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 Danish 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).
Udviklingen af mikrofluide platforme for at udføre kemi og biologi har i høj grad været drevet af en række potentielle fordele, der ledsager systemet miniaturisering. Fordele kan nævnes evnen til effektivt at behandle nano-til femoto-liters mængder af prøven, letkøbt integration af funktionelle komponenter, en iboende tilbøjelighed til storstilet multiplexing, forbedrede analytiske kapacitet, bedre kontrol og reduceret instrumentale fodspor. 1
I de senere år stor interesse har fokuseret på udviklingen af dråbe-baserede (eller segmenteret flow) mikrofluid systemer og deres potentiale som platforme i high-throughput eksperimenter. 2-4 Her vand-i-olie emulsioner er lavet til at spontant form mikrofluid kanaler som følge af kapillær ustabilitet mellem de to ikke-blandbare faser. Vigtigt er det, kan microdroplets af præcist definerede mængder og kompositioner blive genereret ved frekvenseraf flere kHz. Desuden kan ved at indkapsle reagenser af interesse inden for isolerede rum er adskilt af en kontinuerlig blandbare fase, både prøve cross-talk og spredning (diffusion-og Taylor-baseret) blive fjernet, hvilket fører til minimal krydskontaminering og evnen til tid analytiske processer med stor nøjagtighed. Derudover, da der ikke er kontakt mellem indholdet af dråber og kanalen vægge (som er vædet med den kontinuerlige fase) absorption og tab af reagenser på den kanal væggene er forhindret.
Når dråber af denne art er blevet genereret og behandles, er det nødvendigt at ekstrahere de krævede analytiske oplysninger. I denne henseende påvisningsmetoden af valg bør være hurtig, levere høj følsomhed og lave detektionsgrænser, kunne anvendes til en række molekylære arter, være ikke-destruktiv og være i stand til at blive integreret med mikrofluidenheder på en letkøbt måde. For at imødekomme dette behov har vi udviklet somuite af eksperimentelle værktøjer og protokoller, der gør det muligt for udvinding af store mængder photophysical oplysninger fra små mængder miljøer, og er gældende for analyse af en lang række fysiske, kemiske og biologiske parametre. Heri to eksempler på disse metoder præsenteres og anvendes til påvisning af enkelt celler og kortlægning af blande processer inde picoliter-volumen dråber. Vi indberetter hele eksperimenterende proces herunder mikrofluid chip fabrikation, den optiske opsætning og processen med dråbe generation og detektion.
1. Microchip opspind
2. Forsøgsopstilling
3. Dråbe generering og dataopsamling
4. Cell anerkendelse og kortlægning af blanding inden dråber
5. Dataanalyse
6. Repræsentative resultater
Cell anerkendelse
Typiske eksempler på variation af foton tæller som en funktion af tiden for den cellebaserede forsøg er vist i figur 4a og c, over en periode på 200 millisekunder. Vigtigt er det Luria-Bertani bouillon (LB medium) fungerer som et svagt fluorescerende baggrund definere vandige dråben grænser, mens forskellige foton brister, svarende til forekomsten af individuelle celler, kan skelnes øverst på denne baggrund. Den LB fluorescerende baggrund er kendetegnet ved en tilnærmelsesvis rektangulært tværsnit (markeret med den røde og grønne stiplede linjer).
Den fulde bredde halv maksimum (FWHM) af fluorescerende brister som følge af E. coli-celler er 30-gange kortere end baggrunden dråben begivenheder, som er i overensstemmelse med den relative længde af dråber (40 mikrometer, hvilket svarer til et volumen på 30 picoliter) og E. coli celler (1,5-2,0 mikron). 10
Med dual channel detektereion-system, eksistensen af levende celler eller døde celler kan skelnes fra en analyse af de grønne og røde kanaler. figur 4 b og d viser sandsynlighedsfordelingen beskriver antallet af celler pr dråbe.
Kortlægning af blanding begivenheder ved hjælp af Flim
Den molekylære fluorescens Levetiden er en iboende egenskab ved en individuel fluoroforen, der kun påvirkes af dets kemiske miljø. Derfor sine målinger kan bruges til at opnå miljøoplysninger (såsom pH, temperatur, polaritet og viskositet) med overlegen opløsning og præcision end tid integreret fluorescens målinger, der er afhængige af eksperimentelle faktorer (såsom koncentration, magnetisering intensitet, og optisk kollektion effektivitet). 9,11
Som det fremgår andetsteds, 8 er det muligt at kortlægge blande mønstre inde i dråber ved hjælp af to fluorophores med different levetid værdier. I en blanding, der indeholder to (non-interaktion) fluorescerende arter henfaldet vil tage på en bieksponentiel form som er vist i ligning 1: 
De enkelte levetider er defineret som τ1 og τ2 og amplituden af hver komponent er givet ved α1 og α2 hhv. Den gennemsnitlige levetid kan derefter defineres som følger: 
Hvor β1 og β2 er andelen af hver enkelt komponent og er defineret som følger: 
Siden sonden volumen er fast og dråber flyder på tværs af den position, en bane af levetiden værdier langs længden af dråber på det pågældende bredde kan således tilvejebringes. Et karakteristisk forløb for en bestemt bredde, Gennemsed blandt 6000 dråber, kan observeres i figur 5a.
Ved at kombinere baner i hele bredden af kanalen fører til dannelsen af en 2D-koncentration (eller en blanding) kort. Et typisk resultat er præsenteret i figur 5b.
Som gennemsnittet af resultater blandt et stort antal dråber, kan standard fejl af de opnåede resultater blive kraftigt reduceret (1% af standardfejlen med et 95% konfidensinterval for figur 5a). Bestemmelsen metode levetid forløb antager, at alle dråber er stort set identiske. Dette er vist sig at være stort set korrekt af to hovedårsager: hvis dråber var væsentligt anderledes, ville den gennemsnitlige levetid opnåede baner er fladere og mindre divergerende profiler (og skarpe forskelle i levetid på langs af den gennemsnitlige dråber er konsekvent fundet). Desuden er resultaterne er reproducerbare, uanset den enkeltesdråber analyseret eller mængden af dråber, der anvendes i beregningerne. 8

