Die Autoren möchten die DFG für die Unterstützung zu erkennen.

1. Hydrophobierung von magnetischen Nanopartikeln <ol><li>für die Synthese von hydrophoben Magnetpartikel, 0,85 g FeCl 3 Hexahydrat (3,14 Mmol) und hinzufügen 0,30 g FeCl 2 Tetrahydrat (1,51 Mmol) 200 mL Wasser/Ethanol-Lösung (4:1 V/V).</li>
	<li>Diese Mischung hinzufügen 0,20 mL 1H, 1H, 2 H, 2H-Perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) (5,23 Mmol) unter kräftigen Rühren mit einem Magnetrührer (500 u/min). Führen Sie die Synthese in einer Schutzgasatmosphäre (N 2) mithilfe eine Rundboden-Flasche mit einem Korken um die sekundären Oxidation von Magnetit-Partikel zu verhindern.</li>
	<li>Einstellen den Lösung Tropfen klug mit einer Ammonium Hydroxid Lösung (1,5 M), einem pH-Wert von 8 (pH-Wert bestimmt durch ein pH-Meter). Rühren Sie die Lösung für 24 h mit einem Magnetrührer.</li>
	<li>Trennen die Partikel magnetisch von der Lösung, indem den Kolben auf eine Bar Magnet (Neodym Quader Magnet 40 x 20 x 10 mm, Kleber force 25 kg). Gießen Sie die Lösung unter Beibehaltung des Magnet an der Unterseite des Kolbens befestigt.</li>
	<li>Waschen die Partikel dreimal mit Wasser/Ethanol-Lösung bei der Verwendung einer Bar Magnet wie unter 1.4). Trocknen Sie die Partikel bei 60 ° C für 24 h (Ausbeute ca. 0,43 g).</li>
	<li>Für die Analyse der Partikel, verwenden ein Rasterelektronenmikroskop laut Hersteller &#39; Anweisungen s.</li>
</ol> 2. Herstellung von Mikroreaktoren <ol><li>die getrockneten Partikel leicht mit einem Glas Stößel zermahlen und anschließend stellen sie direkt in eine Waagschale (46 × 46 × 8 mm, Polystyrol).</li>
	<li>Pipette 10 µL Reaktionslösung (Zusammensetzung wie beschrieben in 5.1) auf alle Teilchen und verschieben das Wiegen Pfanne leicht in einen kreisförmigen Weg für ca. 10 s (Partikelmasse für eine 10 µL haarfeinen: ca. 3,2 x 10 -7 kg 33). Die restlichen Partikel (Teilchen, die nicht rund um die Reaktionslösung selbst zusammensetzen) bei Raumtemperatur für weitere Anwendungen zu speichern.</li>
	<li>Für die Messung der Kontaktwinkel der Mikroreaktortechnik, bauen eine 5 µL haarfeinen mit Wasser wie unter 2.2), legen Sie es auf eine Teflon-Film und den Kontaktwinkel mithilfe einer optischen Kontaktwinkel-Messgerät laut Hersteller analysieren &#39; s Anweisungen.</li>
</ol> 3. 3D-Druck von den Spulenkörper <ol><li>mit einer CAD-Software nach Hersteller entwerfen die doppelte Spulenkörper mit einer Höhe von 16 mm (eine Kammer), einem Durchmesser von 10 mm und einem Innendurchmesser von ca. 4 mm &#39; s Anweisungen.</li>
	<li>Drucken Sie den Spulenkörper mit einem 3D Drucker laut Hersteller &#39; s Anweisungen unter Verwendung von Materialien wie Polylactid Filament. Wickeln Sie den Körper mit einem 0,08 mm Kupfer Draht 4.500 Wicklungen mit einem Computer gesteuerte Wickelmaschine erreichen.</li>
</ol> 4. Herstellung der Betätigung Plattform <ol><li>Anordnen das doppelte Spulen in einer Matrix (z.B. 3 x 3 Matrix) auf eine Schalttafel mit einem Peltier-Element unter, Schrauben Sie die doppelte Spulen und verbinden Sie diese mit einer Steuerung über Ribbon Kabel ( Abbildung 3).</li>
	<li>Abhängig von der gewünschten Anwendung ein Eisenkern (32 mm Höhe, 4 mm Durchmesser) oder hinzufügen einen Neodym-Magneten (12,5 mm Höhe, 4 mm Durchmesser, 1.035 kA m -1) der Spulenkörper ein stärkeres Magnetfeld zu gewinnen.</li>
	<li>Bis Ende die Plattform legen Sie eine Platte, vorzugsweise Quarzglas mit einer maximalen Höhe von 1 mm auf der Spule Matrix.</li>
	<li>Einer haarfeinen auf der Oberfläche der Plattform zu platzieren.</li>
	<li>, Die oberen Partikel aus der Reaktionslösung zurückziehen und somit einen haarfeinen aktivieren eine Spule mit einem Neodymmagneten im Inneren mithilfe des Steuerelements in 4.1 genannten). Schließen der Mikroreaktortechnik wieder ausschalten die Spule.</li>
	<li>, Zwei Mikroreaktoren verschmelzen die zunächst ca. 10 mm voneinander entfernt sind verwenden Sie Neodym-Magneten wie unter 4.2). Heben Sie den Magneten in die gewünschten Spulenkörper durch die Aktivierung der Spulen für ca. 25 s, einen haarfeinen (Abstand zwischen haarfeinen und Magnet liegt ca. 12 mm) zu öffnen und zu einer in der gleichen Position auf der Plattform bewegen.</li>
	<li>, Um die Reaktion zu kühlen einschalten Lösung in der Mikroreaktortechnik auf der Oberfläche der Plattform und die Spulentemperatur verringern das Peltier-Element unter der Spule Matrix positioniert, wie unter 4.1 beschrieben).</li>
</ol> 5. Enzymatische Reaktion durch Zusammenführen von Mikroreaktoren <ol><li>auflösen-Meerrettich-Peroxidase in einer Konzentration von 0,1 µg mL -1 in Kalium-Phosphat-Puffer (0,1 M, pH 6,5). Verdünnen Sie das Substrat, 10-Acetyl-3,7-Dihydroxyphenoxazine (10 mM in Dimethylsulfoxide (DMSO)) mit Kalium-Phosphat-Puffer (0,1 M, pH 6,5) zu einer Konzentration von 200 µM.</li>
	<li>Einsatz 10 µL jede dieser Lösungen, zwei Mikroreaktoren zu bauen, wie unter 2.2). Verschmelzen die beiden Mikroreaktoren durch das Mittel der magnetischen Kräfte (Zylinder Neodymmagneten: 12,5 mm x 4 mm, 1.035 kA m -1) wie in 4.6 beschrieben) bei 25 ° c</li>
	<li>Erkennen die Reaktion durch die Positionierung einer Fluoreszenz-Sonde (Erregung Wellenlänge: 570 nm, Emissionswellenlänge: 585 nm) ca. 10 mm direkt über eine geöffnete haarfeinen vor dem Merge.</li>
</ol>

