אנו מודים לקרן Lindback לתמיכה כספית, וד&quot;ר אלכסנדר Sidorenko ואלזה צ &#39;לדיונים פוריים וסיוע טכני, והפרופסור רוברט סמית&#39; לקבלת סיוע בג מבחני elegans.

הערה: בהליכים המתוארים להלן, חייבות תמיד להיות אחרי הנחיות בטיחות במעבדה. חשיבות מיוחדת היא הבטיחות בעת התמודדות עם מתח גבוה (&gt; 500 V) וכימיקלים לטיפול. 1. ציפוי של מצע מוליך עם נר פיח <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Cut מתכת נחושת למלבנים (75 x 43 מ&quot;מ, 0.5 מ&quot;מ עובי). נקה כל מצע נחושת על ידי טבילה בetchant נחושת לכ -30 שניות, לשטוף במים ברז למשך כ -20 שניות, ויבש עם נייר. הערה: אם אתם משתמשים בשיטה 1 להלן, לשנות את הממדים 75 x 25 מ&quot;מ כדי שיתאים למכונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטאטא נר פרפין מואר תחת המצע נחושת עבור 30-45 שניות, כדי להשיג ציפוי פיח אחיד כ (כ -40 מיקרומטר עבה). שמור את המצע בסנטימטר ~ 1 בתוך הלהבה. אל תיגע במשטח הפיח השביר. </li></ol> 2. הגנה על שכבת הפיח עם ציפוי הערה: שכבת הפיח היא מאוד שבירה, ויש לצפות להגנה. שתי חלופות פשוטות (שיטות 1 ו -2 להלן) הציעו כאן, אבל פרוטוקולים חזקים יותר נמצאים כעת בפיתוח. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שיטת 1 <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את המדגם לתוך מאייד המתכת או מערכת המקרטעת. בעקבות הליכי פעולתה של המערכת, לפנות את החדר, ולהתחיל בתצהיר מבוקר של זהב על גבי שכבת הפיח (150-200 ננומטר). בואו המכשיר להתקרר לטמפרטורת חדר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טבילת מעיל מצע metalized בפתרון 1-dodecanethiol (1% V / V, ב -95% אתנול, ACS כיתה USP /), במשך 10 דקות בתוך ברדס כימי. ואז, מחזיק את המכשיר בזווית קרובה ל -60 מעלות, לשטוף בעדינות את פני השטח עם כמה טיפות של אתנול בלבד. בואו המכשירים יבשים, לילה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שיטה 2 <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> במנדף כימי, מייד לאחר ציפוי המצע עם פיח ואילו המצע הוא עדיין חם מלהבת הנר, להפקיד כמה טיפות של נוזל פלואור בצד אחד שלמצע, ולהטות את המצע לזווית קרובה ל 90 מעלות. להפקיד יותר טיפות, ולתת להם להתגלגל על ​​פני כל משטח הפיח. הערה: כאשר הטיפה נופלת על מקום, פיח יישטף מאזור זה. בואו הטיפות של התפשטות נוזל פלואור ככל האפשר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אופים את המצע על צלחת חמה (160 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות) בתוך מנדף כימי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בואו המצע לשבת לילה בטמפרטורת חדר לפני השימוש. אחסן ללא הגבלת זמן. </li></ol></li></ol> 3. ייצור של למעלה אלקטרודות (מעובד מתוך et al Abdelgawad. 12) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צייר את האלקטרודות באמצעות תוכנת עיצוב גרפית. כל אלקטרודה היא 2 מ&quot;מ, רוחבו 0.3 מ&quot;מ, ואת הפער בין האלקטרודות הוא 0.3 מ&quot;מ. הפער בין אנשי קשר (לייכנס לתוך המחבר, ראה להלן) הוא 2.3 מ&quot;מ (איור 1). