Method Article

단 분산 미세 방울의 크기가 제어 형성을위한 모세관 기반 원심 미세 유체 장치

DOI:

10.3791/53860

⸱

February 22nd, 2016

 ,  ,  ,  , 
1Department of Computational Intelligence and Systems Science, Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, 2Graduate School of Bioscience and Biotechnology, Tokyo Institute of Technology, 3Department of Mechanical Engineering, Keio University, 4PRESTO, Japan Science and Technology Agency

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기에서는 모세관 기반 원심 미세유체 장치를 사용하여 크기 제어 가능한 단분산 W/O(Water-in-Oil) 미세방울에 대한 간단한 생산 방법을 보여줍니다. 이 방법은 소량의 시료만 필요하며 고수율 생산이 가능합니다. 우리는 이 방법이 신속한 생화학 및 세포 분석에 유용할 것으로 기대합니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기서는 모세관 기반 원심 미세 유동 장치를 이용하여 제어 할 수있는 크기, 단 분산, W / 출력 미세 방울의 신속한 제조를위한 간단한 방법을 보여준다. W / O의 미세 방울은 최근 화학 실험 소형화 에이블 강력한 방법에 사용되어왔다. / O 미세 방울 필요 W 따라서, 다목적 현상 방법은 단 분산 얻었다. 우리는 모세관 기반 원심 선대칭 공동 흐르는 미세 유동 장치에 기초하여 / O의 미세 방울 W 단 분산 생성하기위한 방법을 개발 하였다. 우리는 모세관 구멍을 조절함으로써 미세 방울의 크기를 제어하는​​데 성공했다. 우리의 방법은, 밀봉 용 시료 액의 소량 (0.1 μL)를 필요로 사용하기 쉬운 다른 마이크로 유체 기술을보다 장비를 필요로 초당 W / O의 미세 방울 수백 수천의 수의 생산을 가능하게 . 우리는이 방법이 소중한 생물들 필요 생물학적 연구를 도움이 될 것 기대신속한 정량 분석​​ 생화학 및 생물학적 연구를위한 샘플의 부피를 보존하여 amples.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W / O 미세 방울 1-5 단백질 합성 (6), 단백질 결정화 (7), 에멀젼 PCR 8, 9, 세포 캡슐화 (10), 인공 세포와 같은 시스템 5,6의 건설을 포함한 생화학 및 생명 공학의 연구에 많은 중요한 응용 프로그램을 가지고있다. 이러한 응용을위한 W / O의 미세 방울을 생산 중요한 기준은 사이즈 W / O의 미세 방울의 단순 분산도를 제어한다. 미세 유체 장치의 제조 단 분산의 크기가 제어 W / 미세 방울 (11)은 공동 (12, 13)에있어서 흐르는 흐름 포커싱 방법 14,15 및 마이크로에 T 접합 방법 (16)에 기초 이여. 이러한 방법은 매우 단 분산 W / O의 미세 방울을 생성하지만, 미세 처리가 마이크로 채널 제조 복잡한 처리 및 전문 기술을 필요로하고, 또한 시료 용액을 다량 (최소 수백이 필요81; 때문에 마이크로에 시료 용액을 실시 주사기 펌프와 튜브 불가피 데드 볼륨 l). / O 미세 방울가 필요하다 (W) 따라서, 사용하기 쉬운과 낮은 죽은 볼륨 방법은 단 분산 생성합니다.

이 논문은, 실험 절차의 동영상과 함께 / O 미세 방울 (그림 1) W 단 분산 셀 크기의 생성 원심 모세관 기반의 축 대칭 공동 흐르는 미세 유체 장치 (17)에 대해 설명합니다. 이 간단한 방법은 크기의 단 분산 및 크기 제어를 달성 할 수있다. 그냥 탁상 미니 원심 분리기 및 샘플링 마이크로 튜브에 고정 된 모세관 기반의 축 대칭 공동 흐르는 미세 유체 장치가 필요합니다. 우리의 방법은 단지 매우 소량 (0.1 μL)를 필요로하고, 샘플의 상당한 양을 낭비하지 않는다.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