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M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tuning+of+Peroxidase+Activity+by+Covalently+Tethered+DNA+Oligonucleotides.">Tuning of Peroxidase Activity by Covalently Tethered DNA Oligonucleotides.</a> Bioconjugate Chem. 20 (5), 969-975 (2009).</li><li>Al-Kaidy, H., Tippk&#246;tter, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Superparamagnetic+hydrophobic+particles+as+shell+material+for+digital+microfluidic+droplets+and+proof-of-principle+reaction+assessments+with+immobilized+laccase.">Superparamagnetic hydrophobic particles as shell material for digital microfluidic droplets and proof-of-principle reaction assessments with immobilized laccase.</a> Eng. Life Sci. 16 (3), 222-230 (2016).</li></ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Für den erfolgreichen Einsatz von mikrofluidischen Technologien ist es wichtig, das Reaktionsvolumen entsprechend den Anforderungen der biotechnologische Synthese und Analysen zu bewegen. Die hier vorgestellten Betätigung-Plattform ermöglicht es mikrofluidischen Tröpfchen durch Magnetkraft verschieben. Die Bewegung kann frei in zwei Dimensionen auf einer planaren Fläche einer Reaktion-Plattform durchgeführt werden, unter Beifügung den flüssigen Tropfen mit einem magnetischen superhydrophob Schale. Damit wird ein ...