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חתוך רבד נחושת גמיש (35 מיקרומטר העבה) לפורמט Monarch (3.87 x 7.5 אינץ &#39;). השתמשו בגדלים אחרים iו תואם למדפסת. טענת את רבד במגש ההזנה הידני של מדפסת צבע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הקפד להשתמש ב&quot; שחור עשיר &quot;, או&quot; רישום שחור &quot;, בעת הדפסה על הגיליון נחושת (ראה Abdelgawad et al. 12 לפרטים נוספים) כדי לאפשר שכבה צפופה של דיו שחור על המצע נחושת, הגנה על הדפוס שנדפס בתחריט . בואו יבש מצע המודפס לגמרי, לילה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בתוך ברדס כימי, להתחמם (40 מעלות צלזיוס) כוס עם 50 מיליליטר של etchant נחושת. טובלים את רבד המודפס בכוס, ובעדינות לנער אותו בפתרון לכ -10 דקות. זמן תחריט תלוי בפתרון etchant הנחושת. בכל כמה דקות, לבדוק קורוזיה ולראות אם התבנית היא ללא פגע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשטוף בזהירות את רבד במים, ולהסיר את הציפוי עם אצטון ואתנול במנדף כימי. לשטוף שוב, ובעדינות לייבש את רבד עם מגבת נייר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לצרף בזהירות רבד עם אלקטרודות לשטח בנוישקופית ss (75 x 25 מ&quot;מ, ~ 1 מ&quot;מ עובי), באמצעות קלטת דו צדדית. הימנע מכיסי אוויר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף סרט של PFA perfluoroalkoxy לאלקטרודות באמצעות קלטת. זה משמש כדי למנוע מגע מקרי של אלקטרודות עם הטיפה, נזקי אלקטרודות העליונים עקב קצר חשמלי ש. </li></ol> 4. אלקטרוני הממשק (המעגל באיור 2) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הלחמה הממסרים וC הקבלים למעגל אוניברסלי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להרכיב את שאר 10 נהגי ממסר על קרש חיתוך solderless למעגלים אלקטרוניים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חוט הקלט של כל נהג ממסר לערוץ בשלט. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הצמד בזהירות את האלקטרודות העליונה למחבר (איור 3). חוט הפלט של כל נהג ממסר לאלקטרודה עליונה, כפי שמוצג באיור. שים לב שיש קשר מחבר מעוגן בין זוג חוטים מממסרים, כדי למזער את הרעש חשמלי. הערה: המחבר יושב על פלטפורמה מתכווננת לשלוט tהוא מרחק (0.1-.5 מ&quot;מ) בין מצע העליון ותחתון (פיח מצופה). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתכנית לשליטה עיתוי למתח גבוה יישום (HV) (כ -0.8 שניות) 4 אלקטרודות באותו הזמן, הסטת אלקטרודה 1 בכיוון התנועה (כלומר, 0.8 שניות, להניע 1234; אז 2345, 3456, וכו &#39; ., 0.8 שניות לכל קבוצה, ולאחר מכן לאחור, מהלכים כל כך טיפה בכיוון ההפוך גם כן). </li></ol> 5. ויזואליזציה וטיפול אגל <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי להקליט תנועת אגל, להשתמש במערכת להדמיה, שמורכבת מ24X - ההרכבה הגדלת 96X בשילוב עם מצלמת CCD. חבר את מצלמת וידאו למצלמה באמצעות S-video. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פיפטה טיפת 4 μl המכילה ג elegans בתקשורת על החלק התחתון של המצע מצופה הפיח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להביא את האלקטרודות העליונה ל~ 0.3 מ&quot;מ מעל הטיפה. הטיפה צריכה להיות קרובה לאמצע, ממש מתחת לאלקטרודה החמישית, לניתוח קל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את הממשק האלקטרוני ומתח גבוה (500 V RMS), ולהתאים את מרחק אלקטרודה העליון לטיפה עד שהוא מתחיל לזוז. אל תתנו לאלקטרודות העליונים לגעת בטיפה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> איסוף נתונים על ידי הקלטת מספר העברות אגל מוצלחות במכשיר בתגובה לפולסים חשמליים. ניסוי מוצלח מאופיין בלפחות 700 העברות טיפה, כלומר, העברה אחת לאחר כל פעימה חשמלית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאסוף נתונים באופן רציף, עד הטיפה לא לזוז יותר בתגובה ל5 עד 10 פעימות. הערה: כאשר פני השטח מתחיל להשפיל, תנועה יכולה להיות משוחזרת על ידי הבאת אלקטרודות העליונה קרובה יותר לטיפה. </li></ol>

