NFs/terpineol slurry on the same slide, using the same technique, and calcinating again at 500 &#176;C. The performance of the photoanode is tested by fabricating a dye-sensitized solar cell and measuring its efficiency through J-V curves under a range of incident light densities, from 0.25-1 Sun.

The overall goal of this project was to use electrospinning to fabricate a photoanode with improved performance for dye-sensitized solar cells.

Elektrospinnen von photokatalytischen Elektroden für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of ...

Scalable Solution-processed Fabrication Strategy for High-performance, Flexible, Transparent Electrodes with Embedded Metal Mesh

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a polymer film. This paper also presents a low-cost, vacuum-free fabrication method for this novel TE; the approach combines lithography, electroplating, and imprint transfer (LEIT) processing. The embedded nature of the EMTEs offers many advantages, such as high surface smoothness, which is essential for organic electronic device production; superior mechanical stability during bending; favorable resistance to chemicals and moisture; and strong adhesion with plastic film. LEIT fabrication features an electroplating process for vacuum-free metal deposition and is favorable for industrial mass production. Furthermore, LEIT allows for the fabrication of metal mesh with a high aspect ratio (i.e., thickness to linewidth), significantly enhancing its electrical conductance without adversely losing optical transmittance. We demonstrate several prototypes of flexible EMTEs, with sheet resistances lower than 1 &#937;/sq and transmittances greater than 90%, resulting in very high figures of merit (FoM) &#8211; up to 1.5 x 104 &#8211; which are amongst the best values in the published literature.

This protocol describes a solution-based fabrication strategy for high-performance, flexible, transparent electrodes with fully-embedded, thick metal mesh. Flexible transparent electrodes fabricated by this process demonstrate among the highest reported performances, including ultra-low sheet resistance, high optical transmittance, mechanical stability under bending, strong substrate adhesion, surface smoothness, and environmental stability.

Skalierbare, lösungsverarbeitete Fertigungsstrategie für leistungsstarke, flexible, transparente Elektroden mit eingebettetem Metallgewebe

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a ...

Growth and Electrostatic/chemical Properties of Metal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructures

The quasi 2D electron system (q2DES) that forms at the interface between LaAlO3 (LAO) and SrTiO3 (STO) has attracted much attention from the oxide electronics community. One of its hallmark features is the existence of a critical LAO thickness of 4 unit-cells (uc) for interfacial conductivity to emerge. Although electrostatic mechanisms have been proposed in the past to describe the existence of this critical thickness, the importance of chemical defects has been recently accentuated. Here, we describe the growth of metal/LAO/STO heterostructures in an ultra-high vacuum (UHV) cluster system combining pulsed laser deposition (to grow the LAO), magnetron sputtering (to grow the metal) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). We study step by step the formation and evolution of the q2DES and the chemical interactions that occur between the metal and the LAO/STO. Additionally, magnetotransport experiments elucidate on the transport and electronic properties of the q2DES. This systematic work not only demonstrates a way to study the electrostatic and chemical interplay between the q2DES and its environment, but also unlocks the possibility to couple multifunctional capping layers with the rich physics observed in two-dimensional electron systems, allowing the fabrication of new types of devices.

Growth and Electrostatic/chemical Properties of Metal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructures

We fabricate metal/LaAlO3/SrTiO3 heterostructures using a combination of pulsed laser deposition and in situ magnetron sputtering. Through magnetotransport and in situ X-ray photoelectron spectroscopy experiments, we investigate the interplay between electrostatic and chemical phenomena of the quasi two-dimensional electron gas formed in this system.

Wachstum und elektrostatischen/chemischen Eigenschaften von Metall/LaAlO3/SrTiO3 Heterostrukturen

The quasi 2D electron system (q2DES) that forms at the interface between LaAlO3 (LAO) and SrTiO3 (STO) has attracted much attention from the oxide ...

Fabrication of Superhydrophobic Metal Surfaces for Anti-Icing Applications

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in industry. The wettability of the produced surface was analyzed by bouncing drop experiments and the topography was analyzed by confocal microscopy. In addition, we show various methodologies to measure its durability and anti-icing properties. Superhydrophobic surfaces hold a special texture that must be preserved to keep their water-repellency. To fabricate durable surfaces, we followed two strategies to incorporate a resistant texture. The first strategy is a direct incorporation of roughness to the metal substrate by acid etching. After this surface texturization, the surface energy was decreased by silanization or fluoropolymer deposition. The second strategy is the growth of a ceria layer (after surface texturization) that should enhance the surface hardness and corrosion resistance. The surface energy was decreased with a stearic acid film.
The durability of the superhydrophobic surfaces was examined by a particle impact test, mechanical wear by lateral abrasion, and UV-ozone resistance. The anti-icing properties were explored by studying the ability to repeal subcooled water, freezing delay, and ice adhesion.

We illustrate several methodologies to produce superhydrophobic metal surfaces and to explore their durability and anti-icing properties.

Herstellung von Superhydrophob Metalloberflächen für Anti-Icing-Anwendungen

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in ...

Fused Filament Fabrication (FFF) of Metal-Ceramic Components

Technical ceramics are widely used for industrial and research applications, as well as for consumer goods. Today, the demand for complex geometries with diverse customization options and favorable production methods is increasing continuously. With fused filament fabrication (FFF), it is possible to produce large and complex components quickly with high material efficiency. In FFF, a continuous thermoplastic filament is melted in a heated nozzle and deposited below. The computer-controlled print head is moved in order to build up the desired shape layer by layer. Investigations regarding printing of metals or ceramics are increasing more and more in research and industry. This study focuses on additive manufacturing (AM) with a multi-material approach to combine a metal (stainless steel) with a technical ceramic (zirconia: ZrO2). Combining these materials offers a broad variety of applications due to their different electrical and mechanical properties. The paper shows the main issues in preparation of the material and feedstock, device development, and printing of these composites.

Fused Filament Fabrication FFF of Metal-Ceramic Components

This study shows multi-material additive manufacturing (AM) using fused filament fabrication (FFF) of stainless steel and zirconia.

Verschmolzen Filament Herstellung (FFF) von Metall-Keramik-Komponenten

Technical ceramics are widely used for industrial and research applications, as well as for consumer goods. Today, the demand for complex geometries with ...