fluorescence-detection-methods-for-microfluidic-droplet-platforms

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 ...

Wir berichten die experimentelle &Uuml;berpr&uuml;fung der vorhergesagten chaotischen mischen Merkmale f&uuml;r einen Polydimethylsioxane Microfluidic Chip, basierend auf den Mechanismus der mehrstufigen kanal&uuml;bergreifende flie&szlig;t. W&auml;hrend der chaotischen mischen innerhalb kurze Passage Distanzen erreicht werden kann, gibt es eine optimale Seite flie&szlig;en Pulsation Kanalfrequenz jenseits derer das Mischen Wirkung verliert. Auf der Grundlage des physikalischen Verst&auml;ndnisses einer Poincar&eacute; Abschnitt Analyse, schlagen wir die Installation von passiven Str&ouml;mung Schikanen im wichtigsten mikrofluidische Kanal Hochfrequenz-mischen zu erleichtern. Der kombinierten Hybridansatz erm&ouml;glicht es, chaotische mischen bei erh&ouml;hte Frequenz und reduzierter Durchgang Distanz in zweidimensionalen flie&szlig;t.

Hybridansatz zur Hochfrequenz-mikrofluidische mischen.

We report the experimental verification of the predicted chaotic mixing characteristics for a polydimethylsioxane microfluidic chip, based on the mechanism of multistage cross-channel flows. While chaotic mixing can be achieved within short passage distances, there is an optimal side channel flow pulsation frequency beyond which the mixing becomes ineffective. Based on the physical understanding of a PoincarÃ© section analysis, we propose the installation of passive flow baffles in the main microfluidic channel to facilitate high-frequency mixing. The combined hybrid approach enables chaotic mixing at enhanced frequency and reduced passage distance in two-dimensional flows.

Hybrid approach to high-frequency microfluidic mixing.

A novel method is presented for controllably merging aqueous microdroplets within segmented flow microfluidic devices. Our approach involves exploiting the difference in hydrodynamic resistance of the continuous phase and the surface tension of the discrete phase through the use of passive structures contained within a microfluidic channel. Rows of pillars separated by distances smaller than the representative droplet dimension are installed within the fluidic network and define passive merging elements or chambers. Initial experiments demonstrate that such a merging element can controllably adjust the distance between adjacent droplets. In a typical scenario, a droplet will enter the chamber, slow down and stop. It will wait and then merge with the succeeding droplets until the surface tension is overwhelmed by the hydraulic pressure. We show that such a merging process is independent of the inter-droplet separation but rather dependent on the droplet size. Moreover, the number of droplets that can be merged at any time is also dependent on the mass flow rate and volume ratio between the droplets and the merging chamber. Finally, we note that the merging of droplet interfaces occurs within both compressing and the decompressing regimes.

Pillar-induced droplet merging in microfluidic circuits.

Eine neuartige Methode ist dargestellt, f&uuml;r das Zusammenf&uuml;hren von Seilbremsen w&auml;ssrige Microdroplets in segmentierten Fluss Microfluidic Vorrichtungen. Unser Ansatz besteht in der Ausnutzung des Unterschied in der hydrodynamischen Widerstand der kontinuierlichen Phase und die Oberfl&auml;chenspannung der diskreten Phase durch den Einsatz von passiven Strukturen innerhalb eines Kanals mikrofluidische. Reihen von S&auml;ulen getrennt durch Entfernungen kleiner als die Dimension der repr&auml;sentativen Tr&ouml;pfchen fluidische Netzwerkes installiert sind und definieren verschmelzenden Passivelemente oder Kammern. Erste Experimente zeigen, dass den Abstand zwischen benachbarten Tr&ouml;pfchen wie ein Zusammenf&uuml;hren von Element Seilbremsen angepasst werden kann. In einem typischen Szenario wird ein Droplet geben Sie die Kammer, verlangsamen und stoppen. Es warten und dann mit den nachfolgenden Tr&ouml;pfchen zusammen, bis die Oberfl&auml;chenspannung durch die hydraulische Belastung &uuml;berfordert ist. Wir zeigen, dass eine Zusammenf&uuml;hrung der inter-droplet Trennung unabh&auml;ngig aber eher abh&auml;ngig von der Tr&ouml;pfchengr&ouml;&szlig;e. Dar&uuml;ber hinaus h&auml;ngt die Anzahl der Tr&ouml;pfchen, die jederzeit zusammengef&uuml;hrt werden k&ouml;nnen auch Massenstrom Rate und Volume Verh&auml;ltnis die Tr&ouml;pfchen und die verschmelzenden Kammer. Abschlie&szlig;end ist festzustellen, dass das Zusammenf&uuml;hren von Tr&ouml;pfchen Schnittstellen innerhalb komprimieren und Dekomprimieren Regime auftritt.