Figur 1. Procesflow på mikrofluid chip opspind.

Figur 2 a) Diagram der repræsenterer sprøjtepumper og sprøjter, forbundet til mikrofluid chip til dråben formation; b) Skematisk fremstilling af en typisk optisk setup til et to laser - to fluoroforen (grøn og rød) excitation og afsløring.. DC = Dichroic spejl, EM = Emission filter, L = Lens, PH = Pin hul, APD = Avalanche fotodiode detektor.

Figur 3 On-chip dråbe formation strategier: a) flow-fokus konfiguration b) T-kryds konfiguration.. c) På chip indkapsling i DRoplets af to oprindeligt adskilte vandige reagenser.

Figur 4 Optisk udlæsning på 0,2 s spor registreret for (a) døde, og (c) levende celler (flow for cellesuspension: 1 ml min -1, olie: 2 μl min -1).. Hver bueformede signal svarer til den svagt fluorescerende LB medium, der danner vandige dråben, med dråbe grænser markeret med stiplede linjer. Grøn signaler repræsenterer udlæsning under 633nm og røde signaler over 633 nm bølgelængder. Celler er kendetegnet ved den lodrette spike som følge af DNA intercalating farvestoffer. Sandsynlighedsfordeling for cellulære belægningsprocent inden for en enkelt dråber for (b), døde celler og (d) levende celler.

Figur 5 a) Typisk gennemsnit levetid bane langs længden af en dråbe i en bestemt bredde. B)Typisk repræsentation af en kombination af alle de gennemsnitlige baner tastede langs den fulde bredde dråber ind i en 2D levetid (eller koncentration, udtrykt som% FITC /% STR-AF488) kort.
Vi har beskrevet fremstillingen af en mikrofluid enhed, en forsøgsopstilling og tilhørende protokoller for microdroplet dannelse og reagens indkapsling og optisk detektion af de forarbejdede dråber. De to eksempler valgt (påvisning af enkeltceller i dråber og kortlægning af blande processer inde flyder små dråber) repræsenterer fælles programmer, der i øjeblikket undersøges med dråbe mikrofluidik.
Da de præsenterede forsøgene viser, at brugen af dråben mikrofluid platforme indebære visse attraktive egenskaber, såsom højt throughput, kvasi-perfekte indespærring, høj reproducerbarhed ... Den store mængde fremlagt oplysninger, og den høje hastighed, hvormed denne information bliver genereret, selv om, kræver brug af hurtige påvisningsmetoder med høj Spatiotemporal beslutning, hvis den fulde fordel er at hente fra disse miniaturiserede platforme. I dette tilfælde kan vi påvise, at dette ermuligt ved hjælp af meget præcise fluorescerende spektroskopiske teknikker. Især afslører Flim afsløring teknik (som gør brug af en pulserende laser med gentagelser så kort periode som et par ns) evnen til at få meget hurtige oplysninger fra hurtigt strømmende dråber (omkring 200 pr sekund). I dette tilfælde tidsopløsning af opdagede begivenheder var så lav som 1 mikrosekunder. Med hensyn til grænser i dråbestørrelse og koncentration, ville anvendelsen af større numeriske blænde objektiver og større lasere let, at detektion af nM koncentrationer inden dråber så små som 5 m (begrænsninger i dråbestørrelse blive pålagt af beslutninger fotolitografisk fabrikationsproces og de submicron positionering fase).
Mikrofluid dråber er ideelle kandidater til at gennemføre storstilede forsøg med små mængder af reagenser, ned til enkelt mål / begivenhed. Nuværende begrænsninger af denne teknologi indebærer at det er vanskeligt at generere droplets fra en lang række (flere hundrede) af forskellige kilder i en high-throughput måde. Hertil kommer, at det er vanskeligt at målrette og manipulere hvert enkelt genereret dråbe medfører alvorlige begrænsninger for den praktiske anvendelighed af disse teknikker. Derfor er disse spørgsmål er i centrum for vigtige forskning med sigte på at udvikle de nødvendige teknologiske løsninger, der vil gøre det muligt mikrofluid dråben platforme til at blive en standard reference metode til forskning og analyse i high throughput applikationer.
Ingen interessekonflikter erklæret.
Forfatterne vil gerne anerkende den støtte til følgende forskningsrådene og tilskud: EPSRC, HFSP, National Research Foundation Korea (Grant Number 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 |