[論文レビュー] Dilution with Digital Microfluidic Biochips: How Unbalanced Splits Corrupt Target-Concentration

Sudip Poddar, Robert Wille+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2019

Electrowetting and Microfluidic Technologies参考文献 19被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、デジタルマイクロフルイディクスバイオチップ（DMFBs）における不均衡なスプリットが、サンプル調製中に標的濃度係数（CF）をどのように歪めるかを分析し、負のスプリットエラー（小さな娘ドロップレット）がより大きなCFエラーを引き起こすことを示している。複数のスプリットエラーが重なると、非直感的で複雑なエラー伝播が生じ、最大エラーを予測するには包括的なシミュレーションが不可欠であることが示され、センサーレスでエラー耐性を持つサンプル調製アルゴリズムの設計に寄与する。

ABSTRACT

Sample preparation is an indispensable component of almost all biochemical protocols, and it involves, among others, making dilutions and mixtures of fluids in certain ratios. Recent microfluidic technologies offer suitable platforms for automating dilutions on-chip, and typically on a digital microfluidic biochip (DMFB), a sequence of (1:1) mix-split operations is performed on fluid droplets to achieve the target concentration factor (CF) of a sample. An (1:1) mixing model ideally comprises mixing of two unit-volume droplets followed by a (balanced) splitting into two unit-volume daughter-droplets. However, a major source of error in fluidic operations is due to unbalanced splitting, where two unequal-volume droplets are produced following a split. Such volumetric split-errors occurring in different mix-split steps of the reaction path often cause a significant drift in the target-CF of the sample, the precision of which cannot be compromised in life-critical assays. In order to circumvent this problem, several error-recovery or error-tolerant techniques have been proposed recently for DMFBs. Unfortunately, the impact of such fluidic errors on a target-CF and the dynamics of their behavior have not yet been rigorously analyzed. In this work, we investigate the effect of multiple volumetric split-errors on various target-CFs during sample preparation. We also perform a detailed analysis of the worst-case scenario, i.e., the condition when the error in a target-CF is maximized. This analysis may lead to the development of new techniques for error-tolerant sample preparation with DMFBs without using any sensing operation.

研究の動機と目的

• デジタルマイクロフルイディクスバイオチップ（DMFBs）における体積的スプリットエラーが標的濃度係数（CF）に与える影響を調査すること。
• 不均衡なスプリット（不均一な体積のドロップレットを生成）が、複数段階の希釈プロトコル中のCFの正確性に与える影響を分析すること。
• CFエラーが最大になる条件、特に複数のスプリットエラーが存在する場合を特定すること。
• ロールバックやセンシングを伴わない、センサーレスでエラー耐性を持つDMFB上でのサンプル調製技術の開発に役立つ知見を提供すること。

提案手法

• スプリットエラーの大きさ（ε）とドロップレット選択（大きな体積または小さな体積）を考慮した再帰的方程式を用いたCFエラー伝播の理論的モデリング。
• 単一および複数のスプリットエラーを伴うミックススプリットシーケンスのシミュレーションを行い、エラーの影響を評価するため、エラーのベクトル（例：[−, +, +, −, +, −]）を変化させる。
• 3次元プロットと理論的およびシミュレーテッドCFエラー値の比較分析を用いて結果の妥当性を検証する。
• 異なる初期CF値とエラーのベクトルの組み合わせにおけるエラーダイナミクスの分析を通じて、最悪のシナリオを評価する。
• n段階のミックススプリット操作におけるエラー式の一般化を行い、累積的エラー効果をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の不均衡なスプリットエラーは、DMFBベースの希釈プロトコルにおける標的濃度係数（CF）にどのように影響するか？
• RQ2 不均衡なスプリット後に、小さい方の娘ドロップレットを選択するのと、大きな方を選択するのとで、CFエラーにどのような違いが生じるか？
• RQ3 連続する複数のスプリットエラーは、最終的なCFにどのように影響し、最悪のエラーのベクトルを予測できるか？
• RQ4 与えられた数のスプリットエラーに対して、CFエラーの最大値はどれくらいで、どのような条件下で発生するか？

主な発見

• 負のスプリットエラー（ε < 0）では、小さいドロップレットが選択されるが、正のエラーに比べて常に大きなCFエラーを生じる。
• CFエラーの大きさは、スプリットエラーの絶対値（|ε|）が大きくなるほど増加し、特に複数のエラーが蓄積する場合に顕著になる。
• 3つの連続するスプリットエラーにおいて、CFエラーはエラーのベクトルに対して単調でない依存関係を示し、すべての構成で最大エラーを特定する明確なパターンは存在しない。
• スケーリングされた最大の観測CFエラーは1.977であり、エラーのベクトル[−, +, +, −, +, −]を伴うシミュレーションで57番目の位置に発生した。
• エラー伝播の複雑さから、包括的なシミュレーションなしには最悪のエラーのベクトルを特定する決定的アルゴリズムを導出することは不可能である。