Method Article

물방울 미세 유체에 대한 여러 가지 빛깔의 형광 검출 광학 섬유를 사용하여

DOI:

10.3791/54010

⸱

May 5th, 2016

 ,  , 
1Department of Pharmaceutical Chemistry, University of California, San Francisco, 2Department of Bioengineering and Therapeutic Sciences, California Institute for Quantitative Biosciences, University of California, San Francisco

In This Article

Summary

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

액적 미세유체역학에서 다색 형광 검출은 일반적으로 부피가 크고 복잡한 에피 형광 현미경 기반 검출 시스템을 포함합니다. 여기에서는 단일 광검출기에서 수집한 다색 데이터를 시간적으로 인코딩하기 위해 광섬유 어레이를 사용하는 소형 모듈식 다색 검출 체계에 대해 설명합니다.

Abstract

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

형광 분석은 밝은 신호와 빠른 시간 응답으로 인해 액적 미세유체역학에 사용되는 가장 일반적인 판독입니다. 멀티플렉스 분석법(multiplex assay), 효소 진화(enzyme evolution) 및 분자 생물학 강화 세포 분류(molecular biology enhanced cell sorting)와 같은 응용 분야에서는 두 가지 이상의 형광 색상을 검출해야 합니다. 자유 공간 레이저를 epifluorescence microscope에 결합하는 표준 multicolor 검출 시스템은 부피가 크고 비용이 많이 들며 유지 관리가 어렵습니다. 이 논문에서는 광섬유에 결합된 레이저가 있는 미세유체 채널의 이산 영역을 여기시켜 다색 검출을 수행하는 계획을 설명합니다. 방출된 빛은 단일 광검출기에 연결된 광섬유에 의해 수집됩니다. 여기(excitation)는 서로 다른 공간적 위치에서 발생하기 때문에 방출된 빛의 정체성을 시간적 변화로 인코딩할 수 있으므로 더 복잡한 광 필터링 체계가 필요하지 않습니다. 이 시스템은 4가지 고유한 염료 조합을 포함하는 액적 집단을 검출하고 플루오레세인의 나노몰 미만 농도를 검출하는 데 사용되었습니다.

Introduction

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

마이크로 유체 방울은 캐리어 오일에 현탁 한 수용액 방울 다수의 실험으로 구획하여 높은 처리량 생물을위한 플랫폼을 제공한다. 물방울은 단일 세포 분석이 디지털 중합 효소 연쇄 반응 (PCR) 3 등의 다양한 용도에 사용하고, 진화 4 효소되었다. 밝고 신호 빠른 시간 응답 헤르쯔 레이트로 서브 - 나노 리터 액적 부피를 검출 호환되는 형광 분석법, 마이크로 유체 방울의 검출의 표준 모드이다. 많은 애플리케이션은 동시에 두 개 이상의 색상을위한 형광 검출을 필요로한다. 예를 들어, 우리의 실험은 흔히 분석의 결과를 검출 한 채널을 사용하여 액적 분류 실험은 PCR 활성화 행하고, 5 분석 음성 적이 가산 있도록 보조 배경 염료를 사용한다.

액적 미세 유체에 대한 일반적인 탐지 스테이션 바있다표면 형광 현미경에 나오지도, 샘플에 집중 될 현미경에 여유 공간이 레이저에서 여기 광을 소개하는 빛을 조작 체계를 복잡 필요합니다. 형광 액적으로부터 출사 된 후, 각 검출 채널 파장 대역의 중앙에 하나의 광전자 증 배관 (PMT)를 사용되도록 형광을 방출되는 광을 여과한다. 표면 형광 현미경 기반 광 검출 시스템은 그들의 비용, 복잡성 진입 장벽을 제공하고 유지 보수가 필요했다. 광학 섬유는 섬유가 수동 미러 기반 광 경로에 대한 필요성을 제거하고, 광 경로는 광 파이버 커넥터를 사용하여 인터페이스 될 수 있도록 미세 유체 소자에 삽입 될 수 있기 때문에, 상기 수단은, 단순하고 강력한 검출 방식을 구성하기 위해 제공한다.

