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Gota de plataformas basadas en microfluidos son candidatos prometedores para la experimentación de alto rendimiento, ya que son capaces de generar picolitros, la auto-compartimentado barcos bajo costo en las tasas de kHz. Mediante la integración con rápido, sensible y de alta resolución espectroscópica métodos de fluorescencia, la gran cantidad de información generada dentro de estos sistemas se puede extraer de manera eficiente, aprovechar y utilizar.
El desarrollo de plataformas de microfluidos para la realización de la química y la biología ha sido en gran parte impulsado por una serie de beneficios potenciales que acompañan a la miniaturización del sistema. Las ventajas incluyen la capacidad de procesar de manera eficiente a la nano-femoto litros el volumen de la muestra, la integración fácil de los componentes funcionales, una predisposición intrínseca a gran escala de multiplexación, el rendimiento analítico mejorado, un mejor control y reducción de huellas instrumentales 1.
En los últimos años un gran interés se ha centrado en el desarrollo de la gota basado (o flujo segmentado) los sistemas de microfluidos y su potencial como plataformas de alto rendimiento de la experimentación. 2-4 Aquí el agua en aceite se hacen para formar de forma espontánea en los canales de microfluidos como resultado de la inestabilidad capilar entre las dos fases inmiscibles. Es importante destacar que las microgotas de volúmenes definidos con precisión y las composiciones se pueden generar en las frecuenciasde varios kHz. Además, mediante la encapsulación de los reactivos de interés dentro de compartimentos estancos separados por una fase continua inmiscible, tanto de la muestra transversal de conversación y de dispersión (difusión y Taylor base) puede ser eliminado, lo que conduce a un mínimo la contaminación cruzada y la capacidad de tiempo de los procesos analíticos con gran precisión. Además, dado que no hay contacto entre el contenido de las gotas y las paredes del canal (que se han humedecido por la fase continua) la absorción y la pérdida de reactivos en las paredes del canal se previene.
Una vez que las gotas de este tipo se han generado y procesado, es necesario extraer la información analítica necesaria. En este sentido, el método de detección de elección debe ser rápida, proporciona alta sensibilidad y bajos límites de detección, se aplica a una variedad de especies moleculares, que no destructivo y ser capaz de integrarse con dispositivos de microfluidos de una manera fácil. Para satisfacer esta necesidad hemos desarrollado comouite de herramientas experimentales y protocolos que permiten la extracción de grandes cantidades de información fotofísicos de entornos de pequeño volumen, y son aplicables al análisis de una amplia gama de parámetros físicos, químicos y biológicos. Aquí dos ejemplos de estos métodos se presentan y se aplica a la detección de células individuales y el mapeo de los procesos de mezcla dentro de las gotas de volumen picolitros. Se describe el proceso experimental completo, incluyendo la fabricación de chips de microfluidos, la configuración óptica y el proceso de generación y detección de gota.
1. Microchip de fabricación
2. Montaje experimental
3. Gota de generación y adquisición de datos
4. Reconocimiento celular y la cartografía de la mezcla dentro de las gotas
5. Análisis de datos
6. Resultados representante
Reconocimiento celular
Ejemplos típicos de la variableiation del recuento de fotones en función del tiempo para los experimentos basados en células se muestran en las figuras 4a y C, durante un período de 200 milisegundos. Es importante destacar que el caldo Luria-Bertani (LB medio) actúa como un fondo débilmente fluorescentes definir los límites de las gotas acuosas, mientras que distintos estallidos de fotones, lo que corresponde a la presencia de células individuales, se pueden distinguir en la parte superior de este fondo. El fondo LB fluorescente se caracteriza por un aproximado de sección transversal rectangular (marcada por las líneas punteadas de color rojo y verde).
El ancho máximo de la mitad (FWHM) de los estallidos de fluorescentes derivados de E. células de E. coli es de 30 veces más corta que los eventos de fondo gota, lo cual es consistente con la longitud relativa de las gotas (40 micras, que corresponde a un volumen de 30 picolitros) y E. células de E. coli (1,5 a 2,0 micras). 10
Con la detección de doble canalión del sistema, la existencia de células vivas o las células muertas se pueden distinguir a partir del análisis de los canales verde y rojo. Figuras 4 B y D muestran la distribución de probabilidad que describen el número de células por gota.
