Name: picoinjection of microfluidic drops without metal electrodes
Uploaded: 2014-04-18T18:00:00
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Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Bioingeniería y Ciencias Terapéuticas de la UCSF, el Instituto de California para la cuantitativos Biosciences (QB3), y la Reducción de la Brecha Premio de la Fundación de la familia de Rogers.

1. Diseño Dimensiones del dispositivo y topologías Basado en Experimental necesidades mediante diseño asistido por ordenador (CAD) Software Nota: Selección de diámetros del canal de emulsión más pequeñas que las de las gotitas esféricas. Esto obliga a las gotitas en una forma cilíndrica o &quot;salchicha&quot; y permite picoinjection más eficaz. Para nuestros propósitos, hemos diseñado 30 x 30 micras canales de gotas que eran 50 m de diámetro. <ol><li> Sitio picoinjection Mod...

<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 relación entre el volumen de inyección y la tensión aplicada depende de muchos factores incluyendo las dimensiones del dispositivo, la longitud del tubo que lleva el fluido picoinjection al dispositivo, molaridad de fluido picoinjection, y la velocidad de las gotitas a medida que pasan que inyector. Por este motivo, se recomienda que la relación volumen / tensión caracterizarse antes de cada ejecución de picoinjection midiendo volúmenes de inyección en los bordes de los rangos de trabajo de la tensión y la m...

En la microfluídica basada en gotitas, gotitas acuosas escala de micras se utilizan como &quot;tubos de ensayo&quot; para reacciones biológicas. La ventaja de llevar a cabo reacciones en las pequeñas gotas es que cada gota utiliza sólo unos pl de reactivo y, con la microfluídica, las gotas se puede formar y procesada a tasas kilohercios 1. En combinación, estas propiedades permiten a millones de reacciones con las células individuales, moléculas de ácido nucleico, o compuestos que se deben realizar en cuestión de minutos con l de total de material. Para usar las gotas para aplicaciones de este tipo, se necesitan técnicas para la adición de volúmenes controlados de reactivos a las gotas; tales operaciones son análogos a pipeteando en tubos de ensayo. Un método para lograr esto es electrocoalescence, en el que una gota de reactivo se combina con la caída de destino mediante la aplicación de un campo eléctrico. El campo eléctrico altera la disposición de las moléculas de tensioactivo en las interfaces de las gotas, INDucing una inestabilidad de película delgada y desencadenando coalescencia en emulsiones que son por lo demás estable 2. Fusión inducida eléctricamente también es explotada en el diseño de la picoinjector, un dispositivo que inyecta reactivos en gotas a medida que fluyen más allá de un canal de presión 3. Para aplicar el campo eléctrico, los dispositivos picoinjector utilizan electrodos de metal, pero la integración de electrodos de metal en los chips de microfluidos es a menudo un proceso complejo y propenso a errores que los alambres de líquido de soldadura son fácilmente comprometidos por burbujas de aire o polvo y otros desechos en el canal , así como de las fracturas de estrés o doblarse durante la configuración del dispositivo. Aquí presentamos un método para llevar a cabo picoinjection sin el uso de electrodos de metal, por lo que la fabricación más simple y más robusta. Para activar picoinjection, nosotros en cambio utilizamos el propio fluido de inyección como un electrodo, ya que la mayoría de los reactivos biológicos contienen electrolitos disueltos y son conductores. También vamos a añadir un &quot;Faraday Moat &quot;para proteger a regiones sensibles del dispositivo y actuar como un suelo universales (Figura 1). El foso aísla eléctricamente las gotas de aguas arriba del sitio picoinjection proporcionando un suelo, la prevención de fusión gotita no deseado. Un beneficio adicional de nuestra técnica es que el volumen inyectado en las gotas depende de la magnitud de la tensión aplicada, permitiendo que se ajusta mediante la regulación de la señal aplicada. Fabricamos nuestros dispositivos en poli (dimetilsiloxano) (PDMS) usando técnicas fotolitográficas suaves 4,5. Nuestro enfoque es compatible con dispositivos fabricados en otros materiales, como resinas, plásticos y resinas epoxi. Los canales tienen alturas y anchuras de 30 micras, que son óptimas para trabajar con gotitas de 50 m de diámetro (65 pl). Introducimos los reactivos a través de tubos de polietileno (0.3/1.09 mm de diámetro interior / exterior) insertado en los puertos creados durante la fabricación del dispositivo de 0,50 mm punzones de biopsia, de forma similar a los métodos described previamente 5. La composición exacta del fluido de inyección depende de la aplicación específica. El fluido sólo necesita contener electrolitos disueltos en concentraciones lo suficientemente altas para producir la suficiente conductividad para la señal eléctrica que se transmite a la picoinjector. En pruebas de banco, hemos encontrado que las concentraciones iónicas superiores a 10 mM deberían bastar 6, aunque este valor y conductividades de fluido dependen de las dimensiones específicas del dispositivo y la magnitud de la tensión aplicada.

<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

Los métodos existentes para picoinjecting reactivos en gotas de microfluidos requieren electrodos de metal integradas en el chip de microfluidos. La integración de estos electrodos añade pasos engorrosos y propensos a errores en el proceso de fabricación del dispositivo. Hemos desarrollado una técnica que obvia las necesidades de electrodos de metal durante picoinjection. En lugar de ello, se utiliza el propio fluido de inyección como un electrodo, ya que la mayoría de los reactivos biológicos contienen electrolitos disueltos y son conductores. Mediante la eliminación de los electrodos, se reduce el tiempo de fabricación del dispositivo y la complejidad, y hacer los dispositivos más robustos. Además, con nuestro enfoque, el volumen de inyección depende de la tensión aplicada a la solución picoinjection; esto nos permite ajustar rápidamente el volumen inyectado mediante la modulación de la tensión aplicada. Se demuestra que nuestra técnica es compatible con los reactivos que incorporan compuestos biológicos comunes, incluyendo tampones, enzimas y ácidos nucleicos.

Imágenes microscópicas tomadas en el lugar muestran picoinjection que la electrificación del fluido picoinjection es suficiente para desencadenar la inyección (Figura 2). El volumen inyectado se puede controlar mediante la modulación de la amplitud de la tensión aplicada, con tensiones más elevadas que permiten volúmenes de inyección más altas. Trazamos el volumen de inyección en comparación con la magnitud de la tensión aplicada durante tres molaridades representativas de fluido de inyecci...

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Picoinjection of Microfluidic Drops Without Metal Electrodes

Hemos desarrollado una técnica para picoinjecting gotas de microfluidos que no requieren electrodos de metal. Como tales, los dispositivos que incorporan nuestra técnica son más simples de fabricar y de usar.

Picoinjection de microfluidos gotas sin electrodos metálicos

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

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