Technische Anwendungen mit Mikro Reaktionen erfolgen überwiegend in vordefinierten Microchannel-Chips. Diese Systeme sind weit verbreitet und in der Literatur umfassend beschrieben (inter Alia 1,2,3). Im Jahr 2011 betrug der Umsatz von mikrofluidischen Technologien weltweit 6,2 Milliarden Euro 4. Im Gegensatz dazu war die Verwendung von frei beweglichen Mikro Reaktorsektionen zuvor nur untersucht und veröffentlicht in begrenztem Umfang. Die am häufigsten verwendete Methode zum Verschieben von wässriger micro Tröpfchen ist Electrowetting 5. Andere Methoden für die Bewegung der Tropfen auf Oberflächen basieren auf elektrische Felder 6, Magnetkraft 7 oder akustische Betätigung 8. Aufgrund ihrer ungünstigen Oberfläche zu Volumen-Verhältnis sind diese haarfeinen Droplet-basierte Systeme starke Verdunstung Einflüssen ausgesetzt. Damit ist die Drop-Bewegung in der Regel als einen flüssigen Zweiphasensystem eingerichtet wo die obere Phase hat einen hohen Siedepunkt die wässrige Phase vor Verdunstung zu schützen. Dieser Ansatz beinhaltet jedoch ein hohes Risiko der Kontaminierung der Reaktion Tröpfchen durch unkontrollierte Diffusion. Dies ist ein erhebliches Hindernis für die technische Einrichtung der genannten Systeme.
Neuere Arbeiten befasst sich mit nicht-anhaftende flüssig-fest Phasenübergänge. Ein hochwirksamer Ansatz ist die Verwendung von superhydrophob Oberflächen, so dass die Bildung von sphärischen wässrige Tröpfchen. Eine Erweiterung dieses Konzepts der Reaktion ist die Verwendung von micro Reaktion Fächer mit einem superhydrophob Oberfläche oder Schale, die zum Beispiel aus Polytetrafluorethylen (PTFE) Partikel 9bestehen kann. Der Kontaktwinkel auf Oberflächen sind in der Regel im Bereich von 160° (abhängig von der Rauheit der Oberfläche). Die sphärische Fächer somit minimale Widerstand gegen die Bewegung auf einer Fläche und bieten gleichzeitig Schutz vor Verdunstung.
Wässrige Tropfen mit Mikropartikeln Größe PTFE beschichtet können ihre Kugelform bis zu einem Durchmesser von etwa 2 mm beibehalten. Bei höheren Lautstärken ist die hydrophobe Shell in der Regel nicht komplett nicht mehr 10geschlossen. Der Einfluss der anderen Shell-Materialien und der Ausbau der Anwendungsbereich des flüssigen Marmors gegenüber unpolaren Lösungsmitteln wurde Gao und McCarthy mithilfe ionische Flüssigkeiten 12implementiert. Für die Bildung von hydrophoben partikelbasierte Muscheln wurden Partikeldurchmesser in Größen von 10 nm bis 30 µm bisher beschriebenen 11,14,16. Neue Studien zeigten, dass hydrophobe Nanopartikel als Hüllenmaterial noch besser zu nutzen als die Mikropartikel 13sind. Ersten Stabilitätsstudien bestätigt eine Erhöhung in Stabilität, wenn die Partikelgröße von reduziert wird ca. 600 nm bis ca. 100 nm. Dieser zu erwartenden Ergebnisse aus Dichter Partikelverteilung rund um den wässrigen Bereich 15.
Der Schutz der wässrigen Reaktion Fächer durch eine hydrophobe Shell und die Bezeichnung als flüssige Murmeln wurde erstmals im Jahr 2001 von Aussillous Et Al. und Mahadevan Et Al. beschrieben. 17 , 18. seitdem einige Anwendungen dieser definierte Reaktion Abteilungen beschrieben worden. Zum Beispiel ein Gassensor auf Basis flüssiger Marmor 19 und ein Nachweisverfahren für Wasserverschmutzung basierend auf einer optisch qualitative Basis entwickelten 20gewesen sind. Die Autoren unterscheiden die Vorteile der hohe Reaktionsgeschwindigkeiten und der niedrige Verbrauch von Chemikalien ihre Mikro Reaktionssysteme. Jüngste Publikationen beschäftigen sich mit der Herstellung von pH-Sensitive liquid Murmeln 16 oder die Darstellung der "Janus Partikel" mit zwei verschiedenen Beschichtungen aus verschiedenen Funktionen. Beispielsweise könnte Bormashenko Et Al. einen haarfeinen mit Muscheln aus Teflon und halbleitenden Ruß 21synthetisieren. Außerdem wurde nachgewiesen, dass Mikroreaktoren effizient können und bequem durch die Absorption von externen Sauerstoff als Comonomer durch die durchlässigen Gas-Flüssigkeits-Schnittstelle 24Polyperoxides zu synthetisieren. Bei einem anderen Ansatz bieten die Schale der Silica-Partikel-basierten flüssigen Murmeln die reaktiven Substratoberflächen, klassische Silberspiegel-Reaktion- 26zu regulieren. Aktuelle Probleme für Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der hydrophilen-Kern-hydrophobe-Schale Tropfen sind die Partikel Größenanpassung, die reproduzierbare Produktion von monodispersen Tropfen, die Benetzbarkeit von Oberflächen und die Wirkung einer Sekunde hydrophile Hülle auf das Mikro Reaktion Fächer 22sowie eine bessere Kontrolle über die Tröpfchen Flugbahnen, z.B. für die Entwicklung des MicroPCR-Durchlaufanlagen 4.
Eine magnetischen Betätigung des diese Mikroreaktoren bietet den Vorteil, relativ hohe Bewegung reicht und eine gute Selektivität der Kraft bei der Arbeit in biochemischen Systemen. Bei der Verwendung von hydrophoben Magnetit-Teilchen erfüllen sie sowohl die Funktion der magnetischen Kraftübertragung für den Verkehr von der Mikroreaktoren, als auch die Funktion einer hydrophoben Schale. Die magnetische Bewegung der Tröpfchen mit magnetischen Partikeln in einem Tröpfchen wurde erstmals im Jahr 2006 von Lehmann Et Al. postuliert. 23 und Shikida Et al. 25, die manuell benutzt wechselte Permanentmagneten als Aktoren für die Mobilisierung eines einzelnen Tropfens. Ein weiterer Ansatz, eine kleine Menge Flüssigkeit zu bewegen wurde von Zhao Et Al., realisiert, die die hydrophoben Fe3O4 Partikel als magnetische Hülle verwendet. Die Hülle des magnetischen Flüssigkeit Marmor wurde auf der oberen Seite des Tropfens durch eine vertikale umgekehrter Magnetfeld 27eröffnet. Basierend auf diesem Konzept, konnten Xue Et Al. Partikel zu entwickeln, die einen haarfeinen mit einer Oberflächenspannung von 20,1 dyn cm−1 28bilden. Lin Et Al. fabriziert Roman Zellulose basierende Mikro/Nano hierarchische Kugeln mit Superparamagnetism und Superhydrophobicity die magnetischen Tropfen Transport und Manipulation 31Gott Stabilität vorsehen. Dies war bisher nur veröffentlicht, wie ein Proof of Principle studieren und nicht für jede Anwendung verwendet. Die magnetische und elektrische Steuerung der flüssigen Marmor wird derzeit in ersten Ansätzen verfolgt. Zhao Et Al. 2010 15 und Zhang Et Al. 2012 29 waren in der Lage, eine Tröpfchen Manipulation durch die manuelle (handbetrieben) Bewegung eines Permanentmagneten unter Kern-Schale-Tröpfchen zu entwickeln. Bormashenko Et al. 11 erreicht die Beschleunigung einer ferromagnetischen flüssige Murmel auf eine Geschwindigkeit von 25 cm s-1 durch die Annäherung an einen Neodym-Magneten. Dem oben genannten Grundsatz Studien wurden ausschließlich durch die manuelle Bewegung des kleinen Dauermagneten durchgeführt. Als nächstes Entwicklung wurden Zhao Et Al. vor kurzem in der Lage, die erforderliche magnetische Flussdichte für die Bewegung der magnetischen Flüssigkeit Marmor durch Variation der Entfernung eines Permanent-Magnet- 30zu schätzen. Für eine Reaktionskontrolle vergleichbar mit der gemeinsamen Lab-on-a-Chip-Systeme scheint es unumgänglich, die automatische Steuerung des diskreten liquid v zur Verfügung zu stellenOlumes. Um dieses Bedürfnis zu befriedigen, haben wir eine neue Steuerung basierend auf Variablenfeld Steigungen zu fixieren, bewegen und öffnen Sie die magnetischen Mikroreaktoren entwickelt.

