Digital microfluidics: A promising technique for biochemical applications

Abstract

Digital microfluidics (DMF) is a versatile microfluidics technology that has significant application potential in the areas of automation and miniaturization. In DMF, discrete droplets containing samples and reagents are controlled to implement a series of operations via electrowetting-on-dielectric. This process works by applying electrical potentials to an array of electrodes coated with a hydrophobic dielectric layer. Unlike microchannels, DMF facilitates precise control over multiple reaction processes without using complex pump, microvalve, and tubing networks. DMF also presents other distinct features, such as portability, less sample consumption, shorter chemical reaction time, flexibility, and easier combination with other technology types. Due to its unique advantages, DMF has been applied to a broad range of fields (e.g., chemistry, biology, medicine, and environment). This study reviews the basic principles of droplet actuation, configuration design, and fabrication of the DMF device, as well as discusses the latest progress in DMF from the biochemistry perspective.

Keywords

digital microfluidics / electrowetting on dielectric / discrete droplet / biochemistry

References

[1] Terry S C, Jerman J H, Angell J B. A gas chromatographic air analyzer fabricated on a silicon wafer. IEEE Transactions on Electron Devices, 1979, 26(12): 1880–1886

[2] Reyes D R, Iossifidis D, Auroux P A,  Micro total analysis system. 1. Introduction, theory, and technology. Analitical Chemistry, 2002, 74(12): 2623–2636

[3] Mugele F, Baret J C. Electrowetting: From basics to applications. Journal of Physics Condensed Matter, 2005, 17(28): R705–R774

[4] Pollack M G, Shenderov A D, Fair R B. Electrowetting-based actuation of droplets for integrated microfluidics. Lab on a Chip, 2002, 2(2): 96–101

[5] Washizu M. Electrostatic actuation of liquid droplets for microreactor applications. IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, 34(4): 732–737

[6] Cho S K, Fan S K, Moon H,  Towards digital microfluidic circuits: Creating, transporting, cutting and merging liquid droplets by electrowetting-based actuation. In: Proceedings of the Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. Las Vegas: IEEE, 2002, 32–35

[7] Cho S K, Moon H, Kim C J. Creating, transporting, cutting, and merging liquid droplets by electrowetting-based actuation for digital microfluidic circuits. Journal of Microelectromechanical Systems, 2003, 12(1): 70–80

[8] Berthier J. Microdrops and Digital Microfluidics. Norwich: William Andrew Inc., 2008

[9] Wang W, Jones T B. Moving droplets between closed and open microfluidic systems. Lab on a Chip, 2015, 15(10): 2201–2212

[10] Wheeler A R. Putting electrowetting to work. Science, 2008, 322(5901): 539–540

[11] Hsieh T H, Fan S K. Dielectric droplet manipulations by electropolarization forces. In: Proceedings of the IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. Piskataway: IEEE, 2008, 641–644

[12] Jones T B, Wang K L, Yao D J. Frequency-dependent electromechanics of aqueous liquids: Electrowetting and dielectrophoresis. Langmuir, 2004, 20(7): 2813–2818 

[13] Mugele F, Baret J C. Electrowetting: From basics to applications. Journal of Physics Condensed Matter, 2005, 17(28): R705–R774

[14] Gupta R, Sheth D M, Boone T K,  Impact of pinning of the triple contact line on electrowetting performance. Langmuir, 2011, 27(24): 14923–14929

[15] Chen L Q, Bonaccurso E. Electrowetting—From statics to dynamics. Advances in Colloid and Interface Science, 2014, 210: 2–12

[16] Kang K H. How electrostatic fields change contact angle in electrowetting. Langmuir, 2002, 18(26): 10318–10322

[17] Peykov V, Quinn A, Ralston J. Electrowetting: A model for contact-angle saturation. Colloid & Polymer Science, 2000, 278(8): 789–793

[18] Darhuber A A, Chen J Z, Davis J M,  A study of mixing in thermocapillary flows on micropatterned surfaces.  Philosophical Transactions. Series A, Mathematical, Physical, and Engineering Sciences, 2004, 362(1818): 1037–1058 

[19] Darhuber A A, Valentino J P, Troian S M. Planar digital nanoliter dispensing system based on thermocapillary actuation. Lab on a Chip, 2010, 10(8): 1061–1071

