-Capillaire gebaseerde centrifugale microfluïdische apparaat voor Grootte-controleerbare Vorming van Monodisperse microdruppels
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
Hier tonen we een eenvoudige werkwijze voor de snelle productie van grootte regelbaar, monodisperse, W / O microdruppels met een capillair-gebaseerde centrifugale microfluïdische apparaat. W / O microdruppeltjes zijn onlangs gebruikt krachtige methoden die het mogelijk maken geminiaturiseerde chemische experimenten. Daarmee wordt de ontwikkeling van een veelzijdige werkwijze ter verkrijging monodisperse W / O microdruppels nodig. We hebben een werkwijze voor het monodisperse W / O microdruppels op basis van een capillair gebaseerde centrifugaal assymmetrische co-flowing microfluïdische apparaat ontwikkeld. Gelukt het regelen van de omvang van de microdruppeltjes door aanpassing van de capillaire opening. Onze methode vereist apparatuur die gemakkelijker te gebruiken dan bij andere microfluïdische technieken, vereist slechts een klein volume (0,1-1 ul) van de monsteroplossing voor inkapseling, en maakt de productie van honderdduizenden aantal W / O microdruppeltjes per seconde . Wij verwachten dat deze methode zal biologische studies dat kostbare biologische s nodig te helpenamples door behoud van de volume van de monsters voor snelle kwantitatieve analyse biochemische en biologische studies.
Introduction
W / O microdruppeltjes 1-5 hebben vele belangrijke toepassingen voor de studie van de biochemie en biotechnologie, waaronder eiwitsynthese 6, 7 eiwitkristallisatie, emulsie PCR 8,9, celinkapselende 10 en constructie van kunstmatige celachtige systemen 5,6. W / O microdruppeltjes voor deze toepassingen produceren belangrijke criteria zijn controle grootte en monodispersibility van het W / O microdruppels. Microfluïdische inrichtingen voor het maken monodisperse, grootte regelbaar W / O microdruppeltjes 11 zijn gebaseerd op de co-stromende 12,13 methode, flow scherpstelmethode 14,15, en de T-splitsing werkwijze 16 in microkanalen. Hoewel deze werkwijzen produceren sterk monodisperse W / O microdruppeltjes, de microfabrication proces vereist ingewikkelde hantering en gespecialiseerde technieken voor de bereiding van microkanalen en vereist ook een grote hoeveelheid monsteroplossing (ten minste enkele honderden81; l) vanwege de onvermijdelijke dode volume in de spuit pompen en buizen die de monsteroplossing om de microkanalen te voeren. Aldus wordt een eenvoudig te gebruiken en laag dood volume methode om monodisperse genereren W / O microdruppels nodig.
Dit document, samen met video experimentele procedures, beschrijft een centrifugale capillair-gebaseerde co-assymmetrische flowing microfluïdische apparaat 17 voor het genereren van cel-sized, monodisperse W / O microdruppels (figuur 1). Deze eenvoudige methode realiseert grootte monodispersiteit en grootte beheersbaarheid. Het vereist slechts een tabletop mini-centrifuge en een capillair basis assymmetrische-co stroomt microfluïdische apparaat in een sampling microbuis vast. Onze methode heeft slechts een zeer klein volume (0,1 ui) en geen significante volume van het monster afval.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gebruik van dit apparaat de monodisperse W / O microdruppels werden gegenereerd door Plateau-Rayleigh instabiliteit van een jet-stroom 17. Microscopisch onderzoek niet de aanwezigheid van volgdruppels niet onthullen. Bij de vervaardiging van de inrichting, drie kritische stappen zijn essentieel voor succesvol genereren monodisperse W / O microdruppels. Enerzijds een rechte oliestroom die oppervlakteactieve stof en een waterige oplossing te leveren, moet de capillaire openingen van vier schijven aangebracht in…
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).
