Phase Schéma Caractérisation utilisant des billes magnétiques comme supports liquides

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

Billes magnétiques avec ~ 1,9 um diamètre moyen ont été utilisés pour transporter des volumes de microlitres de liquides entre les segments contigus liquides avec un tube dans le but d'étudier les changements de phase de ces segments de liquide. Les billes magnétiques ont été contrôlées au moyen d'un aimant externe, ce qui permet aux billes pour réduire la vanne d'air entre les segments de liquide adjacents. Un revêtement hydrophobe a été appliqué à la surface interne du tube afin d'améliorer la séparation entre deux segments de liquide. Le champ magnétique appliqué formé un cluster global de billes magnétiques, la capture d'une certaine quantité de liquide au sein du cluster qui est désigné comme le volume report. Un colorant fluorescent a été ajouté à un segment de liquide, suivie d'une série de transferts de liquides, qui a ensuite changé l'intensité de fluorescence dans le segment voisin liquide. Basé sur l'analyse numérique de la variation de l'intensité de fluorescence mesurée, le volume de report par masse de billes magnétiques a été trouvéà ~ 2 à 3 pi / mg. Cette petite quantité de liquide autorisée pour l'utilisation de relativement petits segments de liquide de quelques centaines de microlitres, l'amélioration de la faisabilité de l'appareil pour une approche laboratoire-en-tube. Cette technique consistant à appliquer faible variation de composition dans un volume de liquide a été appliquée à l'analyse du diagramme de phase binaire entre de l'eau et l'agent tensio-C12E5 (éther monododécylique de glycol de pentaéthylène), conduisant à une analyse plus rapide avec des volumes d'échantillon plus petite que les procédés classiques.

Introduction

Les billes magnétiques (MBS) de l'ordre de 1 micromètre de diamètre ont été utilisées très souvent ^1,2 dans des applications microfluidiques à base, en particulier pour des dispositifs biomédicaux. Dans ces dispositifs, MBS ont offert des fonctionnalités telles que la cellule et de la séparation de l'acide nucléique, des agents de contraste, et la livraison de la drogue, pour ne nommer que quelques-uns. La combinaison de (champ magnétique) contrôle externe et la microfluidique à base de gouttelettes a permis le contrôle de ³ immunoessais utilisant de petits volumes (<100 NL). Mo ont également montré promesse lorsqu'il est utilisé pour la manipulation de liquide ^4. Cette approche utilise les Mo pour le transport de biomolécules entre segments de liquide dans un tube séparés par une vanne d'air. Cette méthode est pas aussi puissant que d'autres dispositifs plus complexes laboratoire sur puce vu dans le passé, mais il est beaucoup plus simple et ne propose la capacité de gérer des volumes microlitre taille de liquide. Une approche similaire a été récemment rapporté ⁵ par le groupe Haselton et appliqué à biomédicaledosages.

L'un des aspects les plus importants de ce dispositif est la séparation de segment liquide offert par la vanne d'air de la tension superficielle contrôlé. Les volumes de microlitre de liquide attachés à Mo sont transportés à travers cet espace d'air entre segments de liquide utilisant un champ magnétique appliqué de l'extérieur. Mo de microparticules (de 0,4 à 7 ~ m de diamètre avec une moyenne de 1,9 um) sous l'effet du champ magnétique externe créer un cluster de micro-poreuse qui emprisonne liquide à l'intérieur. La force de ce piégeage de liquide est suffisante pour résister aux forces de tension superficielle lors du transport des macroblocs d'un réservoir à l'autre. Typiquement, cet effet est indésirable, comme la plupart des approches veulent seulement le transport de molécules spécifiques (comme biomarqueurs) contenus dans les liquides ^6. Cependant, comme on peut le voir dans notre travail, cet effet peut être utilisé pour devenir un aspect positif de l'appareil.

Nous avons utilisé cette «lab-dans-tube'Approche, illustrée schématiquement sur ​​la figure 1, pour l'analyse de diagrammes de phase dans des systèmes de matériaux binaires. Le tensioactif C12E5 a été choisi comme l'objectif principal de la caractérisation, car il est largement utilisé dans les applications industrielles telles que les produits pharmaceutiques, les produits alimentaires, cosmétiques, etc. En particulier, le ₂ système binaire O / C12E5 H a été étudié, car il fournit une riche ensemble de phases à explorer. Nous avons mis l'accent sur ​​un aspect spécifique de ce mélange de produits chimiques, à savoir les transitions vers des phases cristallines liquides dans certaines concentrations ^7-9. Cette transition est facilement observée dans notre dispositif en intégrant polariseurs dans les études de microscopie optique afin de souligner les limites de phase.

Être capable de cartographier les diagrammes de phase est un domaine très important de l'étude afin de comprendre la cinétique impliqués dans la transition de phase ^10. La possibilité de déterminer avec précision l'interaction d'agents tensio-actifs avec un solvantnd autres composants est crucial en raison de leur complexité et de nombreuses phases distinctes ^11. De nombreuses autres techniques ont déjà été utilisées pour caractériser les changements de phase. L'approche classique consiste à faire de nombreux échantillons, consistant chacun en des concentrations différentes et en leur permettant équilibrer, ce qui nécessite de longues durées de traitement et de grande quantité de volumes d'échantillons. Ensuite, les échantillons sont généralement analysés par des méthodes optiques comme le transport de diffusion interfaciale (DIT), qui offre à haute résolution de ces compositions tensioactives ^12,13. Similaires à la méthode que nous avons utilisé, le procédé DIT utilise une lumière polarisée à l'image limites de phases distinctes.

Protocol

1. Préparation de One-Time utiliser des matériaux dans Device Préparation du tuyau Couper des tubes en 15 cm segments. Tubing a 1,6 mm de diamètre intérieur et de 3,2 mm de diamètre extérieur. Accrochez segments de tube à la verticale en utilisant du ruban. Placez une serviette de papier sous tubes pour recueillir la solution de polymère fluoré excès. Injecter 100 ul d'une solution de polymère fluoré dans l'ouverture supérieure de chaque segment de tube en ut…

Representative Results

En utilisant l'approche Lab-dans-tube pour le transport de quantités ul-volume de liquide avec des billes magnétiques avec MATLAB pour l'analyse numérique, les volumes moyens de report liquides, en fonction de la masse de billes magnétiques, ont été trouvés (Figure 2). Supérieur de masse de billes magnétiques offre un volume supérieur de report dans le taux de 2-3 ul / mg. Le dispositif expérimental (figure 1) a été utilisé pour observer le changement de phase dans…

Discussion

Dans les techniques les plus courantes pour examen du diagramme de phase, plusieurs échantillons avec différentes compositions et les rapports doivent être préparés et ont pour atteindre l'équilibre thermodynamique qui provoque un processus long et une quantité importante de matériau. Certains défis peuvent être résolus par la méthode DIT (transport interfaciale diffusion) à l'aide capillaire plat et la méthode d'analyse infrarouge, mais aucun d'eux ne peuvent résoudre tous les défis avec…

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