القائم الشعرية جهاز ميكروفلويديك الطرد المركزي لتشكيل السيطرة الحجم من Monodisperse Microdroplets
Summary
Here, we demonstrate a simple production method for size-controllable, monodisperse, water-in-oil (W/O) microdroplets using a capillary-based centrifugal microfluidic device. This method requires only a small sample volume and enables high-yield production. We expect this method will be useful for rapid biochemical and cellular analyses.
Abstract
هنا، علينا أن نظهر طريقة بسيطة لإنتاج السريع ل، monodisperse، W microdroplets بحجم يمكن السيطرة عليها / O باستخدام جهاز ميكروفلويديك الطرد المركزي القائم على شعري. وقد تم مؤخرا استخدام W / O microdroplets في الأساليب القوية التي تمكن المنمنمة التجارب الكيميائية. لذلك، ووضع طريقة تنوعا لانتاج monodisperse W هناك حاجة / O microdroplets. لقد قمنا بتطوير طريقة لتوليد monodisperse W microdroplets / O استنادا إلى جهاز تتدفق التعاون القائم الشعرية الطرد المركزي axisymmetric ميكروفلويديك. نجحنا في السيطرة على حجم microdroplets عن طريق ضبط فتحة الشعرية. أسلوبنا يتطلب معدات وهذا هو أسهل لاستخدام لمن بتقنيات الموائع الدقيقة الأخرى، لا يتطلب سوى كمية صغيرة (0،1-1 ميكرولتر) من محلول العينة لتغليف، ويساعد على إنتاج مئات الآلاف عدد من W microdroplets / O في الثانية . نتوقع أن هذه الطريقة تساعد الدراسات البيولوجية التي تتطلب الصورة البيولوجي الثمينamples من خلال الحفاظ على حجم العينات للالسريع الكيمياء الحيوية التحليل الكمي والدراسات البيولوجية.
Introduction
W / O microdroplets 1-5 دينا العديد من التطبيقات الهامة لدراسة الكيمياء الحيوية والهندسة الحيوية، بما في ذلك تركيب البروتين 6، بروتين بلورة 7، مستحلب PCR 8،9، التغليف خلية 10، وبناء أنظمة تشبه الخلايا الاصطناعية 5،6. لإنتاج microdroplets W / O لهذه التطبيقات، ومعايير مهمة هي السيطرة على حجم وmonodispersibility من microdroplets W / O. ميكروفلويديك أجهزة لصنع monodisperse، بحجم يمكن السيطرة عليها W / O microdroplets 11 تقوم على أساس التعاون المتدفقة طريقة 12،13، التي تركز تدفق طريقة 14،15، وأسلوب T-تقاطع 16 في microchannels. ورغم أن هذه الأساليب إنتاج monodisperse غاية W microdroplets / O، وعملية التصنيع الدقيق يتطلب معالجة معقدة والتقنيات المتخصصة لإعداد microchannels، وأيضا يتطلب كمية كبيرة من محلول العينة (على الأقل عدة مئات من81؛ ل) بسبب حجم القتلى لا مفر منه في مضخات الحقن والأنابيب التي تجري محلول العينة لو microchannels. وبالتالي، وسيلة سهلة الاستخدام وانخفاض القتلى الحجم لتوليد monodisperse W هناك حاجة / O microdroplets.
هذه الورقة، جنبا إلى جنب مع أشرطة الفيديو من الإجراءات التجريبية، يصف الطرد المركزي القائم على شعري axisymmetric المتدفق شارك جهاز ميكروفلويديك 17 لتوليد خلايا الحجم، monodisperse W / O microdroplets (الشكل 1). هذه الطريقة البسيطة يحقق monodispersity حجم وحجم التحكم. فهو يتطلب الطاولة مصغرة الطرد المركزي وaxisymmetric جهاز ميكروفلويديك المتدفق التعاون القائم الشعرية الثابتة في microtube أخذ العينات. أسلوبنا يحتاج فقط حجم صغير جدا (0.1 ميكرولتر)، ولا يضيع أي حجم كبير من العينة.
Protocol
Representative Results
Discussion
باستخدام هذا الجهاز، تم إنشاء monodisperse W / O microdroplets من هضبة-رايلي عدم استقرار طائرة تدفق 17. لم الفحص المجهري لا تكشف عن وجود قطرات الأقمار الصناعية. في تصنيع الجهاز، ثلاث خطوات حاسمة ضرورية لتوليد monodisperse W microdroplets / O بنجاح. أولا، لتوفير تدفق التوالي السطحي النفط الت?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the PRESTO “Design and Control of Cellular Functions” research area of the Japan Science and Technology Agency (JST), a Grant-in-Aid for Scientific Research of Innovative Areas “Molecular Robotics” (Project No. 24104002) from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), Japan, Grant-in-Aid for Young Scientists (A) (Project No. 24680033) and Scientific Research (B) (Project No. 26280097) from the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS), and the Creative Design for Bioscience and Biotechnology course of the School of Bioscience and Biotechnology at Tokyo Tech.
