Precise Droplet Dispensing in Digital Microfluidics with Dumbbell-Shaped Electrodes

Wang, Wei

doi:10.3390/mi13030484

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“…It is observed that the proposed method yields more evenly split droplets, with CV value being limited to below 2.8%, which is lower than CV value 5.62% (The CV value is basically consistent with that of traditional droplet dispense. 49 ) (Fig. 7e and †Fig.…”

Section: Ai-assisted Multistate Droplet Controlmentioning

confidence: 92%

An Artificial Intelligence-Assisted Digital Microfluidic System for Multistate Droplet Control

Gu,

Guo,

Song

et al. 2023

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Digital microfluidics (DMF) is a versatile technique for parallel and field-programmable control of individual droplets. Given the high freedom in droplet manipulation, it is essential to establish self-adaptive and intelligent control methods for DMF systems with informed of the transient state of droplets and their interactions. However, most related studies focus on the localization and shape recognition of droplets. Here, we develop an AI-assisted DMF framework named "µDropAI" for multistate droplet control based on droplet morphology. Semantic segmentation model is integrated into our custom-designed DMF system to recognize the droplet states and their interactions for feedback control with a state machine. The proposed model has a strong flexibility and can recognize droplets of different colors and shapes with an error rate of less than 0.63%. It enables control of droplets without user intervention. The coefficient variation (CV) of the volumes of split droplets can be limited to below 2.8%, which is lower than the CV of traditional dispense, contributing to an improvement in the precision of droplet split. The proposed system will inspire the development of semantic-driven DMF systems which can interface with multimodal large language models (MLLM) for fully automatic control.

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Section: Ai-assisted Multistate Droplet Controlmentioning

confidence: 92%

An Artificial Intelligence-Assisted Digital Microfluidic System for Multistate Droplet Control

Gu,

Guo,

Song

et al. 2023

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“…Digital microfluidics (DMF) have been extensively studied for liquid handling at a microscale level [ 1 ]. Based on the effect of electrowetting-on-dielectric (EWOD), the DMF is able to control the wetting behavior of droplets through an array of electrodes and manipulate the droplets to split, dispense, mix and transfer without mechanical accessories [ 2 , 3 , 4 ]. Recent advances in manufacturing and electronic techniques have significantly promoted the development of DMF systems to achieve advantages such as a low power consumption, low reagent cost, miniaturization, flexibility and reconfiguration [ 5 , 6 ] Hence, the applications of DMF are increasingly being extended to fields such as point-of-care testing [ 7 , 8 ], cell research [ 9 , 10 , 11 , 12 ], biomedicine [ 13 ] and environmental monitoring [ 14 , 15 ].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Optimization of Electrode Patterns for an ITO-Based Digital Microfluidic through the Finite Element Simulation

et al. 2022

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Indium tin oxide (ITO)-based digital microfluidics (DMF) with unique optical and electrical properties are promising in the development of integrated, automatic and portable analytical systems. The fabrication technique using laser direct etching (LDE) on ITO glass has the advantages of being rapid, low cost and convenient. However, the fabrication resolution of LDE limits the minimum line width for patterns on ITO glasses, leading to a related wider lead wire for the actuating electrodes of DMF compared with photolithography. Therefore, the lead wire of electrodes could affect the droplet motion on the digital microfluidic chip due to the increased contact line with the droplet. Herein, we developed a finite element model of a DMF with improved efficiency to investigate the effect of the lead wire. An optimized electrode pattern was then designed based on a theoretical analysis and validated by a simulation, which significantly decreased the deformation of the droplets down to 0.012 mm. The performance of the optimized electrode was also verified in an experiment. The proposed simulation method could be further extended to other DMF systems or applications to provide an efficient approach for the design and optimization of DMF chips.

