Aqueux gouttelettes servis de microréacteurs enzymatiques et leur déclenchement électromagnétique

Summary

Réaction de Lab-in-a-goutte systèmes permettre la mise en oeuvre souple de réactions complexes dans une échelle de microfluidique. Une plate-forme de déclenchement automatisé consistant en une matrice de 3 x 3 des bobines électromagnétiques a été développée et utilisé avec succès pour fusionner deux 10 µL microréacteurs et ainsi initier une réaction enzymatique dans les marbres de liquides qui en résulte.

Abstract

Pour la mise en œuvre réussie des systèmes de réaction microfluidique, telles que la PCR et l’électrophorèse, la circulation des petits volumes de liquides est essentielle. Dans classiques-sur-une-puce-plates-formes lab, solvants et échantillons sont passés à travers des canaux microfluidiques définis avec les installations de contrôle de flux complexes. La plate-forme de manoeuvre de gouttelettes présentée ici est une alternative prometteuse. Avec elle, il est possible de déplacer une goutte de liquide (microréacteur) sur une surface plane d’une plate-forme de réaction (lab-dans-un-drop). L’actionnement de microréacteurs sur la surface hydrophobe de la plate-forme est basée sur l’utilisation des forces magnétiques agissant sur l’enveloppe extérieure, les gouttes de liquides qui est faite d’une fine couche de particules de magnétite SUPERHYDROPHOBE. La surface hydrophobe de la plate-forme est nécessaire pour éviter tout contact entre le noyau liquide et la surface pour permettre un mouvement sans heurt de la microréacteur. Sur la plate-forme, microréacteurs un ou plusieurs volumes de 10 µL peuvent être placées et déplacées en même temps. La plate-forme elle-même se compose d’une matrice 3 x 3 de bobines doubles électriques accueillir cœurs néodyme ou de fer. Les gradients de champ magnétique sont automatiquement contrôlés. Par la variation des gradients de champ magnétique, coquille hydrophobe magnétique des microréacteurs peut être manipulé automatiquement pour déplacer le microréacteur ou ouvrir le shell de façon réversible. Réactions des substrats et des enzymes correspondantes peuvent être initiées par la fusion des microréacteurs ou mettre en contact avec la surfaces immobilisées catalyseurs.

Introduction

Applications techniques avec micro réactions sont principalement réalisées en jetons prédéfinis microchannel. Ces systèmes sont largement mis en place et complètement décrite dans la littérature (inter alia ^1,2,3). En 2011, le chiffre d’affaires de technologies microfluidiques partout dans le monde ont totalisé 6,2 milliards euro ⁴. En revanche, l’utilisation des compartiments réacteur micro librement mobiles était auparavant seulement examinée et publiée dans une mesure limitée. La méthode la plus courante pour déplacer des gouttelettes micro aqueux est électromouillage ⁵. Autres méthodes pour la motion de gouttes sur des surfaces sont basées sur les champs électriques ⁶, force magnétique ⁷ ou déclenchement acoustique ⁸. Grâce à leur surface défavorable au rapport de volume, ces systèmes microréacteur axée sur les gouttelettes sont exposés aux effets de la forte évaporation. Ainsi, le mouvement de baisse est habituellement établi comme un système à deux phases liquid, où la phase supérieure a un point d’ébullition élevé, protégeant la phase aqueuse par évaporation. Néanmoins, cette approche implique un risque élevé de contamination de la gouttelette de réaction par diffusion incontrôlée. Il s’agit d’un obstacle de taille pour la mise en place technique des systèmes mentionnés.

Des travaux récents se préoccupe des transitions de phase liquide-solide non adhérents. Une approche très efficace est l’utilisation de surfaces superhydrophobes, permettant la formation de gouttelettes aqueuses sphériques. Une extension de ce concept de réaction est l’utilisation des compartiments de réaction micro pourvus d’une coquille, qui peut consister par exemple en polytétrafluoroéthylène (PTFE) particules ⁹ou SUPERHYDROPHOBE. Leurs angles de contact sur les surfaces sont généralement de l’ordre de 160° (en fonction de la rugosité de surface). Les compartiments sphériques ainsi fournissent une résistance minimale au mouvement sur une surface et en même temps une protection contre l’évaporation d’eau.

