केशिका आधारित Monodisperse Microdroplets का आकार चलाया गठन के लिए केन्द्रापसारक Microfluidic डिवाइस
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
यहाँ, हम आकार चलाया, monodisperse, डब्ल्यू / हे एक केशिका आधारित केन्द्रापसारक microfluidic युक्ति का उपयोग कर microdroplets के तेजी से उत्पादन के लिए एक सरल विधि का प्रदर्शन। डब्ल्यू / हे microdroplets हाल ही में शक्तिशाली तरीकों कि रासायनिक प्रयोगों छोटी सक्षम इस्तेमाल किया गया है। इसलिए, एक बहुमुखी विधि को विकसित करने monodisperse उपज के लिए डब्ल्यू / हे microdroplets की जरूरत है। हम डब्ल्यू / हे एक केशिका आधारित केन्द्रापसारक axisymmetric सह बहने microfluidic युक्ति के आधार पर microdroplets monodisperse पैदा करने के लिए एक तरीका विकसित किया है। हम केशिका छिद्र का समायोजन करके microdroplets के आकार को नियंत्रित करने में सफल रहा। हमारे विधि उपकरण अन्य microfluidic तकनीकों के साथ तुलना में आसान करने के लिए उपयोग है कि आवश्यकता है, encapsulation के लिए नमूना समाधान का केवल एक छोटी मात्रा (0.1-1 μl) की आवश्यकता है और प्रति सेकंड डब्ल्यू / हे microdroplets के हजारों की सैकड़ों संख्या के उत्पादन में सक्षम बनाता है । हमें उम्मीद है कि इस विधि जैविक अध्ययन कीमती जैविक रों की आवश्यकता की सहायता करेंगेतेजी से मात्रात्मक विश्लेषण जैव रासायनिक और जैविक अध्ययन के लिए नमूने की मात्रा संरक्षण द्वारा amples।
Introduction
डब्ल्यू / हे microdroplets 1-5 जैव रसायन और जैव प्रौद्योगिकी के अध्ययन के लिए कई महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों, प्रोटीन संश्लेषण 6, प्रोटीन क्रिस्टलीकरण 7, पायस पीसीआर 8,9, सेल encapsulation 10, और कृत्रिम कोशिका-तरह सिस्टम 5,6 का निर्माण भी शामिल है। इन अनुप्रयोगों के लिए डब्ल्यू / हे microdroplets का उत्पादन करने के लिए, महत्वपूर्ण मानदंड आकार और डब्ल्यू / हे microdroplets की monodispersibility का नियंत्रण कर रहे हैं। बनाने के लिए microfluidic उपकरणों monodisperse, आकार-चलाया डब्ल्यू / microdroplets 11 सह बह विधि 12,13, प्रवाह ध्यान केंद्रित विधि 14,15, और microchannels में टी जंक्शन विधि 16 के आधार पर कर रहे हैं हे। हालांकि इन तरीकों अत्यधिक monodisperse डब्ल्यू / हे microdroplets उत्पादन, microfabrication प्रक्रिया जटिल हैंडलिंग और microchannels की तैयारी के लिए विशेष तकनीक की आवश्यकता है, और यह भी नमूना समाधान की एक बड़ी राशि (कम से कम कई सौ की आवश्यकता है81, सिरिंज पंप और ट्यूबों कि microchannels के लिए नमूना समाधान आचरण में अपरिहार्य मृत मात्रा की वजह से एल)। इस प्रकार, एक करने के लिए उपयोग में आसान और कम मृत मात्रा विधि monodisperse उत्पन्न करने के लिए डब्ल्यू / हे microdroplets की जरूरत है।
इस पत्र, प्रयोगात्मक प्रक्रियाओं के वीडियो के साथ साथ, एक केन्द्रापसारक केशिका आधारित axisymmetric सह बहने microfluidic सेल आकार पैदा करने के लिए डिवाइस 17, डब्ल्यू / हे microdroplets (चित्रा 1) monodisperse वर्णन करता है। इस सरल विधि आकार monodispersity और आकार controllability प्राप्त होता है। यह सिर्फ एक टेबलटॉप मिनी सेंट्रीफ्यूज और एक केशिका आधारित axisymmetric सह बहने microfluidic युक्ति एक नमूना microtube में तय की आवश्यकता है। हमारे विधि केवल एक बहुत छोटी मात्रा (0.1 μl) की जरूरत है, और नमूना के किसी भी महत्वपूर्ण मात्रा बर्बाद नहीं करता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस उपकरण का उपयोग, डब्ल्यू / हे microdroplets monodisperse एक जेट-प्रवाह 17 के पठार-रेले अस्थिरता से उत्पन्न किया गया। सूक्ष्म परीक्षण उपग्रह बूंदों की उपस्थिति का खुलासा नहीं किया। इस उपकरण के निर्माण में, तीन महत्व…
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).
