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Piattaforme microfluidica gocce a base sono candidati promettenti per la sperimentazione ad alto rendimento in quanto sono in grado di generare picolitri, auto-compartimenti imbarcazioni a buon mercato a prezzi kHz. Attraverso l'integrazione con veloce, sensibile e ad alta risoluzione metodi di spettroscopia di fluorescenza, la grande quantità di informazioni generate all'interno di questi sistemi possono essere estratte in modo efficiente, sfruttato ed utilizzato.
Lo sviluppo di piattaforme microfluidica per l'esecuzione di chimica e la biologia è in gran parte stata guidata da una serie di potenziali benefici che accompagnano la miniaturizzazione del sistema. I vantaggi includono la capacità di elaborare in modo efficiente nano-to femoto litri volumi di campione, l'integrazione facile di componenti funzionali, una predisposizione intrinseca verso la grande scala multiplexing, maggiore velocità di analisi, un miglior controllo e ridotta impronta strumentale 1.
Negli ultimi anni molto interesse si è concentrato sullo sviluppo di goccia-based (o flusso segmentato) sistemi microfluidica e il loro potenziale come piattaforme in high-throughput di sperimentazione. 2-4 Qui l'acqua in olio emulsioni sono fatti per formarsi spontaneamente nei canali microfluidica a seguito di instabilità capillare tra le due fasi immiscibili. Importante, microgocce di volumi ben definiti e composizioni possono essere generati a frequenzedi parecchi kHz. Inoltre, incapsulando i reagenti di interesse all'interno di compartimenti stagni separati da una fase continua immiscibili, sia del campione cross-talk e la dispersione (diffusione e Taylor-based) può essere eliminato, che porta alla minima contaminazione incrociata e la possibilità di processi in tempo di analisi con grande accuratezza. Inoltre, poiché non vi è alcun contatto tra il contenuto delle goccioline e le pareti del canale (che sono bagnate dalla fase continua), l'assorbimento e la perdita di reagenti sui muri canale è impedito.
Una volta che le goccioline di questo tipo sono state prodotte ed elaborate, è necessario estrarre le informazioni richieste analitiche. In questo senso il metodo di rilevazione di scelta deve essere rapida, forniscono ad alta sensibilità e bassi limiti di rilevabilità, applicabile a una vasta gamma di specie molecolari, essere non distruttiva ed essere in grado di essere integrato con dispositivi microfluidici in maniera facile. Per rispondere a questa esigenza abbiamo sviluppato comeuite di strumenti sperimentali e protocolli che permettono l'estrazione di grandi quantità di informazioni fotofisiche da piccoli volumi degli ambienti, e sono applicabili per l'analisi di una vasta gamma di parametri fisici, chimici e biologici. Qui due esempi di questi metodi sono presentati e applicati alla rilevazione di singole cellule e la mappatura dei processi di miscelazione all'interno picolitri volumi goccioline. Riportiamo l'intero processo di fabbricazione di chip sperimentali, tra cui microfluidica, la configurazione ottica e il processo di generazione delle gocce e la rilevazione.
1. Microchip fabbricazione
2. Setup sperimentale
3. Droplet generazione e acquisizione dati
4. Cellule riconoscimento e la mappatura di miscelazione all'interno gocce
5. Analisi dei dati
6. Rappresentante Risultati
Riconoscimento delle cellule
Esempi tipici di variation dei conteggi di fotoni in funzione del tempo per il cell-based esperimenti sono mostrati nelle figure 4a e c, per un periodo di 200 millisecondi. È importante sottolineare che il brodo Luria-Bertani (LB medium) fa da sfondo debolmente fluorescenti definire i confini delle goccioline acquose, mentre scoppia fotone distinte, corrispondenti alla presenza di singole cellule, si possono distinguere in cima a questo sfondo. Lo sfondo LB fluorescente è caratterizzata da un circa a sezione rettangolare (contrassegnato dalle linee rossa e verde tratteggiata).
La piena massima metà larghezza (FWHM) di esplosioni fluorescenti derivanti da E. coli è di 30 volte inferiore a goccia eventi sullo sfondo, che è coerente con la lunghezza relativa delle gocce (40 micron, corrispondenti a un volume di 30 picolitri) ed E. coli (1.5-2.0 micron) 10.