Des gouttes aqueuses recouverts de micro particules PTFE tailles peuvent maintenir leur forme sphérique jusqu’à un diamètre d’environ 2 mm. À volume élevé, la coquille hydrophobe est généralement pas complètement fermée plus ¹⁰. L’influence des autres matériaux de la coque et l’élargissement du champ d’application du marbre liquide aux solvants non polaires a été mis en œuvre par Gao et McCarthy à l’aide de liquides ioniques ¹². Jusqu’à présent pour la formation des coquilles d’axée sur les particules hydrophobes, les diamètres de particules dans les tailles de 10 nm à 30 µm ont été décrit ^11,14,16. Nouvelles études montrent que les nanoparticules hydrophobes comme matériau sont d’utilisation encore meilleure que celle des microparticules ¹³. Premières études de stabilité a confirmé une augmentation dans la stabilité lorsque la taille des particules est ramenée de ca. 600 nm à env. 100 nm. Ce résulte probablement de la distribution des particules plus dense autour de la sphère aqueuse ¹⁵.

La protection des compartiments aqueux de réaction par une coquille hydrophobe et leur désignation comme marbres liquide a été décrite en 2001 par Aussillous et coll. et mamoune et al. ^{17 , 18}. depuis lors, quelques applications de ces compartiments de réaction définies ont été décrits. Par exemple, un capteur de gaz issu des marbres liquide ¹⁹ et une méthode de détection de la contamination de l’eau basée sur une base qualitative optiquement ont été développés ²⁰. Les auteurs distinguent les avantages du taux de réaction élevé et la faible consommation de produits chimiques de leurs systèmes de réaction micro. Récentes publications traitent de la production de billes liquides sensibles au pH ¹⁶ ou la représentation de « Particules de Janus » avec deux différents revêtements de différentes fonctionnalités. Par exemple, Bormashenko et coll. pourrait synthétiser un microréacteur avec réservoirs sont construits en téflon et de noir de carbone semi-conducteurs ²¹. En outre, il a été démontré que les microréacteurs peuvent efficacement et commode synthétiser polyperoxides en absorbant l’oxygène extérieur comme comonomère par le biais de l’ interface de gaz-liquide perméable ²⁴. Dans une autre approche, la coquille de marbres liquide à base de particules de silice fournissent les surfaces réactives substrat pour réguler la réaction de miroir argenté classique ²⁶. Les problèmes actuels de recherche et développement dans le domaine des gouttelettes hydrophile-core-hydrophobe-shell sont le réglage de taille de particules, la production reproductible de gouttelettes monodispersé, la mouillabilité des surfaces et l’effet d’une seconde hydrophile shell sur la réaction micro compartiments ²², mais aussi un meilleur contrôle des trajectoires gouttelettes, par exemple pour le développement de microPCR-systèmes continue ⁴.

Un actionnement magnétique de ces microréacteurs offre l’avantage de gammes de mouvement relativement élevée et une bonne sélectivité de la force lors de l’utilisation dans les systèmes biochimiques. Lors de l’utilisation de particules de magnétite hydrophobes, ils remplissent la fonction de la transmission de la force magnétique à la circulation de la microréacteurs, tant que la fonction d’une coquille hydrophobe. La circulation magnétique des gouttelettes avec des particules magnétiques à l’intérieur d’une goutte a été postulée pour la première fois en 2006 par Lehmann et al. ²³ et Shikida et al. ²⁵, qui ont utilisé manuellement déplacés aimants permanents comme actionneurs pour la mobilisation d’une seule goutte. Une autre approche pour déplacer une petite quantité de liquide a été réalisée par Zhao et al., qui sert de réservoir magnétique particules hydrophobes Fe₃O₄ . La coque du marbre liquide magnétique a été ouverte sur la face supérieure de la goutte par un champ magnétique inverse vertical ²⁷. Basé sur ce concept, Xue et coll. ont pu développer des particules qui forment un microréacteur ayant une tension superficielle de dyne 20,1 cm^{−1 28}. Lin et coll. fabriqué roman cellulosique micro/nano hiérarchiques sphères avec superparamagnétique et superhydrophobicity qui prévoient des gouttelettes liquides magnétiques transport et la manipulation ³¹de stabilité de Dieu. C’est sorti jusqu’ici seulement comme une preuve de principe étudier et pas utilisé pour n’importe quelle application. Le contrôle magnétique et électrique des marbres du liquides est actuellement poursuivi en premières approches. Zhao et al. 2010 ¹⁵ et Zhang et al. 2012 ²⁹ ont pu développer une manipulation de gouttelettes par la manœuvre manuelle (manuelle) d’un aimant permanent sous noyau-enveloppe gouttelettes. Bormashenko et al. ¹¹ a obtenu l’accélération d’une bille liquide ferromagnétique jusqu’à une vitesse de 25 cm s^-1 en approchant d’un aimant de néodyme. Le principe mentionné ci-dessus études ont été réalisées exclusivement par la manœuvre manuelle d’un petit aimant permanent. Comme une prochaine étape de développement, Zhao et coll. ont été récemment capable d’estimer la densité de flux magnétique nécessaire pour le transport du marbre liquide magnétique en variant la distance d’un aimant permanent de ³⁰. Pour un contrôle de la réaction comparable à celle des systèmes communs de lab-on-a-chip, il semble inévitable de fournir les moyens de contrôle automatisé du liquide v discretolumes. Pour satisfaire ce besoin, nous avons développé un nouveau système de contrôle basé sur des gradients de champ variable se focaliser, déplacer et ouvrir des microréacteurs magnétique.

