Fase Diagram Analyse Met behulp van Magnetic Beads als vloeibare dragers
Summary
Here, we present a protocol to investigate multi-component phase diagrams using externally controlled magnetic beads as liquid carriers in a lab-in-tube approach. This approach can aid in applications that seek to gather further information on phase change in complex liquid systems.
Abstract
Magnetische kralen met ~ 1,9 micrometer gemiddelde diameter werden gebruikt microliter hoeveelheden vloeistoffen tussen aangrenzende segmenten transporteren vloeistof met een slang ten behoeve van onderzoek faseverandering van de vloeistof segmenten. De magnetische bolletjes werden extern gecontroleerd met behulp van een magneet, waardoor de korrels aan de luchtklep tussen de aangrenzende segmenten vloeibare overbruggen. Een hydrofobe bekleding werd aangebracht op het binnenoppervlak van de buis om de scheiding tussen de twee vloeibare segmenten verbeteren. Het aangelegde magnetische veld vormde een aggregaat cluster van magnetische korrels, het vastleggen van een bepaalde vloeistofhoeveelheid binnen de cluster die wordt aangeduid als overdracht volume. Een fluorescerende kleurstof werd toegevoegd aan een vloeibaar segment, gevolgd door een reeks van overdrachten vloeistof, die vervolgens veranderde de fluorescentie-intensiteit in de omringende vloeistof segment. Op basis van de numerieke analyse van de gemeten fluorescentie-intensiteit verandering, heeft de carry-over volume per massa van magnetische bolletjes gevondennaar ~ 2 tot 3 ul / mg. Deze kleine hoeveelheid vloeistof termijn voor het gebruik van relatief kleine vloeibare segmenten van een paar honderd microliter, verbeteren van de uitvoerbaarheid van de inrichting voor een lab-in-buis benadering. Deze techniek van het aanbrengen van kleine compositionele variatie in een vloeistofvolume werd op de analyse van de binaire fasediagram tussen water en oppervlakte-C12E5 (pentaethylene monododecyl glycol ether), wat leidt tot snellere analyse met kleinere monstervolumes dan conventionele werkwijzen.
Introduction
Magnetische korrels (MB) in de orde van 1 micrometer in diameter zijn gebruikt 1,2- vaak in microfluïdische toepassingen, met name voor biomedische apparaten. Bij deze inrichtingen hebben MBs geboden mogelijkheden zoals cel en nucleïnezuur scheiding contrastmiddelen en geneesmiddelafgifte, een paar te noemen. De combinatie van externe (magnetisch veld) controle en-druppel op basis van microfluidics heeft 3 controle van immunoassays met behulp van kleine hoeveelheden (<100 nl) ingeschakeld. MB's hebben ook aangetoond belofte wanneer gebruikt voor vloeibare hanteren 4. Deze benadering maakt gebruik van de MB aan biomoleculen tussen vloeibare segmenten vervoer binnen een buis van elkaar gescheiden door een luchtklep. Deze methode is niet zo krachtig als andere complexere lab-on-chip apparaten in het verleden, maar het is veel eenvoudiger en biedt wel de mogelijkheid hanteren microliter grotere hoeveelheden vloeistof. Een soortgelijke benadering is recentelijk gerapporteerd 5 per groep Haselton en toegepast biomedischassays.
Een van de belangrijkste van deze inrichting is het vloeibare segment scheiding die door de oppervlakte-spanning-gestuurde luchtklep. Microliter hoeveelheden vloeistof verbonden MB worden getransporteerd door deze luchtspleet tussen vloeibare segmenten met behulp van een extern aangelegd magnetisch veld. Microdeeltjes MB's (van ~ 0,4-7 micrometer in diameter met een gemiddelde van 1,9 urn) onder invloed van het externe magnetisch veld een microporeuze cluster binnen vloeistofvangers. De kracht van deze vloeistof entrapment voldoende is om de krachten van de oppervlaktespanning weerstaan bij het transporteren van de MB's van het ene reservoir naar de volgende. Meestal is dit effect ongewenst is, omdat de meeste benaderingen willen alleen transport van specifieke moleculen (bijvoorbeeld biomarkers) vervat in de vloeistof 6. Zoals te zien is in ons werk, dit effect kan worden gebruikt om een positief aspect van de inrichting te worden.
We hebben deze 'lab-in-buis gebruiktAanpak, schematisch weergegeven in figuur 1, voor het analyseren van fasediagrammen in binaire materiaalsystemen. De oppervlakteactieve C12E5 is gekozen als de belangrijkste focus van de karakterisering, omdat het op grote schaal wordt gebruikt in industriële toepassingen, zoals farmaceutische producten, levensmiddelen, cosmetica, enz. In het bijzonder werd de H 2 O / C12E5 binair systeem onderzocht, omdat het een rijke set van fasen om te verkennen. We hebben gericht op een specifiek aspect van deze stof mengsel, namelijk de overgangen naar vloeibaar kristallijne fasen onder bepaalde concentraties 7-9. Deze overgang wordt gemakkelijk in onze apparaat waargenomen door het opnemen van polarisatoren in de optische microscopie studies om fasegrenzen markeren.