본 논문에서는 광 화이버의 어레이를 이용하여 다색 형광 검출을 수행하는 컴팩트 한 모듈 방식의 조립 및 검증을 설명다 하나의 광 검출기 (6). 광학 섬유는 개별 레이저에 결합되고, 일정한 공간 오프셋에서 L 형상의 유로로 정상적으로 삽입된다. 형광 수집 섬유 여진 영역과 평행하게 배향되며, 하나의 PMT에 접속된다. 액적들이 다른 시간에 레이저 빔을 통과하기 때문에, PMT에 의해 기록 된 데이터는 시간적 해당 사용자가 액적 각각 별개의 레이저 광에 의해 여기 된 후 방출 된 형광을 구별 할 수 있도록 오프셋을 나타낸다. 이러한 시간 시프트는 이색 미러와 대역 통과 필터의 시리즈를 사용하여 별도의 PMT 출사 광을 분리 할 필요가 없다. 검출기의 효능을 검증하기 위해, 우리는 다른 색상과 농도의 염료를 캡슐화 방울 인구에서 형광을 정량. 시스템의 감도는 단색 형광 검출을 조사하고,이 0.1nm하는 200X 감도 노출 수까지 농도의 액 적을 검출하는 능력을 표시한다문헌 7에서보고 된 최근의 광섬유 기반 방식에 비해 ovement.

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Protocol

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

1. SU8 마스터 제작

  1. 디자인 소프트웨어를 사용하여 세 개의 층 제조를위한 미세 유체 구조를 설계하고 10 μm의 해상도 회로 기판 필름의 공급 업체가 인쇄 된 디자인을 가지고있다. 장치 설계의 세부 사항은 첨부 된 문헌 6에 제시되어 채널 형상은도 1에 도시한다. 층은 각 층의 제조 (8)로부터 특징을 배치 할 수 있도록 정렬 마크를 포함한다.
  2. 스핀 코터에 미리 청소 3 인치 직경의 실리콘 웨이퍼를 놓고 척에 부착하는 진공의 전원을 켭니다. 80 ㎛의 층 두께를 제공 한 다음 1750 rpm에서 30 초, 500 rpm에서 20 초 동안 상기 웨이퍼 및 회전의 중심에 SU8-3050 1 ㎖을 적용한다.
  3. 웨이퍼를 제거하고, 30 분 동안 135 ° C의 열판에서 굽는다. 웨이퍼는 다음 단계로 이동하기 전에 실온으로 냉각 할 수있다.
  4. 평행 190m에서 1 차 레이어 마스크에 코팅 된 웨이퍼를 노출3 분 동안 LED nm의 W, 365. 노출 후, 다음 단계로 진행하기 전에, 1 분 동안 RT에 다음 시원한를 135 ° C 형 열판에 웨이퍼를 배치합니다.
  5. 스핀 코터에 웨이퍼를 놓고 척에 부착하는 진공의 전원을 켭니다. 40 ㎛의 두께의 부가 층을 제공하는 결과로, 5,000 rpm에서 30 초 후, 500 rpm에서 20 초 동안 상기 웨이퍼 및 회전의 중심에 SU8-3050 1 ㎖을 적용한다.
  6. 다음 단계로 이동하기 전에 30 분 동안 135 ° C의 열판에 RT로 다음 멋진 웨이퍼와 빵을 제거합니다.
  7. 1.3 패턴 형상에 2 차 레이어 마스크를 맞추고 3 분 동안 LED nm의 평행 190 mW의 365에 코팅 된 웨이퍼를 노출합니다. 노출 후, 다음 단계로 진행하기 전에, 4 분 30 초 동안 135 ° C의 열판에 RT에 다음 시원한 놓습니다.
  8. 스핀 코터에 웨이퍼를 놓고 척에 부착하는 진공의 전원을 켭니다. 그 후, 500 rpm에서 20 초 동안 상기 웨이퍼 및 회전의 중심 (30)을 1 ㎖ SU8-3050 적용초 1,000 rpm에서 100 μm의 두께의 부가 층을 제공하는 결과.
  9. 다음 단계로 이동하기 전에 30 분 동안 135 ° C의 열판에 RT로 다음 멋진 웨이퍼와 빵을 제거합니다.
  10. 1.3 패턴 형상에 3 번째 레이어 마스크를 맞추고 3 분 동안 LED nm의 평행 190 mW의 365에 코팅 된 웨이퍼를 노출합니다. 노출 후, 다음 단계로 진행하기 전에, 9 분 동안 135 ° C의 열판에 RT에 다음 시원한 놓습니다.
  11. 30 분, 프로필렌 글리콜 모노 메틸 에테르 아세테이트의 교반 욕에 침지하여 마스크를 개발한다. 1 분 동안 135 ° C의 열판에 이소프로판올과 빵의 웨이퍼를 세척 할 것. 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 성형 용 100mm 페트리 접시에서 개발 마스터를 놓습니다.

