Kapillær-baserte Sentrifugal mikrofluid Enhet for Size-kontrollerbar Dannelse av monodisperse mikrodråper
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
Her viser vi en enkel metode for hurtig produksjon av størrelses-styrbar, monodisperse, W / O mikrodråper ved hjelp av et kapillar-baserte mikrofluid sentrifugalpumpe-enhet. W / O mikrodråper har nylig blitt brukt i kraftige metoder som gjør det mulig miniatyriserte kjemiske eksperimenter. Derfor er utvikling av en fleksibel metode for å gi monodisperse W / O mikrodråper er nødvendig. Vi har utviklet en metode for generering av monodisperse W / O mikrodråper basert på et kapillar-baserte sentrifugale aksesymmetrisk co strømmende mikrofluidenhet. Vi lykkes i å kontrollere størrelsen på mikrodråper ved å justere kapillær åpning. Vår metode krever utstyr som er lettere å bruke enn med andre teknikker microfluidic, krever bare et lite volum (0,1-1 pl) av prøveløsning for innkapsling, og muliggjør produksjon av flere hundre tusen antall av W / O-mikrodråpene i sekundet . Vi forventer at denne metoden vil hjelpe biologiske studier som krever dyrebar biologisk samples av å bevare volumet av prøvene for rask kvantitativ analyse biokjemiske og biologiske studier.
Introduction
W / O mikrodråper 1-5 har mange viktige anvendelser for studiet av biokjemi og bioteknologi, inkludert proteinsyntese 6, protein krystallisering 7, emulsjon PCR 8,9, celle innkapsling 10, og konstruksjonen av kunstige cellelignende systemer 5,6. For å produsere W / O mikrodråper for disse programmene, viktige kriterier er kontroll av størrelse og monodispersibility av W / O mikrodråper. Microfluidic anordninger for fremstilling av monodisperse, størrelse Regulerbar vann / olje-mikrodråper 11 er basert på den medstrømmende metode 12,13, flow-fokusering metode 14,15, og den T-kryss-metoden 16 i mikrokanaler. Selv om disse fremgangsmåter fremstille sterkt monodisperse W / O mikrodråper, krever microfabrication prosessen komplisert håndtering og spesialiserte teknikker for fremstilling av mikrokanaler, og krever også en stor mengde prøveoppløsning (i det minste flere hundre81; l) på grunn av den uunngåelige dødvolum i sprøytepumper og rør som driver prøveoppløsningen til mikrokanaler. Således, til en lett-å-bruke og lav-død-volum-metoden genererer monodisperse W / O mikrodråper er nødvendig.
Dette papir, sammen med videoer fra eksperimentelle prosedyrer, beskriver en sentrifugal-kapillar-baserte aksesymmetrisk co strømmende mikrofluidinnretningen 17 for generering av cellestørrelse, monodispers W / O mikrodråpene (figur 1). Denne enkle metoden oppnår størrelse monodispersitet og størrelse kontrollerbarhet. Det krever bare en tabletop mini-sentrifuge og en kapillær-basert aksesymmetrisk co-strømmer microfluidic enheten fast i et utvalg microtube. Vår metode trenger bare et meget lite volum (0,1 ul), og ikke kaste bort noe vesentlig volum av prøven.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ved hjelp av denne enheten, ble den monodisperse W / O mikrodråper som genereres av Plateau-Rayleigh ustabilitet av en jet-flow 17. Mikroskopisk undersøkelse ikke avsløre tilstedeværelsen av satellitt dråper. I fabrikasjon av anordningen, tre kritiske trinn er avgjørende for å kunne generere monodisperse W / O mikrodråper. Først, for å levere en rett strøm av olje som inneholder overflateaktivt middel og vandig oppløsning, må de kapillære hull av fire plater være anordnet i et konsentrisk møns…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
