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液滴生成 / Droplet generation
マイクロ流体チップと送液システムのアプリケーション例
液滴生成
CSとFLG

microfluidic ChipShopのマイクロ流体チップと,Fluigentの圧力制御式送液システム Flow EZを用いた応用例です。
マイクロ流体チップを用いることで均一なサイズの液滴を多数生成できることから,関連アプリケーションが多数生まれています。

1. 液滴生成 / Droplet generation
液滴(ドロップレット)の生成は,マイクロ流路が非常に活躍する分野です。高精度なノズルを持つマイクロ流体チップを用いることで,大量の液滴を均一なサイズで作ることができます。液滴の中身がチップ流路の壁に触れることはないので,コンタミネーションや液滴から他の液滴へのキャリーオーバーは生じません。

    液滴生成チップ [719] 液滴保管機能付き

アプリケーション例:

非常に均一なエマルジョンの生成


・バイオサンプルの単離とデジタルPCR
・シングルセルのカプセル化
・ナノパーティクルの合成
・血球計算 等

2. 液滴生成チップ (a) 液滴生成とチップの関係
液滴の生成にはノズルとも呼ばれる高精度のマイクロ流路の構造が必要です。ノズルでは,分散相と連続相の2つの非混和性相が交わり液滴が生成されます。通常,連続相の流量は分散相の流量よりも大きくなります。ノズルのサイズ及びサンプル(分散相)とオイル(連続相)の流量の比率によって液滴のサイズが決まり,サンプルとオイルの流量によってシステムのスループットが決まります。

(b) microfluidic ChipShop製 液滴生成チップの特徴
microfluidic ChipShopは,顕微鏡スライドガラス型の液滴生成チップを提供しています。デザインや機能が異なる多数のチップを用意していますので,主に以下の観点から最適なものをお選びいただけます。
・液滴のサイズ・・・マイクロ流路の液滴を生成する部分(ノズル)の形状の幅は最小10 µmから最大140 µmまであります。流量と流路幅とノズルサイズが,液滴のサイズを決定します。
・液滴生成コンセプト・・・十字型,T字型,ダブルT字型の交差流路があります。
・液滴保管機能・・・液滴生成機能に加え,生成された液滴をキャビティに捉えることで光学的な観察を行えるようにする液滴保管機能を持つチップがあります。

液滴生成チップ[440]
液滴生成(W/O,water in oil)
液滴生成チップ[440]のシングルクロス流路

液滴生成チップ[163]
液滴生成(W/W/O, water in water in oil)
液滴生成チップ[163]のダブルクロス流路

ダブルエマルション
ダブルエマルション液滴生成(W/O/W,water in oil in water)。油相にサーファクタント(界面活性剤)を使用している。
液滴生成チップ[488]
液滴生成チップ(保管機能付き)[488]の液滴保管ユニット。別途生成された液滴を保管する24のユニット(各々に108個の液滴を保持可能)を搭載している。

3. 液滴生成 システム構成例 ここでは,microfluidic ChipShopの液滴生成チップ[163]に,FluigentのFlow EZを用いて水とオイルを送液し,それらの流量を流量センサFlow Unitで観察するセットアップ例を紹介します。

(a) セットアップ模式図

液滴生成 セットアップ例

    microfluidic ChipShopの液滴生成チップ(droplet generator)とFluigentの圧力制御式送液システムFlow EZ,流量センサFlow Unitのセットアップ例

上記で用いられる製品群 (2チャネル使用時)

製品名 社名 個数
液滴生成チップ microfluidic ChipShop 1
Mini Luerコネクタ microfluidic ChipShop -
シリコーンチューブ(スリーブ) microfluidic ChipShop -
PEEKチューブ Fluigent -
dSurf (液滴生成専用の高機能フッ素系界面活性剤) Fluigent 1
dOil (純粋なフッ素オイル(3M Novec 7500 Engineered Fluid)) Fluigent 1
FLPG plusあるいはコンプレッサ等の圧力供給装置 Fluigent 1
Flow EZ (高精度の圧力制御式送液システム) Fluigent 2
Link Module (Flow EZとPCの接続用モジュール) Fluigent 1
P-Cap (耐圧性のリザーバホルダ) Fluigent 2
Flow Unit (流量センサ) Fluigent 2
Flow EZ,Flow Unit,P-Capの各々のチューブ,コネクタ類 Fluigent -
PC制御用ソフトウェア Fluigent -

使用するチャネル数に応じ,構成を御提案いたします。

(b) アクセサリとオイル,サーファクタント

温度調整機能付きチップホルダ LOC CCI / ChipShop
温度調整機能付きチップホルダ LOC CCI 1
チップは装置内蔵の加熱素子によって,希望の温度まで加熱する。

dOil / dSurf
dSurf 高機能フッ素系界面活性剤2%入オイル
dOil 純粋なフッ素オイル(3M Novec 7500)

Fluigent Flow EZのチュートリアル動画

Publication list: microfluidic ChipShopのマイクロ流体チップを用いた研究成果 (抜粋)

[POCT (Point of care testing)]
▶A low-cost integrated biosensing platform based on SiN nanophotonics for biomarker detection in urine. D Martens et al., Anal. Methods, 2018, 10, 3066 (Keywords: Biomarker detection, Nanophotonic sensor, POC)
▶Label-Free and Real-Time Detection of Tuberculosis in Human Urine Samples Using a Nanophotonic Point-of-Care Platform. P Ramirez-Priego et al., ACS Sens. 2018, 3, 10, 2079-2086 (Keywords: Immunology, Anatomy, Sensors)
▶Microfluidic Cartridges for Automated, Point-of-Care Blood Cell Counting. S Smith et al., SLAS TECHNOLOGY: Translating Life Sciences Innovation, 22(2), 176-185 (Keywords: Microfluidics, Point-of-care diagnostics, Blood cell counting)
▶Blister pouches for effective reagent storage on microfluidic chips for blood cell counting. S Smith et al., Microfluidics and Nanofluidics, 20(12), December 2016 (Keywords: Blister pouch, Microfluidics, Reagent storage)

[POCT (Point of care testing)とマイクロ流体デバイスの標準化の検討]
▶Accelerating innovation and commercialization through standardization of microfluidic-based medical devices. D Reyes et al., Lab Chip, 2021, 21, 9-21 (Keywords: Microfluidics, Standardization)

[Organ-on-a-chip / Microphysiological systems]
▶A new organ-on-chip platform for physiological relevant in-vitro reproduction of the blood–brain barrier. H Kiessling et al., MicroTAS 2015 (Keywords: Organ-on-a-chip, Dielectrophoresis, Polymer microfabrication)
▶Monitoring cytochrome P450 activity in living hepatocytes by chromogenic substrates in response to drug treatment or during cell maturation. J Theobald et al., Arch Toxicol 92, 1133-1149 (2018) (Keywords: Hepatocytes, Fluorescence, CYP450 enzymes)
▶A three-dimensional immunocompetent intestine-on-chip model as in vitro platform for functional and microbial interaction studies. M Maurer et al., Biomaterials, Volume 220, November 2019, 119396 (Keywords: Microphysiological system, Gut-on-chip, Microbiota)
▶Endogenous metabolites of vitamin E limit inflammation by targeting 5-lipoxygenase. H Pein et al., Proc. of SPIE Vol. 10699 106990U-1 (Keywords: Granulocytes, Inflammatory diseases, Lipids)
▶In vitro metabolic activation of vitamin D3 by using a multicompartment microfuidic liverkidney organ on chip platform. J Theobald et al., Scientific Reports | (2019) 9:4616 (Keywords: Lab-on-a-chip, Multicellular systems)
▶Co-infection with Staphylococcus aureus after primary influenza virus infection leads to damage of the endothelium in a human alveolus-on-a-chip model. S Deinhardt-Emmer, K Rennert et al., Biofabrication 12 (2020) 025012 (Keywords: Immune-responsive model, inflammatory response)

[Immunoassay / イムノアッセイ]
▶An integrated homogeneous SPARCL™ immunoassay for rapid biomarker detection on a chip. N Sandetskaya et al., Anal. Methods, 19, 2542-2550, 2019. (Keywords: Immunoassay, Quantitative detection, biomarker)

[Droplet generation / 液滴生成]
▶High-Throughput Optimization of Recombinant Protein Production in Microfluidic Gel Beads. M Napiorkowska et al., Small 2021, 17, 2005523 (Keywords: Droplet microfluidics, Gel microdroplets, High-throughput screening)
X線光学製品と微細加工技術LIGA
X-ray optics and micro fabrication (LIGA)

マイクロ流体デバイス
Microfluidic devices