Использование преимуществ Снижение капель поверхности взаимодействия для оптимизации Перевозка Bioanalytes в Digital Microfluidics

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Миниатюризация устройств, которые работают с жидкостями имеет первостепенное значение для развития "Лаборатория на чипе" платформ. В этом направлении, в последние два десятилетия мы стали свидетелями значительного прогресса в области микрофлюидики, с различными приложениями. ^1-5 Контрастные с перевозкой жидкости в закрытых каналах (канал микрофлюидики), DMF манипулирует капли на массивы электродов. Один из самых привлекательных достоинств этого метода является отсутствие подвижных частей для транспортировки жидкостей, и движение мгновенно остановился, выключив электрические сигналы.

Тем не менее, капля движения зависит от содержания капель, конечно нежелательно характерно для универсальной платформы "Лаборатория на чипе". Капли, содержащие белки и другие анализируемые придерживаться поверхностей устройств, становится неподвижным. Возможно, это было главное ограничение для расширения сферы применения DMF; ^6-8альтернативы, чтобы минимизировать нежелательные поверхности обрастания включать добавление дополнительных химических веществ в капле или его окрестностях, которые потенциально могут повлиять капель содержание.

Ранее наша группа разработали устройство, чтобы позволить перенос клеток и белков в ДМФА, без дополнительных добавок (полевые устройства-DW). ⁹ Это было достигнуто путем объединения поверхность свечи на основе сажи, ¹⁰ с геометрией устройства, что способствует капель прокатки и приводит к направленное вверх усилие на капли, капли в дальнейшем уменьшении-поверхности взаимодействия. В этом подходе, движение капель не связан с смачивания поверхности. ¹¹

Цель подробного способом, описанным ниже, чтобы произвести DMF устройство, способное транспортировать капель, содержащих белки, клетки и целые организмы, без дополнительных добавок. Устройства поле-DW проложить путь для полностью управляемых платформ, работающих в значительной степени независимо от капель химикары.

Здесь мы также нынешние расчеты, показывающие, что, несмотря на высокое напряжение, необходимое для работы устройства, падение напряжения на капле небольшая часть приложенного напряжения, с указанием незначительное воздействие на bioanalytes внутри капли. На самом деле, предварительные испытания с Caenorhabditis Элеганс (C. Элеганс), нематоды, используемого для различных исследований в области биологии, показывают, что черви плавают спокойно, как напряжениях.

протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: При выполнении процедур, описанных ниже, принципы лаборатория безопасности всегда должны быть соблюдены. Особое значение имеет безопасность при работе с высоким напряжением (> 500 В) и химическими веществами.

1. Покрытие из подложка с Свеча сажи

1. Вырезать металлической меди на прямоугольники (75 х 43 мм, толщиной 0,5 мм). Чистить каждый медную подложку путем погружения в медной травителя в течение приблизительно 30 сек, промывают водопроводной водой в течение 20 секунд, и сухой бумагой.
   ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании метода 1 ниже, изменить размеры 75 х 25 мм, чтобы вписаться в машине.
2. Развертки зажженную свечу парафина под медную подложку для 30-45 сек, чтобы получить приблизительно равномерное покрытие сажи (около 40 мкм). Держите субстрат на ~ 1 см внутри пламени. Не прикасайтесь к хрупкой поверхности сажи.

2. Защита Сажа слой с покрытием

ПРИМЕЧАНИЕ: сажа слой очень хрупокИ должны быть покрыты для защиты. Два простых альтернатив (методы 1 и 2 ниже) предлагаются здесь, но более надежные протоколы находятся в стадии разработки.

1. Способ 1
   1. Загрузите образец в металлической испарителя или распыления системы. После процедур функционирования системы, вакуумировать камеру, и начать контролируемое осаждение золота на сажи слоя (150-200 нм). Пусть устройство остыть до комнатной температуры.
   2. Dip-покрытие металлизированной подложки в 1-додекантиола раствора (1% объем / объем, в 95% -ном этаноле, ACS / USP класс), в течение 10 мин внутри химической капотом. Затем, удерживая устройство под углом, близким к 60 °, аккуратно вымыть поверхность с несколькими каплями только этанол. Пусть устройства сухой, на ночь.
2. Способ 2
   1. В химической капот, сразу же после нанесения на подложку с сажей и в то время как подложка еще теплый от пламени свечи, депозит несколько капель фторированной жидкости на одной сторонеПодложка, и наклонить подложку под углом, близким к 90 °. Депозит больше капелек, и пусть катиться по всей поверхности сажи.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Когда капля падает на месте, сажа будет вымываться из этой области. Пусть капельки жидкого фторированного распространения как можно больше.
   2. Печь подложки на горячей плите (160 ° C в течение 15 мин) внутри химической капотом.
   3. Пусть субстрат на ночь при комнатной температуре перед использованием. Храните на неопределенный срок.

