The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Swedish was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
1Department of Chemistry, Imperial College London, 2Department of Biochemistry, Protein Chip Research Center, Chungbuk National University, 3Department of Chemistry and Applied Biosciences, Institute for Chemical and Bioengineering, ETH Zurich
Casadevall i Solvas, X., Niu, X., Leeper, K., Cho, S., Chang, S. I., Edel, J. B., et al. Fluorescence detection methods for microfluidic droplet platforms. J. Vis. Exp. (58), e3437, doi:10.3791/3437 (2011).
Utvecklingen av mikrofabricerade plattformar för att utföra kemi och biologi har till stor del drivits av en rad potentiella fördelar som följer med systemet miniatyrisering. Fördelar är förmågan att effektivt bearbeta nano-till femoto-liters volymer av prov, facile integrering av funktionella komponenter, en inneboende anlag mot storskaliga multiplexering, förbättrad analytisk kapacitet, förbättrad kontroll och minskad instrumentala fotspår. 1
På senare år mycket intresse har fokuserat på utveckling av dropp-baserade (eller segmenterade flöde) mikroflödessystem system och deras potential som plattformar i hög genomströmning experiment. 2-4 Här vatten-i-olja emulsioner görs spontant form i mikroflödessystem kanaler som ett resultat av kapillär instabilitet mellan de två icke blandbara. Viktigt kan microdroplets av exakt definierade volymer och kompositioner genereras vid frekvenserav flera kHz. Dessutom kan genom att kapsla in reagenser av intresse inom isolerade fack skiljs åt av en kontinuerlig blandbara fas, både prov överhörning och spridning (diffusion-och Taylor-baserade) elimineras, vilket leder till minimal korskontaminering och förmågan att tiden analytiska processer med stor noggrannhet. Dessutom, eftersom det inte finns någon kontakt mellan innehållet i droppar och väggarna kanal (som fuktats med den kontinuerliga fasen) absorption och förlust av reagenser på kanalen väggar förhindras.
När droppar av detta slag har genererats och behandlas, är det nödvändigt att extrahera den önskade analytisk information. I detta avseende metoden för detektion av val bör vara snabb, ger hög känslighet och låg detektionsgräns, kunna tillämpas på en rad molekylära arter, vara icke-förstörande och kunna integreras med mikroflödessystem enheter i ett lättköpt sätt. För att möta detta behov har vi utvecklat somuite av experimentella verktyg och protokoll som möjliggör utvinning av stora mängder fotofysiska information från små volymer miljöer, och gäller för analysen av en rad olika fysikaliska, kemiska och biologiska parametrar. Häri två exempel på dessa metoder presenteras och tillämpas för att upptäcka enskilda celler och kartläggning av blandningen processer inuti pikoliter volym droppar. Vi rapporterar hela experimentella processen inklusive mikroflödessystem chip tillverkning, den optiska setup och processen att droppen generation och upptäckt.
1. Microchip tillverkning
2. Experimentuppställning
3. Droplet generation och datainsamling
4. Cell erkännande och kartläggning av blandning inom droppar
5. Dataanalys
6. Representativa resultat
Cell erkännande
Typiska exempel på variation av photon räknas som en funktion av tid för cellbaserade experiment visas i figurerna 4a och c under en period på två hundra millisekunder. Viktigare Luria-Bertani buljong (LB medium) fungerar som ett svagt fluorescerande bakgrund definierar vattenfasen droppe gränser, samtidigt distinkt fotonen spricker, vilket motsvarar förekomsten av enskilda celler, kan urskiljas på toppen av denna bakgrund. LB fluorescerande bakgrunden kännetecknas av en cirka rektangulärt tvärsnitt (märkta med röda och gröna streckade linjer).
Hela bredd halv högsta (FWHM) av fluorescerande skurar härrör från E. coli-celler är 30 gånger kortare än de händelser som bakgrund droppe, vilket är förenligt med den relativa längden av droppar (40 mikrometer, vilket motsvarar en volym av 30 pikoliter) och E. coli-celler (1,5 till 2,0 mikrometer). 10
Med dual channel upptäckajon-system, förekomsten av levande celler eller döda celler kan skiljas från analys av de gröna och röda kanaler. show sannolikhetsfördelningen som beskriver antalet celler per droppen figur 4 b och d.
Kartläggning av blandning evenemang med hjälp flim
Den molekylära fluorescens livstid är en inneboende egenskap hos en individ fluoroforen som påverkas endast av dess kemiska miljö. Därför dess mätningar kan användas för att få miljöinformation (t.ex. pH, temperatur, polaritet och viskositet) med överlägsen upplösning och precision än tid integrerad fluorescensmätningar, som är beroende av experimentella faktorer (såsom koncentration, excitation intensitet och optiska samlingen effektivitet). 9,11
Som framgår på andra håll, 8 är det möjligt att kartlägga blanda mönster inuti droppar med hjälp av två fluoroforer med different livstid värden. I en blandning som innehåller två (ej interagerande) fluorescerande arter förfallet kommer att ta på en biexponentiell form som visas i ekvation 1: 
De enskilda livslängd definieras som τ1 och τ2, och amplituden av varje komponent ges av α1 och α2 respektive. Den genomsnittliga livslängden kan då definieras enligt följande: 
När β1 och β2 är andelen av varje komponent och definieras enligt följande: 
Eftersom sonden volymen är fast och dropparna rinner över den positionen, värderingar en bana i livet längs med dropparna vid just denna bredd kan därmed erhållas. Ett karakteristiskt bollbana för en viss bredd, averagED bland 6000 droppar, kan observeras i figur 5a.
Kombinera banor hela bredden på kanalen leder till bildandet av en 2D koncentration (eller blandning) karta. En typisk Resultatet presenteras i figur 5b.
Som genomsnittet av de resultaten bland ett stort antal droppar, kan medelfelet för de erhållna resultaten kraftigt reducerad (1% av standardfelet med 95% konfidensintervall för figur 5a). Den metoden för bestämning av livslängden banan förutsätter att alla droppar är praktiskt taget identiska. Detta har visat sig vara i stort sett rätt av två skäl: om dropparna var betydligt annorlunda, skulle den genomsnittliga livslängden erhållas banor har plattare, mindre olika profiler (och skarpa skillnader i livet längs den genomsnittliga droppar är genomgående upptäcks). Dessutom är resultaten reproducerbara oberoende av individuelladroppar analyseras eller mängden droppar som används i beräkningarna. 8

Figur 1. Processflöde på mikroflödessystem chip tillverkning.

Figur 2 a) diagram som representerar sprutan pumpar och sprutor, ansluten till mikroflödessystem chip för hyalindroppsbildning, b) Schematisk bild av en typisk optisk konfiguration för en två laser - två fluoroforen (grön och röd) excitation och detektion.. DC = dichroic spegel, EM = Emission filter, L = lins, PH = Pin hål, APD = Avalanche fotodiod detektor.

Figur 3 On-chip hyalindroppsbildning strategier: a) flödes-fokus konfiguration, b) T-korsning konfiguration.. c) Den chip inkapsling i DRoplets av två ursprungligen separata vattenlösning reagenser.

Figur 4 optisk avläsning på 0,2 s spår noterats för (a) döda och (c) levande celler (Flöde för cellsuspension: 1 l min -1, olja: 2 l min -1).. Varje bågformade signal motsvarar svagt fluorescerande LB medium som bildar vatten droppe, med droppe gränser markerade med streckade linjer. Grön signal representerar avläsning i 633nm och röda signaler över 633 nm våglängd. Celler kännetecknas av den vertikala spetsen följd av DNA intercalating färgämnen. Sannolikhetsfördelning för cellulära inflyttning i enstaka droppar för (b) döda celler och (d) levande celler.

Figur 5 a) Typisk genomsnittlig livslängd bana längs en droppe vid en viss bredd,. B)Typiska representation av en kombination av alla de genomsnittliga banor sonderade längs hela bredd droppar in i en 2D livstid (eller koncentrationen, uttryckt i% FITC /% STR-AF488) karta.
Vi har beskrivit tillverkning av en mikroflödessystem enhet, en experimentuppställning och tillhörande protokoll för microdroplet bildning och reagens inkapsling och optisk detektion av de bearbetade droppar. De två exempel som valts (upptäckt av enskilda celler i droppar och kartläggning av blandningen processer inuti flyter droppar) är gemensamma program som för närvarande utreds med droppe mikrofluidik.
Då presenteras experiment illustrerar, användning av droppen mikrofabricerade plattformar presentera vissa attraktiva egenskaper, såsom hög genomströmning, kvasi-perfekt förlossning, hög reproducerbarhet ... Den stora mängden information som producerats och den höga hastighet med vilken denna information genereras dock kräver användning av snabba metoder för detektering med hög Spatiotemporal upplösning om hela fördelen är att vinna på dessa miniatyriserade plattformar. I detta fall visar vi att detta ärmöjligt med hjälp av mycket precisa fluorescerande spektroskopiska tekniker. Framför allt avslöjar flim upptäckt teknik (som använder en pulsad laser med upprepning perioderna så korta som ett par NS) har kapacitet att få fram mycket snabbt information från snabbt strömmande droppar (cirka 200 per sekund). I detta fall tidsupplösningen upptäckta händelser var så låg som 1 ìs. När det gäller gränser i droppstorlek och koncentration, skulle användningen av större numerisk bländare och större lasrar makten tillåter lätt att upptäcka nM koncentrationer inom droppar så små som 5 ìm (begränsningarna i droppstorlek införs genom resolutioner fotolitografiska tillverkningsprocessen och submicron positionering scenen).
Mikroflödessystem droppar är perfekta kandidater för att utföra storskaliga experiment med små mängder reagens, ner till enda mål / händelse. Aktuella begränsningar av denna teknik innebär att det är svårt att generera droplets från ett stort antal (tiotals eller hundratals) av olika källor i en hög genomströmning sätt. Dessutom ställer det är svårt att rikta och manipulera varje enskild droppe genereras stora begränsningar för den praktiska tillämpningen av dessa tekniker. Därför är dessa frågor är i centrum för viktiga forskning som syftar till att utveckla de nödvändiga tekniska lösningar som gör det möjligt mikroflödessystem droppen plattformar för att bli en standard referensmetod av forskning och analys i hög genomströmning applikationer.
Inga intressekonflikter deklareras.
Författarna vill tacka för det stöd för följande forskningsråd och bidrag: EPSRC, HFSP, National Research Foundation of Korea (licensnummer R11-2009-044-1002-0K20904000004-09A050000410).
| Name | Type | Company | Catalog Number | Comments |
| Fluorescein 5-isothiocyanate (FITC) | Reagent | Sigma-Aldrich | F3651 | |
| Streptavidin-Alexa Fluor 488 | Reagent | Molecular Probes, Life Technologies | S11223 | |
| Perfluorodecalin | Reagent | Sigma-Aldrich | P9900 | |
| 1H,1H,2H,2H-perfluorooctanol | Reagent | Sigma-Aldrich | 370533 | |
| Sylgard 184 silicone elastomer kit | Reagent | Premier Farnell UK LTD | 1673921 | |
| auramine-O | Reagent | Sigma-Aldrich | 861030 | |
| 485 nm pulsed diode laser | Equipment | PicoQuant | LDH-P-C-485 | |
| TCSPC Card | Equipment | PicoQuant | TimeHarp 100 | |
| dichroic mirror | Equipment | Chroma Technology Corp. | z488rdc, | |
| Microscope objective | Equipment | Olympus Corporation | UPLSAPO 60XW | |
| Avalanche photodiode | Equipment | PerkinElmer, Inc. | AQR-141 | |
| DMEM | Reagent | Invitrogen | ABCD1234 | |
| SYTO9 | Reagent | Invitrogen | S34854 | |
| Propidium Iodide | Reagent | Invitrogen | P3566 | |
| Escherichia coli top 10 strain | Cells | Invitrogen | C4040-10 |