[20] Heron S R, Wilson R, Shaffer S A,  Surface acoustic wave nebulization of peptides as a microfluidic interface for mass spectrometry. Analytical Chemistry, 2010, 82(10): 3985–3989

[21] Jin H, Zhou J, He X,  Flexible surface acoustic wave resonators built on disposable plastic film for electronics and lab-on-a-chip applications. Scientific Reports, 2013, 3: 2140

[22] Pang H, Fu Y, Garcia-Gancedo L,  Enhancement of microfluidic efficiency with nanocrystalline diamond interlayer in the ZnO-based surface acoustic wave device. Microfluidics and Nanofluidics, 2013, 15(3): 377–386 

[23] Shilton R J, Mattoli V, Travagliati M,  Rapid and controllable digital microfluidic heating by surface acoustic waves. Advanced Functional Materials, 2015, 25(37): 5895–5901

[24] Seemann R, Brinkmann M, Pfohl T,  Droplet based microfluidics. Reports on Progress in Physics, 2012, 75(1): 016601

[25] Gu H, Duits M H G, Mugele F. Droplets formation and merging in two-phase flow microfluidics. International Journal of Molecular Sciences, 2011, 12(12): 2572–2597

[26] Renaudot R, Agache V, Daunay B,  Optimization of liquid dielectrophoresis (LDEP) digital microfluidic transduction for biomedical applications. Micromachines, 2011, 2(4): 258–273

[27] Renaudot R, Daunay B, Kumemura M,  Optimized micro devices for liquid-dielectrophoresis (LDEP) actuation of conductive solutions. Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, 177: 620–626 

[28] Timonen J V I, Latikka M, Leibler L,  Switchable static and dynamic self-assembly of magnetic droplets on superhydrophobic surfaces. Science, 2013, 341(6143): 253–257

[29] Ng A H C, Choi K, Luoma R P,  Digital microfluidic magnetic separation for particle-based immunoassays. Analytical Chemistry, 2012, 84(20): 8805–8812

[30] Witters D, Knez K, Ceyssens F,  Digital microfluidics-enabled single-molecule detection by printing and sealing single magnetic beads in femtoliter droplets. Lab on a Chip, 2013, 13(11): 2047–2054

[31] Shi D, Bi Q, He Y,  Experimental investigation on falling ferrofluid droplets in vertical magnetic fields. Experimental Thermal and Fluid Science, 2014, 54: 313–320

[32] Choi K, Ng A H C, Fobel R,  Digital microfluidics. Annual Review of Analytical Chemistry, 2012, 5(1): 413–440 

[33] Kumar A, Williams S J, Chuang H S,  Hybrid opto-electric manipulation in microfluidics—Opportunities and challenges. Lab on a Chip, 2011, 11(13): 2135–2148

[34] Takinoue M, Takeuchi S. Droplet microfluidics for the study of artificial cells. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2011, 400(6): 1705–1716

[35] Vergauwe N, Witters D, Atalay Y T,  Controlling droplet size variability of a digital lab-on-a-chip for improved bio-assay performance. Microfluidics and Nanofluidics, 2011, 11(1): 25–34

[36] Yaddessalage J B. Study of the capabilities of electrowetting on dielectric digital microfluidics (EWOD DMF) towards the high efficient thin-film evaporative cooling platform. Dissertation for the Doctoral Degree. Arlington: The University of Texas at Arlington, 2013

[37] Elvira K S, Leatherbarrow R, Edel J,  Droplet dispensing in digital microfluidic devices: Assessment of long-term reproducibility. Biomicrofluidics, 2012, 6(2): 022003

[38] Yafia M, Najjaran H. High precision control of gap height for enhancing principal digital microfluidics operations. Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, 186: 343–352

[39] Chang J H, Pak J J. Twin-plate electrowetting for efficient digital microfluidics. Sensors and Actuators B: Chemical, 2011, 160(1): 1581–1585

[40] Cui W, Zhang M, Zhang D,  Island-ground single-plate electro-wetting on dielectric device for digital microfluidic systems. Applied Physics Letters, 2014, 105(1): 013509

[41] Ko H, Lee J, Kim Y,  Active digital microfluidic paper chips with inkjet-printed patterned electrodes. Advanced Materials, 2014, 26(15): 2335–2340 