Materials
| 2-mm-thick polyacetal plastic plate | Tool | Nikkyo Technos, Co., Ltd. (Japan) | 244-6432-08 | |
| Milling machine | Tool | Roland DG Co., Ltd. (Japan) | MDX-40A | |
| End Mill RSE230-0.5*2.5 | Tool | NS Tool Co., Ltd. (Japan) | 01-00644-00501 | |
| M2*40 screws | Tool | Jujo Synthetic Chemistry Labo. (Japan) | 0001-024 | |
| Glass Capillry Puller | Tool | Narishige (Japan) | PC-10 | |
| Microforge | Tool | Narishige (Japan) | MF-900 | |
| Inner Glass Capillary | Tool | Narishige (Japan) | G-1 | |
| Outer Glass Capillary | Tool | World Precision Instruments Inc. (USA) | 1B200-6 | |
| 1.5 ml Sample tube | Tool | INA OPTIKA CO.,LTD (Japan) | ST-0150F | |
| Hexadecane | Reagent | Wako Pure Chemical Industries Ltd. (Japan) | 080-03685 | |
| Sorbitan monooleate (Span 80) | Reagent | Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japan) | S0060 | |
| Milli Q system | Reagent | Merck Millipore Corporation (Germany) | ZRQSVP030 | |
| Swinging-out-type Mini-centrifuge | Tool | Hitech Co., Ltd. (Japan) | ATT101 | |
| Digital Microscope | Tool | KEYENCE Corporation (Japan) | VHX-2001 |
References
- Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. Reactions in droplets in microfluidic channels. Angew. Chem., Int. Ed. 45 (44), 7336-7356 (2006).
- Huebner, A., et al. Microdroplets: a sea of applications?. Lab Chip. 8, 1244-1254 (2008).
- Taly, V., Kelly, B. T., Griffiths, A. D. Droplets as microreactors for highthroughput biology. ChemBioChem. 8 (3), 263-272 (2007).
- Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. . Droplet microfluidics. Lab Chip . 8, 198-220 (2008).
- Takinoue, M., Takeuchi, S. Droplet microfluidics for the study of artificial cells. Anal. Bioanal. Chem. 400 (6), 1705-1716 (2011).
- Hase, M., Yamada, A., Hamada, T., Baigl, D., Yoshikawa, K. Manipulation of cell-sized phospholipid-coated microdroplets and their use as biochemical microreactors. Langmuir. 23 (2), 348-352 (2007).
- Zheng, B., Tice, J. D., Roach, L. S., Ismagilov, R. F. A Droplet-Based, Composite PDMS/Glass Capillary Microfluidic System for Evaluating Protein Crystallization Conditions by Microbatch and Vapor-Diffusion Methods with On-Chip X-Ray Diffraction. Angew. Chem., Int. Ed. 43 (19), 2508-2511 (2004).
- Nakano, M., et al. Single-molecule PCR using water-in-oil emulsion. J. Biotechnol. 102 (2), 117-124 (2003).
- Diehl, F., et al. BEAMing: single-molecule PCR on microparticles in water-in-oil emulsions. Nat. Methods. 3, 551-559 (2006).
- He, M., et al. Selective encapsulation of single cells and subcellular organelles into picoliter- and femtoliter-volume droplets. Anal. Chem. 77 (6), 1539-1544 (2005).
- Baroud, C., Gallaire, F., Dangla, R. Dynamics of microfluidic droplets. Lab Chip. 10, 2032-2045 (2010).
- Utada, A. S., Nieves, A. F., Stone, H. A., Weitz, D. A. Dripping to jetting transitions in coflowing liquid streams. Phys. Rev. Lett. 99 (9), 094502 (2007).
- Cramer, C., Fischer, P., Windhab, E. J. Drop formation in a co-flowing ambient fluid. Chem. Eng. Sci. 59 (15), 3045-3058 (2004).
- Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow-focusing" in microchannels. Appl. Phys. Lett. 82, 364-366 (2003).
- Takeuchi, S., Garstecki, P., Weibel, D. B., Whitesides, G. M. An axisymmetric flow-focusing microfluidic device. Adv. Mater. 17 (8), 1067-1072 (2005).
- Thorsen, T., Roberts, R. W., Arnold, F. H., Quake, S. R. Dynamic pattern formation in a vesicle-generating microfluidic device. Phys. Rev. Lett. 86 (18), 4163-4166 (2001).
- Yamashita, H., et al. Generation of monodisperse cell-sized microdroplets using a centrifuge-based axisymmetric co-flowing microfluidic device. J. Biosci. Biotech. 119 (4), 492-495 (2015).
- Maeda, K., Onoe, H., Takinoue, M., Takeuchi, S. Controlled synthesis of 3D multi-compartmental particles with centrifuge-based microdroplet formation from a multi-barrelled capillary. Adv. Mater. 24 (10), 1340-1346 (2012).