<ol>
	<li>Fair, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Digital+microfluidics:+is+a+true+lab-on-a-chip+possible.">Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible.</a> Microfluid Nanofluid. 3 (3), 245-281 (2007).</li><li>Gupta, S., Alargova, R. G., Kilpatrick, P. K., Velev, O. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-Chip+Dielectrophoretic+Coassembly+of+Live+Cells+and+Particles+into+Responsive+Biomaterials.">On-Chip Dielectrophoretic Coassembly of Live Cells and Particles into Responsive Biomaterials.</a> Langmuir. 26 (5), 3441-3452 (2009).</li><li>Shih, S. 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=Dried+blood+spot+analysis+by+digital+microfluidics+coupled+to+nanoelectrospray+ionization+mass+spectrometry.">Dried blood spot analysis by digital microfluidics coupled to nanoelectrospray ionization mass spectrometry.</a> Anal Chem. 84 (8), 3731-3738 (2012).</li><li>Gorbatsova, J., Borissova, M., Kaljurand, 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-on-dielectric+actuation+of+droplets+with+capillary+electrophoretic+zones+for+off-line+mass+spectrometric+analysis.">Electrowetting-on-dielectric actuation of droplets with capillary electrophoretic zones for off-line mass spectrometric analysis.</a> J Chromatogr. 1234, 9-15 (2012).</li><li>Qin, J., Wheeler, 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=Maze+exploration+and+learning+in+C.+elegans.">Maze exploration and learning in C. elegans.</a> Lab Chip. 7 (2), 186-192 (2007).</li><li>Koc, Y., de Mello, A. J., McHale, G., Newton, M. I., Roach, P., Shirtcliffe, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano-scale+superhydrophobicity:+suppression+of+protein+adsorption+and+promotion+of+flow-induced+detachment.">Nano-scale superhydrophobicity: suppression of protein adsorption and promotion of flow-induced detachment.</a> Lab Chip. 8 (4), 582-586 (2008).</li><li>Perry, G., Thomy, V., Das, M. R., Coffinier, Y., Boukherroub, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhibiting+protein+biofouling+using+graphene+oxide+in+droplet-based+microfluidic+microsystems.">Inhibiting protein biofouling using graphene oxide in droplet-based microfluidic microsystems.</a> Lab Chip. 12 (9), 1601-1604 (2012).</li><li>Kumari, N., Garimella, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrowetting-Induced+Dewetting+Transitions+on+Superhydrophobic+Surfaces.">Electrowetting-Induced Dewetting Transitions on Superhydrophobic Surfaces.</a> Langmuir. 27 (17), 10342-10346 (2011).</li><li>Freire, S. L. S., Tanner, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Additive-Free+Digital+Microfluidics.">Additive-Free Digital Microfluidics.</a> Langmuir. 29 (28), 9024-9030 (2013).</li><li>Deng, X., Mammen, L., Butt, H. -. J., Vollmer, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Candle+Soot+as+a+Template+for+a+Transparent+Robust+Superamphiphobic+Coating.">Candle Soot as a Template for a Transparent Robust Superamphiphobic Coating.</a> Science. 335, 67-70 (2011).</li><li>Kang, K. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+Electrostatic+Fields+Change+Contact+Angle+in+Electrowetting.">How Electrostatic Fields Change Contact Angle in Electrowetting.</a> Langmuir. 18 (26), 10318-10322 (2002).</li><li>Abdelgawad, M., Watson, M. W. L., Young, E. W. K., Mudrik, J. M., Ungrin, M. D., Wheeler, 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=Soft+lithography:+masters+on+demand.">Soft lithography: masters on demand.</a> Lab Chip. 8 (8), 1379-1385 (2008).</li><li>Barbulovic-Nad, I., Yang, H., Park, P. S., Wheeler, 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=Digital+microfluidics+for+cell-based+assays.">Digital microfluidics for cell-based assays.</a> Lab Chip. 8 (4), 519-526 (2008).</li><li>Brenner, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+genetics+of+Caenorhabditis+elegans.">The genetics of Caenorhabditis elegans.</a> Genetics. 77 (1), 71-94 (1974).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