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“…Recientemente, el grupo de Wang ha desarrollado un sistema novedoso compuesto por un electrodo intermedio con forma de mancuerna que permite crear gotas de volúmenes precisos y de forma reproducible (Figura 3. 21. b) (Wang, 2022).…”

Section: Operaciones Básicasunclassified

Diseño, fabricación, caracterización y validación de una plataforma integrada y modular para la amplificación de secuencias específicas de ADN por PCR basada en dispositivos de microfluídica digital

Zabalo-Carrere

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La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es una de las técnicas de biología molecular más conocidas en el ámbito del diagnóstico de patologías y detección de organismos en diferentes tipos de muestras. Esta técnica permite crear múltiples copias de una secuencia específica de ADN, realizando varios ciclos compuestos por etapas a diferentes temperaturas. De esta forma, partiendo de una cantidad reducida de muestra a analizar, se crean suficientes réplicas del fragmento de ADN de interés como para que sea analizable o detectable en detalle. Entre las aplicaciones principales de la PCR destacan la detección de enfermedades infecciosas como el VIH o el SARS-CoV-2 y la detección de mutaciones en el ADN que puedan provocar enfermedades como el cáncer, además de la detección de patógenos o trazas de alérgenos en diferentes alimentos. Las reacciones de PCR se suelen llevar a cabo en equipos de laboratorio conocidos como termocicladores, los cuales están compuestos de un elemento calefactor que se encarga de ciclar térmicamente las muestras a analizar. Sin embargo, estos instrumentos requieren rampas de temperatura y volúmenes de muestra relativamente grandes para realizar las reacciones. Ante este problema, la irrupción de la tecnología lab-on-a-chip y la microfluídica han acelerado el desarrollo de sistemas miniaturizados para llevar a cabo diversos análisis de biología molecular de forma más eficiente. En concreto, la microfluídica digital (DMF) ofrece las ventajas propias de los sistemas microfluídicos convencionales como tiempos de reacción más cortos, menor consumo de reactivos, reducción de contaminación de muestras y mejora de la sensibilidad y eficiencia general del sistema. Además, la DMF tiene ventajas adicionales respecto a la microfluídica convencional, entre las que se encuentran la ausencia de microcanales y bombas de propulsión de líquidos, altas velocidades de transferencia de muestras, la rápida transferencia de calor y la ausencia de volúmenes vacíos o “muertos” en los dispositivos. Esto se debe a que la tecnología DMF permite controlar volúmenes discretos de muestras de forma automatizada a lo largo de una matriz de electrodos actuadores gracias a fuerzas electroestáticas. Con el objetivo de crear un sistema eficiente de PCR, en este trabajo se ha desarrollado una plataforma modular de microfluídica digital que permite integrar diferentes dispositivos DMF para la amplificación de ácidos nucleicos por PCR. Para ello, se han diseñado y fabricado por técnicas de microfabricación diferentes dispositivos DMF con los que, tras integrarlos en la plataforma DMF desarrollada, se han realizado diversos estudios. En primer lugar, se han desarrollado dispositivos DMF con los que se han llevado a cabo estudios del comportamiento dinámico del sistema microfluídico propuesto. Después, se han desarrollado dispositivos DMF enfocados a la realización de reacciones de PCR, con calefactores resistivos integrados, con los que se han podido llevar a cabo amplificaciones de ácidos nucleicos por PCR de forma satisfactoria y más eficiente en comparación con los sistemas de PCR convencionales, validando además el sistema DMF desarrollado con muestras reales.

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Precise Droplet Dispensing in Digital Microfluidics with Dumbbell-Shaped Electrodes

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An Artificial Intelligence-Assisted Digital Microfluidic System for Multistate Droplet Control

An Artificial Intelligence-Assisted Digital Microfluidic System for Multistate Droplet Control

Optimization of Electrode Patterns for an ITO-Based Digital Microfluidic through the Finite Element Simulation

Diseño, fabricación, caracterización y validación de una plataforma integrada y modular para la amplificación de secuencias específicas de ADN por PCR basada en dispositivos de microfluídica digital

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