Name: taking advantage of reduced droplet-surface interaction to optimize transport of bioanalytes in digital microfluidics
Uploaded: 2014-11-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Taking Advantage of Reduced Droplet-surface Interaction to Optimize Transport of Bioanalytes in Digital Microfluidics at JoVE.com

نشكر مؤسسة ليندباك للدعم المالي، والدكتور الكسندر سيدورنكو وإلزا تشو لإجراء مناقشات مثمرة والمساعدة التقنية، والبروفيسور روبرت سميث للحصول على المساعدة مع C. المقايسات ايليجانس.

ملاحظة: في الإجراءات الموضحة أدناه، يجب دائما أن يتبع إرشادات السلامة في المختبرات. أهمية خاصة هو السلامة عند التعامل مع الجهد العالي (&gt; 500 V) ومناولة المواد الكيميائية. 1. طلاء من الركيزة التوصيلية مع شمعة السخام <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قطع معدن النحاس في مستطيل (75 × 43 مم، 0.5 مم). تنظيف كل الركيزة النحاس عن طريق الغمر في النحاس منمش لمدة 30 ثانية، ويغسل بماء الصنبور لمدة 20 ثانية، وجافة مع ورقة. ملاحظة: في حالة استخدام أسلوب 1 أدناه، تغيير أبعاد 75 × 25 ملم لتناسب الجهاز. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> اكتساح شمعة البارافين مضاءة تحت الركيزة النحاس لمدة 30-45 ثانية، إلى الحصول على السناج طلاء موحد تقريبا (حوالي 40 ميكرون سميكة). تبقى الركيزة في ~ 1 سم داخل اللهب. لا تلمس سطح السخام الهش. </li></ol> 2. حماية طبقة السخام مع طلاء ملاحظة: طبقة السناج هشة جداويجب أن تكون مغلفة للحماية. واقترح بديلين بسيطة (أساليب 1 و 2 أدناه) هنا، ولكن بروتوكولات أكثر قوة حاليا قيد التطوير. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> طريقة 1 <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحميل العينة إلى المبخر المعدن أو نظام الاخرق. في أعقاب الإجراءات العملية للنظام، بإخلاء القاعة، وبدء ترسيب الذهب تسيطر على طبقة السناج (150-200 نانومتر). ترك الجهاز يبرد إلى درجة حرارة الغرفة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تراجع معطف الركيزة المعدنى في حل 1-dodecanethiol (1٪ ت / ت، في 95٪ من الإيثانول، ACS / USP الصف)، لمدة 10 دقيقة داخل غطاء الكيميائية. بعد ذلك، عقد الجهاز في زاوية قريبة من 60 درجة، وغسل بلطف السطح مع عدة قطرات من الايثانول فقط. السماح للأجهزة الجافة، بين عشية وضحاها. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> طريقة 2 <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> في غطاء الكيميائية، مباشرة بعد طلاء الركيزة مع السخام وبينما لا تزال الركيزة الدافئة من لهب شمعة، إيداع بعض قطرات من السائل المفلورة على جانب واحد منالركيزة، والركيزة يميل إلى زاوية قريبة من 90 درجة. إيداع المزيد من قطرات، والسماح لهم لفة على سطح السخام بأكمله. ملاحظة: عندما تسقط قطرة على الفور، وسوف تغسل السخام بعيدا عن تلك المنطقة. دعونا قطرات من انتشار السائل المفلورة قدر الإمكان. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> خبز الركيزة على طبق ساخن (160 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة) داخل غطاء الكيميائية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> دعونا الركيزة الجلوس بين عشية وضحاها في درجة حرارة الغرفة قبل الاستخدام. تخزين أجل غير مسمى. </li></ol></li></ol> 3. تلفيق الأعلى أقطاب (مقتبس من عبد الجواد وآخرون. 12) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> رسم الأقطاب باستخدام برنامج تصميم الرسوم البيانية. كل قطب هو 2 مم طويل، 0.3 مم، والفجوة بين الأقطاب هو 0.3 ملم. الهوة بين الاتصالات (لتستقر في الموصل، انظر أدناه) هو 2.3 مم (الشكل 1). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تقليم مرنة النحاس صفح (35 ميكرون سميكة) في شكل خادم الحرمين الشريفين (3.87 X 7.5 بوصة). استخدام أحجام أخرى طو متوافقة مع الطابعة. تحميل صفح في علبة التغذية اليدوية للطابعة ملونة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تأكد من استخدام &quot;أسود غني&quot;، أو &quot;تسجيل الأسود&quot;، عند الطباعة على ورقة النحاس (انظر عبد الجواد وآخرون. 