Name: picoinjection of microfluidic drops without metal electrodes
Uploaded: 2014-04-18T18:00:00
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Ce travail a été soutenu par le ministère de bioingénierie et Sciences thérapeutiques à l&#39;UCSF, le California Institute for Quantitative Biosciences (QB3), et Bridging the Gap Prix de la Fondation de la famille Rogers.

1. Conception Dimensions de l&#39;appareil et de topologies Basé sur Experimental besoins à l&#39;aide Conception Assistée par Ordinateur (CAO) Remarque: Sélection des diamètres de canaux d&#39;émulsion plus petites que celles des gouttelettes sphériques. Cela force les gouttelettes en une forme &quot;saucisse&quot; ou cylindrique et permet picoinjection plus efficace. Pour nos besoins, nous avons conçu 30 x 30 um canaux de gouttelettes qui étaient de 50 m de diamètre. <ol><li> p...

<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>

La relation entre le volume d&#39;injection et la tension appliquée dépend de nombreux facteurs, notamment des dimensions de l&#39;appareil, la longueur de la tuyauterie transportant le fluide de picoinjection au dispositif, la molarité de fluide de picoinjection, et la vitesse des gouttelettes lors de leur passage, ils injecteur. Pour cette raison, nous recommandons que la relation entre le volume / tension se caractérise avant chaque exécution de picoinjection en mesurant les volumes d&#39;injection sur les bords...

Dans la microfluidique à base de gouttelettes, gouttelettes aqueuses l&#39;échelle du micron sont utilisés comme &quot;tubes à essai&quot; pour des réactions biologiques. L&#39;avantage de réaliser des réactions dans les minuscules gouttelettes est que chaque goutte utilise seulement quelques pl de réactif et, avec la microfluidique, les gouttes peut être formée et traitée à taux de kilohertz 1. Ces propriétés combinées, permettent des millions de réactions avec des cellules individuelles, des molécules d&#39;acide nucléique, ou des composés à accomplir en quelques minutes avec ul de matière totale. Pour utiliser des gouttes pour les applications comme celles-ci, les techniques sont nécessaires pour l&#39;ajout de volumes contrôlés de réactifs pour les gouttes; ces opérations sont analogues à pipetage dans des tubes à essai. Un procédé pour réaliser ceci est électrocoalescence, dans lequel une goutte de réactif est fusionné avec la chute de cible en appliquant un champ électrique. Le champ électrique perturbe l&#39;agencement des molécules de tensioactif sur les interfaces des gouttes, inducing une instabilité à film mince et le déclenchement coalescence des émulsions qui sont par ailleurs stable 2. Fusion induite électriquement est également exploité dans la conception de la picoinjector, un appareil qui injecte des réactifs en gouttes lorsqu&#39;ils s&#39;écoulent dernier d&#39;un canal sous pression 3. Pour appliquer le champ électrique, les dispositifs de picoinjector utilisent des électrodes métalliques, mais l&#39;intégration d&#39;électrodes métalliques en puces microfluidiques est souvent un processus complexe et source d&#39;erreurs que les fils liquide-soudure sont facilement compromis par des bulles d&#39;air ou de la poussière et d&#39;autres débris dans le canal , ainsi que des fractures de stress ou de flexion lors de l&#39;installation de l&#39;appareil. Ici, nous présentons une méthode pour effectuer picoinjection sans l&#39;utilisation d&#39;électrodes en métal, ce qui rend la fabrication plus simple et plus robuste. Pour déclencher picoinjection, on utilise à la place du fluide d&#39;injection elle-même comme une électrode, étant donné que la plupart des réactifs biologiques contiennent des électrolytes dissous et sont conductrices. Nous ajoutons également un &quot;Faraday Moat &quot;pour protéger les régions sensibles de l&#39;appareil et d&#39;agir comme un terrain universel (Figure 1). Le fossé isole électriquement les gouttelettes en amont du site de picoinjection en fournissant un terrain, empêchant involontaire gouttelettes fusion. Un avantage supplémentaire de notre technique est que le volume injecté dans les gouttes dépend de l&#39;amplitude de la tension appliquée, ce qui lui permet d&#39;être ajusté en réglant le signal appliqué. Nous fabriquons nos appareils dans le poly (diméthyl) (PDMS) en utilisant des techniques de photolithographie douces 4,5. Notre approche est compatible avec les appareils fabriqués dans d&#39;autres matériaux, comme des résines, des matières plastiques et des résines époxy. Les canaux ont des hauteurs et des largeurs de 30 um, qui sont optimales pour travailler avec des gouttelettes de 50 um de diamètre (65 pl). Nous introduisons réactifs via un tube en polyéthylène (0.3/1.09 mm de diamètre intérieur / extérieur) inséré dans les ports créées pendant la fabrication de l&#39;appareil avec 0,50 mm de poinçons de biopsie, semblables à des méthodes described auparavant 5. La composition exacte du fluide d&#39;injection dépend de l&#39;application spécifique. Le fluide doit seulement contenir des électrolytes dissous à des concentrations suffisamment élevées pour obtenir une conductivité suffisante pour le signal électrique devant être transmis à la picoinjector. Dans les essais au banc, nous avons trouvé que les concentrations ioniques supérieures à 10 mM 6 devraient suffire, bien que cette valeur de conductivité du fluide, et dépendent des dimensions de périphériques spécifiques et amplitude de la tension appliquée.

<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

Les méthodes existantes pour picoinjecting réactifs en gouttes microfluidiques nécessitent des électrodes métalliques intégrés dans la puce microfluidique. L&#39;intégration de ces électrodes ajoute des étapes fastidieuses et sources d&#39;erreurs dans le processus de fabrication de l&#39;appareil. Nous avons développé une technique qui évite les besoins des électrodes métalliques pendant picoinjection. Au lieu de cela, il utilise le fluide d&#39;injection elle-même comme une électrode, étant donné que la plupart des réactifs biologiques contiennent des électrolytes dissous et sont conductrices. En éliminant les électrodes, nous réduisons dispositif le temps de fabrication et de la complexité, et faisons les dispositifs plus robuste. En outre, notre approche, le volume d&#39;injection dépend de la tension appliquée à la solution de picoinjection; ce qui nous permet d&#39;ajuster rapidement le volume injecté par modulation de la tension appliquée. Nous démontrons que notre technique est compatible avec des réactifs comportant des composés biologiques courants, y compris des tampons, des enzymes et des acides nucléiques.

Les images microscopiques prises sur le site de picoinjection montrent que l&#39;électrification du fluide picoinjection suffit à déclencher l&#39;injection (figure 2). Le volume injecté peut être commandée par la modulation de l&#39;amplitude de la tension appliquée, avec des tensions plus élevées permettant des volumes d&#39;injection plus élevées. On trace le volume d&#39;injection par rapport à l&#39;amplitude de la tension appliquée pendant trois molarités représentatifs de fluide d&...

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Picoinjection of Microfluidic Drops Without Metal Electrodes

Nous avons mis au point une technique pour picoinjecting gouttes microfluidiques qui ne nécessite pas des électrodes métalliques. En tant que tel, les dispositifs incorporant notre technique sont plus simples à fabriquer et à utiliser.

Picoinjection de microfluidique Drops Sans électrodes métalliques

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

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