Kapillär-baserade centrifugala mikroflödessystem enhet för Storlek styrda Bildning av monodispersa mikrodroppar
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
Här visar vi en enkel metod för snabb produktion av storleks kontrollerbar, monodispersa, W / O mikrodroppar med hjälp av en kapillär baserad centrifugal mikroflödessystem enhet. W / O-mikrodroppar har nyligen använts i kraftfulla metoder som möjliggör miniatyriserade kemiska experiment. Därför att utveckla en mångsidig metod ger monodispersa W / O mikrodroppar behövs. Vi har utvecklat en metod för att generera monodispers W / O mikrodroppar som bygger på en kapillär baserad centrifugal axelsymmetrisk co strömmande mikroflödessystem enhet. Vi lyckats kontrollera storleken på mikrodroppar genom att justera kapillär öppning. Vår metod kräver utrustning som är lättare att använda än andra mikroflödesteknik, kräver endast en liten volym (0,1-1 ul) av provlösning för inkapsling, och möjliggör produktion av hundratusentals antal W / O-mikrodroppar per sekund . Vi förväntar oss att denna metod kommer att hjälpa biologiska studier som kräver dyrbar biologiska spel genom att bevara volymen av proverna för snabb kvantitativ analys biokemiska och biologiska studier.
Introduction
W / O mikrodroppar 1-5 har många viktiga applikationer för studier av biokemi och bioteknik, inklusive proteinsyntes 6, proteinkristallisering 7, emulsion PCR 8,9, cell inkapsling 10, och konstruktion av artificiella cell liknande system 5,6. För att framställa W / O-mikrodroppar för dessa applikationer, viktiga kriterier är kontroll av storlek och monodispersibility av W / O-mikrodroppar. Mikroflödessystem enheter för att göra monodispersa, storleks kontrollerbar W / O mikrodroppar 11 är baserade på co-strömmande metod 12,13, flödesfokuseringsmetod 14,15, och T-korsning metod 16 i mikro. Även om dessa metoder producera mycket monodispergerade W / O-mikrodroppar kräver mikroprocessen komplicerad hantering och specialiserade tekniker för framställning av mikro, och kräver också en stor mängd av provlösningen (åtminstone flera hundra81; l) på grund av den oundvikliga död volym i sprutan pumpar och rör som bedriver provlösningen till mikro. Således, för att en enkel att använda och låg-död-volym-metoden genererar monodispersa W / O-mikrodroppar behövs.
Detta dokument, tillsammans med videor av experimentella procedurer, beskriver en centrifugal kapillär-baserade axelsymmetrisk co-flödande mikroflödessystem enhet 17 för generering av cellstorlek, monodispers W / O mikrodroppar (Figur 1). Denna enkla metod uppnår storlek monodispersitet och storlek styrbarhet. Det krävs bara en bordsskiva mini-centrifug och en kapillär-baserade axelsymmetrisk co-flödande mikroflödessystem enhet fast i en provtagnings mikrorör. Vår metod behöver bara en mycket liten volym (0,1 l), och inte slösa någon betydande volym av provet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med hjälp av denna enhet, monodispersa W / O mikrodroppar genererades av Plateau-Rayleigh instabilitet av en jet-flöde 17. Mikroskopisk undersökning avslöjade inte närvaron av satellitdroppar. I tillverkningen av anordningen, tre kritiska stegen är avgörande för att framgångsrikt alstra monodispersa W / O-mikrodroppar. Först, för att tillhandahålla ett rakt flöde av olja innehållande ytaktivt medel och vattenlösning, måste de kapillära hål av fyra skivor anordnas i ett koncentriskt mönster….
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).