השלב הקריטי ביותר של הפרוטוקול הוא ההגנה על שכבת הפיח, ישירות הקשורות להצלחה בהעברת טיפות. Metallizing שכבת הפיח (שיטת 1 לעיל) מאפשר קרוב להצלחת ייצור 100%. עם זאת, זמן פעולה המרבי היא כ -10 דקות; אולי, שברי טיפה הם מרטיבים את הפיח דרך חורים בשכבת המתכת. ציפוי שכבת הפיח עם נוזל פלו...

המזעור של מכשירים שעובדים עם נוזלים הוא בעלת חשיבות עליונה לפיתוח של פלטפורמות &quot;מעבדה-על-שבב&quot;. בכיוון זה, בשני העשורים האחרונים היינו עדים להתקדמות משמעותית בתחום מיקרופלואידיקה, עם מגוון רחב של יישומים. 1-5 בניגוד גמור להובלת נוזלים בערוצים סגורים (מיקרופלואידיקה ערוץ), DMF מתפעל טיפות על מערכים של אלקטרודות. אחת הסגולות הכי האטרקטיביים של טכניקה זו הוא היעדר חלקים נעים להובלת נוזלים, והתנועה היא עצרה באופן מיידי על-ידי כיבוי אותות חשמליים. עם זאת, תנועת טיפה תלויה בתוכן אגל, בהחלט אופיינית רצויה לפלטפורמה אוניברסלית &quot;מעבדה-על-שבב&quot;. טיפות המכילות חלבונים וanalytes אחרות נדבקות למשטחי מכשיר, הופכות אינם ניתן להעברה. ניתן לטעון, זה היה המגבלה העיקרית להרחבת היקף יישומי DMF; 6-8חלופות כדי למזער את עכירות המשטח רצויה כרוכות בתוספת של מינים כימיים נוספים לטיפה או בסביבותיה, אשר עלול להשפיע על תוכן אגל. בעבר, הקבוצה שלנו פיתחה מכשיר כדי לאפשר ההובלה של תאים וחלבונים בDMF, ללא תוספים מיותרים (מכשירי שדה-DW). 9 זו הושגה על ידי שילוב של פני השטח המבוסס על פיח נר, 10 עם גיאומטריה מכשיר שתומכת בגלגול אגל ומוביל לכוח כלפי מעלה על אגל, ירידת אינטראקציה אגל-פני השטח נוסף. בגישה זו, תנועת אגל אינה קשורה להרטבת משטח. 11 מטרת השיטה מפורטת המתוארת להלן היא לייצר מכשיר DMF מסוגל להעביר טיפות המכילות חלבונים, תאים, וכל יצורים, ללא תוספים נוספים. מכשירי שדה-DW לסלול את הדרך לפלטפורמות שליטה מלאה עבודה במידה רבה באופן עצמאי של כימאי אגלר&quot;י. הנה, אנחנו גם סימולציות הנוכחיות מראים כי, למרות המתח הגבוה הנדרש להפעלת מכשיר, ירידת המתח על פני רביב היא חלק קטן מהמתח להחיל, המצביעה על השפעות זניחות על bioanalytes בתוך הטיפה. למעשה, בדיקות ראשוניות עם elegans Caenorhabditis (סי אלגנס), נמטודות המשמשת למגוון רחב של מחקרים בתחום ביולוגיה, מראות כי תולעים לשחות ללא הפרעה כמתח מוחלים.

<table><tbody><tr><td>Paraffin candle</td><td></td><td></td><td>Any paraffin candle</td></tr><tr><td>Sputtering system</td><td>Denton Vacuum, Moorestown, NJ</td><td></td><td>Sputter coater Desk V HP equipped with an Au target.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>1-dodecanethiol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>471364</td><td></td></tr><tr><td>Teflon</td><td>Dupont</td><td>AF-1600</td><td></td></tr><tr><td>Fluorinert FC-40</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>F9755</td><td>Fluorinated liquid: Prepare Teflon-AF resin in Fluorinert FC-40, 1:100 (w/w), to create the hydrophobic coating.</td></tr><tr><td>Graphic design software -Adobe Illustrator</td><td>Adobe Systems</td><td></td><td>Other softwares might be used as well.</td></tr><tr><td>Copper laminate</td><td>Dupont</td><td>LF9110</td><td></td></tr><tr><td>Laser Printer</td><td>Xerox</td><td>Phaser 6360 or similar</td><td>Check for the compatibility with &quot;rich black&quot; or &quot;registration black&quot; (see text).</td></tr><tr><td>Copper Etchant</td><td>Transene</td><td>CE-100</td><td></td></tr><tr><td>Perfluoroalkoxy (PFA) film</td><td>McMaster-Carr</td><td>84955K22</td><td></td></tr><tr><td>Breadboard</td><td>Allied Electronics</td><td>70012450 or similar</td><td>Large enough to allow the assemble of 10 drivers.</td></tr><tr><td>Universal circuit board</td><td>Allied Electronics</td><td>70219535 or similar</td><td></td></tr><tr><td>Connector</td><td>Allied Electronics</td><td>5145154-8 or similar</td><td></td></tr><tr><td>Control board and control program (LabView software)</td><td>National Instruments</td><td>NI-6229 or similar</td><td></td></tr><tr><td>High-voltage amplifier</td><td>Trek</td><td>PZD700</td><td></td></tr><tr><td>Capacitors C and C1, 100 nF, 60 V</td><td>Allied&amp;nbsp;</td><td>8817183</td><td></td></tr><tr><td>Transistor T, NPN</td><td>Allied&amp;nbsp;</td><td>9350289</td><td></td></tr><tr><td>Diode D, 1N4007</td><td>Allied&amp;nbsp;</td><td>2660007</td><td></td></tr><tr><td>Relay&amp;nbsp;</td><td>Allied&amp;nbsp;</td><td>8862527</td><td></td></tr><tr><td>Visualization system</td><td>Edmund Optics</td><td>VZM 200i or similar</td><td>System magnification 24X &amp;#8211; 96X. It is combined with a Hitachi KP-D20B 1/2 in CCD Color Camera.</td></tr><tr><td>Recorder</td><td>Sony</td><td>GV-D1000 NTSC or similar</td><td>It is connected to the camera by an S-video cable.</td></tr><tr><td>Simulations</td><td>COMSOL Multiphysics</td><td>V. 4.4</td><td></td></tr></tbody></table>

taking advantage of reduced droplet-surface interaction to optimize transport of bioanalytes in digital microfluidics

