שלב תרשים אפיון באמצעות חרוזים מגנטיים כדיסקים נוזליים
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
חרוזים מגנטיים עם ~ 1.9 מיקרומטר קוטר ממוצע שמשו להובלת כרכי microliter של נוזלים בין מגזרי נוזל רציפים עם צינור לצורך חקירת שינוי שלב של מגזרים אלה נוזליים. חרוזים המגנטיים חיצוניים נשלטו באמצעות מגנט, המאפשרים לחרוזים לגשר על שסתום האוויר בין מגזרי נוזל הסמוכים. ציפוי הידרופובי היה מוחל על המשטח הפנימי של הצינור על מנת לשפר את ההפרדה בין שני מגזרים נוזליים. השדה המגנטי נוצר מיושם אשכול כולל של חרוזים מגנטיים, לכידת כמות נוזל מסוימת בתוך האשכול שנקרא לשאת על נפח. צבע ניאון התווסף למגזר נוזל אחד, ואחריו סדרה של העברות נוזליים, אשר לאחר מכן שינו את עוצמת הקרינה במגזר הנוזל השכן. בהתבסס על הניתוח המספרי של שינוי עוצמת הקרינה שנמדד, לשאת על הנפח למסה של חרוזים מגנטיים כבר מצאלהיות ~ 2 עד 3 μl / מ"ג. כמות קטנה של נוזל זה מותר לשימוש במקטעי נוזל קטנים יחסית של כמה מאה מיקרוליטר, שיפור ההיתכנות של המכשיר לגישת מעבדה בצינור. טכניקה זו של החלת וריאציה הלחנה קטנה בנפח נוזל הייתה מוחלת על ניתוח תרשים שלב ינארי בין מים והחומרים פעילי השטח C12E5 (אתר monododecyl גליקול pentaethylene), שהוביל לניתוח מהיר יותר עם כרכי מדגם קטנים יותר מאשר בשיטות מקובלות.
Introduction
חרוזים מגנטיים (MBS) בסדר הגודל של מיקרומטר 1 בקוטר שימשו 1,2 לעתים קרובות ביישומים מבוססי מייקרו-נוזליים, במיוחד עבור התקנים ביו-רפואיים. במכשירים אלה, מ"ב הציעו יכולות כגון תא והפרדת חומצות גרעין, חומרי ניגוד, ומשלוח סמים, עד כמה שם. השילוב של בקרה חיצונית (שדה מגנטי) ומיקרופלואידיקה מבוססת אגל אפשר 3 שליטה של immunoassays באמצעות כמויות קטנות (<100 NL). גם מ"ב הראו הבטחה בעת שימוש לנוזל טיפול 4. גישה זו משתמשת במ"ב להעביר מולקולות ביולוגיות בין מגזרי נוזל בתוך צינור מופרד על ידי שסתום אוויר. שיטה זו היא לא חזקה כמו מכשירים מורכבים יותר אחרים מעבדה-על-שבב ראו בעבר, אבל זה הרבה יותר פשוט ואין להציע את היכולת של טיפול כרכי microliter בגודל של נוזל. גישה דומה דווחה לאחרונה על ידי הקבוצה של 5 Haselton ולהחיל ביו-רפואימבחני.
אחד ההיבטים החשובים ביותר של המכשיר הזה הוא הפרדת המקטע הנוזלית המוצעת על ידי שסתום האוויר המבוקר-פני השטח-מתח. כרכי microliter של נוזל המצורף למ"ב מועברים דרך אוויר פער זה בין מגזרים נוזליים באמצעות שדה מגנטי חיצוני. מ"ב microparticle (מ~ .4-7 מיקרומטר בקוטר עם ממוצע של 1.9 מיקרומטר) תחת ההשפעה של השדה המגנטי החיצוני ליצור אשכול מיקרו-נקבובי שלוכד את נוזל בתוך. כוחו של מלכוד נוזל זה הוא מספיק כדי לעמוד בכוחות של מתח פנים בעת הובלת מ"ב ממאגר אחד למשנהו. בדרך כלל, השפעה זו אינה רצויה, כמו רוב הגישות רוצה תחבורה של מולקולות ספציפיות (כגון סמנים ביולוגיים) בתוך הנוזלים 6 בלבד. עם זאת, כפי שניתן לראות בעבודה שלנו, השפעה זו יכולה להיות מנוצלת כדי להפוך להיבט חיובי של המכשיר.
יש לנו מנוצלים "מעבדה בצינור זה"גישה, מוצגת באופן סכמטי באיור 1, לניתוח דיאגרמות שלב במערכות חומרים בינארי. פעילי שטח C12E5 נבחר כמוקד העיקרי של אפיון, כפי שהוא בשימוש נרחב ביישומים תעשייתיים כגון תרופות, מוצרי מזון, קוסמטיקה, וכו 'בפרט, 2 מערכת בינארית H O / C12E5 נחקרה משום שהוא מספק עשיר סט של שלבים לחקור. יש לנו התמקדתי בהיבט מסוים אחד של תערובת כימית זו, כלומר המעברים לשלבי גבישים נוזליים תחת ריכוזים מסוימים 7-9. מעבר זה נצפה בקלות במכשיר שלנו על ידי שילוב מקטבים במחקרי מיקרוסקופיה האופטיים על מנת להדגיש את גבולות שלב.
היכולת למפות דיאגרמות שלב היא אזור חשוב מאוד של מחקר כדי להבין קינטיקה מעורבת עם שלב מעבר 10. היכולת לקבוע את האינטראקציה של חומרים פעילי שטח עם ממסים בדיוקND רכיבים אחרים הוא חיוניים בשל מורכבותם ושלבים ברורים רבים 11. טכניקות רבות אחרות בעבר שימשו לאפיין שינוי שלב. הגישה המקובלת כרוכה בביצוע דגימות רבות, כל אחד בהיקף של ריכוזים שונים ומאפשר להם לאזן, אשר דורשת פעמים עיבוד ממושכות וכמות גבוהה של כרכי מדגם. ואז, דגימות מנותחות בדרך כלל על ידי שיטות אופטיות כגון תחבורת diffusive interfacial (DIT), המציעה רזולוציה גבוהה של יצירות פעילי שטח כגון 12,13. בדומה לשיטה שנוצלנו, שיטת DIT משתמשת באור מקוטב לגבולות שלב מובחנים תמונה.
Protocol
Representative Results
Discussion
בטכניקות הנפוצות ביותר לחקירת תרשים שלב, דוגמאות רבות עם יצירות ויחסים שונים צריכים להיות מוכנות וצריך להגיע לשיווי משקל תרמודינמי שגורם תהליך ארוך וכמות משמעותית של חומר. ניתן לפתור אתגרים מסוימים על ידי DIT שיטה (תחבורת interfacial diffusive) באמצעות נימים שטוחות ושיטת ניתוח…
Disclosures
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).
