プログラム可能な接触電荷電気泳動作動を備えたコンパクトな3次元デジタル・マイクロ流体プラットフォーム

Compact Three-Dimensional Digital Microfluidic Platforms with Programmable Contact Charge Electrophoresis Actuation.

抄録

デジタルマイクロフルイディクス(DMF)は、様々な生物学、化学、医薬研究分野において、微小液滴を制御するための簡便、迅速、かつプログラム可能な技術として大きな関心を集めている。本研究では、市販の小型ピンソケットと3Dプリントハウジングで構成される電極アレイを用いることで、プログラム可能な接触電荷電気泳動（CCEP）アクチュエーションを備えた、コンパクトで低コストの3D DMFプラットフォームの構築について詳述する。このプラットフォーム上で、リフティングやクライミング技術による水平・垂直移動、液滴の合体など、基本的な3D液滴操作を実証する。さらに、化学反応に基づく分析および合成の概念実証として、提案した3D DMF操作を用いてフェノールフタレイン反応および沈殿プロセスを評価した。閾値電圧（または電場）と最大垂直輸送速度を、印加電圧と電極距離の関数として定量化し、3D液滴操作のためのCCEP作動条件を決定した。提案された3D DMFプラットフォームの製造の容易さと柔軟性は、生化学分析や医療診断などの生化学・医療応用において、プログラム可能な液滴の3D操作のための効果的な技術を提供する可能性がある。

Digital microfluidics (DMF) has garnered considerable interest as a straightforward, rapid, and programmable technique for controlling microdroplets in various biological, chemical, and medicinal research disciplines. This study details the construction of compact and low-cost 3D DMF platforms with programmable contact charge electrophoresis (CCEP) actuations by employing electrode arrays composed of a small commercial pin socket and a 3D-printed housing. We demonstrate basic 3D droplet manipulation on the platform, including horizontal and vertical transport via lifting and climbing techniques, and droplet merging. Furthermore, phenolphthalein reaction and precipitation process are evaluated using the proposed 3D DMF manipulations as a proof of concept for chemical reaction-based analysis and synthesis. The threshold voltage (or electrical field) and maximum vertical transport velocity are quantified as a function of applied voltage and electrode distance to determine the CCEP actuation conditions for 3D droplet manipulations. The ease of manufacturing and flexibility of the proposed 3D DMF platform may provide an effective technique for programmable 3D manipulation of droplets in biochemical and medical applications, such as biochemical analysis and medical diagnostics.