[42] Fobel R, Kirby A E, Ng A H C,  Paper microfluidics goes digital. Advanced Materials, 2014, 26(18): 2838–2843

[43] Fobel R, Kirby A E, Wheeler A R. Paper microfluidics goes digital. In: Proceedings of 17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, MicroTAS. Freiburg: Chemical and Biological Microsystems Society, 2013, 708–710

[44] Dixon C, Kirby A E, Fobel R,  Paper digital microfluidics and paper spray ionization mass spectrometry. In: Proceedings of 18th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, MicroTAS. San Antonio: Chemical and Biological Microsystems Society, 2014, 2196–2198

[45] Dixon C, Ng A H C, Fobel R,  An inkjet printed, roll-coated digital microfluidic device for inexpensive, miniaturized diagnostic assays. Lab on a Chip, 2016, 16(23): 4560–4568

[46] Yafia M, Shukla S, Najjaran H. Fabrication of digital microfluidic devices on flexible paper-based and rigid substrates via screen printing. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2015, 25(5): 057001

[47] Taniguchi T, Torii T, Higuchi T. Chemical reactions in microdroplets by electrostatic manipulation of droplets in liquid media. Lab on a Chip, 2002, 2(1): 19–23

[48] Ito T, Torii T, Higuchi T. Electrostatic micromanipulation of bubbles for microreactor applications. In: Proceedings of IEEE the Sixteenth Annual International Conference on Micro Electro Mechanical System. Kyoto: IEEE, 2003, 335–338 

[49] Sista R S, Eckhardt A E, Wang T,  Digital microfluidic platform for multiplexing enzyme assays: Implications for lysosomal storage disease screening in newborns. Clinical Chemistry, 2011, 57(10): 1444–1451

[50] Boles D J, Benton J L, Siew G J,  Droplet-based pyrosequencing using digital microfluidics. Analytical Chemistry, 2011, 83(22): 8439–8447

[51] Choi K, Boyacı E, Kim J,  A digital microfluidic interface between solid-phase microextraction and liquid chromatography—Mass spectrometry. Journal of Chromatography A, 2016, 1444: 1–7 

[52] Keng P Y, Chen S, Ding H J,  Micro-chemical synthesis of molecular probes on an electronic microfluidic device. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012, 109(3): 690–695

[53] Dooraghi A A, Keng P Y, Chen S,  Optimization of microfluidic PET tracer synthesis with Cerenkov imaging. Analyst (London), 2013, 138(19): 5654–5664

[54] Witters D, Vergauwe N, Ameloot R,  Digital microfluidic high-throughput printing of single metal-organic framework crystals. Advanced Materials, 2012, 24(10): 1316–1320

[55] Shamsi M H, Choi K, Ng A H C,  A digital microfluidic electrochemical immunoassay. Lab on a Chip, 2014, 14(3): 547–554

[56] Ng A H C, Lee M, Choi K,  Digital microfluidic platform for the detection of rubella infection and immunity: A proof of concept. Clinical Chemistry, 2015, 61(2): 420–429

[57] Miller E M, Ng A H C, Uddayasankar U,  A digital microfluidic approach to heterogeneous immunoassays. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2011, 399(1): 337–345

[58] Sista R S, Eckhardt A E, Srinivasan V,  Heterogeneous immunoassays using magnetic beads on a digital microfluidic platform. Lab on a Chip, 2008, 8(12): 2188–2196

[59] Fair R B. Digital microfluidics: Is a true lab-on-a-chip possible? Microfluidics and Nanofluidics, 2007, 3(3): 245–281

[60] Yoon J Y, Garrell R L. Preventing biomolecular adsorption in electrowetting-based biofluidic chips. Analytical Chemistry, 2003, 75(19): 5097–5102 

[61] Shah G J, Kim C J. Meniscus-assisted high-efficiency magnetic collection and separation for EWOD droplet microfluidics. Journal of Microelectromechanical Systems, 2009, 18(2): 363–375

[62] Barbulovic-Nad I, Au S H, Wheeler A R. A microfluidic platform for complete mammalian cell culture. Lab on a Chip, 2010, 10(12): 1536–1542