모세관 기반 미세 유체 장치 1. 제작

  1. 홀더의 설정
    참고 : 홀더 디자인 그림 2A로 표시됩니다.
    1. 홀더의 네 각 디스크 잘라 (도 2A (Ⅰ) - (IV)) 밀링 머신을 사용하여 2 mm 두께의 플레이트를 폴리 아세탈 수지. (SH) 직경은 1.8 mm 고정 홈 (I)의 디스크 (1)의 직경 8.5 mm, 모세관 구멍 (CH)의 직경 1.3 mm; 홀더 네 디스크 각각에 대해 다음의 기준을 사용 (ⅱ)이 디스크 직경 8.7 mm, CH 직경 2.0 mm, SH 직경 1.8 mm; (ⅲ) 디스크 (3)의 직경 8.7 mm, CH 직경 0.5 mm, SH 직경 1.8 mm; 및 (ⅳ) 4 장 직경 9.1 mm, 지름 1.0 mm CH, SH 직경 1.8 mm.
    2. M2 (40) 나사 (그림 2B)를 × 사용하여 홀더를 조립합니다. 홀더 (도 2B)의 저부는도 2a (i), (ii) 및 상부 (도 디스크 (1)과 디스크 (2)로 구성홀더 URE의 2B)를 디스크 (3)와도 2a에 4 장 구성 (III), (IV).
      1. 홀더의 하부를 구성하는 각 디스크 (1)의 세 SH에 나사를 삽입 2. 쓰레드 부의 부분을 협지하여 나사를 짧게. 0.9 cm (상기 홀더의 바닥 부와 동일한 길이)에 나사의 길이를 유지한다.
      2. 홀더의 상부를 구성하는 각각의 디스크의 3 개의 SH에 나사를 삽입 4. 나사부의 일부를 협지하여 나사를 짧게. 0.7 cm (홀더의 상부와 같은 길이)에 나사의 길이를 유지한다.
      3. 홀더 조립 긴 나사를 사용하여 홀더의 하부 및 상부에 참여.
        참고 : 정확한 홀더의 각 부분의 길이를 유지 : 하단 부분은 0.9 cm입니다; 상부는 0.7 cm (그림 2B)입니다.
  2. 유리 모세관의 제작
    1. 내부 유리 모세관 (외경 (OD) / 내경 (ID) : 1.0 / 0.6 mm), 및 외부 유리 모세관 (OD / ID : 2.0 / 1.12 mm) 두 개의 유리 모세관의 형식을 사용합니다.
    2. 3 등분으로 외부 유리 모세관을 분할하는 유리 절단기를 사용하여 두 개의 동일한 조각으로 내부 유리 모세관을 분할하는 유리 커터를 사용합니다.
    3. 유리 모세관 풀러 (도 3a)을 사용하여 각각의 분할 된 내측 및 외측 유리 모세관을 선명. 최대의 풀러의 무게를 설정합니다. 외부 유리 모세관 60도, 내부 모세관 70도에서 풀러의 열 레벨을 설정합니다. 조심스럽게 유리 모세관을 선명하게.
      1. 유리 모세관의 잘록한 부분에서 끝의 길이를 유지 : 내부 모세관은 1.5-1.8 cm이다 외부 모세관은 0.8-1.0 cm (그림 3C)입니다. 이 길이는 기재의 길이보다 짧거나 길면, 풀러 열 조정하여주십시오.
    4. 에프IX microforge에 내부 또는 외부 유리 모세관 테이프 (그림 3B)를 사용하여 서있다.
    5. 세 단계 (도 3b)에 microforge를 사용하여 유리 모세관의 끝 부분을 잘라 (ⅰ) 백금선에 유리 비드를 유리 모세관의 끝을 터치 (II) 발 밟아 백금선 가열 1-2 초 동안 스위치, 및 (iii) 1 ~ 2 초 후에, 백금선을 냉각시켜 유리 모세관의 끝 부분을 잘라.
      1. 각각 내부 (d 개의 i) 및 외부 (D 오) 모세관 구멍의 직경을 조정합니다. 내측 유리 모세관의 오리피스 직경, 10 5, 20 ㎛의 (d에서 I = 5, 10, 20 μm의)과 외부 유리 모세관의 (d 오)이 실험에서 60 μm의 (라 오 = 60 μm의)입니다.
        참고 : 유리 모세관은 일회용이다. 유리 capillar의 제조를 반복하여이거 야.