Mapeo de los eventos de mezcla usando FLIM
La vida de fluorescencia molecular es una propiedad intrínseca de un fluoróforo individuales que sólo se ve afectada por su entorno químico. En consecuencia, sus medidas se pueden utilizar para obtener información sobre medio ambiente (como el pH de la solución, la temperatura, la polaridad y viscosidad) con una resolución superior y precisión que el tiempo de las medidas de fluorescencia integrado, que dependen de factores experimentales (como la concentración, la intensidad de la excitación, y la colección de ópticas eficiencia) 9,11.
Tal como se presenta en otros lugares, 8 es posible mapear los patrones de mezcla dentro de las gotas a través de dos fluoróforos con diferentes valores de toda la vida. En una mezcla que contiene dos (que no interactúan) especies fluorescentes de la decadencia se enfrentará a una forma biexponencial como se muestra en la ecuación 1:
Los tiempos de vida individuales se definen como τ1 y τ2, y la amplitud de cada componente está dado por α1 y α2 respectivamente. El promedio de vida se puede definir de la siguiente manera:
Β1 y β2, donde son la fracción de cada componente y se definen como sigue:
Dado que el volumen de la sonda es fijo y las gotas están fluyendo a través de esa posición, la trayectoria de la vida de los valores a lo largo de las gotas en ese ancho en particular puede ser obtenida. Una trayectoria característica de un ancho especial, Averaged entre 6000 gotas, se puede observar en la figura 5a.
La combinación de las trayectorias a lo largo de todo el ancho del canal conduce a la formación de una concentración en 2D (o mezcla) del mapa. Un resultado típico se presenta en la Figura 5b.
El promedio de los resultados entre un gran número de gotas, el error estándar de los resultados obtenidos pueden ser muy reducido (el 1% de error estándar, con un intervalo de confianza del 95% de la Figura 5a). El método de determinación de la trayectoria de toda la vida supone que todas las gotas son prácticamente idénticos. Esto se demuestra en gran medida correcta por dos razones principales: si las gotas fueron significativamente diferentes, las trayectorias de vida promedio obtenido habría más plano, menos los perfiles divergentes (y las fuertes diferencias en la vida a lo largo de las gotas son un promedio detectado consistentemente). Además, los resultados son reproducibles, independientemente de la personagotas de analizar o de la cantidad de gotas utilizadas en los cálculos. 8
Figura 1. Proceso de flujo en la fabricación de chips de microfluidos.
La figura 2 un diagrama), que representan las bombas de jeringa o jeringas, conectado al chip de microfluidos para la formación de gotas, b) Representación esquemática de una configuración típica de un láser óptico para dos-dos fluoróforo (verde y rojo) de excitación y de detección.. DC = espejo dicroico, EM = emisiones de filtro, L = Lente, PH = agujero, APD = detector de fotodiodo de avalancha.
En la figura 3-chip estrategias de formación de gotas: a) la configuración del flujo de enfoque, b) cruce de configuración.. c) El encapsulado de chip en la Repúblicaoplets de dos reactivos acuosos, originalmente separadas.
Figura 4 lectura óptica de 0,2 s rastros registrados para (a) muertos y (c) las células vivas (las tasas de flujo para la suspensión de células: 1 min l -1, el aceite: 2 min l -1).. Cada señal en forma de arco se corresponde con el medio LB débilmente fluorescentes que se forma la gota acuosa, con los límites de las gotas marcadas con líneas discontinuas. Señales verdes representan las señales de lectura en 633 nm y el rojo en 633 nm longitud de onda. Las células se distinguen por el aumento vertical que surge de los tintes intercalantes del ADN. Distribución de probabilidad de ocupación de celulares dentro de las gotas individuales de (b) las células muertas y (d) las células vivas.
Figura 5 a) la trayectoria típica de por vida un promedio a lo largo de una gota en un ancho particular;. B)Representación típica de la combinación de todas las trayectorias promedio investigado a lo largo de todo el ancho de las gotas en una vida en 2D (o de concentración expresados en% FITC /%-Str AF488) mapa.