12 لمزيد من التفاصيل) للسماح للطبقة كثيفة من الحبر الأسود على الركيزة النحاس، وحماية نمط المطبوعة أثناء الحفر . السماح للطبع الركيزة جافة تماما، بين عشية وضحاها. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> داخل غطاء الكيميائية، الاحماء (40 درجة مئوية) كوب مع 50 مل من النحاس منمش. تراجع صفح المطبوعة في الكأس، ويهز برفق في المحلول لمدة 10 دقيقة. الوقت الحفر يعتمد على حل النحاس منمش. كل بضع دقائق، والتحقق من التآكل ومعرفة ما إذا كان هذا النمط غير سليمة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تغسل بعناية صفح مع المياه، وإزالة الطلاء مع الأسيتون والإيثانول في غطاء الكيميائية. يغسل مرة أخرى، وتجف بلطف صفح مع منشفة ورقية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إرفاق بعناية صفح مع الأقطاب إلى غلاالشريحة ق ق (75 × 25 مم، ~ 1 مم)، وذلك باستخدام الشريط مزدوجة من جانب. تجنب جيوب هوائية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إرفاق فيلم perfluoroalkoxy PFA لالأقطاب باستخدام الشريط. هذا يساعد على منع الاتصال العرضي من الأقطاب مع الحبرية، الامر الذي يسيء الى أعلى الأقطاب بسبب ماس كهربائى. </li></ol> 4. واجهة الإلكترونية (الدوائر في الشكل 2) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> جندى التبديلات والمكثفات C إلى لوحة الدوائر العالمي. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تجميع ما تبقى من 10 السائقين التتابع على اللوح لحام للدوائر الإلكترونية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> سلك مدخلات كل سائق التتابع لقناة في لوحة التحكم. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> المفاجئة بعناية قصوى الأقطاب في الموصل (الشكل 3). سلك انتاج كل سائق التتابع في القطب العلوي، كما هو مبين في الشكل. نلاحظ أن هناك اتصال موصل على الارض بين زوج من الأسلاك من التبديلات، للحد من الضوضاء الكهربائية. ملاحظة: الرابط يجلس على منصة قابلة للتعديل للسيطرة رانه المسافة (0،1-0،5 مم) بين أعلى وأسفل (السخام المطلي) الركيزة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام برنامج للسيطرة على توقيت الجهد العالي (HV) تطبيق (حوالي 0.8 ثانية) إلى 4 أقطاب كهربائية في نفس الوقت، وتحويل 1 القطب في اتجاه الحركة (أي 0.8 ثانية، وتحفيز 1234، ثم 2345، 3456، الخ .، 0.8 ثانية لكل مجموعة، ثم إلى الوراء، والتحركات قطرة حتى في الاتجاه المعاكس أيضا). </li></ol> 5. التصور قطرة والمناولة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لتسجيل قطرة الحركة، واستخدام نظام التصور، الذي يتكون من 24X - 96X التكبير التجمع جنبا إلى جنب مع كاميرا CCD. قم بتوصيل مسجل الفيديو إلى الكاميرا باستخدام S-فيديو. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ماصة قطرات 4 ميكرولتر تحتوي على C. ايليجانس في وسائل الإعلام على الجزء السفلي من الركيزة المغلفة السخام. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> جلب الأقطاب أعلى إلى ~ 0.3 مم فوق الحبرية. يجب أن يكون قطرة مقربة من الوسط أسفل القطب الخامس، لتسهيل عملية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بدوره على واجهة الكترونية والجهد العالي (500 V RMS)، وضبط المسافة القطب العلوي إلى قطرة حتى يبدأ التحرك. لا تدع كبار أقطاب تلمس قطرة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> جمع البيانات من خلال تسجيل عدد التحويلات قطرة ناجحة على الجهاز في الاستجابة لنبضات كهربائية. وتتميز تجربة ناجحة من قبل ما لا يقل عن 700 تحويلات قطرة، أي نقل واحدة بعد كل نبضة كهربائية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> جمع البيانات بشكل مستمر، حتى قطرات لا يتحرك بعد الآن ردا من 5 إلى 10 البقول. ملاحظة: عندما يبدأ السطح لتتحلل، يمكن استعادة الحركة من خلال جلب كبار أقطاب أقرب إلى قطرات. </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.