[63] Choi K, Ng A H C, Fobel R,  Automated digital microfluidic platform for magnetic-particle-based immunoassays with optimization by design of experiments. Analytical Chemistry, 2013, 85(20): 9638–9646

[64] Huang C Y, Tsai P Y, Lee I C,  A highly efficient bead extraction technique with low bead number for digital microfluidic immunoassay. Biomicrofluidics, 2016, 10(1): 011901

[65] Au S H, Shih S C C, Wheeler A R. Integrated microbioreactor for culture and analysis of bacteria, algae and yeast. Biomedical Microdevices, 2011, 13(1): 41–50

[66] Shih S C C, Gach P C, Sustarich J,  A droplet-to-digital (D2D) microfluidic device for single cell assays. Lab on a Chip, 2015, 15(1): 225–236

[67] Eydelnant I A, Uddayasankar U, Li B,  Virtual microwells for digital microfluidic reagent dispensing and cell culture. Lab on a Chip, 2012, 12(4): 750–757

[68] Bogojevic D, Chamberlain M D, Barbulovic-Nad I,  A digital microfluidic method for multiplexed cell-based apoptosis assays. Lab on a Chip, 2012, 12(3): 627–634

[69] Fiddes L K, Luk V N, Au S H,  Hydrogel discs for digital microfluidics. Biomicrofluidics, 2012, 6(1): 014112

[70] George S M, Moon H. Digital microfluidic three-dimensional cell culture and chemical screening platform using alginate hydrogels. Biomicrofluidics, 2015, 9(2): 024116

[71] Au S H, Chamberlain M D, Mahesh S,  Hepatic organoids for microfluidic drug screening. Lab on a Chip, 2014, 14(17): 3290–3299

[72] Nejad H R, Chowdhury O Z, Buat M D,  Characterization of the geometry of negative dielectrophoresis traps for particle immobilization in digital microfluidic platforms. Lab on a Chip, 2013, 13(9): 1823–1830

[73] Valley J K, Ningpei S, Jamshidi A,  A unified platform for optoelectrowetting and optoelectronic tweezers. Lab on a Chip, 2011, 11(7): 1292–1297

[74] Kumar P T, Toffalini F, Witters D,  Digital microfluidic chip technology for water permeability measurements on single isolated plant protoplasts. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 199: 479–487

[75] Schell W A, Benton J L, Smith P B,  Evaluation of a digital microfluidic real-time PCR platform to detect DNA of Candida albicans in blood. European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases, 2012, 31(9): 2237–2245

[76] Hung P Y, Jiang P S, Lee E F,  Genomic DNA extraction from whole blood using a digital microfluidic (DMF) platform with magnetic beads. Microsystem Technologies, 2015, 21: 1–8

[77] Yehezkel T B, Rival A, Raz O,  Synthesis and cell-free cloning of DNA libraries using programmable microfluidics. Nucleic Acids Research, 2015, 44: 1–12

[78] Welch E R F, Lin Y Y, Madison A,  Picoliter DNA sequencing chemistry on an electrowetting-based digital microfluidic platform. Biotechnology Journal, 2011, 6(2): 165–176

[79] Kim H, Bartsch M S, Renzi R F,  Automated digital microfluidic sample preparation for next-generation DNA sequencing. Journal of Laboratory Automation, 2011, 16(6): 405–414

[80] Kim H, Jebrail M J, Sinha A,  A microfluidic DNA library preparation platform for next-generation sequencing. PLoS One, 2013, 8(7): e68988

[81] Wheeler A R, Moon H, Bird C A,  Digital microfluidics with in-line sample purification for proteomics analyses with MALDI-MS. Analytical Chemistry, 2005, 77(2): 534–540

[82] Wheeler A R, Moon H, Kim C J,  Electrowetting-based microfluidics for analysis of peptides and proteins by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry. Analytical Chemistry, 2004, 76(16): 4833–4838

[83] Luk V N, Fiddes L K, Luk V M,  Digital microfluidic hydrogel microreactors for proteomics. Proteomics, 2012, 12(9): 1310–1318

[84] Aijian A P, Chatterjee D, Garrell R L. Fluorinated liquid-enabled protein handling and surfactant-aided crystallization for fully in situ digital microfluidic MALDI-MS analysis. Lab on a Chip, 2012, 12(14): 2552–2559

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg