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그들은 kHz에서 속도 저렴 picoliter, 자기들에게만 혈관을 생성할 수 있기 때문에 비말 기반 microfluidic 플랫폼은 높은 처리량 실험을위한 유망한 후보자 있습니다. 빠르고, 민감하고 고해상도 형광 spectroscopic 방법과의 통합을 통해 이러한 시스템 내에서 발생하는 정보의 다량은 효율적으로 추출 무력화하고 이용하실 수 있습니다.
화학 및 생물학을 수행하기위한 microfluidic 플랫폼의 개발은 많은 부분에서 시스템 소형화를 수반하는 잠재적인 혜택의 범위에 의해 주도되었습니다. 장점 효율적 샘플, 기능 구성 요소의 손쉬운 통합, 대규모 멀티플렉싱, 향상된 처리량 분석, 향상된 제어 및 감소 기악 발자국 대한 본질적인 소인의 femoto 리터 볼륨 투 나노를 처리하는 능력을 포함합니다. 1
최근에 많은 관심 비말 기반 (또는 세그먼트 흐름) microfluidic 시스템과 높은 처리량 실험에서 플랫폼으로서의 잠재력 개발에 초점을 맞춘 있습니다. 여기 2-4 물 인 석유 emulsions가 저절로 microfluidic 채널 형태로 만들어진다 두 혼합할 단계 사이의 모세관 불안정의 결과로. 중요한 것은 정확하게 정의된 볼륨 작곡의 microdroplets는 주파수에서 생성할 수 있습니다몇 kHz에서 중. 또한, 지속적인 혼합할 위상, 샘플 교차 이야기 모두와 분산 (확산 및 테일러 기반)로 구분하여 격리된 구획 이내에 관심 시약을 캡슐로 제거 할 수있는 최소한의 교차 오염 및 시간 분석 프로세스를 수있는 능력으로 연결 아주 정확하게. 또한, 방울의 내용과 채널 벽 (지속적인 단계에 의해 침수되는) 사이에 접촉이 없기 때문에 채널 벽에 시약의 흡수 및 손실 방지합니다.
이런 종류의 방울이 생성되고 처리되면, 그것은 필요한 분석 정보를 추출하는 것이 필요합니다. 이러한 측면에서 선택의 검출 방법은 빠른 될 높은 감도와 검출의 낮은 한계를 제공하고, 분자 종의 범위에 적용되어야 비 파괴하고 손쉬운 방식으로 microfluidic 장치와 통합 될 수 있습니다. 우리가 같이 개발한이 요구를 충족시키기 위해실험 도구와 작은 볼륨 환경에서 photophysical 정보의 대량의 추출을 활성화하고, 물리적, 화학적 및 생물 학적 매개 변수의 다양한 범위의 분석에 적용되는 프로토콜 uite. 여기에 이러한 방법 중 두 예제는 소개와 단일 세포 및 picoliter - 볼륨 방울 내부 믹싱 프로세스의 매핑의 감지에 적용됩니다. 우리는 microfluidic 칩 제조, 광학 설치 및 비말 생성 및 검출 과정을 포함한 전체 실험 과정을보고합니다.
1. 마이크 로칩 제조
2. 실험 설정
3. 비말 생성 및 데이터 수집
4. 방울 내에서 혼합의 세포 인식 및 매핑
5. 데이터 분석
6. 대표 결과
세포 인식
var에의 전형적인 예입니다세포 기반의 실험 시간의 함수로 계산 광자의 iation는 이백 밀리초의 기간 동안, 그림 4A 및 C에 표시됩니다. 중요한 Luria - Bertani 국물 (LB 매체) 수성 비말 경계를 정의 약하게 fluorescing 배경 역할, 개별 세포의 존재에 해당하는 별개의 광자 파열을 반면이 배경 위에 구분할 수 있습니다. LB 형광 배경이 약 직사각형 단면 (빨간색과 초록색 점선으로 표시)이 특징입니다.
형광 파열의 전체 폭 절반 최대 (FWHM)은 E. 인한 대장균 세포는 상대적 방울의 길이 (30 picolitres의 볼륨에 해당하는 40 미크론)과 E.과 일치 배경 비말 행사보다 30 배 단축됩니다 대장균 세포 (1.5-2.0 미크론) 10.
듀얼 채널 검색을 통해이온 시스템, 라이브 세포 또는 죽은 세포의 존재는 녹색과 빨간색 채널의 분석에서 구별하실 수 있습니다. 그림 4 B와 D는 소적 당 세포의 숫자를 설명하는 확률 분포를 보여줍니다.
FLIM를 사용하여 혼합 이벤트 매핑
분자 형광 수명은 자사의 화학적 환경에 영향을받습니다 개별 형광단의 본질적 속성입니다. 따라서 그 성능은 같은 농도, 여기 강도, 광학 모음으로 실험적인 요소 (에 의존 시간을 통합 형광 측정,보다 우수한 해상도와 정밀도와 환경 정보 (예 : 솔루션 산도, 온도, 극성과 점도 등)을 구하는 데 사용할 수 있습니다 효율성). 9,11
마찬가지로 다른 제공, 8 디 두 fluorophores을 사용하여 방울 내부의 혼합 패턴을지도하는 것이 가능fferent 평생 값. 등식 1에 표시된대로 두 (비 상호 작용) 형광 종을 포함하는 혼합물에서 부패가 biexponential 양식에 걸릴 것입니다 :
각각의 수명은 τ1 및 τ2로 정의하며, 각 구성 요소의 진폭은 각각 α1과 α2에 의해 주어진다. 평균 수명은 다음 다음과 같이 정의할 수 있습니다 :
β1과 β2는 각 구성 요소의 분율이며 다음과 같이 정의됩니다 장소 :
프로브 볼륨이 고정되어 있으며 방울이 그 자리에 걸쳐 흐르는 때문에, 일생 일대의 궤도가 특정 너비의 방울의 길이를 따라 값을 따라서 얻을 수 있습니다. averag 특정 넓이에 대한 특성 궤도,6000 방울 중 에드는 그림 5A에서 볼 수 있습니다.
채널의 전체 너비에 걸쳐 궤도를 결합하는 것은 2D 농도 (또는 혼합)지도의 형성에 이르게한다. 전형 결과는 그림 5B에 표시됩니다.
방울 많은 가운데 그 결과를 평균하여 얻은 결과의 표준 오류는 크게 (그림 5A에 대한 95 % 신뢰 구간과 표준 오차 1 %) 줄일 수있다. 평생 궤도의 결정 방법은 모든 방울들이 실질적으로 동일하다고 가정합니다. 방울이 크게 달랐다면, 얻은 평균 수명의 탄도는 (그리고 평균 방울의 길이를 따라 평생 날카로운 차이를 지속적으로 감지), 덜 diverging 프로필을 아첨 것이다 : 이것은 두 가지 이유로 대부분 올바른 것으로 입증됩니다. 또한, 결과에 관계없이 개인의 재현성 아르방울은 분석이나 방울의 크기가 계산에 사용 8.
microfluidic 칩 제조의 그림 1. 프로세스 흐름.
그림 2 비말 형성을위한 microfluidic 칩에 연결된 주사기 펌프와 주사기, 대표) 다이어그램, 두 레이저에 대한 전형적인 광학 설치의 B) 도식 표현 - 두 형광단 (녹색과 적색) 여기와 감지.. DC = 이색성 거울, EM = 방출 필터, L = 렌즈, PH = 핀 홀, APD = 애벌란치 photodiode 검출기.
그림 3 온칩 비말 형성 전략 :) 흐름 초점을 구성, B) T - 접합 구성.. C) 박사의 칩 캡슐에이 원래 별도의 수성 시약의 oplets.
그림 4 광학 (가) 죽은 기록된 0.2의 흔적을 판독하고 (C) 라이브 셀 (세포 현탁액에 대한 유동 속도 : 1 μl 분 -1, 기름 : 2 μl 분 -1).. 각 아치 모양의 신호는 점선 라인으로 표시 비말 경계와 수성 비말을 형성 약하게 형광 LB 매체에 해당합니다. 녹색 신호는 633 나노미터 파장 633nm 이상의 붉은 신호에 따라 기록을 나타냅니다. 세포는 DNA intercalating 염료로 인해 발생하는 수직 스파이크로 구분할 수 있습니다. (B) 죽은 세포 및 (D) 라이브 셀 하나의 방울 내에서 세포 인에 대한 확률 분포.
그림 5 특정 너비의 비말의 길이를 따라) 전형적인 평균 수명 궤도;. B)모든 평균 궤도의 결합의 전형적인 표현 (%의 FITC / % STR - AF488으로 표현 또는 농도) 2D 평생지도에 방울의 전체 너비를 따라 탐지.