Digital microfluidics (DMF), a technique for manipulation of droplets, is a promising alternative for the development of &#8220;lab-on-a-chip&#8221; 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.

בעבר, השתמשנו במכשירי שדה-DW כדי לאפשר התנועה של חלבונים בDMF. בפרט, טיפות עם אלבומין בסרום שור (BSA) ניתן היו להעביר בריכוז 2,000 פעמים גבוה יותר מאשר דווח בעבר על ידי מחברים אחרים (ללא תוספים). זה היה בשל האינטראקציה המופחתת בין אגל ופני שטח; איור 4 מראה טיפה מכילה BSA ...

Watch this Scientific Journal Video about Taking Advantage of Reduced Droplet-surface Interaction to Optimize Transport of Bioanalytes in Digital Microfluidics at JoVE.com

Taking Advantage of Reduced Droplet-surface Interaction to Optimize Transport of Bioanalytes in Digital Microfluidics

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.

ניצול של אינטראקציה אגל-פני השטח מופחת למטב תחבורה של Bioanalytes במיקרופלואידיקה הדיגיטלי

Digital microfluidics (DMF), a technique for manipulation of droplets, is a promising alternative for the development of &#8220;lab-on-a-chip&#8221; ...

taking-advantage-reduced-droplet-surface-interaction-to-optimize

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Electrical Engineering

Engineering

Unit 1

The Laplace Transform

SCIENTISTS IN ACTION

7.8K Views.  University of the Sciences. 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.

Video: Taking Advantage of Reduced Droplet-surface Interaction to Optimize Transport of Bioanalytes in Digital Microfluidics

Fluorescence detection methods for microfluidic droplet platforms

The development of microfluidic platforms for performing chemistry and biology has in large part been driven by a range of potential benefits that accompany system miniaturisation. Advantages include the ability to efficiently process nano- to femoto- liter volumes of sample, facile integration of functional components, an intrinsic predisposition towards large-scale multiplexing, enhanced analytical throughput, improved control and reduced instrumental footprints.1
In recent years much interest has focussed on the development of droplet-based (or segmented flow) microfluidic systems and their potential as platforms in high-throughput experimentation.2-4 Here water-in-oil emulsions are made to spontaneously form in microfluidic channels as a result of capillary instabilities between the two immiscible phases. Importantly, microdroplets of precisely defined volumes and compositions can be generated at frequencies of several kHz. Furthermore, by encapsulating reagents of interest within isolated compartments separated by a continuous immiscible phase, both sample cross-talk and dispersion (diffusion- and Taylor-based) can be eliminated, which leads to minimal cross-contamination and the ability to time analytical processes with great accuracy. Additionally, since there is no contact between the contents of the droplets and the channel walls (which are wetted by the continuous phase) absorption and loss of reagents on the channel walls is prevented.
Once droplets of this kind have been generated and processed, it is necessary to extract the required analytical information. In this respect the detection method of choice should be rapid, provide high-sensitivity and low limits of detection, be applicable to a range of molecular species, be non-destructive and be able to be integrated with microfluidic devices in a facile manner. To address this need we have developed a suite of experimental tools and protocols that enable the extraction of large amounts of photophysical information from small-volume environments, and are applicable to the analysis of a wide range of physical, chemical and biological parameters. Herein two examples of these methods are presented and applied to the detection of single cells and the mapping of mixing processes inside picoliter-volume droplets. We report the entire experimental process including microfluidic chip fabrication, the optical setup and the process of droplet generation and detection.

Droplet-based microfluidic platforms are promising candidates for high throughput experimentation since they are able to generate picoliter, self-compartmentalized vessels inexpensively at kHz rates. Through integration with fast, sensitive and high resolution fluorescence spectroscopic methods, the large amounts of information generated within these systems can be efficiently extracted, harnessed and utilized.

שיטות גילוי הקרינה לפלטפורמות אגל microfluidic

The development of microfluidic platforms for performing chemistry and biology has in large part been driven by a range of potential benefits that ...

