Fase Diagram Karakterisering Brug magnetiske perler som flydende bærestoffer
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
Magnetiske perler med ~ 1,9 um gennemsnitlig diameter blev brugt til transport mikroliter volumener væsker mellem tilstødende væskesegmenter med et rør med henblik på at undersøge faseændring i disse flydende segmenter. De magnetiske perler blev eksternt styret ved hjælp af en magnet, der giver mulighed for perlerne at slå bro luftventilen mellem de tilstødende væskesegmenter. En hydrofob coating blev påført den indvendige overflade af røret for at forbedre adskillelsen mellem to væskesegmenter. Det påtrykte magnetfelt dannet en samlet klynge af magnetiske perler, indfange en vis væskemængde inden for klyngen, benævnes fremførsel volumen. Et fluorescerende farvestof blev tilsat til en flydende segment, efterfulgt af en række flydende overførsler, som derefter ændret fluorescensintensiteten i den tilstødende væskesegmentet. Baseret på numerisk analyse af den målte fluorescensintensitet ændringer, er blevet fundet fremførsel volumen pr masse af magnetiske perlerat være ~ 2-3 pl / mg. Denne lille væskemængde tilladt for anvendelsen af forholdsvis små flydende segmenter af et par hundrede mikroliter, forbedre gennemførligheden af indretningen til en lab-i-rør fremgangsmåde. Denne måde at påføre sammensætningen lille variation i et væskevolumen blev påført på at analysere den binære fasediagram mellem vand og det overfladeaktive C12E5 (pentaethylenglycol monododecyl ether), hvilket fører til hurtigere analyse med mindre prøvevolumener end traditionelle fremgangsmåder.
Introduction
Magnetiske perler (MBS) i størrelsesordenen 1 mikrometer i diameter er blevet anvendt 1,2 ganske ofte i mikrofluide-baserede applikationer, især til biomedicinske indretninger. I disse enheder, har MBs tilbudt funktioner såsom celle og nukleinsyre separation, kontrastmidler, og drug delivery, for at nævne et par stykker. Kombinationen af eksterne (magnetfelt) kontrol og dråbe-baserede mikrofluidik har gjort det muligt 3 styring af immunoassays med små mængder (<100 NL). MBs har også vist sig lovende, når de anvendes til væskehåndtering 4. Denne fremgangsmåde bruger MBs til at transportere biomolekyler mellem flydende segmenter inden for et rør adskilt af en luftventil. Denne metode er ikke så kraftig som andre mere komplekse lab-on-chip-enheder set tidligere, men det er meget enklere og gør tilbyde kapacitet til at håndtere mikroliter størrelse volumener væske. En lignende fremgangsmåde er for nylig blevet rapporteret 5 ved Haselton gruppe og anvendes på biomedicinskassays.
En af de vigtigste aspekt af denne enhed er den flydende segment separation tilbydes af overfladespænding-styret luftventil. Mikroliter volumener væske knyttet til MBs transporteres gennem denne luftspalte mellem væskesegmenter anvendelse af et eksternt påtrykt magnetfelt. Mikropartikel MBs (fra ~ 0,4-7 um i diameter med et gennemsnit på 1,9 um) under påvirkning af det eksterne magnetiske felt oprette en mikroporøs klynge, der fanger væske i. Styrken af denne væske fastklemning er tilstrækkelig til at modstå de kræfter overfladespændingen ved transport MBS fra den ene reservoir til den næste. Typisk er denne virkning er uønsket, da de fleste tilgange kun ønsker transport af specifikke molekyler (såsom biomarkører) indeholdt i væskerne 6. Men som det kan ses i vores arbejde, denne effekt kan udnyttes til at blive et positivt aspekt af indretningen.
Vi har udnyttet denne "lab-i-rørTilgang, er vist skematisk i figur 1, til at analysere fasediagrammer i binære materialer systemer. Det overfladeaktive C12E5 er blevet valgt som det primære fokus for karakterisering, da det er almindeligt anvendt i industrielle applikationer såsom lægemidler, fødevarer, kosmetik, etc. Især blev H2O / C12E5 binære system undersøgt, fordi det giver en rig sæt af faser til at udforske. Vi har fokuseret på ét specifikt aspekt af denne kemiske blanding, nemlig overgange til flydende krystallinske faser under visse koncentrationer 7-9. Denne overgang er let observeret i vores enhed ved at indarbejde polarisatorer i de optiske mikroskopi studier for at fremhæve fasegrænser.
At være i stand til at kortlægge fasediagrammer er et meget vigtigt område af undersøgelsen med henblik på at forstå de involverede med faseovergangen 10 kinetik. Evnen til præcist at bestemme interaktionen af overfladeaktive stoffer, opløsningsmidler ennd andre komponenter er afgørende på grund af deres kompleksitet og mange forskellige faser 11. Mange andre teknikker er tidligere blevet anvendt til at karakterisere faseændring. Den konventionelle fremgangsmåde består i at stille mange prøver, der hver består af forskellige koncentrationer og lade dem ækvilibrere, som kræver langvarige behandlingstider og høje mængde prøvevolumener. Derefter prøver typisk analyseres ved optiske metoder såsom diffusive transport grænsefladespænding (DIT), som tilbyder høj opløsning af sådanne overfladeaktive sammensætninger 12,13. I lighed med den metode, vi har anvendt, DIT metode bruger polariseret lys til at afbilde forskellige fasegrænser.
Protocol
Representative Results
Discussion
I de fleste almindelige teknikker for fasediagram undersøgelse, flere prøver med forskellige sammensætninger og forhold skal være forberedt og har for at nå termodynamisk ligevægt, som forårsager en langvarig proces, og en betydelig mængde materiale. Nogle udfordringer kan løses ved DIT (diffuserende interfacial transport) metode ved hjælp af flad kapillær og den infrarøde analysemetode, men ingen af dem kan løse alle udfordringer med lav investeringsomkostninger.
Mulighed…
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).