الخطوة الأكثر أهمية من البروتوكول هو حماية طبقة السناج، ويرتبط مباشرة مع نجاح في تحريك قطرات. تعدين طبقة السناج (أسلوب 1 أعلاه) يتيح ما يقرب من 100٪ من نجاح تلفيق. ومع ذلك، الحد الأقصى للوقت العملية حوالي 10 دقيقة. ربما، والكسور قطرات ترطيب والسخام من خلال ثقوب في طبقة مع?...

التصغير من الأجهزة التي تعمل مع السوائل له أهمية قصوى لتطوير منصات &quot;مختبر على رقاقة&quot;. في هذا الاتجاه، وقد شهدت خلال العقدين الماضيين تقدما كبيرا في مجال على microfluidics، مع مجموعة متنوعة من التطبيقات. 1-5 المتناقضة مع نقل السوائل في القنوات المغلقة (قناة على microfluidics)، DMF تعالج قطرات على صفائف من الأقطاب الكهربائية. واحدة من مزايا أكثر جاذبية من هذه التقنية هو عدم وجود أجزاء متحركة لنقل السوائل، وتوقف الحركة على الفور عن طريق إيقاف الإشارات الكهربائية. ومع ذلك، حركة قطرات تعتمد على محتويات قطرة، وبالتأكيد خاصية غير مرغوب فيها للمنصة العالمية &quot;مختبر على رقاقة&quot;. قطرات تحتوي على البروتينات والتحاليل الأخرى تلتصق بالأسطح الجهاز، تصبح غير قابلة للنقل. يمكن القول، وقد كان هذا هو القيد الرئيسي لتوسيع نطاق التطبيقات DMF، 6-8وتشمل بدائل للحد من تلوث سطح غير المرغوب فيها إضافة الأنواع الكيميائية اضافية لالحبرية أو المناطق المحيطة بها، والتي من المحتمل أن تؤثر على محتوى الحبرية. سابقا، وضعت مجموعتنا جهاز للسماح بنقل الخلايا والبروتينات في DMF، من دون إضافات زائدة (الأجهزة الميدانية DW) (9). وقد تحقق ذلك من خلال الجمع بين سطح استنادا السخام شمعة، 10 مع هندسة الجهاز الذي تفضل قطرة المتداول ويؤدي إلى قوة صاعدة على الحبرية، مما خفض التفاعل قطيرة أرض. في هذا النهج، لا يرتبط قطرة الحركة مع ترطيب السطح. 11 الهدف من أسلوب مفصل موضح أدناه هو إنتاج جهاز DMF قادرة على نقل قطرات تحتوي على البروتينات والخلايا والكائنات كلها، من دون إضافات زائدة. الأجهزة الميدانية DW تمهد الطريق لمنصات تسيطر بشكل كامل العمل بشكل مستقل إلى حد كبير من قطرات الكيميائيراي. هنا، ونحن أيضا محاكاة الحالية تظهر أنه على الرغم من ارتفاع الجهد المطلوب لتشغيل الجهاز، وانخفاض الجهد عبر الحبرية هو جزء صغير من الجهد تطبيقها، مشيرا إلى آثار ضئيلة على bioanalytes داخل الحبرية. في الواقع، اختبارات أولية مع انواع معينة ايليجانس (C. ايليجانس)، والدودة الخيطية تستخدم لمجموعة متنوعة من الدراسات في علم الأحياء، وتبين أن الديدان تسبح دون عائق كما يتم تطبيقها الفولتية.