2. PDMS 소자 제조

  1. 플라스틱 컵에 경화제 5 g과 실리콘계 50 g을 조합하여 하나 PDMS 10을 준비한다. 저어 스틱 장착 된 회전 도구를 사용하여 내용을 섞는다. ℃,30 분 동안 데시 케이 터 내부의 혼합물로서, 또는 모든 기포가 제거 될 때까지.
  2. 마스터 이상 3mm의 두께를주고 더 탈 가스에 대한 데시 케이 터에 다시 배치 할 PDMS를 따르십시오. 일단 모든 기포를 제거하고, 80 분 동안 80 ℃에서 구워 장치.
  3. 패터닝 측과 깨끗한 표면에 메스과 장소를 사용하여 금형에서 장치를 잘라 내기 및 0.75 mm 생검 펀치와 유체 입구와 출구를 펀치. 120 ㎛ 내지 220 ㎛의 높이 형상은 장치의 측면에서 접근 할 수 있도록 장치는 절단되어야한다.
  4. 플라즈마는 300 W의 플라즈마 세정기에서 20 초 동안 1 밀리바 O 2 플라즈마에서 3 인치 유리 슬라이드에 의한 사전 세정 2인치 함께 업 기능면 장치를 취급한다. 유리 슬라이드의 플라즈마 처리면 상에 PDMS 소자의 패턴면을 배치하여 PDMS 소자 접합. 80 ° C의 오븐에서 장치를 넣고 40 분 동안 조립 된 장치를 굽는다.
  5. 채널 렌더링플루오르 표면 처리 유체 장치를 세척하는 주사기를 사용하여 소수성. 10 분, 용매를 증발시켜 즉시 80 ℃에서 장치를 굽는다.

광학 구성 요소 3. 준비

  1. 105 μm의 코어 125 μm의 클래딩의 마지막 5mm의 피복을 제거하여 레이저 여기 광을 준비 NA 0.22 광파이버 =.
  2. 2 차 섬유 동일한 3.1를 반복하여 2 차 컬러 레이저 여기 광을 준비한다.
  3. 200 μm의 코어 225 μm의 클래딩 3.1를 반복하여 형광 신호를 수집하기위한 섬유를 제조, NA 0.39 광파이버 =.
  4. 끝이 평평한 표면에 끝나지 않는 경우, 섬유 서기관과 끝을 다시 절단 - 모든 섬유의 끝을 검사합니다.
  5. 50 mW의, 405 nm의 레이저로 레이저 광 커플러를 부착하고 레이저에 105 μm의 핵심 섬유 중 하나를 첨부합니다. 레이저 파워의 센서에서 벗겨진 단부 지시m은 레이저 파워를 최대화하도록 레이저 커플러의 미세 조정을 사용한다.
  6. 50 mW의, 473 nm의 레이저 3.5를 반복합니다.
  7. 레이저 광을 차단하고 방출 형광을 전송하는 렌즈 튜브를 사용하여 PMT에 446/510/581/703 나노 쿼드 대역 통과 필터를 탑재. 그 빛이 PMT를 타격하기 전에 필터를 통해 이동하므로 섬유 커플러를 연결합니다.
  8. 3.7 조립 장치에 3.3에서 섬유를 연결합니다.

