Combined electrokinetic manipulations of pathogenic bacterial samples in low-cost fabricated dielectrophoretic devices

Abstract

A low-cost fabrication method of microfluidic devices with micrometer-sized constrictions used for electrodeless dielectrophoresis (eDEP) is demonstrated here. A structure on a commercial printed circuit board (PCB) template of one-sided copper clad fiberglass-epoxy laminate was used as a molding master for polydimethylsiloxane (PDMS) soft lithography. This was achieved by printing a constriction-based microchannel pattern on glossy paper with a micrometer-scaled resolution laser printer and transferring it to the laminate’s Cu face, rendering a microstructure of ∼17 μm height and various widths across tips. The Cu master’s pattern was transferred to PDMS, and smooth constrictions were observed under the microscope. Following air plasma encapsulation, PDMS chips were loaded with an inactivated bacterial sample of fluorescently stained Brucella abortus vaccine strain S-19 and connected to an amplified voltage source to examine the sample’s response to electric field variations. After an AC/DC electric field was applied to the bacterial solution in the microfluidic device, the combined effect of electrokinetic + hydrodynamic mechanisms that interact near the dielectric microconstrictions and exert forces to the sample was observed and later confirmed by COMSOL simulations. Our fabrication method is an alternative to be used when there is no access to advanced microfabrication facilities and opens ways for target selection and preconcentration of intracellular pathogens as well as sample preparation for metagenomics.

Un método de fabricación de bajo costo de dispositivos microfluídicos con constricciones de tamaño micrométrico utilizados para la dielectroforesis sin electrodos (eDEP) se demuestra aquí. Se utilizó una estructura en una plantilla de circuito impreso comercial (PCB) de laminado de epoxi con revestimiento de cobre y fibra de vidrio de una cara como maestro de moldeo para la litografía suave de polidimetilsiloxano (PDMS). Esto se logró imprimiendo una placa de circuito impreso basada en la constricción patrón de microcanales en papel brillante con una impresora láser de resolución a escala micrométrica y transfiriéndolo a la cara de Cu del laminado, lo que da una microestructura de ∼17 μm altura y varios anchos a través de las puntas. El patrón del maestro de Cu fue transferido al PDMS, y se observaron constricciones suaves bajo el microscopio. Tras el encapsulamiento en plasma de aire, los chips del PDMS se cargaron con una muestra bacteriana inactivada de la cepa S-19 de la vacuna de Brucella abortus teñida con fluorescencia y se conectaron a una fuente de voltaje amplificada para examinar la respuesta de la muestra a las variaciones del campo eléctrico. Después de aplicar un campo eléctrico AC/DC a la solución bacteriana del dispositivo microfluídico, se observó el efecto combinado de los mecanismos electrocinéticos + hidrodinámicos que interactúan cerca de las microconstrucciones dieléctricas y ejercen fuerzas sobre la muestra, que posteriormente se confirmó mediante simulaciones COMSOL. Nuestro método de fabricación es una alternativa que se utiliza cuando no hay acceso a instalaciones de microfabricación avanzadas y abre vías para la selección de objetivos y la preconcentración de patógenos intracelulares, así como la preparación de muestras para la metagenómica.