<table><tbody><tr><td>3D-printer</td><td>FelixPrinters</td><td>Pro1</td><td></td></tr><tr><td>10-acetyl-3,7-dihydroxyphenoxazine (Amplex Red)</td><td>Life Technologies</td><td>A12222</td><td></td></tr><tr><td>Ammonium hydroxide</td><td>TU-KL</td><td>1072</td><td></td></tr><tr><td>CAD software</td><td>Siemens</td><td>Soled edge</td><td></td></tr><tr><td>Contact angle measuring device</td><td>Dataphysics</td><td>OCA 20</td><td></td></tr><tr><td>Cylinder magnet</td><td>Webcraft GmbH</td><td>S-04-13-N</td><td>https://www.supermagnete.de/stabmagnete-neodym-rund/stabmagnet-durchmesser-4mm-hoehe-12.5mm-neodym-n42-vernickelt_S-04-13-N</td></tr><tr><td>Dipotassium phosphate</td><td>Bernd Kraft</td><td>7758-11</td><td></td></tr><tr><td>Drying oven</td><td>Binder</td><td>FD 115</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>68-17-5</td><td></td></tr><tr><td>FeCl&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; tetrahydrate</td><td>TU-KL</td><td>1625</td><td></td></tr><tr><td>FeCl&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt; hexahydrate</td><td>TU-KL</td><td>1622</td><td></td></tr><tr><td>Fluorescence probe</td><td>PerkinElmer</td><td>LS 55</td><td></td></tr><tr><td>Horseradish peroxidase</td><td>Carl Roth</td><td>9003-99-0</td><td></td></tr><tr><td>Hydrogen peroxide</td><td>Th.Geyer GmbH &amp;amp; Co</td><td>7722-84-1</td><td></td></tr><tr><td>Monopotassium phosphate</td><td>Bernd Kraft</td><td>7778-77-0</td><td></td></tr><tr><td>Peltier element</td><td>Conrad&amp;nbsp;</td><td>193569</td><td></td></tr><tr><td>Perfluoroctyltriethoxysilane</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>51851-37-7</td><td></td></tr><tr><td>Scanning Electron Microscope</td><td>FEI</td><td>Helios NanoLab 650 DualBeam</td><td></td></tr><tr><td>Separation bar magnet</td><td>Webcraft GmbH</td><td>Q-40-20-10-N</td><td></td></tr><tr><td>Winding machine</td><td>IWT GmbH</td><td>FW122</td><td></td></tr></tbody></table>