S&auml;ule-induzierte Tr&ouml;pfchen verschmelzen in mikrofluidische Schaltungen.

Electrorheological (ER) fluids are a type of ''smart'' colloid capable of reversible viscosity variations, or even solidification, in response to an applied electric field. The response time can be as short as a few milliseconds. By using the ER fluid as the carrier fluid in microfluidic chips, we report the generation and manipulation of microdroplets and bubbles via integrated, digitally controlled micro-electrodes equipped with a feedback system. By utilizing the strong electric response of the ER fluid, the flow rate can be easily controlled digitally, thereby making tunable the size of the droplets generated and their separations. In particular, ordering change in a chain of droplets is demonstrated. The maneuverability presented in this paper may have potential applications in a variety of lab chips for chemical reactions, bioassays, as well as microfluidic logic computation.

Manipulations of microfluidic droplets using electrorheological carrier fluid.

Elektrorheologische (ER) Fl&uuml;ssigkeiten sind eine Art von &#39;&#39; intelligente &#39;&#39; Kolloid reversible Viskosit&auml;t Variationen oder sogar Erstarrung, als Reaktion auf ein angewandte elektrisches Feld. Die Antwort kann so kurz wie ein paar Millisekunden betragen. Mithilfe der ER fl&uuml;ssig als Tr&auml;ger Fl&uuml;ssigkeit in mikrofluidische Chips, berichten wir die Erzeugung und Manipulation von Microdroplets und Blasen &uuml;ber integriert, Digital gesteuert, Mikro-Elektroden mit einer Feedback-System ausgestattet. Durch die Verwendung der starken elektrischen Reaktion der ER Fl&uuml;ssigkeit, kann der Durchfluss leicht Digital, gesteuert werden wodurch einstellbare die Gr&ouml;&szlig;e der Tr&ouml;pfchen erzeugt und ihre Separationen. Insbesondere wird die Bestellung &auml;ndern in einer Kette von Tr&ouml;pfchen demonstriert. Die Man&ouml;vrierbarkeit pr&auml;sentiert in diesem Papier eventuell m&ouml;gliche Anwendungen in einer Vielzahl von Lab-Chips f&uuml;r chemische Reaktionen sowie Bioassays und mikrofluidische Logik Berechnung.

Manipulationen der Microfluidic Tr&ouml;pfchen mit Elektrorheologische Tr&auml;ger Fl&uuml;ssigkeit.

We report the design and implementation of capacitive detection and control of microfluidic droplets in microfluidic devices. Integrated microfluidic chip(s) with detectioncontrol circuit enables us to monitor in situ the individual volume of droplets, ranging from nanoliter to picoliter, velocity and even composition, with an operation frequency of several kilohertz. Through electronic feedback, we are able to easily count, sort, and direct the microfluidic droplets. Potential applications of this approach can be employed in the areas of biomicrofluidic processing, microchemical reactions as well as digital microfluidics.

Real-time detection, control, and sorting of microfluidic droplets.

Wir berichten &uuml;ber das Design und die Umsetzung der kapazitive Erkennung und Kontrolle der Microfluidic Tr&ouml;pfchen in Microfluidic Vorrichtungen. Integrierte mikrofluidische M&uuml;nze(n) mit Detectioncontrol Schaltung erm&ouml;glicht es uns, in-situ &uuml;berwachen die individuelle Lautst&auml;rke Tr&ouml;pfchen, von Nanoliter bis Picoliter, Geschwindigkeit und sogar Komposition mit einem Vorgang-Frequenz von mehreren Kilohertz. Durch elektronische Feedback k&ouml;nnen wir leicht z&auml;hlen, Sortieren und Weiterleiten der Microfluidic-Tr&ouml;pfchen. Anwendungsm&ouml;glichkeiten dieses Ansatzes k&ouml;nnen in den Bereichen Verarbeitung, microchemical Reaktionen sowie digitale Mikrofluidik Biomicrofluidic eingesetzt werden.

Echtzeit-Erkennung, Kontrolle und Sortierung der Microfluidic Tr&ouml;pfchen.

