Microfluïdische technologieën hebben de afgelopen decennia grote vooruitgang geboekt bij het aanpakken van toepassingen zoals biochemische analyse, farmaceutische ontwikkeling, en point-of-care diagnostiek. Miniaturisatie van biochemische operaties uitgevoerd op lab-on-a-chip microfluïdische platforms profiteren van gereduceerde monsters, reagens, en afvalvolumes, evenals verhoogde parallellisatie en automatisering. Dit zorgt voor meer kosteneffectieve operaties, samen met een hogere doorvoer en gevoeligheid voor snellere en efficiëntere monsteranalyse en detectie.

Opto-elektrowetting (OEW) is een digitale optofluïdische technologie die is gebaseerd op de principes van lichtgestuurde elektrowetting en de activering en manipulatie van discrete druppeltjes mogelijk maakt. OEW-apparaten hebben veel voordelen, zoals het vermogen tot grootschalige, echte tijd, en herconfigureerbare controle van druppeltjes van picoliter tot microliter door het aantal en de grootte van optische lichtpatronen met lage intensiteit die op het apparaat vallen aan te passen. Met elke individuele druppel op het OEW-apparaat als zijn eigen bioreactiekamer, het OEW-apparaat heeft ook de mogelijkheid om multiplexmogelijkheden te ondersteunen. Dit kan gunstig blijken te zijn in toepassingen zoals eencellige analyse en genomica of combinatorische bibliotheken.

Eerdere traditionele OEW-apparaten bieden een flexibel platform om chemische en biologische tests uit te voeren, zoals realtime isotherme polymerasekettingreactie met basistechnieken voor druppelmanipulatie. Echter, in deze OEW-apparaten, druppels zijn ingeklemd tussen een actief OEW-substraat aan de onderkant en een grondelektrodesubstraat van de bovenste laag, waardoor alle input/output-fluïdische configuraties worden geïntegreerd vanuit de zijopeningen. Hoewel haalbaar, dit kan beperkend zijn voor systeemintegratie.

Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, creëerde een eenzijdige, co-planair OEW-apparaat dat geïndividualiseerde en parallelle druppelactivering mogelijk maakt en profiteert van gemakkelijkere druppeltoegankelijkheid van bovenaf voor meer invoer / uitvoerconfiguratieschema's. Dit werd bereikt door de noodzaak voor een elektrode met bovendeksel die in traditionele OEW-apparaten wordt gevonden, te elimineren door een metalen gaasrooster te fabriceren dat op het OEW-apparaat is geïntegreerd. Druppels kunnen nog steeds vrij rond het tweedimensionale apparaatoppervlak bewegen en zijn nu van bovenaf toegankelijk dankzij het open ontwerp.

In hun onderzoek hebben onlangs gepubliceerd in SPIE's nieuwe Journal of Optical Microsystems , ze hebben ook een theoretisch model van het co-planaire OEW-apparaat afgeleid om beter te begrijpen hoe het geïntegreerde metalen gaasrooster de prestaties van het apparaat en de druppel beïnvloedt. Analyse verzameld uit het co-planaire OEW-model werd gebruikt om de co-planaire apparaatstructuur en werking te optimaliseren. Ze hebben het vermogen aangetoond voor elementaire druppelmanipulatie, zoals afzonderlijke druppelbewerkingen parallel, samenvoeging van meerdere druppels, en de mogelijkheid om druppels met verschillende volumes tegelijkertijd te hanteren en te verplaatsen.

Het co-planaire apparaat verbetert de prestaties van de druppelactivering van het traditionele OEW-apparaat met snelheden die meer dan twee keer zo hoog zijn, tot 4,5 cm/s. Hogere druppelsnelheden op het co-planaire OEW-apparaat, bereikt ondanks een marginale vermindering van de effectieve kracht in vergelijking met het traditionele OEW-apparaat, kunnen gedeeltelijk worden toegeschreven aan de vermindering van wrijving als gevolg van het wegvallen van de bovenklep.

In aanvulling, het vermogen om co-planaire OEW-apparaten te bedienen met 95% verminderde lichtintensiteit werd aangetoond. Om het voordeel te demonstreren van het hebben van blootgestelde druppels voor een breder scala aan invoer-/uitvoerconfiguraties, een druppel-on-demand doseersysteem van bovenaf werd geïntegreerd met het co-planaire OEW-apparaat om te injecteren, verzamelen, en plaats individuele druppeltjes en vorm grootschalige druppelreeksen van maximaal 20 bij 20, die het hele oppervlak van het apparaat bestrijken. Door grotere OEW-apparaten te maken, kunnen nog meer druppels op de chip worden ondergebracht.

Met dit onderzoek, het team heeft een OEW-platform ontwikkeld voor betrouwbare druppelmanipulatie waarmee de meeste basale biologische en chemische tafelmodeltechnieken kunnen worden uitgevoerd. Het co-planaire OEW-apparaat vergroot de flexibiliteit en het scala aan mogelijkheden voor optofluïdische technologieën om grotere systeemintegratiemogelijkheden en biologische en chemische toepassingen te realiseren.