Bioengineering

A Microfluidic Chip for ICPMS Sample Introduction

This protocol discusses the fabrication and usage of a disposable low cost microfluidic chip as sample introduction system for inductively coupled plasma mass spectrometry (ICPMS). The chip produces monodisperse aqueous sample droplets in perfluorohexane (PFH). Size and frequency of the aqueous droplets can be varied in the range of 40 to 60 &#181;m and from 90 to 7,000&#160;Hz, respectively. The droplets are ejected from the chip with a second flow of PFH and remain intact during the ejection. A custom-built desolvation system removes the PFH and transports the droplets into the ICPMS. Here, very stable signals with a narrow intensity distribution can be measured, showing the monodispersity of the droplets. We show that the introduction system can be used to quantitatively determine iron in single bovine red blood cells. In the future, the capabilities of the introduction device can easily be extended by the integration of additional microfluidic modules.

We present a discrete droplet sample introduction system for inductively coupled plasma mass spectrometry (ICPMS). It is based on a cheap and disposable microfluidic chip that generates highly monodisperse droplets in a size range of 40&#8722;60 &#181;m at frequencies from 90 to 7,000 Hz.

שבב microfluidic למבוא לדוגמא ICPMS

This protocol discusses the fabrication and usage of a disposable low cost microfluidic chip as sample introduction system for inductively coupled plasma ...

A Pipette-Tip Based Method for Seeding Cells to Droplet Microfluidic Platforms

Amongst various microfluidic platform designs frequently used for cellular analysis, droplet-microfluidics provides a robust tool for isolating and analyzing cells at the single-cell level by eliminating the influence of external factors on the cellular microenvironment. Encapsulation of cells in droplets is dictated by the Poisson distribution as a function of the number of cells present in each droplet and the average number of cells per volume of droplet. Primary cells, especially immune cells, or clinical specimens can be scarce and loss-less encapsulation of cells remains challenging. In this paper, we present a new methodology that uses pipette-tips to load cells to droplet-based microfluidic devices without the significant loss of cells. With various cell types , we demonstrate efficient cell encapsulation in droplets that closely corresponds to the encapsulation efficiency predicted by the Poisson distribution. Our method ensures loss-less loading of cells to microfluidic platforms and can be easily adapted for downstream single cell analysis, e.g., to decode cellular interactions between different cell types.

This article presents a protocol for seeding scarce population of cells using pipette-tips to droplet microfluidic devices in order to provide higher encapsulation efficiency of cells in droplets.

טיפ פיפטה המבוסס על שיטה עבור תאים זריעה על פלטפורמות Microfluidic רביב

Amongst various microfluidic platform designs frequently used for cellular analysis, droplet-microfluidics provides a robust tool for isolating and ...

High Speed Droplet-based Delivery System for Passive Pumping in Microfluidic Devices

A novel microfluidic system has been developed that uses the phenomenon of passive pumping along with a user controlled droplet based fluid delivery system. Passive pumping is the phenomenon by which surface tension induced pressure differences drive fluid movement in closed channels. The automated fluid delivery system consists of a set of voltage controlled valves with micro-nozzles connected to a fluid reservoir and a control system. These voltage controlled valves offer a volumetrically precise way to deliver fluid droplets to the inlet of a microfluidic device in a high frequency manner. Based on the  dimensions demonstrated in the current study example, the system is capable of flowing 4 milliliters per minute (through a 2.2mm by 260um cross-sectional channel). Based on these same channel dimensions, fluid exchange of a point inside the channel can be achieved in as little as eight milliseconds. It is observed that there is interplay between momentum of the system (imparted by a combination of the droplets created by the valves and the fluid velocity in the channel), and the surface tension of the liquid. Where momentum provides velocity to the fluid flow (or vice-versa), equilibration of surface tension at the inlet provides a sudden stop to any flow. This sudden stop allows the user to control the flow characteristics of the channel and opens the door for a variety of biological applications, ranging anywhere from reagent delivery to drug-cell studies. It is also observed that when nozzles are aimed at the inlet at shallow angles, the droplet momentum can cause additional interesting fluid phenomena, such as mixing of multiple droplets in the inlet.

A novel microfluidic system has been developed using the phenomenon of passive pumping and a user controlled fluid delivery system. This microfluidic system has the potential to be used in a wide variety of biological applications given its low cost, ease of use, volumetric precision, high speed, repeatability and automation.

מהירות גבוהה Droplet מבוססי משלוח מערכת פסיבי שאיבה מכשירים microfluidic

A novel microfluidic system has been developed that uses the phenomenon of passive pumping along with a user controlled droplet based fluid delivery ...

