Development and evaluation of a process to isolate picolitre compartments of a microfluidic bioassay to search for new microbial compounds

Weber, Thomas GND

Verglichen mit etablierten industriellen Hochdurchsatz-Anlagen entwickelten sich mikrofluidische, emulsionsbasierte Tropfensysteme in den letzten Jahren zu einer günstigen Alternative. Jedoch ist es derzeit nicht möglich, einzelne Tropfen im Pikoliter-Volumenbereich aus einer Vielzahl anderer Proben für anschließende Analysen zu isolieren. Diese Arbeit präsentiert ein Verfahren, um Tropfen mittels fluidischer Kanalstrukturen zu isolieren und über einen Brechungsindex-Sensor zu detektieren. Das erzeugte Signal ermöglicht eine automatisierte Einzelablage von Tropfen in adressierbare Kompartimente, wie beispielsweise in Petrischalen oder Mikrotiterplatten. Ergebnisse zeigen eine effektive Extraktion einzelner Tropfenfraktionen. Dennoch bedarf es einer kontinuierlichen Überwachung von Prozessparametern wie Flussrate und Tropfendurchsatz, um eine Trennung der einzelnen Tropfen zu gewährleisten. Gleichwohl bietet dieses online-Verfahren eine Möglichkeit, allgemeine Laborprotokolle und Analysetechniken mit Tropfenbasierter Mikrofluidik zu vereinen.

Microfluidic emulsion-based droplet systems have a great potential for inexpensive ultrahigh-throughput experimentation. Yet, picking single/unique picolitre-sized droplets of interest out of million others for upscaling and deeper analysis is still a fundamental limitation. In order to overcome this missing gap, a system was developed in which sorted droplets of interest are redirected into a capillary and pass through a refraction-based sensor before exiting. The signal of each droplet triggers a positioning algorithm that ultimately places the flowing droplet into an addressable compartment in either a microtiter plate or a Petri dish. Results indicate the effective isolation of a fraction of single droplets. However, it is crucial to monitor the droplet frequencies and flow rates, as multiple droplets can be deposited together if sorted within a short time interval. Nevertheless, the possibility to isolate a significant fraction of single droplets without disrupting the experimental workflow provides a necessary feature for interfacing droplet microfluidics with standard laboratory analysis and processing.

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Weber, Thomas: Development and evaluation of a process to isolate picolitre compartments of a microfluidic bioassay to search for new microbial compounds. Ilmenau 2019.

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