aqueous droplets used as enzymatic microreactors and their electromagnetic actuation

Für die erfolgreiche Umsetzung von mikrofluidischen Reaktionssysteme, wie PCR und Elektrophorese ist die Bewegung der Flüssigkeit Kleinmengen unerlässlich. In konventionellen Labor-auf-ein-Chip-Plattformen Lösungsmittel und Proben definierten mikrofluidische Kanäle mit komplexen Steuerung Installationen durchlaufen. Die Tröpfchen Betätigung Plattform präsentiert hier ist eine viel versprechende Alternative. Damit ist es möglich, einen flüssigen Tropfen (haarfeinen) auf eine planare Fläche einer Reaktion-Plattform (Labor-in-Drop) bewegen. Die Betätigung von Mikroreaktoren für die hydrophobe Oberfläche der Plattform basiert auf der Verwendung von magnetischen Kräfte, die auf die äußere Hülle des flüssigen Tropfen aus einer dünnen Schicht von superhydrophob Magnetit-Teilchen. Die hydrophobe Oberfläche der Plattform ist erforderlich, um jeglichen Kontakt zwischen dem flüssigen Kern und der Oberfläche ermöglichen eine reibungslose Bewegung der Mikroreaktortechnik zu vermeiden. Auf der Plattform können ein oder mehrere Mikroreaktoren mit einem Volumen von 10 µL positioniert und gleichzeitig bewegt. Die Plattform selbst besteht aus einer 3 x 3 Matrix der elektrische doppelte Spulen, die entweder Neodym oder Eisen Kerne unterzubringen. Die Magnetfeld-Gradienten werden automatisch gesteuert. Durch Veränderung des magnetischen Feldes Steigungen kann die Mikroreaktoren magnetische hydrophobe Shell automatisch manipuliert werden, um die haarfeinen verschieben oder öffnen Sie die Shell reversibel. Reaktionen der Substrate und entsprechende Enzyme können durch Zusammenlegung der Mikroreaktoren oder bringen sie in Kontakt mit Oberflächen immobilisiert Katalysatoren initiiert werden.

