Microfluidic imaging: pixelation and pre-concentration for biological and chemical sample analyses
Creators: name: Tachikawa, Kaoru
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2008
Subjects: subject: Miniaturisation
subject: Pixelation
subject: Droplets
subject: Compartmentalisation
subject: Imaging
subject: Immobilised heterogeneous sample
subject: 660

description: The novel concept "microfluidic imaging" that spatially resolves the composition of complex biological and chemical samples by pixelation within a microfluidic platform was explored. The approach integrates two different microfluidic techniques: sample pre-concentration and droplet-based pressure driven flow system. An electrokinetic pre-concentration method for amino acid enrichment was explored. This technique can be integrated to manipulate pixelated sample that have low-abundant analytes in very small volumes. Agarose gel excelled in fixing various samples on the surface and in the parallel uptake and pixelation step. The presented device was designed and fabricated to image samples by discretising targeted areas into droplets suspended in a two-phase microflow. These droplets are transferred from parallel to serial mode for data readout similar to a CCD camera, thus referred as "microfluidic imaging". Three major process steps conducted within the device were parallel sample pixelation and uptake, transfer from parallel to serial mode into a microchannel for individual analysis and image generation. This microfluidic pixelation method is capable of obtaining non-averaged data from heterogeneous specimen, with reduced arduous preparation steps while retaining the spatial information. The ability to convert the compartmentalised information from a parallel to serial manner is an advantage this device has allowing to approach closer to automation and to implement preparation, separation and detection steps. In this respect, the concept has clear superiority over currently available techniques for capturing of cells from tissue, such as laser microdissection or capillary capture methods. With further pixel size reductions, controlled encapsulation of single cells in single droplets comparable in size to the cell diameter is accomplishable. This way the application of the concept in high throughput screening, clinical diagnosis, single cell bioreactors, and the investigation of stem cell differentiation can be appreciated, emphasising the importance of cellular heterogeneity within a population at single cell level.
description: Das neuartige Konzept des "Microfludic Imaging" wurde untersucht, welches die Zusammensetzung biologischer und chemischer Proben durch Pixelierung innerhalb einer mikrofluidischen Plattform räumlich auflöst. Der Ansatz vereint zwei mikrofluidische Prinzipien, die Aufkonzentration von Analyten und ein auf Tropfen basiertes, druckbetriebenes Fließsystem. Dabei wurde eine Konzentrationsmethode für die Anreicherung von Aminosäuren untersucht. Diese Technik kann eine pixelierte Probe mit niedrig konzentrierten Analyten selbst in kleinen Volumina bearbeiten. Als Oberfläche zeichnete sich dabei Agarose-Gel sowohl durch ausgezeichnete Fixierung von verschiedensten Proben als auch durch die parallele Aufnahme aus. Der präsentierte Chip wurde so konzipiert und hergestellt, dass er Proben in diskrete Flächen einteilen und als suspendierte Tropfen in ein zweiphasiges Mikroflusssystem aufnehmen kann. Diese Tropfen werden zur Datenausgabe vom parallelen in den seriellen Modus übertragen, ähnlich wie bei einer CCD-Kamera, und somit als "Microfluidic Imaging" bezeichnet. In der Apperatur müssen drei Schritte vollzogen werden: Die Probepixelierung und -aufnahme, die Umwandlung von parallelem zu seriellem Betrieb im Mikrokanal, um die individuelle Analyse sicherzustellen, und die Generierung des ursprüglichen Bildes. Diese mikrofluidische Pixelierungsmethode ist fähig nicht gemittelte Daten aus heterogenen Proben zu erzielen, ohne mühsame Vorbereitungsschritte und bei gleichzeitiger Erhaltung der räumlichen Information. Die Fähigkeit Information von paralleler in serielle Weise umzuwandeln ist ein Vorteil dieses Chips, welcher die Grundlage für die vollständige Automatisierung und Implementierung von Probenvorbereitung, Trennung und Detektion darstellt. Die Methode ist somit klar besser als Techniken zur Zellisolation aus Geweben, wie Lasermikrodissektion oder kapillare Isolationssysteme, und mit einer weiteren Reduzierung der Pixelgrösse wird die Isolation von einzelnen Zellen in Tröpfchen mit ähnlichem Durchmesser wie dem der Zellen, möglich. So kann dieses Konzept künftig für "High Throughput Screening", klinische Diagnosen, Einzelzellreaktoren und zur Untersuchung von Stammzelldifferenzierung genutzt werden, und unterstreicht die Wichtigkeit der zellulären Heterogenität innerhalb einer Population.