3. Изготовление Топ электродов (взято из Abdelgawad др. ¹²⁾

1. Нарисуйте электродов с использованием графических программ. Каждый электрод имеет длину 2 мм, шириной 0,3 мм, и зазор между электродами составляет 0,3 мм. Разрыв между контактами (привязать к разъему, смотрите ниже) составляет 2,3 мм (рисунок 1).
2. Обрезать гибкий медный ламинат (35 мкм толщиной) в формате Monarch (3,87 х 7,5 дюйма). Используйте другие размеры яе совместимы с принтером. Загрузите ламинат в лоток ручной подачи на цветном принтере.
3. Убедитесь, что использовать "богатый черный" или "прописку черный", при печати на листовой меди (см Abdelgawad др. ¹² для получения подробной информации), чтобы позволить более плотную слой черной краски на медной подложке, защищая напечатанному шаблону во время травления , Пусть Печатная подложка полностью не высохнет, на ночь.
4. Внутри химической капот, разогреть (40 ° C) Химический стакан 50 мл меди травителя. Опустите печатную ламинат в стакан, и осторожно встряхните его в растворе в течение 10 мин. Офорт время зависит от меди травильного раствора. Каждые несколько минут, проверить коррозии и посмотреть, если картина не повреждена.
5. Тщательно мыть ламинат с водой, и удалить покрытие с ацетоном и этанолом в химической капотом. Промыть еще раз, и осторожно высушить ламината с бумажным полотенцем.
6. Тщательно прикрепите ламинат с электродами на ГЛКсс слайд (75 х 25 мм, ~ 1 мм толщиной), используя двусторонний скотч. Избегайте воздушных карманов.
7. Прикрепите пленку перфторалкокси PFA к электродам, используя ленту. Это служит для предотвращения случайного контакта электродов с каплей, которая повреждает верхние электроды из-за короткого замыкания.

4. Электронный интерфейс (Circuit на рисунке 2)

1. Припой реле и конденсаторы C до универсальной плате.
2. Соберите остальные реле водителей 10 на беспаечное плате для электронных схем.
3. Провод ввода каждого реле водителя на канал в панели управления.
4. Осторожно надавите на верхнюю электроды в разъем (рисунок 3). Провод выход каждого реле водителя на верхнем электроде, как показано на рисунке. Следует отметить, что существует заземлен контакт в разъеме между парой проводов от реле, чтобы свести к минимуму электрические помехи.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Разъем сидит на регулируемой платформе для управления тон расстояние (0,1-0,5 мм) между верхней и нижней (сажи покрытием) подложке.
5. С помощью программы для управления синхронизацией для применения высокого напряжения (HV) (около 0,8 сек) до 4 электродов в то же время, сдвигая 1 электрод в направлении движения (то есть, в течение 0,8 сек, приводить в 1234, затем 2345, 3456, и т.д. ., 0,8 сек для каждой группы, а затем в обратном направлении, так что капли движется в противоположном направлении, а).

5. капель Визуализация и обработка

1. Чтобы записать движение капель, использовать систему визуализации, которая состоит из 24X - 96X увеличении сборки в сочетании с ПЗС-камерой. Подключите видеомагнитофон к камере с помощью S-Video.
2. Внесите 4 мкл каплю, содержащую С. Elegans в средствах массовой информации на нижней части сажи покрытием подложки.
3. Принесите верхние электроды к ~ 0,3 мм над капли. Капелька должна быть близка к середине, чуть ниже пятого электрода, для облегчения операции.
4. Включите электронный интерфейс и высокое напряжение (500 В _RMS), и отрегулируйте верхнюю расстояние между электродами к капле, пока не начнет двигаться. Не позволяйте топ электроды коснуться капли.
5. Сбор данных по записи числа успешных передач капель на устройстве в ответ на электрические импульсы. Успешный эксперимент характеризуется по крайней мере, 700 капель трансфертов, то есть, один перевод после каждого электрического импульса.
6. Сбор данных непрерывно, пока капля не двигается больше в ответ на 5 до 10 импульсов.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Когда поверхность начинает деградировать, движение может быть восстановлено путем привлечения лучших электродов ближе к капле.

Результаты

Ранее мы использовали устройства Поле-DW, чтобы позволить движение белков в DMF. В частности, капельки с бычьим сывороточным альбумином (BSA) может быть перемещен в концентрации 2000 раз выше, чем ранее сообщалось другими авторами (без добавок). Это было связано с уменьшением взаимодействия к?...

Обсуждение

Наиболее важным шагом протокола является защита сажи слоя, непосредственно связанные с успехом в продвижении капельки. Металлизации сажи слой (метод 1 выше) позволяет близка к 100% успеха изготовления. Тем не менее, максимальное время работы составляет около 10 мин; возможно, капель фракц?...

Материалы

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