Die Shell-Partikel haben einen Durchmesser von rund 640 nm. Die magnetisierbaren Nanopartikeln in diesem Fluorosilane Shell Partikel eingeschlossen haben Durchmesser im Bereich von 22 nm und 37 nm. Eine 5 µL haarfeinen mit Wasser als einen flüssigen Kern hatte einen Kontaktwinkel von rund 160 ° c.
Der Kraftaufwand zu bewegen ist ein 10 µL haarfeinen wie oben beschrieben 1,34 ± 0,08 µN. Abbildung 1</str...

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Aqueous Droplets Used as Enzymatic Microreactors and Their Electromagnetic Actuation

Labor-in-a-Drop Reaktionssysteme erlauben die vielseitige Implementierung von komplexen Reaktionen in mikrofluidischen Maßstab. Eine automatisierte Betätigung-Plattform, bestehend aus einem 3 x 3-Matrix von elektromagnetischen Spulen wurde entwickelt und erfolgreich eingesetzt, um verschmelzen zwei 10 µL Mikroreaktoren und dadurch eine enzymatische Reaktion in die resultierenden flüssige Murmeln zu initiieren.

Wässrige Tröpfchen als enzymatische Mikroreaktoren und deren elektromagnetischen Betätigung

For the successful implementation of microfluidic reaction systems, such as PCR and electrophoresis, the movement of small liquid volumes is essential. In ...

aqueous-droplets-used-as-enzymatic-microreactors-their

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Bioengineering

5.3K Aufrufe.  University of Kaiserslautern. Labor-in-a-Drop Reaktionssysteme erlauben die vielseitige Implementierung von komplexen Reaktionen in mikrofluidischen Maßstab. Eine automatisierte Betätigung-Plattform, bestehend aus einem 3 x 3-Matrix von elektromagnetischen Spulen wurde entwickelt und erfolgreich eingesetzt, um verschmelzen zwei 10 µL Mikroreaktoren und dadurch eine enzymatische Reaktion in die resultierenden flüssige Murmeln zu initiieren.

Serie: Aqueous Droplets Used as Enzymatic Microreactors and Their Electromagnetic Actuation

The Visual Colorimetric Detection of Multi-nucleotide Polymorphisms on a Pneumatic Droplet Manipulation Platform

A simple and visual method to detect multi-nucleotide polymorphism (MNP) was performed on a pneumatic droplet manipulation platform on an open surface. This approach to colorimetric DNA detection was based on the hybridization-mediated growth of gold nanoparticle probes (AuNP probes). The growth size and configuration of the AuNP are dominated by the number of DNA samples hybridized with the probes. Based on the specific size- and shape-dependent optical properties of the nanoparticles, the number of mismatches in a sample DNA fragment to the probes is able to be discriminated. The tests were conducted via droplets containing reagents and DNA samples respectively, and were transported and mixed on the pneumatic platform with the controlled pneumatic suction of the flexible PDMS-based superhydrophobic membrane. Droplets can be delivered simultaneously and precisely on an open-surface on the proposed pneumatic platform that is highly biocompatible with no side effect of DNA samples inside the droplets. Combining the two proposed methods, the multi-nucleotide polymorphism can be detected at sight on the pneumatic droplet manipulation platform; no additional instrument is required. The procedure from installing the droplets on the platform to the final result takes less than 5 min, much less than with existing methods. Moreover, this combined MNP detection approach requires a sample volume of only 10 &#181;l in each operation, which is remarkably less than that of a macro system.

This work presents a simple and visual method to detect multi-nucleotide polymorphisms on a pneumatic droplet manipulation platform. With the proposed method, the entire experiment, including droplet manipulation and detection of multi-nucleotide polymorphisms, can be performed near 23 &#176;C without the aid of advanced instruments.

Der Visual kolorimetrischen Nachweis von Multi-Nukleotid-Polymorphismen auf einem pneumatischen Droplet Manipulation Platform

A simple and visual method to detect multi-nucleotide polymorphism (MNP) was performed on a pneumatic droplet manipulation platform on an open surface. ...