Hemos descrito la fabricación de un dispositivo de microfluidos, un montaje experimental y los protocolos asociados para la formación de microgotas y la encapsulación del reactivo y de detección óptica de las gotas de procesado. Los dos ejemplos seleccionados (la detección de células individuales en gotas y el mapeo de los procesos de mezcla dentro de las gotas de fluido) representan las aplicaciones más comunes que se están investigando con la microfluídica gota.
Como los experimentos presentados ilustran el uso de plataformas de microfluidos gota presentan ciertas características atractivas, tales como un alto rendimiento, el confinamiento cuasi-perfecta, alta reproducibilidad ... La gran cantidad de información producida y la alta velocidad a la que se proyecta esta información que se genera, sin embargo, requieren el uso de métodos de detección rápida con una resolución espacio-temporal de alta si la ventaja es que se derivan de estas plataformas en miniatura. En este caso se demuestra que esto esposible con alta precisión las técnicas espectroscópicas fluorescentes. En particular, la técnica de detección FLIM (que hace uso de un láser pulsado con períodos de repetición a intervalos de un ns pocos) pone de manifiesto la capacidad de obtener información muy rápidamente a partir de las gotas que fluyen rápidamente (de alrededor de 200 por segundo). En este caso, la resolución temporal de los eventos detectados fue de tan sólo 1 ms. En cuanto a los límites en el tamaño de la gota y la concentración, el uso de lentes de mayor apertura numérica y mayor potencia láser fácilmente permitir la detección de concentraciones nM en gotas tan pequeñas como 5 micras (las limitaciones en el tamaño de la gota impuestas por las resoluciones de la fotolitografía proceso de fabricación y de la etapa de posicionamiento de sub-micras).
Gotas de microfluidos son candidatos ideales para llevar a cabo experimentos a gran escala de pequeños importes de los reactivos, hasta un solo objetivo / evento. Las limitaciones actuales de esta tecnología incluyen la dificultad para generar droplets de una gran variedad (decenas o cientos) de distinta procedencia en una forma de alto rendimiento. Además, la dificultad para seleccionar y manipular cada sola gota generada impone severas limitaciones a la aplicación práctica de estas técnicas. Por lo tanto, estos temas están en el centro de importantes esfuerzos de investigación destinados a desarrollar las soluciones tecnológicas necesarias que permitan a las plataformas de microfluidos gota para convertirse en un método estándar de referencia de investigación y análisis de aplicaciones de alto rendimiento.
Los autores desean agradecer el apoyo de los consejos de investigación y las subvenciones siguientes: EPSRC, HFSP, Fundación Nacional de Investigación de Corea (número de concesión R11-2009-044-1002-0K20904000004-09A050000410).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nombre del reactivo | Tipo | Empresa | Número de catálogo |
Fluoresceína 5-isotiocianato (FITC) | Reactivo | Sigma-Aldrich | F3651 |
Estreptavidina-Alexa Fluor 488 | Reactivo | Las sondas moleculares | S11223 |
Perfluorodecalina | Reactivo | Sigma-Aldrich | P9900 |
1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctanol | Reactivo | Sigma-Aldrich | 370533 |
Sylgard 184 kit de silicona de elastómero | Reactivo | Premier Farnell Reino Unido LTD | 1673921 |
auramina-O | Reactivo | Sigma-Aldrich | 861030 |
485 nm láser pulsado de diodo | Equipo | PicoQuant | LDH-PC-485 |
TCSPC tarjeta | Equipo | PicoQuant | TimeHarp 100 |
espejo dicroico | Equipo | Chroma Technology Corp. | z488rdc, |
Microscopio objetivo | Equipo | Olimpo | UPLSAPO 60XW |
Fotodiodo de avalancha | Equipo | AQR-141, EG & G, Perkin-Elmer). | AQR-141 |
DMEM | Reactivo | Invitrogen | ABCD1234 |
SYTO9 | Reactivo | Invitrogen | S34854 |
Yoduro de propidio | Reactivo | Invitrogen | P3566 |
Escherichia coli cepa top 10 | Las células | Invitrogen | C4040-10 |
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