생성 W / O의 미세 방울 2. 절차

  1. 오일 계면 활성제와 외부 유리 모세관을 입력합니다. 오일 및 계면 활성제의 혼합물은 헥사 (w / w)이 실험 (도 4a)의 소르 비탄 모노 올레 에이트 2 %를 함유한다.
    참고 : 오일과 계면 활성제의 많은 조합이있다 (예를 들어, 오일 플루오르 또는 탄산 일 수있다 계면 활성제는 이온 성 비이 온성, 또는 플루오로 할 수있다).
    1. 외부 유리 모세관에 헥사 데칸 포함 소르 비탄 모노 올레 에이트의 10 μl를 소개합니다. 도 4a에서, 외부 유리 모세관 (d 오)의 오리피스 직경은 60 μm의 (d 오 = 60 μm의)이다. 유리 모세관의 구멍을 조정하려면, 단계 1.2.4-1.2.5로 돌아갑니다.
  2. 홀더 (그림 4B)의 바닥 부분에 외부 모세관을 설정합니다.
  3. 드라모세관 작용에 의해 내 유리 모세관 (도 4C)으로 수용액 약 0.1 μL w. 도 4c에서, 내부 유리 모세관 (d 개의 I)의 구멍 직경은 10 μm의가 (d는 내가 10 μm의 =)입니다. 유리 모세관의 구멍을 조정하려면, 단계 1.2.4-1.2.5로 돌아갑니다.
  4. 홀더 (도 4D-a)의 상단부에 내측 모세관을 설정한다. 외부 모세관 (그림 4D-)에 내부 모세관을 삽입합니다. 그림에서와 같이 흰색 도트 원을 보면 4D-는, 외부 모세관 내부의 내부 모세관의 위치 (외부 모세관 (μm의 w) = (130)의 내부 직경) 관찰 (그림 4D-B를 C) 디지털 현미경을 사용하여 . 외측 모세관의 내부 모세관의 위치는 w = 100 ~ 150 ㎛, 설정해야한다.
    참고 : 내부의 위치를 변경하려면외부 모세관의 모세관는 홀더의 상부에 나사를 켜십시오. 이것에 의해, 거리 (W)을 정밀하게 제어 할 수있다.
  5. 1.5 ml의 샘플을 마이크로 튜브의 바닥에 헥사 함유 소르 비탄 모노 올 레이트 (w / w 2 %) 100 μl를 소개한다. 샘플의 마이크로 튜브 (도 4E-a)에서, 내측 및 외측 모세관으로 홀더를 설치한다. 공기 - 오일 인터페이스 (그림 4E-B)에서 멀리 유지하기 위해 외부 모세관을 확인하십시오.
  6. 원심 분리기 (그림 4 층) 미세 방울을 생성하기 위해 1 ~ 2 초 동안 1,600 XG의 중력에 탁상 스윙 아웃 형 미니 원심 분리기를 사용하여 샘플 마이크로 튜브. 실온에서 모든 실험을 수행한다.
    참고 : 스윙 아웃 형 원심 분리기를 사용합니다. 액적 샘플 마이크로 튜브의 측벽에 충돌하고, 고정 각도 타입의 원심 분리를 사용할 때 분해된다.
  7. 천천히 피펫 W / O 방울을 작성하고, 유리 (S)에 올려LIDE.
  8. 미세 방울의 캡처 된 이미지가 디지털 현미경 (배율 200 배)을 이용하여 생성.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

