Schema del dispositivo microfluidico optoelettrowetting coplanare azionato dalla luce che presenta una griglia metallica integrata. Una goccia sulla superficie del dispositivo viene azionata e spostata attorno al piano bidimensionale sotto l'influenza di un modello ottico incidente. Credito:Jodi Loo et al. doi:10.1117/1.JOM.1.3.034001.
Le tecnologie microfluidica hanno visto grandi progressi negli ultimi decenni nell'affrontare applicazioni come l'analisi biochimica, sviluppo farmaceutico, e diagnostica point-of-care. La miniaturizzazione delle operazioni biochimiche eseguite su piattaforme microfluidiche lab-on-a-chip beneficia di campioni ridotti, reagente, e volumi di rifiuti, oltre a una maggiore parallelizzazione e automazione. Ciò consente operazioni più convenienti insieme a una maggiore produttività e sensibilità per un'analisi e un rilevamento dei campioni più rapidi ed efficienti.
Optoelettrowetting (OEW) è una tecnologia optofluidica digitale che si basa sui principi dell'elettrobagnatura controllata dalla luce e consente l'attivazione e la manipolazione di gocce discrete. I dispositivi OEW hanno molti vantaggi, come la capacità di grandi dimensioni, tempo reale, e controllo riconfigurabile di goccioline di dimensioni da picolitri a microlitri regolando il numero e la dimensione dei modelli di luce ottica a bassa intensità incidente sul dispositivo. Con ogni singola goccia sul dispositivo OEW che agisce come una propria camera di bioreazione, il dispositivo OEW ha anche la capacità di supportare funzionalità multiplex. Questo può rivelarsi utile in applicazioni come l'analisi di singole cellule e la genomica o le librerie combinatorie.
I precedenti dispositivi OEW tradizionali forniscono una piattaforma flessibile per eseguire analisi chimiche e biologiche come la reazione a catena della polimerasi isotermica in tempo reale con tecniche di manipolazione di base delle goccioline. Però, in questi dispositivi OEW, le goccioline sono inserite tra un substrato OEW attivo inferiore e un substrato dell'elettrodo di massa dello strato superiore, costringendo eventuali configurazioni fluidiche di ingresso/uscita ad essere integrate dalle aperture laterali. Sebbene fattibile, questo può rivelarsi limitante per l'integrazione del sistema.
Ricercatori dell'Università della California, Berkeley, ha creato un lato unico, dispositivo OEW complanare che consente l'attuazione parallela e personalizzata delle gocce e beneficia di una più facile accessibilità delle gocce dall'alto per più schemi di configurazione di input/output. Ciò è stato ottenuto eliminando la necessità di un elettrodo di copertura superiore che si trova nei tradizionali dispositivi OEW fabbricando una griglia metallica integrata nel dispositivo OEW. Le goccioline possono ancora muoversi liberamente intorno alla superficie del dispositivo bidimensionale e sono ora accessibili dall'alto grazie al design aperto.
La luce viene illuminata selettivamente sullo strato fotoconduttore sotto parte della linea di contatto di una goccia per ottenere uno squilibrio di forza elettromeccanica all'interno della goccia. Ciò fa sì che la goccia si sposti verso il modello di luce. Credito:Jodi Loo et al. doi:10.1117/1.JOM.1.3.034001.
Nella loro ricerca, recentemente pubblicato in SPIE's new Journal of Optical Microsystems , hanno anche derivato un modello teorico del dispositivo OEW complanare per comprendere meglio come la griglia metallica integrata influenzi le prestazioni del dispositivo e delle gocce. L'analisi raccolta dal modello OEW complanare è stata utilizzata per ottimizzare la struttura e il funzionamento del dispositivo complanare. Hanno dimostrato la capacità di manipolazione di base delle goccioline, come singole operazioni di goccioline in parallelo, fusione di più goccioline, e la capacità di gestire e spostare gocce con volumi variabili contemporaneamente.
Il dispositivo complanare migliora le prestazioni di attuazione delle gocce del dispositivo OEW tradizionale con velocità più di due volte superiori, fino a 4,5 cm/s. Le maggiori velocità delle gocce sul dispositivo OEW complanare ottenute nonostante una riduzione marginale della forza effettiva rispetto al dispositivo OEW tradizionale possono essere in parte attribuite alla riduzione dell'attrito dovuta all'eliminazione del coperchio superiore.
Inoltre, è stata dimostrata la capacità di utilizzare dispositivi OEW complanari con un'intensità luminosa ridotta del 95%. Per mostrare il vantaggio di avere goccioline esposte per ospitare una gamma più ampia di configurazioni di input/output, un sistema di erogazione droplet on demand dall'alto è stato integrato con il dispositivo OEW complanare per iniettare, raccogliere, e posizionare singole goccioline e formare matrici di goccioline su larga scala fino a 20 per 20, coprendo l'intera superficie del dispositivo. La creazione di dispositivi OEW più grandi dovrebbe consentire l'alloggiamento di un numero ancora maggiore di goccioline sul chip.
Con questa ricerca, il team ha sviluppato una piattaforma OEW per la manipolazione affidabile delle goccioline che può realizzare la maggior parte delle tecniche di base biologiche e chimiche da banco. Il dispositivo OEW complanare amplia la flessibilità e la gamma di possibilità per le tecnologie optofluidiche per realizzare maggiori capacità di integrazione del sistema e applicazioni biologiche e chimiche.