4. 오프라인 혼합 된 에멀젼 생성

  1. 60 μm의 X 60 μm의 구멍과 흐름 초점 마이크로 유체 dropmaker 장치를 가져옵니다.
  2. 2 % 이온 성 플루오로 9 HFE 7500 오일 1 ML의 주사기를 입력합니다.
  3. 1 nM의 FITC / 10 나노 미터 CB, 10 nM의 FITC / 10 나노 미터 CB, 1 nM의 FITC / 100 nM의 다음 형광의 다음과 같은 조합 (FITC) 및 덱스 트란 - 복합 파란색 염료 PBS에서 (CB)를 1 ml를 주사기의 일련의 입력 CB 및 10 nM의 FITC / 100 나노 CB.
  4. 반전 마이크로의 무대에 dropmaker 장치를 장착대처와 주사기 펌프에 수성과 석유 주사기. 커플 PE-2 튜브를 이용하여 단말기로 주사기.
  5. 500 μL / 수성 솔루션에 대한 석유와 250 μL / 시간 동안 시간에 주사기 펌프를 실행, 4.3에서 솔루션을 포함하는 80 μm의 방울의 혼합물을 만들 수 있습니다. 수성 시료의 종류마다, 교차 오염을 제거하기 위해 새로운 dropmaker 장치를 사용한다. 빈 주사기로 각 염료 조합에서 에멀젼 ~ 200 μl를 수집합니다.
  6. 4 액적 형태가 단일 컬렉션 주사기에 수집 한 후, 반복적으로 주사기를 회전시킴으로써, 에멀젼을 혼합한다.
  7. 반복 수용액은 PBS에 0.​​1, 1, 10, 100 nM의 FITC를 함유 4.2-4.6 단계.

5. 광섬유 삽입

  1. <100 마이크로 초 셔터 속도를 할 수있는 디지털 카메라와 결합 거꾸로 현미경의 무대에서 2 단계에서 제조 된 미세 유체 칩을 놓습니다.
  2. 측면, INSE에서 조심스럽게 작업주 유동 채널을 통해 천공 않도록주의하면서 가장 먼 상류 120 ㎛의 채널에 473 nm의 레이저에 연결된 광을 실온.
  3. 상기 가장 먼 하류 120 μm의 하이 사이드 채널에 405 nm의 레이저에 연결된 광섬유를 삽입 300 ㎛ 인 섬유의 간격을 제공한다.
  4. 2 개의 레이저 여기 섬유에 수직 220 μm의 높이 채널로 PMT 결합 섬유를 삽입합니다.

혼합 유제 6. 형광 검출

  1. PE-2 관으로 검출 장치의 스페이서 오일 입구에 2 % 이온 성 플루오로 HFE 7500 가득 5 ML의 주사기를 탑재합니다.
  2. PE-2 튜브를 사용하여 장치의 액적 재 주입 입구에 수직 배향 주사기 펌프와 커플 혼합 FITC / CB 에멀젼을 함유하는 주사기를 탑재. 폐기물 용기에 장치 출구에서 PE-2 튜브의 길이를 연결합니다.
  3. 두까지 1,000 μL / 시간에 펌프를 각각 실행하여 국무 장치기름 방울은 정기적으로 장치에 결합하고 하류 유입 될 볼 수 있습니다.
  4. 상기 검출 영역을 이동하는 액적 사이에 상당한 간격을 제공하는 스페이서 오일 6000 μL / 시간 실행되도록 유속 100 μL / 시간 방울을 조정한다.
  5. 상기 레이저를 켜고 데이터 취득 프로그램을 시작하고, 초기 잡음 플로어를 100 배 이상이다 신호를 제공하는 PMT의 이득을 조정한다. 겹의 모든 피크가 하나의 선형 스케일링 timetrace에 잘 볼 수 있도록 레이저 출력을 조정한다.
  6. 적어도 20 kHz에서의 PMT 전압 timetrace 60 초 획득. 이러한 matlab에 같은 컴퓨팅 프로그램에 데이터를 가져 오기 및 사용자 지정 계산 프로그램 스크립트를 사용하여 기록 이중선의 피크의 높이를 측정한다.
    참고 :이 보충 정보로 제공됩니다.
  7. 반복 405 nm의 레이저가 꺼져로, 4.7에서 만든 FITC 전용 혼합 된 에멀젼을 사용하여 6.2-6.7 단계를 반복합니다.

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Results

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광섬유의 삽입을 허용하는 PDMS 소자의 제조는 다양한 높이 (도 1)의 채널을 만들 수있는 여러 단계의 포토 리소그래피 절차를 필요로한다. 먼저, SU-8 80 μm의 높은 층은 실리콘 웨이퍼 상에 스핀 및 유체 핸들링 형상을 작성하는 마스크를 이용하여 패터닝된다. 다음, SU-8의 부가 40 ㎛의 층이 웨이퍼 상에 방사하고, 120 ㎛의 높이 레이저 광 삽입 채널을 형성 할 것이다 형상을 생성하는 제 2 마스크를 사용하여 패터닝된다. 마지막으로, 100 ㎛의보다 SU-8은 웨이퍼 상에 방사하고, 220 ㎛의 높이 검출 광섬유 삽입 채널을 제공하기 위해 패터닝된다. 마스터 개발 차례로 유리 슬라이드에 결합 된 PDMS 소자를 몰드하기 위해 사용된다. 최종 조립은 측면을 통해 액세스 디바이스 120 ㎛ 내지 220 ㎛의 높이 광섬유 채널의 상부에 천공 구멍을 통해 액세스 80 μm의 높이 유동 형상을 포함장치.

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Discussion

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광섬유 검출 유체 채널에 대해 광섬유의 정렬을 필요로한다. 우리 장치 다층 포토 리소그래피로 제조 된 가이드 채널을 이용하기 때문에, 서로에 대한 마스크의 위치가 매우 중요하다. 섬유 가이드 채널은 유체 채널에 너무 근접하면, 유체 누출 가능성이있다; 상기 가이드 채널이 너무 멀리 위치하거나 오정렬되는 경우, 검출 섬유에 의해 수집 된 형광 신호는 크게 감소 될 수있다. 적절한 정렬은 사진 패터닝 동안 함께 배치되는 마스크에 같은 동심원으로 정렬 마크를 디자인하여 도움을받을 수 있습니다. 또한, 장치에 광섬유를 수동으로 삽입 사용할 수 없게 그들을 렌더링, 장치 내에서 섬유의 끝을 깰 수있는 잠재력을 가진 섬세한 과정이다. 현미경으로 관찰하면서 키 된 PDMS 장치에 결합 된 유리 슬라이드에 대해 섬유 억제 천천히 섬유를 삽입하기 SUCCessful 섬유 삽입. 미리 형성된 에멀젼의 마지막 재 주입 취급의 최소 발생한다. 유화가 만든 빈 주사기로 직접 입금되면이 방울 재 주입에 사용되는 때까지 이상적으로, 그것은 양도 할 수 ...

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Disclosures

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

저자는 공개할 것이 없습니다.

Acknowledgements

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

이 작업은 국방고등연구계획국(DARPA) 보조금 번호 84389.01.44908, NSF CAREER 상(DBI-1253293), NIH 탐색/개발 연구 보조금(CA195709), NIH New Innovator Awards(HD080351, DP2-AR068129-01) 및 UCSF 자원 할당 프로그램의 New Directions 보조금의 지원을 받았습니다.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
포토 마스크CadArt Servcies
3 "실리콘 웨이퍼, P 형, 버진 테스트 등급대학 웨이퍼447
SU-8 3035MicrochemY311074
SU-8 2050MicrochemY111072
Sylgard 184 실리콘 엘라스토머 키트Krayden4019862
1 ml 주사기BD
10ml 주사기BD309604
27 게이지 바늘BD305109
PE 2 폴리에틸렌 튜브Scientific Commodities, Inc.B31695-PE/2
Novec 7500Fisher Scientific98-0212-2928-5일반적으로 HFE 7500
Ionic Krytox 계면활성제로지침, 참조 #10
Dextran-conjugated cascade blue dyeLife TechnologiesD-1976
플루오레세인 나트륨염Sigma28803
Quad bandpass filterSemrockFF01-446/510/581/703-25
PMTThorlabsPMM02
파이버 포트ThorlabsPAFA-X-4-A
렌즈 튜브ThorlabsSM1L05
패치 케이블, 200 μ M 코어 / 225 μ 하나의 벗겨진 끝과 하나의 FC/PC 커넥터가 있는 m 클래딩 광섬유Thorlabs사용자 정의
패치 케이블(105 μ); M 코어 / 125 μ 한쪽 끝이 벗겨지고 FC/PC 커넥터가 하나씩 있는 m 클래딩 광섬유ThorlabsCustom
125 μ m 섬유 스트리핑 도구ThorlabsT08S13
225 μ m 섬유 스트리핑 도구ThorlabsT10S13
레이저 섬유 어댑터OptoEngineFC/PC 어댑터
405 nm CW 레이저 at 50  mWOptoEngineMDL-III-405CNI 레이저
473 nm CW 레이저 디스트리뷰터 at 50  MW광엔진MLL-FN-473-50
309628 알려진 합성

References

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