Forschung

Genetik

Picoinjection of Microfluidic Drops Without Metal Electrodes

Existing methods for picoinjecting reagents into microfluidic drops require metal electrodes integrated into the microfluidic chip. The integration of these electrodes adds cumbersome and error-prone steps to the device fabrication process. We have developed a technique that obviates the needs for metal electrodes during picoinjection. Instead, it uses the injection fluid itself as an electrode, since most biological reagents contain dissolved electrolytes and are conductive. By eliminating the electrodes, we reduce device fabrication time and complexity, and make the devices more robust. In addition, with our approach, the injection volume depends on the voltage applied to the picoinjection solution; this allows us to rapidly adjust the volume injected by modulating the applied voltage. We demonstrate that our technique is compatible with reagents incorporating common biological compounds, including buffers, enzymes, and nucleic acids.

We have developed a technique for picoinjecting microfluidic drops that does not require metal electrodes. As such, devices incorporating our technique are simpler to fabricate and to use.

Picoinjection von Mikrofluidik-Tropfen ohne Metall-Elektroden

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

Ingenieurwesen

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.

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.

Vorteilhafte Reduzierte Droplet-Oberflächen-Wechselwirkung, um den Transport Bioanalyten in Digitale Mikrofluidik Optimieren

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

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.

Kapillar-basierten Kreisel Mikrofluidik-Vorrichtung zur Größe steuerbare Bildung von monodispersen Mikrotröpfchen

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

Microfluidic Preparation of Liquid Crystalline Elastomer Actuators

This paper focuses on the microfluidic process (and its parameters) to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. The preparation usually consists in the formation of droplets containing low molar mass liquid crystals at elevated temperatures. Subsequently, these particle precursors are oriented in the flow field of the capillary and solidified by a crosslinking polymerization, which produces the final actuating particles. The optimization of the process is necessary to obtain the actuating particles and the proper variation of the process parameters (temperature and flow rate) and allows variations of size and shape (from oblate to strongly prolate morphologies) as well as the magnitude of actuation. In addition, it is possible to vary the type of actuation from elongation to contraction depending on the director profile induced to the droplets during the flow in the capillary, which again depends on the microfluidic process and its parameters. Furthermore, particles of more complex shapes, like core-shell structures or Janus particles, can be prepared by adjusting the setup. By the variation of the chemical structure and the mode of crosslinking (solidification) of the liquid crystalline elastomer, it is also possible to prepare actuating particles triggered by heat or UV-vis irradiation.

This article describes the microfluidic process and parameters to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. This process allows the preparation of actuating particles and the variation of their size and shape (from oblate to strongly prolate, core-shell, and Janus morphologies) as well as the magnitude of actuation.

Mikrofluidische Vorbereitung der flüssigen kristallenen Elastomer Aktoren

This paper focuses on the microfluidic process (and its parameters) to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. The preparation ...

Chemie

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.

Ein Femtoliter Droplet Array für massive parallele Proteinsynthese aus einzelnen DNA-Molekülen

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

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.

Ein vielseitiges Kit basierend auf digitaler Mikrofluidics Droplet-Betätigung für die wissenschaftliche Bildung

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

Glass-Based Devices to Generate Drops and Emulsions

In this manuscript, three different step-by-step protocols to generate highly monodisperse emulsion drops using glass-based microfluidics are described. The first device is built for the generation of simple drops driven by gravity. The second device is designed to generate emulsion drops in a coflowing scheme. The third device is an extension of the coflowing device with the addition of a third liquid that acts as an electric ground, allowing the formation of electrified drops that subsequently discharge. In this setup, two of the three liquids have an appreciable electrical conductivity. The third liquid mediates between these two and is a dielectric. A&#160;voltage difference applied between the two conducting liquids creates an electric field that couples with hydrodynamic stresses of the coflowing liquids, affecting the jet and drop formation process. The addition of the electric field provides a path to generate smaller drops than in simple coflow devices and for generating particles and fibers with a wide range of sizes.

Here, a protocol to manufacture glass-based microfluidic devices used for generating highly monodisperse emulsions with controlled drop size is presented.

Glasbasierte Geräte zur Erzeugung von Tropfen und Emulsionen

In this manuscript, three different step-by-step protocols to generate highly monodisperse emulsion drops using glass-based microfluidics are described. ...

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).

Elektrowetting-basierte Digital Microfluidics Plattform für automatisierte enzymgebundene Immunsorbent 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 ...

Biotechnik

Aufbau einer mikrofluidischen Vorrichtung zur kombinatorischen Steckerherstellung

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.

Autor im Rampenlicht: Integration von computergestützten und experimentellen Ansätzen in der Präzisionsonkologie

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.

Zweischichtiges mikrofluidisches Gerät für die kombinatorische Steckerproduktion

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