본 연구에서는 모세관 기반 원심 미세 유동 장치 (도 1)를 사용하여 셀 크기 W / O의 미세 방울의 생성을위한 간단한 방법을 제시한다. 미세 유동 장치가 모세관 홀더 (도 2B)로 구성하고, 두 유리 모세관 (도 3c에 내부 및 외부 유리 모세관), 및 계면 활성제를 포함하는 기름을 포함하는 마이크로 튜브. 우리는 내측 유리 모세관에 시료 용액 0.1 μl를 주입하고, 외부 유리 모세관 (도 4d)에 내측 유리 모세관을 두었다. 셀 크기 W / O의 미세 방울은 샘플 용액 (17) (도 1b)의 분사 흐름의 플래 토우 레일리 불안정성에 의해 발생하고, 적어도 2 시간 17 안정 하였다.

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 장치를 사용하면, / O W 미세 방울은 단 분산 제트 흐름 (17)의 플래 토우 레일리 불안정성에 의해 발생되었다. 현미경 검사 위성 방울의 존재를 공개하지 않았다. 장치의 제조에있어서, 세 가지 중요한 단계가 성공적으로 단 분산 W / O의 미세 방울을 생성하는 것이 필수적이다. 우선, 오일 및 계면 활성제의 수용액의 직선 유동을 공급하는 네 개의 디스크 모세관 구멍이 동심원 형태로 배열되어야한다. 접촉 상부 홀더 경우 모세관의 선단이 쉽게 분해 때문에 둘째, 내부 모세관 신중 외측 모세관 내로 삽입 하였다. 이 작업은 어려울 수 있습니다, 그래서 우리는 돋보기를 사용하는 것이 좋습니다. 마지막으로, 수용액 (17)의 분사 유량을 확인하기 위해, 외부 모세관 내부에 모세관의 위치는 w = 100 ~ 150 ㎛, 설정해야한다. 만약 원심 MIC에 의해 생성 된 W / O 용의 미세 방울의 크기 분포rofluidic 단 분산 장치가 아닌 외부 모세관 내부 모세관의 위치...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이해 상충은 선언되지 않습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 작업은 일본 과학기술개발기구(JST)의 PRESTO "세포 기능 설계 및 제어" 연구 영역, 일본 문부과학성(MEXT)의 혁신 분야 "분자 로봇"(프로젝트 번호 24104002)의 과학 연구 보조금, 일본 학회의 젊은 과학자를 위한 보조금(A)(프로젝트 번호 24680033) 및 과학 연구(B)(프로젝트 번호 26280097)의 지원을 받았습니다. JSPS(Promotion of Science) 및 Tokyo Tech 생명 과학 및 생명 공학 대학의 생명 과학 및 생명 공학 과정을 위한 창의적 디자인.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
2mm 두께의 폴리아세탈 플라스틱 플레이트ToolNikkyo Technos, Co., Ltd. (일본)244-6432-08
밀링 머신ToolRoland DG Co., Ltd. (일본)MDX-40A
엔드 밀 RSE230-0.5*2.5ToolNS Tool Co., Ltd. (일본)01-00644-00501
M2*40 나사ToolJujo Synthetic Chemistry Labo. (일본)제0001-024
Glass Capillry PullerToolNarishige (일본)PC-10
MicroforgeToolNarishige (일본)MF-900
Inner Glass CapillaryToolNarishige (일본)G-1
Outer Glass CapillaryToolWorld Precision Instruments Inc. (미국)1B200-6
1.5 ml Sample tubeToolINA OPTIKA CO.,LTD (일본)ST-0150F
헥사데칸시약Wako Pure Chemical Industries Ltd. (일본)080-03685 
소르비탄 모노올레이트(Span 80)시약Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.(일본)S0060
Milli Q 시스템시약Merck Millipore Corporation(독일)ZRQSVP030
스윙 아웃식 미니 원심분리기도구Hitech Co., Ltd.(일본)ATT101
디지털 현미경도구KEYENCE Corporation(일본)VHX-2001
호

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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