In staat zijn om fasediagrammen kaart is een zeer belangrijk gebied van onderzoek met het oog op de betrokken met faseovergang 10 kinetiek begrijpen. Het vermogen om de interactie van oppervlakteactieve stoffen met oplosmiddelen een nauwkeurig bepalennd overige componenten cruciaal gezien de complexiteit en vele fasen 11. Vele andere technieken zijn eerder gebruikt om faseverandering karakteriseren. De conventionele benadering behelst het maken van vele monsters, elk bestaande uit verschillende concentraties en hen in evenwicht, waarbij lange verwerkingstijden en hoge hoeveelheid monstervolumes vereist. Vervolgens worden de monsters gewoonlijk geanalyseerd door optische methoden zoals diffuse grensvlak transport (DIT), die een hoge-resolutie van dergelijke oppervlakteactieve preparaten 12,13 biedt. Vergelijkbaar met de methode die we hebben gebruikt, maakt gebruik van de DIT methode gepolariseerd licht aan het duidelijke fasegrenzen.
Protocol
Representative Results
Discussion
In de meest gebruikelijke technieken voor het fasediagram onderzoek meerdere monsters met verschillende samenstellingen en verhoudingen moeten worden bereid en moeten thermodynamisch evenwicht waarbij een langdurig proces en een aanzienlijke hoeveelheid materiaal veroorzaakt bereiken. Een aantal uitdagingen kunnen worden opgelost door DIT methode (diffusie grensvlak transport) met behulp van platte capillair en de infrarood-analyse methode, maar geen van hen kan alle uitdagingen met lage kosten investering op te lossen….
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge many useful discussions with M. Caggioni and support from Proctor and Gamble in the form of an internship for NAB.
Materials
| AccuBead | Bioneer Inc. | TS-1010-1 | Magnetic beads |
| C12E5 Surfactant | Sigma-Aldrich | 76437 | |
| Thermo Scientific Nalgene 890 | Fisher Scientific | 14176178 | |
| Cube Magnet | Apex Magnets | M1CU | |
| Polarizer Film | Edmund Optics | 38-493 | |
| Teflon AF | Dupont | 400s1-100-1 | Fluoropolymer solution |
| Keyacid Red Dye | Keystone | 601-001-49 | Fluorescent dye |
| Luer-Lock | Cole-Parmer | T-45502-12 | Female |
| Luer-Lock | Cole-Parmer | T-45502-56 | Male |
| Syringe | Fisher Scientific | 14-823-435 | 3 mL |
| Syringe Pump | Stoelting | 53130 | |
| Stereo Microscope | Nikon | SMZ-2T | |
| Inverted Microscope | Nikon | Eclipse Ti-U | The filter cube used had an excitation wavelength range from 540-580 nm and a dichroic mirror at 585 nm, allowing for photoemission ranging from 593-668 nm. |
| Balance | Denver Instruments | PI-225D | |
| Microscope-Mounted Camera | Motic | 5000 |
References
- Gijs, M. A., Lacharme, F., Lehmann, U. Microfluidic applications of magnetic particles for biological analysis and catalysis. Chemical review. 110, 1518-1563 (2009).
- Kozissnik, B., Dobson, J. Biomedical applications of mesoscale magnetic particles. MRS Bulleti. 38, 927-932 (2013).
- Ali-Cherif, A., Begolo, S., Descroix, S., Viovy, J. -. L., Malaquin, L. Programmable Magnetic Tweezers and Droplet Microfluidic Device for High-Throughput Nanoliter Multi-Step Assays. Angewandte Chemie International Editio. 51, 10765-10769 (2012).
- Blumenschein, N. A., Han, D., Caggioni, M., Steckl, A. J. Magnetic Particles as Liquid Carriers in the Microfluidic Lab-in-Tube Approach To Detect Phase Change. ACS Applied Materials, & Interface. 6, 8066-8072 (2014).
- Bordelon, H., et al. Development of a low-resource RNA extraction cassette based on surface tension valves. ACS applied materials. 3, 2161-2168 (2011).
- Adams, N. M., et al. Design criteria for developing low-resource magnetic bead assays using surface tension valves. Biomicrofluidic. 7, 014104 (2013).
- Hishida, M., Tanaka, K. Transition of the hydration state of a surfactant accompanying structural transitions of self-assembled aggregates. Journal of Physics: Condensed Matte. 24, 284113 (2012).
- Strey, R., Schomacker, R., Roux, D., Nallet, F., Olsson, U. Dilute lamellar and L3 phases in the binary water-C12E5 system. Journal of the Chemical Society, Faraday Transaction. 86, 2253-2261 (1990).
- Chen, B. -. H., et al. Dissolution Rates of Pure Nonionic Surfactants. Langmui. 16, 5276-5283 (2000).
- Warren, P. B., Buchanan, M. Kinetics of surfactant dissolution. Current Opinion in Colloid, & Interface Scienc. 6, 287-293 (2001).
- Laughlin, R. . The Aqueous Phase Behavior of Surfactant. , (1996).
- Laughlin, R. G., et al. Phase Studies by Diffusive Interfacial Transport Using Near-Infrared Analysis for Water (DIT-NIR). The Journal of Physical Chemistry. 104, 7354-7362 (2000).
- Lynch, M. L., Kochvar, K. A., Burns, J. L., Laughlin, R. G. Aqueous-Phase Behavior and Cubic Phase-Containing Emulsions in the C12E2−Water System. Langmui. 16, 3537-3542 (2000).