우리는 microfluidic 장치의 제조, 실험 설치 및 microdroplet 형성 및 시약의 캡슐화 및 처리 방울의 광학 검출을위한 관련 프로토콜을 설명합니다. (물방울에서 단일 세포의 탐지 및 흐르는 방울 내부 믹싱 프로세스의 매핑)을 선택 두 예제는 현재의 비말 microfluidics로 조사되고 일반적인 응용 프로그램을 나타냅니다.
제시 실험 설명으로, 비말 microfluidic 플랫폼의 사용하지만, 그러한 높은 처리량, 유사 완벽한 감금, 높은 재현성 ... 생산 정보의 대량이 정보가 생성되는되는 고속 같은 특정 매력적인 특성을 제시 전체 장점이 소형 플랫폼에서 얻은 수있다면 높은 spatiotemporal 해상도로 빠르게 감지 방법의 사용을 필요로합니다. 이 경우 우리는이 것을 입증가능한 매우 정밀한 형광 spectroscopic 기법을 사용합니다. 특히, FLIM 검색 기술은 (몇 NS로 짧은 같이 반복 기간을 가진 펄스 레이저를 사용합니다)을 빠르게 흐르는 방울 (초당 200의)에서 매우 빠르게 정보를 얻을 수있는 용량을 나타낸다. 이 경우에는 검색 이벤트의 시간 해상도는 1 μs만큼 낮았다. 소적 크기와 농도 한계의 측면에서 큰 수치 조리개 렌즈와 큰 파워 레이저의 사용은 쉽게 5 μm의 (작은 물방울의 크기에 제한이 photolithographic의 결의에 의해 부과되는만큼 작은 방울 이내 NM의 농도의 검출을 허용 것입니다 submicron의 위치 단계의 제조 공정과).
Microfluidic 방울 내려 하나의 대상 / 이벤트, 시약 소량 관련된 대규모 실험을 수행하기 위해 적합한 후보입니다. 이 기술의 현재 한계 박사를 생성하는 어려움을 포함높은 처리량 방법으로 다양한 소스의 대형 다양한 (수십 또는 수백)에서 oplets. 또한 생성된 각 단일 비말를 타겟으로하고 조작하는 어려움이 기술의 실제적인 적용에 심각한 제한을 부과. 따라서, 이러한 문제는 높은 처리량 어플 리케이션에서 연구와 분석의 표준 참조 방법이 될 microfluidic 비말 플랫폼을 가능하게 필요한 기술 솔루션을 개발하기위한 중요한 연구 노력의 중심에 있습니다.
EPSRC, HFSP, 한국의 국립 연구 재단 (부여 번호 R11 - 2009 - 044-1002 - 0K20904000004 - 09A050000410) : 저자는 다음과 같은 연구위원회와 보조금의 지원을 인정하고 싶습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
시약의 이름 | 유형 | 회사 | 카탈로그 번호 |
플루오레신 5 isothiocyanate (FITC) | 시약 | 시그마 - 올드 리치 | F3651 |
Streptavidin - 알렉사 형석 488 | 시약 | 분자 프로브 | S11223 |
Perfluorodecalin | 시약 | 시그마 - 올드 리치 | P9900 |
상반기, 상반기, 2 시간, 2 시간 - perfluorooctanol | 시약 | 시그마 - 올드 리치 | 370,533 |
Sylgard 184 실리콘 엘라스토머 키트 | 시약 | 프리미어 Farnell 영국 LTD | 1,673,921 |
auramine - O | 시약 | 시그마 - 올드 리치 | 861,030 |
485 NM은 다이오드 레이저를 펄스 | 장비 | PicoQuant | LDH - PC - 485 |
TCSPC 카드 | 장비 | PicoQuant | TimeHarp 100 |
이색성 거울 | 장비 | 채도 기술 주식 회사 | z488rdc, |
현미경의 목적 | 장비 | 올림포스 산 | UPLSAPO 60XW |
눈사태 photodiode | 장비 | AQR - 141, EG & G, Perkin - 엘머). | AQR - 141 |
DMEM | 시약 | Invitrogen | ABCD1234 |
SYTO9 | 시약 | Invitrogen | S34854 |
Propidium 요오드화물의 | 시약 | Invitrogen | P3566 |
대장균 상위 10 변형 | 셀 | Invitrogen | C4040 - 10 |
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