<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.

سابقا، وقد استخدمنا الأجهزة الميدانية DW للسماح للحركة من البروتينات في DMF. على وجه الخصوص، قطرات مع ألبومين المصل البقري (BSA) يمكن نقل بتركيز أعلى 2000 مرة من المبلغ عنها سابقا من قبل مؤلفين آخرين (بدون إضافات). ويعزى ذلك إلى انخفاض التفاعل بين قطرة والسطحية، ويبين ا?...

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.

الاستفادة من انخفاض التفاعل الرذاذ على سطح لتحسين نقل Bioanalytes في علم الموائع الدقيق الرقمي

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

Universidad San Sebastian

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.

طرق الكشف عن منصات مضان الحبرية ميكروفلويديك

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

Bioengineering

Capillary-based Centrifugal Microfluidic Device for Size-controllable Formation of Monodisperse Microdroplets

Here, we demonstrate a simple method for the rapid production of size-controllable, monodisperse, W/O microdroplets using a capillary-based centrifugal microfluidic device. W/O microdroplets have recently been used in powerful methods that enable miniaturized chemical experiments. Therefore, developing a versatile method to yield monodisperse W/O microdroplets is needed. We have developed a method for generating monodisperse W/O microdroplets based on a capillary-based centrifugal axisymmetric co-flowing microfluidic device. We succeeded in controlling the size of microdroplets by adjusting the capillary orifice. Our method requires equipment that is easier-to-use than with other microfluidic techniques, requires only a small volume (0.1-1 &#181;l) of sample solution for encapsulation, and enables the production of hundreds of thousands number of W/O microdroplets per second. We expect this method will assist biological studies that require precious biological samples by conserving the volume of the samples for rapid quantitative analysis biochemical and biological studies.

Here, we demonstrate a simple production method for size-controllable, monodisperse, water-in-oil (W/O) microdroplets using a capillary-based centrifugal microfluidic device. This method requires only a small sample volume and enables high-yield production. We expect this method will be useful for rapid biochemical and cellular analyses.

القائم الشعرية جهاز ميكروفلويديك الطرد المركزي لتشكيل السيطرة الحجم من Monodisperse Microdroplets

Here, we demonstrate a simple method for the rapid production of size-controllable, monodisperse, W/O microdroplets using a capillary-based centrifugal ...

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.

رقاقة ميكروفلويديك لICPMS مقدمة عينة

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.

ماصة-تلميح إلى أسلوب للخلايا البذر لمنصات موائع جزيئية الحبرية

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.

عالية السرعة نظام تسليم القطرة ومقرها سلبية الضخ في أجهزة ميكروفلويديك

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.

الرقمية على microfluidics لتصنيع البروتين الآلي

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.

A مجموعة القطيفة Femtoliter تخليق البروتين موازية على نطاق واسع من جزيئات الحمض النووي واحد

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.

مجموعة متعددة الاستخدامات تعتمد على تشغيل قطرة Microfluidics الرقمية لتعليم العلوم

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).

منصة Microfluidics الرقمية المستندة إلى الكهربية للعينات المناعية المناعية المرتبطة بالإنزيمات الآلية

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

إعداد جهاز الموائع الدقيقة لإنتاج المكونات التوافقية

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.

تسليط الضوء على المؤلف: دمج الأساليب الحسابية والتجريبية في علم الأورام الدقيق

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.

جهاز الموائع الدقيقة ثنائي الطبقة لإنتاج المكونات التوافقية

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