Biology

Digital Microfluidics for Automated Proteomic Processing

Clinical proteomics has emerged as an important new discipline, promising the discovery of biomarkers that will be useful for early diagnosis and prognosis of disease. While clinical proteomic methods vary widely, a common characteristic is the need for (i) extraction of proteins from extremely heterogeneous fluids (i.e. serum, whole blood, etc.) and (ii) extensive biochemical processing prior to analysis. Here, we report a new digital microfluidics (DMF) based method integrating several processing steps used in clinical proteomics. This includes protein extraction, resolubilization, reduction, alkylation and enzymatic digestion. Digital microfluidics is a microscale fluid-handling technique in which nanoliter-microliter sized droplets are manipulated on an open surface. Droplets are positioned on top of an array of electrodes that are coated by a dielectric layer - when an electrical potential is applied to the droplet, charges accumulate on either side of the dielectric. The charges serve as electrostatic handles that can be used to control droplet position, and by biasing a sequence of electrodes in series, droplets can be made to dispense, move, merge, mix, and split on the surface. Therefore, DMF is a natural fit for carrying rapid, sequential, multistep, miniaturized automated biochemical assays. This represents a significant advance over conventional methods (relying on manual pipetting or robots), and has the potential to be a useful new tool in clinical proteomics.
Mais J. Jebrail, Vivienne N. Luk, and Steve C. C. Shih contributed equally to this work.
Sergio L. S. Freire's current address is at the University of the Sciences in Philadelphia located at 600 South 43rd Street, Philadelphia, PA 19104.

Digital Microfluidics is a technique characterized by the manipulation of discrete droplets (~nL - mL) on an array of electrodes by the application of electrical fields. It is well-suited for carrying out rapid, sequential, miniaturized automated biochemical assays. Here, we report a platform capable of automating several proteomic processing steps.

מיקרופלואידיקה דיגיטלי עבור עיבוד אוטומטי proteomic

Clinical proteomics has emerged as an important new discipline, promising the discovery of biomarkers that will be useful for early diagnosis and ...

A Femtoliter Droplet Array for Massively Parallel Protein Synthesis from Single DNA Molecules

Advances in spatial resolution and detection sensitivity of scientific instrumentation make it possible to apply small reactors for biological and chemical research. To meet the demand for high-performance microreactors, we developed a femtoliter droplet array (FemDA) device and exemplified its application in massively parallel cell-free protein synthesis (CFPS) reactions. Over one million uniform droplets were readily generated within a finger-sized area using a two-step oil-sealing protocol. Every droplet was anchored in a femtoliter microchamber composed of a hydrophilic bottom and a hydrophobic sidewall. The hybrid hydrophilic-in-hydrophobic structure and the dedicated sealing oils and surfactants are crucial for stably retaining the femtoliter aqueous solution in the femtoliter space without evaporation loss. The femtoliter configuration and the simple structure of the FemDA device allowed minimal reagent consumption. The uniform dimension of the droplet reactors made large-scale quantitative and time-course measurements convincing and reliable. The FemDA technology correlated the protein yield of the CFPS reaction with the number of DNA molecules in each droplet. We streamlined the procedures about the microfabrication of the device, the formation of the femtoliter droplets, and the acquisition and analysis of the microscopic image data. The detailed protocol with the optimized low running cost makes the FemDA technology accessible to everyone who has standard cleanroom facilities and a conventional fluorescence microscope in their own place.

The overall goal of the protocol is to prepare over one million ordered, uniform, stable, and biocompatible femtoliter droplets on a 1 cm2 planar substrate that can be used for cell-free protein synthesis.

מערך מערכת Droplet ליטר ליצירת חלבון מקבילי בנפט ממולקולות דנ א יחיד

Advances in spatial resolution and detection sensitivity of scientific instrumentation make it possible to apply small reactors for biological and ...

Chemistry

A Versatile Kit Based on Digital Microfluidics Droplet Actuation for Science Education

This paper describes an educational kit based on digital microfluidics. A protocol for luminol-based chemiluminescence experiment is reported as a specific example. It also has fluorescent imaging capability and closed humidified enclosure based on an ultrasonic atomizer to prevent evaporation. The kit can be assembled within a short period of time and with minimal training in electronics and soldering. The kit allows both undergraduate/graduate students and enthusiasts to obtain hands-on experience in microfluidics in an intuitive way and be trained to gain familiarity with digital microfluidics.

We describe an educational kit that allows users to execute multiple experiments and gain hands-on experience on digital microfluidics.