Con il doppio canale di rilevareione del sistema, l'esistenza di cellule vive o le cellule morte si distingue dall'analisi dei canali verde e rosso. figure 4 B e D mostrano la distribuzione di probabilità descrive il numero di cellule per goccia.
Mappatura degli eventi di miscelazione con FLIM
La durata della fluorescenza molecolare è una proprietà intrinseca di un fluoroforo individuale che è influenzato solo dal suo ambiente chimico. Di conseguenza le sue misurazioni possono essere utilizzati per ottenere informazioni ambientali (come pH, temperatura, polarità e viscosità) con risoluzione superiore e precisione di misure in tempo integrato a fluorescenza, che dipendono da fattori sperimentali (come la concentrazione, l'intensità di eccitazione, e la raccolta ottica efficienza). 9,11
Come presentato altrove, 8 è possibile mappare i modelli di miscelazione all'interno gocce utilizzando due fluorofori con Divalori di durata fferent. In una miscela contenente due (non interagenti) specie fluorescenti il decadimento assumerà una forma biesponenziale come la formula 1:
Le vite individuali sono definiti come τ1 e τ2, e l'ampiezza di ogni componente è data dalla α1 e α2 rispettivamente. La durata media può quindi essere definito come segue:
Dove β1 e β2 sono la frazione di ogni componente e sono definiti come segue:
Dal momento che il volume della sonda è fisso e le goccioline scorrono attraverso quella posizione, una traiettoria di vita i valori per tutta la lunghezza delle gocce in quel particolare larghezza può essere così ottenuta. Un percorso caratteristico per una larghezza particolare, Averagtra i 6000 ed goccioline, si può osservare nella figura 5a.
Combinando le traiettorie per tutta l'intera larghezza del canale porta alla formazione di una concentrazione 2D (o miscela) mappa. Un risultato tipico è presentato in figura 5b.
Facendo la media dei risultati tra un gran numero di goccioline, l'errore standard dei risultati ottenuti può essere notevolmente ridotta (1% di errore standard con un intervallo di confidenza al 95% per figura 5a). Il metodo di determinazione della traiettoria di vita presuppone che tutte le gocce sono praticamente identici. Questo è dimostrato di essere in gran parte corretto per due motivi principali: se le gocce erano significativamente differenti, le traiettorie vita media ottenuto sarebbe più piatto, meno divergenti profili (e le differenze forte vita per tutta la lunghezza delle gocce media sono costantemente rilevati). Inoltre, i risultati sono riproducibili a prescindere dal singoloha analizzato le gocce o la quantità di gocce utilizzate nei calcoli 8.
Figura 1. Flusso di processo per la fabbricazione di chip microfluidico.
Figura 2 a) Schema che rappresenta le pompe siringa e siringhe, collegato al chip microfluidico per la formazione di goccioline; b) Rappresentazione schematica di una tipica configurazione ottica di un laser 2-2 fluoroforo (verde e rosso) eccitazione e di rilevamento.. DC = specchio dicroico, EM = emissione filtro, L = Lens, PH = foro Pin, APD = rivelatore fotodiodo valanghe.
Figura 3 On-chip strategie di formazione delle gocce: a) il flusso di messa a fuoco di configurazione; b) T-giunzione di configurazione.. c) Il incapsulamento chip droplets dei due reagenti originariamente separati acquosa.
Figura 4 lettura ottica di 0,2 s tracce registrate per (a), morto e (c) cellule vive (portate per sospensione di cellule: 1 ml min -1, olio: 2 min microlitri -1).. Ogni arco a forma di segnale corrisponde alla media LB debolmente fluorescenti che forma la goccia acquosa, con i confini goccia contrassegnati con linee tratteggiate. Segnali verdi rappresentano i segnali di lettura sotto 633nm e rosso oltre 633 lunghezze d'onda nm. Le cellule si distinguono per il picco verticale derivanti dalla coloranti intercalanti del DNA. Distribuzione di probabilità per una persona cellulari all'interno gocce unico per (b) le cellule morte e (d) cellule vive.
Figura 5 a) traiettoria tipica vita media per tutta la lunghezza di una goccia con una larghezza particolare;. B)Rappresentazione tipica della combinazione di tutte le traiettorie media sondato lungo l'intera larghezza delle gocce in una vita 2D (o di concentrazione, espresso in% FITC /% Str-AF488) mappa.