Protocol

1. hydrophobisation des nanoparticules magnétiques pour la synthèse des particules magnétiques hydrophobes, ajouter 0,85 g FeCl 3 hexahydrate (3,14 mmol) et 0,30 g FeCl 2 tétrahydraté (1,51 mmol) de 200 mL solution eau/éthanol (4:1 v/v). à ce mélange, ajouter 0,20 mL 1H, 1H, 2 H, 2H-Perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) (5,23 mmol) avec un brassage vigoureux par un agitateur magnétique (500 tr/min). Réaliser la synthèse dans une atmosphère de gaz inerte (N 2</s…

Representative Results

Les coquille les particules ont un diamètre d’environ 640 nm. Les nanoparticules magnétisables enfermés dans cette fluorosilane les particules de shell ont des diamètres dans une fourchette comprise entre 22 nm et 37 nm. Un microréacteur 5 µL d’eau comme un noyau liquide avait un angle de contact d’autour de 160°. La force nécessaire pour déplacer un microréacteur 10µl tel que décrit ci-dessus est 1.34 ± 0,08 …

Discussion

Pour l’utilisation efficace des technologies de la microfluidique, il est important de déplacer le volume réactionnel correspondant aux exigences de la synthèse biotechnologique et les analyses. La plate-forme de manoeuvre présentée ici permet de déplacer des gouttelettes de microfluidique par force magnétique. Le mouvement peut être effectué librement en deux dimensions sur une surface plane d’une plate-forme de réaction en enfermant la goutte liquide avec une coque SUPERHYDROPHOBE magnétique. Ainsi un sy…

Materials

3D-printer	FelixPrinters	Pro1
10-acetyl-3,7-dihydroxyphenoxazine (Amplex Red)	Life Technologies	A12222
Ammonium hydroxide	TU-KL	1072
CAD software	Siemens	Soled edge
Contact angle measuring device	Dataphysics	OCA 20
Cylinder magnet	Webcraft GmbH	S-04-13-N	https://www.supermagnete.de/stabmagnete-neodym-rund/stabmagnet-durchmesser-4mm-hoehe-12.5mm-neodym-n42-vernickelt_S-04-13-N
Dipotassium phosphate	Bernd Kraft	7758-11
Drying oven	Binder	FD 115
Ethanol	Sigma-Aldrich	68-17-5
FeCl2 tetrahydrate	TU-KL	1625
FeCl3 hexahydrate	TU-KL	1622
Fluorescence probe	PerkinElmer	LS 55
Horseradish peroxidase	Carl Roth	9003-99-0
Hydrogen peroxide	Th.Geyer GmbH & Co	7722-84-1
Monopotassium phosphate	Bernd Kraft	7778-77-0
Peltier element	Conrad	193569
Perfluoroctyltriethoxysilane	Sigma-Aldrich	51851-37-7
Scanning Electron Microscope	FEI	Helios NanoLab 650 DualBeam
Separation bar magnet	Webcraft GmbH	Q-40-20-10-N,
Winding machine	IWT GmbH	FW122