基于毛细管的离心微流体装置单分散微滴的大小可控的形成

摘要

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.

摘要

在这里，我们证明了快速生产尺寸可控，单分散，W / O型使用基于毛细管离心微流体装置的微滴的一个简单方法。的W / O微滴最近已在，使小型化的化学实验有力方法中。因此，W是需要/ O微滴开发一种通用的方法来产生单分散的。我们已经开发了用于生成单分散W¯¯基于基于毛细管离心轴对称共同流入微流体设备/ O微滴的方法。我们成功地通过调整毛细管孔口控制微滴的大小。我们的方法需要的设备比用其它微流体技术更容易使用的，只需要对封装样品溶液小体积（0.1-1微升），并能生产数十万的每秒的W / O微滴的。我们预计这种方法将有助于生物学研究需要的宝贵的生物小号通过保护该样品进行快速定量分析生化和生物学研究的体积amples。

引言

W / O微滴^1-5对生物化学和生物工程的研究中许多重要的应用，包括蛋白质合成^6，蛋白质结晶^7，乳液PCR ^8,9，电池封装¹⁰和人造细胞样系统^5,6的建设。以产生用于这些应用W / O型的微滴，重要的标准是大小和W / O微滴的单分散性的控制。用于制造微流体装置的单分散，大小可控的W / O微滴¹¹是基于共同流动方法^12,13，流动聚焦方法^14,15，而在微通道丁字路口方法^16。虽然这些方法产生高度单分散的W / O微滴，该微制造过程需要微通道的制备复杂处理和专门的技术，并且还需要大量的样品溶液（至少几百81，因为在注射器泵和管即进行试样溶液的微通道的必然死体积的1）。因此，W被需要/ O微滴易于使用和低死体积的方法来产生单分散的。

本文用的实验程序的视频沿，描述了一种离心基于毛细管的轴对称共同流入微流体用于产生细胞大小的设备^17中，单分散的W / O微滴（ 图1）。这个简单的方法实现大小单分散性和可控性的大小。它仅需要一个台式微型离心机并固定在一个采样微型管基于毛细管轴对称共同流入微流体装置。我们的方法只需要非常小的体积（0.1微升），和不浪费的样品的任何显著体积。

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研究方案

1.基于毛细管的微流控芯片的制备

1. 将持有最多
   注意:保持器设计示于图2A。
   1. 切出的每个人的四个盘（图2A（ⅰ） - （ⅳ）），从使用铣床2毫米厚的聚缩醛塑料板。使用下面的尺寸为每个保持器的四个圆盘的:（ⅰ）盘1直径8.5毫米，毛细管孔（CH）直径1.3毫米，螺丝孔（SH）直径1.8毫米; （ⅱ）盘2直径8.7毫米，CH直径为2.0毫米，SH直径1.8毫米; （三）盘3直径8.7毫米，CH直径为0.5毫米，SH直径1.8毫米;和（iv）的光盘4的直径9.1毫米，CH 1.0mm直径，SH直径1.8毫米。
   2. 组装使用M2×40螺钉（图2B）的持有者。保持器（图2B）的底部部分由盘1和盘2在图2A（i）中，（ii）和一个上部（ 图支架的URE 2B）由盘3和图 2A中的盘4（ⅲ），（ⅳ）。
      1. 构造支架的底部，插入螺丝在三个SH每个盘1和2通过夹持下一块的螺纹部的缩短的螺钉。保持螺杆的长度为0.9厘米（长度相同的夹持器的底部部分）。
      2. 构造支架的上部，插入螺钉插入两SH每个盘3和4通过夹持下一块的螺纹部的缩短的螺钉。保持螺杆的长度为0.7厘米（长度相同的夹持器的上半部分）。
      3. 为了组装支架，加入使用长螺钉夹持器的底部和上部。
         注意:使保持器确切的每个部分的长度:底部为0.9厘米;上部为0.7厘米（ 图2B）。
2. 玻璃毛细管的制作
   1. 使用两种类型的玻璃毛细管的:一个内部玻璃毛细管（外径（OD）/内径（ID）:1.0 / 0.6 MM），和一个外玻璃毛细管（外径/内径:2.0 /1.12毫米）。
   2. 使用玻璃切割器的外玻璃毛细管分成三个相等的部分，然后用玻璃刀到内玻璃毛细管分成两个相等的部分。
   3. 锐化用玻璃毛细管拉出器（图3A）的每个分割内层和外层玻璃毛细管。设置在最大的车夫的重量。在用于外玻璃毛细管60度和70度的内毛细管设置拉出器的热水平。精心磨砺的玻璃毛细管。
      1. 保持玻璃毛细管的收缩部中的尖端的长度:内毛细管是1.5-1.8厘米;外毛细管是0.8-1.0厘米（图3C）。如果此长度比所描述的长度更短或更长，请调整拉出器的热水平。
   4. F九，内部或外部的玻璃毛细管的microforge站使用磁带（图3B）。
   5. 切断用microforge在三个步骤 （图3B）的玻璃毛细管的尖端:（ⅰ）触摸玻璃毛细管的尖端上的铂丝的玻璃珠，（ii）由踩踏脚踏加热铂线切换为1-2秒，和（iii）1-2秒后，切断该玻璃毛细管的尖端通过冷却铂丝。
      1. 调整内_（D I）和外部_（D 2 O）毛细小孔的直径分别。内层玻璃毛细管的小孔直径为5，10和20微米_（D I ₌ 5,10，20微米）和所述外层玻璃毛细管_（D 2 O）是在该实验中为_60μm（D 2 O _{= 60}微米）。
         注意:玻璃毛细管是一次性的。重复玻璃capillar的制造IES。

