REVIEW ARTICLE

Digital microfluidics: A promising technique for biochemical applications

  • He WANG 1,2 ,
  • Liguo CHEN , 1 ,
  • Lining SUN 1
Expand
  • 1. Robotics and Microsystems Center, Soochow University, Soochow 215006, China
  • 2. School of Mechanical Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China

Received date: 29 Dec 2016

Accepted date: 13 Apr 2017

Published date: 31 Oct 2017

Copyright

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg

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.

Cite this article

He WANG , Liguo CHEN , Lining SUN . Digital microfluidics: A promising technique for biochemical applications[J]. Frontiers of Mechanical Engineering, 2017 , 12(4) : 510 -525 . DOI: 10.1007/s11465-017-0460-z

Acknowledgements

This work was supported by the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 20133201110009).
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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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 

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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 

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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 

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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 

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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 

DOI

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

DOI

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

DOI

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 

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

Outlines

/