In this paper we describe a universal mechanism for merging multiple aqueous microdroplets within a flowing stream consisting of an oil carrier phase. Our approach involves the use of both a pillar array acting as a passive merging element, as well as built-in electrodes acting as an active merging element. The pillar array enables slowing down and trapping of the droplets via the drainage of the oil phase. This brings adjacent droplets into close proximity. At this point, an electric field applied to the electrodes breaks up the thin oil film surrounding the droplets resulting in merging.

Electro-coalescence of digitally controlled droplets.

In diesem Artikel beschreiben wir einen universellen Mechanismus f&uuml;r das Zusammenf&uuml;hren von mehreren w&auml;ssrige Microdroplets innerhalb einer flie&szlig;ender Strom, bestehend aus einer &Ouml;l-Tr&auml;gerphase. Unser Ansatz beinhaltet die Verwendung von beiden eine S&auml;ule-Array als eine passive verschmelzenden Element sowie integrierte Elektroden, die als eines aktiven Zusammenf&uuml;hren von Elements. Das S&auml;ule-Array erm&ouml;glicht Verlangsamung und &Uuml;berf&uuml;llung der Tr&ouml;pfchen &uuml;ber die Entw&auml;sserung der &Ouml;lphase. Dies bringt neben Tr&ouml;pfchen in unmittelbarer N&auml;he. Zu diesem Zeitpunkt angewendet ein elektrisches Feld an die Elektroden bricht der &Ouml;lfilm rund um die Tr&ouml;pfchen, was zu verschmelzen.

Elektro-Zusammenwachsen der digitalgesteuerte Tr&ouml;pfchen.

A versatile approach for the rapid prototyping of microfluidic devices suitable for use with FT-IR spectroscopic imaging is introduced. Device manufacture is based on the direct printing of paraffin onto the surface of an infrared transparent substrate, followed by encapsulation. Key features of this approach are low running costs, rapid production times, simplicity of design modifications and suitability for integration with FT-IR spectroscopic measurements. In the current experiments, the minimum width of channel walls was found to be approximately 120 mum and approximately 200 when a 25 mum and 12 mum spacer is used, respectively. Water and poly(ethylene glycol) are used as model fluids in a laminar flow regime, and are imaged in both transmission and attenuated total reflection (ATR) modes. It is established that adoption of transmission mode measurements yields superior sensitivity whilst the ATR mode is more suitable for quantitative analysis using strong spectral absorption bands. Results indicate that devices manufactured using this approach are suitable for use with in situ FT-IR spectroscopic imaging.

Rapid prototyping of microfluidic devices for integrating with FT-IR spectroscopic imaging.

Ein vielseitiger Ansatz f&uuml;r das rapid Prototyping mikrofluidische Ger&auml;te geeignet f&uuml;r den Einsatz mit FT-IR-spektroskopische Bildgebung wird eingef&uuml;hrt. Ger&auml;t Herstellung basiert auf das direkte Drucken von Paraffin auf die Oberfl&auml;che einer Infrarot transparenten Substrat, gefolgt von Kapselung. Hauptmerkmale dieses Ansatzes sind niedrige laufende Kosten, schnelle Produktionszeiten, Einfachheit des Design-Modifikationen und Eignung f&uuml;r die Integration mit FT-IR-spektroskopische Messungen. In den aktuellen Experimenten die Mindestbreite der Kanal Mauern wurde festgestellt, dass rund 120 Mutter sein und ca. 200 wenn 25 malzkaffee und 12 malzkaffee Spacer verwendet wird, bzw.. Wasser und Poly(ethylene glycol) dienen als Modell Fl&uuml;ssigkeiten in einem Laminar-Flow-Regime und sind sowohl die &Uuml;bertragung als auch die abgeschw&auml;chte Totalreflexion (ATR) Modi &uuml;berhaupt. Festgestellt wird, dass die Annahme des Modus Transmissionsmessungen &uuml;berlegene Empfindlichkeit ergibt, w&auml;hrend der ATR-Modus f&uuml;r Quantitative Analyse starke spektrale Absorption B&auml;nder mithilfe geeigneter ist. Ergebnisse zeigen, dass die Ger&auml;te hergestellt, mit diesem Ansatz sind geeignet f&uuml;r die Verwendung mit in-situ-FT-IR-spektroskopische-Bildgebung.

Rapid-Prototyping Microfluidic Vorrichtungen zur Integration mit FT-IR-spektroskopische-Bildgebung.

The behaviour of droplets entering a microfluidic chamber designed to house microelectrode detectors for real time analysis of clinical microdialysate is described. We have designed an analysis chamber to collect the droplets produced by multiphase flows of oil and artificial cerebral spinal fluid. The coalescence chamber creates a constant aqueous environment ideal for the placement of microelectrodes avoiding the contamination of the microelectrode surface by oil. A stream of alternating light and dark coloured droplets were filmed as they passed through the chamber using a high speed camera. Image analysis of these videos shows the colour change evolution at each point along the chamber length. The flow in the chamber was simulated using the general solution for Poiseuille flow in a rectangular chamber. It is shown that on the centre line the velocity profile is very close to parabolic, and an expression is presented for the ratio between this centre line velocity and the mean flow velocity as a function of channel aspect ratio. If this aspect ratio of width/height is 2, the ratio of flow velocities closely matches that of Poiseuille flow in a circular tube, with implications for connections between microfluidic channels and connection tubing. The droplets are well mixed as the surface tension at the interface with the oil dominates the viscous forces. However once the droplet coalesces with the solution held in the chamber, the no-slip condition at the walls allows Poiseuille flow to take over. The meniscus at the back of the droplet continues to mix the droplet and acts as a piston until the meniscus stops moving. We have found that the no-slip conditions at the walls of the chamber, create a banding effect which records the history of previous drops. The optimal position for sensors is to be placed at the plane of droplet coalescence ideally at the centre of the channel, where there is an abrupt concentration change leading to a response time â‰ª16 ms, the compressed frame rate of the video. Further away from this point the response time and sensitivity decrease due to convective dispersion.

Optimisation of a microfluidic analysis chamber for the placement of microelectrodes.

Das Verhalten der Tr&ouml;pfchen, die Eingabe einer mikrofluidische Kammer soll Haus Mikroelektrode Melder zur Echtzeit-Analyse der klinischen Microdialysate ist beschrieben. Wir haben eine Analyse-Kammer, die Tr&ouml;pfchen produziert von mehrphasige Str&ouml;me von &Ouml;l und k&uuml;nstliche zerebralen spinalen Fl&uuml;ssigkeit sammeln entwickelt. Die Koaleszenz-Kammer entsteht eine Konstante w&auml;ssrige Umgebung ideal f&uuml;r die Platzierung von Mikroelektroden, die Vermeidung von Kontaminationen der Mikroelektrode Oberfl&auml;che durch &Ouml;l. Ein Strom von abwechselnd helle und dunkle farbige Tr&ouml;pfchen wurden gedreht, als sie durch die Kammer mit einem high-Speed-Kamera vorbeikamen. Bildanalyse dieser Videos zeigt Farbe &Auml;nderung an jedem Punkt entlang der L&auml;nge der Kammer. Die Str&ouml;mung in der Kammer wurde mit der allgemeine L&ouml;sung f&uuml;r Poisseuille-Fluss in einer rechteckigen Kammer simuliert. Es wird gezeigt, dass auf der Mittellinie das Geschwindigkeit Profil sehr zu parabolischen schlie&szlig;en, und ein Ausdruck f&uuml;r das Verh&auml;ltnis zwischen diesem Zentrum-Linie-Geschwindigkeit und die mittlere Str&ouml;mungsgeschwindigkeit als Funktion der Kanal-Seitenverh&auml;ltnis dargestellt ist. Wenn dieses Verh&auml;ltnis Breite/H&ouml;he 2, entspricht das Verh&auml;ltnis der Flie&szlig;geschwindigkeiten eng Poisseuille Str&ouml;mungsgeschwindigkeit in einem kreisf&ouml;rmigen Rohr, mit Auswirkungen auf die Verbindungen zwischen mikrofluidische Kan&auml;le und Anschluss-Schl&auml;uche. Die Tr&ouml;pfchen werden gut vermischt, wie die Oberfl&auml;chenspannung an der Schnittstelle mit dem &Ouml;l die viskosen Kr&auml;fte beherrscht. Jedoch sobald das Droplet mit der L&ouml;sung in die Kammer statt Koaliert, kann die kein-gleiten-Bedingung an den W&auml;nden Poisseuille Str&ouml;mung zu &uuml;bernehmen. Der Meniskus auf der R&uuml;ckseite das Droplet weiterhin die Tr&ouml;pfchen mischen und fungiert als ein Kolben, bis der Meniskus nicht verschieben mehr. Wir haben festgestellt, dass die kein-gleiten-Bedingungen an den W&auml;nden der Kammer, erstellen einen Magenband Effekt der zeichnet die Geschichte der fr&uuml;heren Tropfen. Die optimale Position f&uuml;r Sensoren ist auf der Ebene der Tr&ouml;pfchen Koaleszenz ideal im Zentrum des Kanals, wo es eine abrupte Konzentration &Auml;nderung f&uuml;hrt zu einer Reaktion Zeit &#x226A;16 ms, die komprimierte Framerate des Videos. Weiter Weg von diesem Punkt verringern Sie die Reaktionszeit und Empfindlichkeit durch konvektive Dispersion.

