Dispositivo micro centrífuga baseada capilar para a Formação tamanho controlável de Monodisperse microgotas
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
Aqui, demonstramos um método simples para a produção rápida de, monodispersas, microgotículas de E / S de tamanho controlável W usando um dispositivo de microfluidos centrífuga à base de capilar. microgotículas W / S foram recentemente utilizados em métodos eficientes que permitem miniaturizados experiências químicas. Por conseguinte, o desenvolvimento de um método versátil para produzir monodispersa W / O microgotículas é necessária. Desenvolvemos um método para gerar monodispersa microgotículas W / O com base em um dispositivo axissimétrico centrífuga à base de capilar co-corrente de microfluidos. Tivemos sucesso no controlo do tamanho das microgotículas ajustando o orifício capilar. O nosso método requer equipamento que é mais fácil de usar do que com outras técnicas de microfluidos, requer apenas um pequeno volume (0,1-1 pi) da solução de amostra para o encapsulamento, e permite a produção de centenas de milhares número de microgotículas W / O por segundo . Esperamos que este método ajudará estudos biológicos que requerem precioso s biológicaplos de conservação do volume de amostra, para uma rápida bioquímica análise quantitativa e estudos biológicos.
Introduction
W / O microgotículas 1-5 têm muitas aplicações importantes para o estudo da bioquímica e da tecnologia biológica, incluindo a síntese de proteínas 6, 7 cristalização de proteínas, emulsão de PCR 8,9, encapsulamento de células 10, e construção de sistemas semelhantes a células artificiais 5,6. Para produzir microgotículas W / O para estas aplicações, são importantes critérios de controlo de tamanho e monodispersibility das microgotículas W / O. Microcanais para fazer monodispersa, tamanho controlável W / O microgotículas 11 baseiam-se no método de co-corrente 12,13, método de focagem de fluxo de 14,15, e o método T-junção 16 em microcanais. Embora estes métodos produzem microgotículas / O w altamente monodispersas, o processo de microfabricação requer um tratamento complicado e técnicas especializadas para a preparação de microcanais, e requer também uma grande quantidade de solução de amostra (pelo menos, várias centenas81; l) por causa do volume morto inevitável nas bombas de seringa e tubos que conduzem a solução de exemplo para os microcanais. Assim, um método fácil de usar e de baixo volume morto para gerar monodisperso W / O microgotas é necessário.
Este papel, juntamente com vídeos de procedimentos experimentais, descreve um dispositivo de centrifugação com base em capilar axissimétrico co-fluir microfluidos 17 para a geração de tamanho de célula, monodispersa W / O microgotículas (Figura 1). Este método simples alcança monodispersity tamanho e controlabilidade tamanho. Ela exige apenas uma mesa mini-centrífuga e um dispositivo de co-fluindo axissimétrico baseada capilar microfluídico fixo em um microtubo de amostragem. Nosso método necessita apenas de um volume muito pequeno (0,1 ul), e não desperdiçar qualquer volume significativo da amostra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Usando este dispositivo, o monodispersa W / O foram gerados por microgotículas planalto-Rayleigh instabilidade de um jacto de fluxo 17. O exame microscópico não revelou a presença de gotículas de satélite. Na fabricação do dispositivo, três passos críticos são essenciais para gerar sucesso microgotículas / O w monodispersas. Em primeiro lugar, a fornecer um fluxo linear de tensioactivo contendo óleo e uma solução aquosa, os furos capilares de quatro discos devem ser dispostas num padrão concê…
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).
