Fase Diagram Karakterisering Ved hjelp av magnetiske kuler som flytende bærere
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 kuler med ~ 1,9 um gjennomsnittlig diameter ble brukt til å transportere mikrolitervolumer av væsker mellom tilstøtende flytende segmenter med et rør for det formål å undersøke faseforandringen av de flytende segmenter. De magnetiske kulene ble eksternt styrt ved hjelp av en magnet, slik at perlene for å bygge bro over luftventilen mellom de tilstøtende flytende segmenter. Et hydrofobt belegg ble påført på den indre overflaten av røret for å forbedre separasjonen mellom to væskesegmenter. Det påførte magnetiske felt dannet et aggregat klynge av magnetiske kuler, fange en viss mengde væske i den klyngen som er referert til som carry-over volum. En fluoriserende fargestoff ble tilsatt til en flytende segment, etterfulgt av en serie av væskeoverføringer, som deretter skiftes fluorescensintensiteten i nabovæskesegment. Basert på den numerisk analyse av den målte fluorescensintensiteten endring, har volumet i overhenget per massen av magnetiske kuler som ble funnetå være ~ 2 til 3 ul / mg. Denne lille mengde væske som er tillatt for bruk av forholdsvis små flytende segmenter av et par hundre mikroliter, noe som forbedrer muligheten for innretningen for en lab-i-rør tilnærming. Denne teknikk med å anvende små komposisjons variasjon i et væskevolum ble brukt til å analysere det binære fasediagram mellom vann og det overflateaktive C12E5 (pentaetylenglykol monododecyl eter), hvilket fører til raskere analyse med små prøvevolumer enn konvensjonelle metoder.
Introduction
Magnetiske kuler (MBS) i størrelsesorden 1 pm i diameter har vært brukt 1,2 ganske ofte i microfluidic-baserte applikasjoner, spesielt for biomedisinske innretninger. I disse enhetene, har MBs tilbudt evner som celle og nukleinsyre separasjon, kontrastmidler, og levering av legemidler, for å nevne noen. Kombinasjonen av eksterne (magnetfelt) kontroll og dråpebasert MicroFluidics har aktivert 3 kontroll av immunanalyser ved bruk av små mengder (<100 nl). MBs har også vist lovende når det brukes til flytende Håndtering 4. Denne tilnærmingen benytter MB til transport av biomolekyler mellom flytende segmenter innenfor et rør adskilt av en luftventil. Denne metoden er ikke så kraftig som andre mer komplekse lab-på-chip-enheter sett i fortiden, men det er mye enklere og tilbyr muligheten til å håndtere mikroliter store volumer av væske. En lignende tilnærming er nylig blitt rapportert av 5 Haselton gruppe og påført biomedisinskanalyser.
En av de viktigste trekk ved denne enheten er det flytende segment separasjon som tilbys av overflatespenning styrt luftventil. Mikroliter volum av væske festet til MB er transportert gjennom denne luftspalte mellom væskesegmenter ved hjelp av en eksternt påført magnetisk felt. Mikropartikkel-MB (fra 0,4 til 7 ~ pm i diameter med et gjennomsnitt på 1,9 um) under virkningen av det ytre magnetfelt skaper en mikro-porøs klynge som fanger opp væsken inne. Styrken av denne væsken klem er tilstrekkelig til å motstå kreftene fra overflatespenning ved transport av MBS fra ett reservoar til det neste. Vanligvis er denne effekten uønsket, ettersom de fleste fremgangsmåter bare vil transport av spesifikke molekyler (slik som biomarkører) som inneholdes i væskene 6. Imidlertid, som det kan ses i vårt arbeid, denne effekten kan benyttes til å bli et positiv side av enheten.
Vi har utnyttet denne "lab-i-rør'Tilnærming, vist skjematisk i figur 1, for å analysere fasediagrammer i binære systemer materialer. Den surfaktant C12E5 har blitt valgt som hovedfokus for karakterisering, som det er mye brukt i industrielle applikasjoner som legemidler, matvarer, kosmetikk, etc. Spesielt ble det H 2 O / C12E5 binære systemet undersøkes fordi det gir en rik sett faser for å utforske. Vi har fokusert på ett bestemt aspekt av denne kjemiske blanding, nemlig overganger til flytende krystallinske faser under visse konsentrasjoner 7-9. Denne overgangen er lett observert i vår enhet ved å innlemme polarizers i de optiske mikroskopi studier for å markere fasegrensene.
Å kunne kartlegge fasediagram er et svært viktig fagområde for å forstå de kinetikk involvert med faseovergangen 10. Evnen til nøyaktig å bestemme vekselvirkningen av overflateaktive stoffer med oppløsningsmidler ennd andre komponenter er viktig på grunn av sin kompleksitet og mange distinkte faser 11. Mange andre teknikker har tidligere blitt brukt til å karakterisere faseforandring. Den konvensjonelle metoden innebærer å lage mange prøver, som hver består av forskjellige konsentrasjoner og tillater dem å stabilisere seg, noe som krever lange behandlingstider og høy mengde av prøvevolum. Deretter blir prøver vanligvis analysert ved hjelp av optiske metoder slik som grenseflate diffusive transport (DIT), som gir høy oppløsning av slike overflateaktive preparater 12,13. I likhet med metoden vi har anvendt, benytter DIT metoden polarisert lys til bilde distinkte fasegrensene.
Protocol
Representative Results
Discussion
I de fleste vanlige teknikker for å fasediagram undersøkelse av flere prøver med forskjellige sammensetninger og forhold må være forberedt og må nå termodynamisk likevekt, som fører til en langvarig prosess, og en betydelig mengde materiale. Noen utfordringer kan løses ved DIT (diffusive grense transport) metode med flat kapillær og infrarød analysemetode, men ingen av dem kan løse alle utfordringer med lav investeringskostnad.
Muligheten for å bruke magnetiske kuler som flytend…
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).