Optimierung einer mikrofluidische Analyse Kammer f&uuml;r die Platzierung von Mikroelektroden.

Pipetting and dilution are universal processes used in chemical and biological laboratories to assay and experiment. In microfluidics such operations are equally in demand, but difficult to implement. Recently, droplet-based microfluidics has emerged as an exciting new platform for high-throughput experimentation. However, it is challenging to vary the concentration of droplets rapidly and controllably. To this end, we developed a dilution module for high-throughput screening using droplet-based microfluidics. Briefly, a nanolitre-sized sample droplet of defined concentration is trapped within a microfluidic chamber. Through a process of droplet merging, mixing and re-splitting, this droplet is combined with a series of smaller buffer droplets to generate a sequence of output droplets that define a digital concentration gradient. Importantly, the formed droplets can be merged with other reagent droplets to enable rapid chemical and biological screens. As a proof of concept, we used the dilutor to perform a high-throughput homogeneous DNA-binding assay using only nanolitres of sample.

A microdroplet dilutor for high-throughput screening.

Pipetting und Verd&uuml;nnung sind universelle Verfahren in chemischen und biologischen Laboratorien f&uuml;r die Probe und experimentieren. In Mikrofluidik sind solche Operationen gleicherma&szlig;en gefragt, aber schwierig zu implementieren. Tr&ouml;pfchen-basierte Mikrofluidik hat vor kurzem eine aufregende neue Plattform f&uuml;r Hochdurchsatz-Experimente entwickelt. Jedoch ist es schwierig, die Konzentration der Tr&ouml;pfchen schnell und Seilbremsen variieren. Zu diesem Zweck entwickelten wir eine Verd&uuml;nnung-Modul f&uuml;r High-Throughput-Screening mit Tr&ouml;pfchen-basierte Mikrofluidik. Kurz gesagt, ist ein Tr&ouml;pfchen Nanolitre mittlere Beispiel definierte Konzentration innerhalb einer mikrofluidische Kammer gefangen. Durch einen Prozess der Tr&ouml;pfchen zusammenf&uuml;hren, mischen und re-splitting wird diese Tr&ouml;pfchen kombiniert mit einer Reihe von kleineren Puffer Tr&ouml;pfchen eine Sequenz von Ausgabe Tr&ouml;pfchen zu generieren, die eine digitale Konzentrationsgradienten definieren. Wichtig ist, k&ouml;nnen die entstandenen Tr&ouml;pfchen mit anderen Reagenz Tr&ouml;pfchen erm&ouml;glichen schnelle chemische und biologische Bildschirme zusammengef&uuml;hrt werden. Als Proof of Concept haben wir der Dilutor verwendet, um eine Hochdurchsatz-homogene DNA-bindene Probe mit nur Nanolitres der Probe durchzuf&uuml;hren.

Article	Year
Hybrid approach to high-frequency microfluidic mixing. Physical review letters\| PubMed ID: 16907575	2006
Pillar-induced droplet merging in microfluidic circuits. Lab on a chip\| PubMed ID: 18941682	2008
Manipulations of microfluidic droplets using electrorheological carrier fluid. Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics\| PubMed ID: 19256943	2008
Journal of the Royal Society, Interface / the Royal Society\| PubMed ID: 19474079	2009
Real-time detection, control, and sorting of microfluidic droplets. Biomicrofluidics\| PubMed ID: 19693400	2007
Electro-coalescence of digitally controlled droplets. Analytical chemistry\| PubMed ID: 19715363	2009
Rapid prototyping of microfluidic devices for integrating with FT-IR spectroscopic imaging. Lab on a chip\| PubMed ID: 20532270	2010
Optimisation of a microfluidic analysis chamber for the placement of microelectrodes. Physical chemistry chemical physics : PCCP\| PubMed ID: 21344092	2011
A microdroplet dilutor for high-throughput screening. Nature chemistry\| PubMed ID: 21602857	2011

Xize Niu

Biography

JoVE Journal Publications

Other Publications