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Droplet plates-formes basées microfluidiques sont des candidats prometteurs pour l'expérimentation à haut débit car ils sont capables de générer picolitres, auto-compartimentées vaisseaux moindre coût aux cadences kHz. Grâce à l'intégration rapide, sensible et haute résolution de fluorescence des méthodes spectroscopiques, les grandes quantités de données générées au sein de ces systèmes peut être efficacement extraite, exploité et utilisé.
Le développement de plateformes microfluidiques pour effectuer la chimie et la biologie a été en grande partie attribuable à une série d'avantages potentiels qui accompagnent la miniaturisation du système. Les avantages comprennent la capacité à traiter efficacement les nano-à femoto litres volumes d'échantillon, l'intégration facile des composants fonctionnels, une prédisposition intrinsèque envers grande échelle de multiplexage, amélioré le débit d'analyse, un contrôle amélioré et réduit l'empreinte instrumentale 1.
Ces dernières années beaucoup d'intérêt s'est concentré sur le développement des gouttelettes à base (ou flux segmenté) systèmes microfluidiques et leur potentiel comme plates-formes à haut débit d'expérimentation. 2-4 Ici, l'eau-dans-huile sont faits pour former spontanément dans les canaux microfluidiques en raison des instabilités de capillarité entre les deux phases non miscibles. Surtout, des microgouttelettes de volumes définis avec précision et compositions peuvent être générés à des fréquencesde plusieurs kHz. Par ailleurs, en encapsulant les réactifs d'intérêt au sein des compartiments isolés séparés par une phase continue non miscible, deux échantillons cross-talk et la dispersion (diffusion et Taylor-based) peuvent être éliminées, ce qui conduit à la contamination croisée minimale et la possibilité de temps de processus analytiques avec une grande précision. De plus, puisqu'il n'y a aucun contact entre le contenu des gouttelettes et les parois des canaux (qui sont mouillées par la phase continue) d'absorption et la perte de réactifs sur les parois des canaux est empêché.
Une fois que les gouttelettes de ce genre ont été générées et traitées, il est nécessaire d'extraire les informations requises analytique. À cet égard, la méthode de détection de choix doit être rapide, de fournir à haute sensibilité et de faibles limites de détection, être applicable à une gamme d'espèces moléculaires, être non destructive et être capable d'être intégré à des dispositifs microfluidiques de manière simpliste. Pour répondre à ce besoin que nous avons développéuite d'outils expérimentaux et de protocoles qui permettent l'extraction de grandes quantités d'informations photophysiques des petits environnements à volume, et sont applicables à l'analyse d'une large gamme de paramètres physiques, chimiques et biologiques. Ici deux exemples de ces méthodes sont présentées et appliquées à la détection de cellules uniques et la cartographie des processus de mélange à l'intérieur du volume picolitres gouttelettes. Nous rapportons l'ensemble du processus d'expérimentation, dont la fabrication de puces microfluidiques, la configuration optique et le processus de génération des gouttelettes et de détection.
1. Microchip de fabrication
2. Montage expérimental
3. Génération de gouttelettes et d'acquisition de données
4. La reconnaissance cellulaire et de la cartographie de mélange au sein des gouttelettes
5. L'analyse des données
6. Les résultats représentatifs
Reconnaissance des cellules
Des exemples typiques du Variation des comptages de photons en fonction du temps pour les expériences basées sur les cellules sont représentées dans les figures 4a et C, sur une période de deux cents millisecondes. Surtout le bouillon Luria-Bertani (milieu LB) agit comme un fond faiblement fluorescentes définir les limites de gouttelettes aqueuses, tandis que des éclats distincts photon, correspondant à la présence de cellules individuelles, peuvent être distinguées sur le dessus de ce fond. Le fond LB fluorescente est caractérisé par une section approximativement rectangulaire (marqué par les lignes rouge et verte en pointillé).
La largeur maximale à moitié plein (LMH) de salves fluorescente provenant de E. cellules coli est 30 fois plus courte que les événements de gouttelettes de fond, qui est compatible avec la longueur relative des gouttelettes (40 microns, ce qui correspond à un volume de 30 picolitres) et E. cellules coli (1,5-2,0 microns) 10.