ערכה רב-תכליתית המבוססת על מפעיל טיפת מיקרופלואידיקה דיגיטלית לחינוך מדעי

This paper describes an educational kit based on digital microfluidics. A protocol for luminol-based chemiluminescence experiment is reported as a ...

Electrowetting-based Digital Microfluidics Platform for Automated Enzyme-linked Immunosorbent Assay

Electrowetting is the effect by which the contact angle of a droplet exposed to a surface charge is modified. Electrowetting-on-dielectric (EWOD) exploits the dielectric properties of thin insulator films to enhance the charge density and hence boost the electrowetting effect. The presence of charges results in an electrically induced spreading of the droplet which permits purposeful manipulation across a hydrophobic surface. Here, we demonstrate EWOD-based protocol for sample processing and detection of four categories of antigens, using an automated surface actuation platform, via two variations of an Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) methods. The ELISA is performed on magnetic beads with immobilized primary antibodies which can be selected to target a specific antigen. An antibody conjugated to HRP binds to the antigen and is mixed with H2O2/Luminol for quantification of the captured pathogens. Assay completion times of between 6 and 10 min were achieved, whilst minuscule volumes of reagents were utilized.

Electrowetting-based digital microfluidic is a technique that utilizes a voltage-driven change in the apparent contact angle of a microliter-volume droplet to facilitate its manipulation. Combining this with functionalized magnetic beads enables the integration of multiple laboratory unit operations for sample preparation and identification of pathogens using Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA).

האלקטרו-מערכות מבוססות-פלטפורמת מיקרופלואידיקה דיגיטלית עבור מערכת חיסונית אוטומטית מקושרת אנזימים

Electrowetting is the effect by which the contact angle of a droplet exposed to a surface charge is modified. Electrowetting-on-dielectric (EWOD) exploits ...

התקנת התקן מיקרופלואידי לייצור תקע קומבינטורי

Bilayer Microfluidic Device for Combinatorial Plug Production

Droplet microfluidics is a versatile tool that allows the execution of a large number of reactions in chemically distinct nanoliter compartments. Such systems have been used to encapsulate a variety of biochemical reactions - from incubation of single cells to implementation of PCR reactions, from genomics to chemical synthesis. Coupling the microfluidic channels with regulatory valves allows control over their opening and closing, thereby enabling the rapid production of large-scale combinatorial libraries consisting of a population of droplets with unique compositions. In this paper, protocols for the fabrication and operation of a pressure-driven, PDMS-based bilayer microfluidic device that can be utilized to generate combinatorial libraries of water-in-oil emulsions called plugs are presented. By incorporating software programs and microfluidic hardware, the flow of desired fluids in the device can be controlled and manipulated to generate combinatorial plug libraries and to control the composition and quantity of constituent plug populations. These protocols will expedite the process of generating combinatorial screens, particularly to study drug response in cells from cancer patient biopsies.

מחבר זרקור: שילוב גישות חישוביות וניסוייות באונקולוגיה מדויקת

The fabrication of a polydimethylsiloxane (PDMS)-based bilayer device for the production of combinatorial libraries in water-in-oil emulsions (plugs) is presented here. The necessary hardware and software required to automate plug production are detailed in the protocol, and the production of a quantitative library of fluorescent plugs is also demonstrated.

התקן מיקרופלואידי דו-שכבתי לייצור תקע קומבינטורי

Droplet microfluidics is a versatile tool that allows the execution of a large number of reactions in chemically distinct nanoliter compartments. Such ...

ניצול של אינטראקציה אגל-פני השטח מופחת למטב תחבורה של Bioanalytes במיקרופלואידיקה הדיגיטלי

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

שיטות גילוי הקרינה לפלטפורמות אגל microfluidic

שבב microfluidic למבוא לדוגמא ICPMS

טיפ פיפטה המבוסס על שיטה עבור תאים זריעה על פלטפורמות Microfluidic רביב

מהירות גבוהה Droplet מבוססי משלוח מערכת פסיבי שאיבה מכשירים microfluidic

מיקרופלואידיקה דיגיטלי עבור עיבוד אוטומטי proteomic

מערך מערכת Droplet ליטר ליצירת חלבון מקבילי בנפט ממולקולות דנ א יחיד

ערכה רב-תכליתית המבוססת על מפעיל טיפת מיקרופלואידיקה דיגיטלית לחינוך מדעי

האלקטרו-מערכות מבוססות-פלטפורמת מיקרופלואידיקה דיגיטלית עבור מערכת חיסונית אוטומטית מקושרת אנזימים

התקן מיקרופלואידי דו-שכבתי לייצור תקע קומבינטורי

התקן מיקרופלואידי דו-שכבתי לייצור תקע קומבינטורי