パンチカードプログラム可能なマイクロフルイド

単一および多相マイクロ流体での少量の液体処理は、効率的な生体化学アッセイ、低コストのケア診断、科学的発見への新しいアプローチのための有望な戦略を提供します。ただし、プログラム可能なマイクロ流体の低コストのフィールド展開には複数の障壁が存在します。複数のポンプ、ミキサー、およびナノリター流体と液滴の個別のバルブベースの制御を組み込み、追加の必要な外部コンポーネントなしで統合されたプログラム可能な方法ではとらえどころのないままです。パンチカードプログラミングと任意の流体制御のアイデアを組み合わせて、ここでは、自己完結型のハンドクランクを搭載したマルチプレックスで堅牢なプログラム可能なマイクロ流体プラットフォームについて説明します。紙のテープは、一連のパンチ穴として情報をエンコードします。メカニカルリーダー/アクチュエーターは、これらの紙のテープを読み取り、それに応じて、プラグアンドプレイの方法でプラットフォームに結合されたマイクロ流体チップに操作を実行します。パンチされた紙のテープの一連の穴で表現できるコードの複雑さによって有効になり、混合が強化された15のオンチップポンプ、通常閉鎖されたバルブ、新しいオンデマンド衝撃ベースの液滴ジェネレーターを備えた15のオンチップポンプの独立した制御を示します。液滴ジェネレーターを使用して「PunchCard Microfluidics」という単語を表す一連の文字列をエンコードすることにより、操作の堅牢性を示します。多重化は、異なる水サンプルにpH、アンモニア、亜硝酸塩、硝酸塩含有量の比色水質アッセイの例を実装することにより実証されています。ポータブルで堅牢なデザイン、低コスト、使いやすさにより、Punch Card Programbable Microfluidicsは、低リソースの設定と世界中の子供の手で、マイクロ流体チップの複雑な制御をフィールドベースのアプリケーションにもたらすことを想定しています。

Small volume fluid handling in single and multiphase microfluidics provides a promising strategy for efficient bio-chemical assays, low-cost point-of-care diagnostics and new approaches to scientific discoveries. However multiple barriers exist towards low-cost field deployment of programmable microfluidics. Incorporating multiple pumps, mixers and discrete valve based control of nanoliter fluids and droplets in an integrated, programmable manner without additional required external components has remained elusive. Combining the idea of punch card programming with arbitrary fluid control, here we describe a self-contained, hand-crank powered, multiplex and robust programmable microfluidic platform. A paper tape encodes information as a series of punched holes. A mechanical reader/actuator reads these paper tapes and correspondingly executes operations onto a microfluidic chip coupled to the platform in a plug-and-play fashion. Enabled by the complexity of codes that can be represented by a series of holes in punched paper tapes, we demonstrate independent control of 15 on-chip pumps with enhanced mixing, normally-closed valves and a novel on-demand impact-based droplet generator. We demonstrate robustness of operation by encoding a string of characters representing the word "PUNCHCARD MICROFLUIDICS" using the droplet generator. Multiplexing is demonstrated by implementing an example colorimetric water quality assays for pH, ammonia, nitrite and nitrate content in different water samples. With its portable and robust design, low cost and ease-of-use, we envision punch card programmable microfluidics will bring complex control of microfluidic chips into field-based applications in low-resource settings and in the hands of children around the world.