Avec le dual channel de détecterion du système, l'existence de cellules vivantes ou des cellules mortes peuvent être distingués de l'analyse des canaux vert et rouge. figures 4 b et d montrent la distribution de probabilité décrivant le nombre de cellules par des gouttelettes.
Cartographie des évènements mélangeant à l'aide FLIM
La durée de vie de fluorescence moléculaire est une propriété intrinsèque d'un fluorophore individuel qui n'est affectée que par son environnement chimique. En conséquence de ses mesures peuvent être utilisées pour obtenir des informations sur l'environnement (comme pH de la solution, la température, la polarité et viscosité) avec une résolution supérieure et une précision que le temps intégré des mesures de fluorescence, qui sont dépendants de facteurs expérimentaux (tels que la concentration, l'intensité d'excitation, et la collecte des optiques l'efficacité). 9,11
Comme présenté ailleurs, 8, il est possible de cartographier les modèles de mélange à l'intérieur de gouttelettes en utilisant deux fluorophores avec diLes valeurs à vie fférents. Dans un mélange contenant deux (sans interaction) des espèces fluorescentes de la désintégration va prendre une forme biexponentielle comme il est montré dans l'équation 1:
Les durées de vie individuelles sont définies comme τ1 et τ2, et l'amplitude de chaque composante est donnée par α1 et α2 respectivement. La durée de vie moyenne peut alors être définie comme suit:
Où β1 β2 et sont la fraction de chaque composant et sont définis comme suit:
Puisque le volume sonde est fixée et les gouttelettes sont coulant à travers cette position, une trajectoire de la durée de vie des valeurs sur toute la longueur des gouttelettes à cette largeur particulier peut être ainsi obtenues. Une trajectoire caractéristique pour une largeur particulière, averagED 6000 parmi les gouttelettes, peut être observé dans la figure 5a.
Combinant les trajectoires à travers toute la largeur de la voie conduisant à la formation d'une concentration en 2D (ou mélange) carte. Un résultat typique est présenté sur la figure 5b.
En faisant la moyenne des résultats auprès d'un grand nombre de gouttelettes, l'erreur-type des résultats obtenus peuvent être considérablement réduits (1% d'erreur standard avec un intervalle de confiance à 95% pour la figure 5a). La méthode de détermination de la trajectoire de vie suppose que toutes les gouttelettes sont pratiquement identiques. Ceci est prouvé d'être largement correct pour deux raisons principales: si des gouttelettes sont significativement différentes, la durée de vie moyenne des trajectoires aurait obtenu plus plat, moins profils divergents (et des différences marquées dans la vie le long de la longueur de la moyenne des gouttelettes sont systématiquement détectés). Par ailleurs, les résultats sont reproductibles quel que soit l'individugouttelettes analysées ou la quantité de gouttelettes utilisées dans les calculs. 8
Flux de processus Figure 1. Sur la fabrication de puces microfluidiques.
La figure 2 un diagramme), représentant les pompes à seringues et des seringues, connecté à la puce microfluidique pour la formation de gouttelettes; Représentation schématique b) d'une configuration typique d'un laser optique pour deux à deux fluorophores (vert et rouge) d'excitation et de détection.. DC = miroir dichroïque, EM = filtre d'émission, L = Lens, PH = Pin Hole, APD = détecteur photodiode à avalanche.
Figure 3 sur puce stratégies la formation de gouttelettes: a) des flux de mise au point de configuration; b) T-jonction de configuration.. c) Sur l'encapsulation de puces dans le droplets l'origine de deux réactifs séparés aqueuse.
Figure 4 lecture optique de 0,2 s traces enregistrées pour (a) morts et (c) des cellules vivantes (taux de flux pour cellules en suspension: 1 min -1 ul, huile: 2 min ul -1).. Chaque signal en forme d'arc correspond au milieu LB faiblement fluorescent qui forme la gouttelette aqueuse, avec des limites de gouttelettes marqué par des lignes pointillées. Signaux verts représentent lecture sous signaux 633nm et rouge plus de 633 longueurs d'onde nm. Les cellules sont distingués par la flambée verticale résultant de l'colorants intercalant de l'ADN. Distribution de probabilité pour l'occupation cellulaire dans les gouttelettes unique pour (b) les cellules mortes et (d) des cellules vivantes.