2.程序生成W / O型微滴

1. 填用含有油的表面活性剂的外玻璃毛细管。的油和表面活性剂的混合物是含有十六烷2％（W / W）在该实验中（图4A）脱水山梨醇单油酸酯。
   注意:有油和表面活性剂的许多组合（例如，油可以是氟化的或碳酸;表面活性剂可以是离子的，非离子的，或含氟化合物）。
   1. 引入10ul含有十六烷山梨糖醇单油酸酯为外玻璃毛细管。 在图4A中，外层玻璃毛细管_（D 2 O）的孔直径为60微米_（D 2 O _{= 60}微米）。要调整玻璃毛细管的孔口，回到步骤1.2.4-1.2.5。
2. 在保持器（图4B）的底部设置的外毛细管。
3. DRA瓦特大约0.1微升的水溶液成内玻璃毛细管（图4C）通过毛细作用。在图4C中，内层玻璃毛细管_（D I）的孔直径为10微米_（D I _{= 10}微米）。要调整玻璃毛细管的孔口，回到步骤1.2.4-1.2.5。
4. 在保持器（图4D-a）中的上部设置的内毛细管中。插入的内毛细管导入外毛细管（ 图4D-a）中。望着白点圈，如图4D-一个 ，观察内部毛细管的外表毛细管内的位置（外毛细管（w）的 = 130微米的内径）（图4D-B，C）使用数字显微镜。在外部的毛细管的内毛细管的位置必须设置为 w = 100-150微米。
   注意:要改变内的位置毛细管中的外毛细管，请转动螺丝在保持器的上部。从而， 距离 w可以精确地控制。
5. 引入100μl包含十六烷山梨醇单油酸酯（2％W / W）的至1.5 ml的样品微管的底部。安装保持器，具有内，外毛细管，在样品微管（图4E-a）中。一定要检查外毛细管从空气-油界面（ 图4E-B）保持了。
6. 离心机用台式摆动出型微型离心机在1600 XG的比重为1-2秒，产生微滴（ 图4F）样品微管。开展在室温下所有的实验。
   注意:使用摆动出式离心机。液滴可以与样品微管的侧壁碰撞而当使用一个固定角型离心机崩解。
7. 慢慢地绘制出W / O液滴吸管，然后，把它们放在一个玻璃小号立德。
8. 使用数字显微镜（倍率，200X）中产生的微滴的捕获图像。

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结果

在这项研究中，我们通过使用基于毛细管离心微流体装置（图1）呈现为细胞大小的W / O微滴的产生的简单方法。微流体装置是由一个毛细管保持器（图2B）的，两个玻璃毛细管（ 如图 3C内和外玻璃 ​​毛细管），和含有含表面活性剂的油微管。我们注射0.1微升样品溶液到内玻璃毛细管，并置于所述内玻璃毛细管到外玻璃 ​​毛细管

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讨论

使用该装置中，单分散的W / O微滴被喷射流^17的高原-Rayleigh不稳定性产生的。显微镜检查没有发现卫星液滴的存在。在器件的制造中，三个关键步骤是必不可少的，成功地产生单分散的W / O微滴。首先，供给含有油表面活性剂和水溶液的直进流，四个盘毛细管孔必须设置在同心图案。第二，内毛细血管小心地插入到外毛细管，因为如果它接触到上部支架毛细管的尖端破裂容易。这个操作是?...

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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