basée capillaire dispositif microfluidique centrifuge pour Taille contrôlable formation de microgouttelettes monodisperse
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
Ici, nous démontrons une méthode simple pour la production rapide de,, W microgouttelettes / S monodisperses taille contrôlable à l'aide d'un dispositif microfluidique centrifuge basé capillaire. microgouttelettes W / S ont été récemment utilisé dans des méthodes puissantes qui permettent miniaturisés expériences chimiques. Par conséquent, le développement d'une méthode polyvalente pour obtenir monodisperse W / O microgouttelettes est nécessaire. Nous avons développé un procédé pour produire des micro-gouttelettes monodispersées W / O en fonction d'un dispositif de co centrifuge à écoulement capillaire à base de révolution microfluidique. Nous avons réussi à contrôler la taille des micro-gouttelettes en ajustant l'orifice capillaire. Notre méthode nécessite un équipement qui est plus facile à utiliser que d'autres techniques microfluidiques, nécessite seulement un petit volume (0,1-1 pi) de la solution de l'échantillon pour l'encapsulation, et permet la production de centaines de milliers nombre de W microgouttelettes d'E / S par seconde . Nous prévoyons que cette méthode aidera études biologiques qui nécessitent s biologique précieuxDes exemples de conservation du volume des échantillons pour l'analyse biochimique rapide et quantitative des études biologiques.
Introduction
W / O microgouttelettes 1-5 avoir de nombreuses applications importantes pour l'étude de la biochimie et de la bioingénierie, y compris la synthèse des protéines 6, la cristallisation des protéines 7, émulsion PCR 8,9, encapsulation de cellules 10, et la construction de systèmes analogues à des cellules artificielles 5,6. Pour produire des microgouttelettes W / S pour ces applications, les critères importants sont le contrôle de la taille et monodispersibility des microgouttelettes W / O. Dispositifs microfluidiques pour faire monodisperse, taille-réglable W / O microgouttelettes 11 sont basées sur la méthode de co-écoulement 12,13, méthode des flux de focalisation 14,15, et la méthode T-jonction 16 dans des microcanaux. Bien que ces méthodes produisent des microgouttelettes E / H très monodisperses, le processus de microfabrication nécessite une manipulation compliquée et techniques spécialisées pour la préparation de microcanaux, et nécessite aussi une grande quantité de la solution échantillon (au moins plusieurs centaines de81; l) en raison du volume mort inévitable dans les pompes à seringues et des tubes qui conduisent la solution d'échantillon à microcanaux. Ainsi, une méthode facile à utiliser et à faible volume mort de générer monodisperse W / O microgouttelettes est nécessaire.
Ce document, ainsi que des vidéos de procédures expérimentales, décrit une révolution dispositif centrifuge basé capillaire co écoulement microfluidique 17 pour générer des cellules de taille, monodisperse W / O microgouttelettes (figure 1). Cette méthode simple permet d'obtenir monodispersité de taille et de taille contrôlabilité. Il faut juste une table mini-centrifugeuse et une révolution dispositif microfluidique de co-circulant base capillaire fixe dans un microtube d'échantillonnage. Notre méthode n'a besoin que d'un très petit volume (0,1 pi), et ne perd pas une quantité importante de l'échantillon.
Protocol
Representative Results
Discussion
En utilisant ce dispositif, l'monodisperse W / O microgouttelettes ont été générés par l'instabilité de Rayleigh-Plateau d'un jet-débit 17. L'examen microscopique n'a pas révélé la présence de gouttelettes satellites. Dans la fabrication de l'appareil, trois étapes critiques sont essentiels pour générer avec succès microgouttelettes E / H monodisperses. Tout d'abord, de fournir un flux linéaire de l'huile contenant un agent tensioactif et une solution aqueuse, l…
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).