Abbiamo descritto la fabbricazione di un dispositivo a microfluidi, un apparato sperimentale e protocolli associati per la formazione e l'incapsulamento microdroplet reagente e la rilevazione ottica delle gocce elaborati. I due esempi selezionati (la rilevazione di singole cellule in goccioline e la mappatura dei processi di miscelazione all'interno gocce che scorre) rappresentano applicazioni più comuni che sono attualmente in fase di studio con microfluidica goccia.
Come gli esperimenti presentati illustrano l'utilizzo di piattaforme goccia microfluidica presenti alcune caratteristiche interessanti, come ad esempio un throughput elevato, quasi perfetto isolamento, alta riproducibilità ... La grande quantità di dati prodotti e la rapidità con cui queste informazioni vengono generate, però, richiedono l'uso di metodi di rilevamento veloce ad alta risoluzione spazio-temporale se il vantaggio è che si possono ottenere da queste piattaforme miniaturizzati. In questo caso si dimostra che questo èpossibile utilizzando tecniche di spettroscopia a fluorescenza ad alta precisione. In particolare, la tecnica di rilevazione FLIM (che fa uso di un laser pulsato con periodi di ripetizione breve come un ns pochi) rivela la capacità di ottenere informazioni molto velocemente dal rapido fluire gocce (circa 200 al secondo). In questo caso la risoluzione temporale degli eventi è stato rilevato fino a 1 ms. In termini di limiti di dimensioni delle gocce e la concentrazione, l'uso di lenti più grandi apertura numerica e laser di potenza più grande sarebbe facilmente consentono la rilevazione delle concentrazioni nM in goccioline di soli 5 micron (i limiti di dimensioni delle gocce essere imposte dalle risoluzioni della fotolitografia processo di fabbricazione e della fase di posizionamento inferiori al micron).
Gocce Microfluidic sono i candidati ideali per effettuare la sperimentazione su vasta scala con piccole quantità di reagenti, fino al singolo bersaglio / evento. Attuali limiti di questa tecnologia comporta la difficoltà di generare droplets da una varietà di grandi dimensioni (decine o centinaia) di diverse fonti in un high-throughput modo. Inoltre, la difficoltà di indirizzare e manipolare ogni singola goccia generato impone severe limitazioni alla applicabilità pratica di queste tecniche. Pertanto, questi temi sono al centro degli sforzi di ricerca importanti volti a sviluppare le necessarie soluzioni tecnologiche che permetteranno piattaforme goccia microfluidica per diventare un metodo di riferimento standard di ricerca e analisi in applicazioni ad elevato throughput.
Gli autori desiderano ringraziare per il sostegno delle seguenti consigli di ricerca e borse di studio: EPSRC, HFSP, National Research Foundation della Corea (Numero di Grant R11-2009-044-1002-0K20904000004-09A050000410).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nome del reagente | Tipo | Azienda | Numero di catalogo |
Fluoresceina 5-isotiocianato (FITC) | Reagente | Sigma-Aldrich | F3651 |
Streptavidina-Alexa Fluor 488 | Reagente | Molecular Probes | S11223 |
Perfluorodecalin | Reagente | Sigma-Aldrich | P9900 |
1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctanol | Reagente | Sigma-Aldrich | 370533 |
Sylgard 184 kit di silicone elastomero | Reagente | Premier Farnell UK LTD | 1673921 |
auramina-O | Reagente | Sigma-Aldrich | 861030 |
485 nm ad impulsi laser a diodi | Attrezzatura | PicoQuant | LDH-PC-485 |
TCSPC Carta | Attrezzatura | PicoQuant | TimeHarp 100 |
specchio dicroico | Attrezzatura | Chroma Technology Corp. | z488rdc, |
Microscopio obiettivo | Attrezzatura | Olimpo | UPLSAPO 60XW |
Avalanche fotodiodo | Attrezzatura | AQR-141, EG & G, Perkin-Elmer). | AQR-141 |
DMEM | Reagente | Invitrogen | ABCD1234 |
SYTO9 | Reagente | Invitrogen | S34854 |
Propidio ioduro | Reagente | Invitrogen | P3566 |
Escherichia coli ceppo top 10 | Cellule | Invitrogen | C4040-10 |
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