Figure 5 a) la durée de vie moyenne de la trajectoire typique le long d'une goutte sur une largeur particulière;. B)Représentation typique de la combinaison de toutes les trajectoires en moyenne sondé sur toute la largeur des gouttelettes dans une vie 2D (ou la concentration, exprimée en% FITC /% Str-AF488) carte.
Nous avons décrit la fabrication d'un dispositif microfluidique, une installation expérimentale et protocoles associés à la formation de microgouttelettes et l'encapsulation des réactifs et la détection optique des gouttelettes traitées. Les deux exemples choisis (la détection de cellules individuelles dans des gouttelettes et de la cartographie des processus de mélange à l'intérieur de gouttelettes qui coule) représentent des applications communes qui sont actuellement à l'étude avec la microfluidique gouttelettes.
Comme les expériences présentées illustrent l'utilisation de plates-formes microfluidique gouttelettes présentent certaines caractéristiques intéressantes, telles que le débit élevé, quasi-parfaite de confinement, une grande reproductibilité ... La grande quantité d'informations produites et la vitesse élevée à laquelle cette information est générée, cependant, nécessitent l'utilisation de méthodes de détection rapide avec une résolution spatio-temporelle élevé si le profit est à tirer de ces plates-formes miniaturisées. Dans ce cas, nous démontrent que ce n'estpossible en utilisant très précis des techniques de spectroscopie fluorescente. En particulier, la technique de détection FLIM (ce qui rend l'utilisation d'un laser pulsé avec des périodes aussi courtes que la répétition quelques ns) révèle la capacité d'obtenir des informations très rapidement à partir des gouttelettes qui coule rapidement (d'environ 200 par seconde). Dans ce cas, la résolution temporelle des événements détectés était aussi faible que 1 ms. En termes de limites de taille des gouttelettes et de la concentration, l'utilisation de grandes lentilles ouverture numérique et les lasers de puissance plus large pourrait facilement permettre la détection de concentrations nM dans les gouttelettes aussi petites que 5 microns (les limites de taille des gouttelettes étant imposées par les résolutions de la photolithographie processus de fabrication et de la scène de positionnement submicronique).
Gouttelettes microfluidiques sont des candidats idéaux pour mener à bien une expérimentation à grande échelle impliquant de petites quantités de réactifs, en baisse de cible unique / événement. Les limitations actuelles de cette technologie impliquent la difficulté à générer des droplets d'une grande variété (des dizaines ou des centaines) de différentes sources de façon à haut débit. De plus, la difficulté à cibler et à manipuler chaque goutte unique généré impose des contraintes sévères à l'applicabilité pratique de ces techniques. Par conséquent, ces questions sont au centre des efforts de recherche importants visant à développer les solutions technologiques nécessaires qui permettront aux plates-formes de gouttelettes microfluidiques pour devenir une méthode de référence standard de recherche et d'analyse dans les applications à haut débit.
Les auteurs tiennent à souligner l'appui des conseils de recherche et les subventions suivantes: EPSRC, HFSP, National Research Foundation de Corée (Numéro de la subvention R11-2009-044-1002-0K20904000004-09A050000410).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nom du réactif | Tapez | Société | Numéro de catalogue |
5-isothiocyanate de fluorescéine (FITC) | Réactif | Sigma-Aldrich | F3651 |
Streptavidine-Alexa Fluor 488 | Réactif | Molecular Probes | S11223 |
Perfluorodecalin | Réactif | Sigma-Aldrich | P9900 |
1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctanol | Réactif | Sigma-Aldrich | 370533 |
Sylgard 184 kit élastomère de silicone | Réactif | Premier Farnell au Royaume-Uni LTD | 1673921 |
auramine-O | Réactif | Sigma-Aldrich | 861030 |
485 nm diode laser pulsé | Équipement | PicoQuant | LDH-PC-485 |
TCSPC Carte | Équipement | PicoQuant | TimeHarp 100 |
miroir dichroïque | Équipement | Chroma Technology Corp | z488rdc, |
Objectif de microscope | Équipement | Olympus | UPLSAPO 60XW |
Photodiode à avalanche | Équipement | AQR-141, EG & G, Perkin-Elmer). | AQR-141 |
DMEM | Réactif | Invitrogen | ABCD1234 |
SYTO9 | Réactif | Invitrogen | S34854 |
L'iodure de propidium | Réactif | Invitrogen | P3566 |
Escherichia coli souche top 10 | Cellules | Invitrogen | C4040-10 |
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