Fase Diagramma Caratterizzazione utilizzando biglie magnetiche come vettori liquidi

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

Perline magnetiche con ~ 1,9 micron di diametro medio sono stati usati per trasportare volumi microlitro di liquidi tra segmenti contigui liquidi con un tubo per lo scopo di indagare cambiamento di fase dei segmenti liquidi. Le perline magnetiche sono stati controllati esternamente utilizzando un magnete, permettendo alle sfere di colmare la valvola dell'aria tra i segmenti adiacenti liquidi. Un rivestimento idrofobo è stato applicato alla superficie interna del tubo per aumentare la separazione tra due segmenti liquidi. Il campo magnetico applicato formato un gruppo aggregato di perline magnetiche, catturando una certa quantità di liquido all'interno del cluster che viene definito come il volume riporto. Un colorante fluorescente è stato aggiunto ad un segmento liquido, seguita da una serie di trasferimenti liquidi, che poi cambiato l'intensità di fluorescenza nel segmento liquido vicina. Sulla base dell'analisi numerica della variazione di fluorescenza misurata intensità, è stato trovato il volume riporto per massa di perline magneticheessere ~ 2 a 3 ml / mg. Questa piccola quantità di liquido consentito per l'uso di relativamente piccoli segmenti liquide di una coppia cento microlitri, migliorando la fattibilità del dispositivo per un approccio lab-in-tubo. Questa tecnica di applicazione piccola variazione composizionale in un volume di liquido è stato applicato all'analisi diagramma di fase binaria tra acqua e tensioattivo C12E5 (pentaethylene glicole monododecyl etere), portando ad analisi veloce con piccoli volumi di campione rispetto ai metodi convenzionali.

Introduction

Perline magnetiche (MB) dell'ordine di 1 micron di diametro sono stati utilizzati ^1,2 molto spesso nelle applicazioni basate microfluidica, particolarmente per dispositivi biomedicali. In questi dispositivi, MB hanno offerto funzionalità quali cellule e la separazione degli acidi nucleici, mezzi di contrasto, e la somministrazione di farmaci, per citarne alcuni. La combinazione di controllo esterno (campo magnetico) e microfluidica basata goccioline-ha consentito ^{3 Controllo} dei test immunologici usando piccoli volumi (<100 nl). MB hanno anche mostrato risultati promettenti quando viene utilizzato per la gestione dei liquidi ^4. Questo approccio utilizza MBS per trasportare biomolecole tra segmenti liquidi all'interno di un tubo separato da una valvola di sfiato. Questo metodo non è potente come altri dispositivi lab-on-chip più complessi visti in passato, ma è molto più semplice e non offre la capacità di gestire microlitro dimensioni volumi di liquido. Un approccio simile è stato recentemente riportato ⁵ dal gruppo di Haselton e applicato a biomedicosaggi.

Uno degli aspetti più importanti di questo dispositivo è la separazione segmento liquido offerto dalla valvola tensione superficiale controllata. Volumi microlitro di liquido attaccato MB vengono trasportati attraverso questa traferro tra i segmenti liquidi usando un campo magnetico applicato esternamente. MB microparticelle (da ~ 0,4-7 micron di diametro, con una media di 1,9 micron) sotto l'effetto del campo magnetico esterno creano un cluster microporosa che intrappola liquido all'interno. La forza di questo intrappolamento liquido è tale da resistere alle forze di tensione superficiale durante il trasporto MBS da un serbatoio all'altro. In genere, questo effetto non è auspicabile, come maggior parte degli approcci vogliono solo trasporto di molecole specifiche (come biomarcatori) contenuti nei liquidi ^6. Tuttavia, come si può vedere nel nostro lavoro, questo effetto può essere utilizzato per diventare un aspetto positivo del dispositivo.

Abbiamo utilizzato questo 'laboratorio-in-tubo'Approccio, illustrato schematicamente in figura 1, per analizzare diagrammi di fase nei materiali per binari. Il tensioattivo C12E5 è stato scelto come l'obiettivo principale di caratterizzazione, come è ampiamente usato in applicazioni industriali quali i prodotti farmaceutici, prodotti alimentari, cosmetici, ecc In particolare, _l'H 2 O / C12E5 sistema binario è stato indagato perché fornisce un ricco serie di fasi da esplorare. Ci siamo concentrati su un aspetto specifico di questa miscela chimica, vale a dire le transizioni ad fasi cristalline liquide in determinate concentrazioni ^7-9. Questa transizione è facilmente osservata nel nostro dispositivo incorporando polarizzatori negli studi di microscopia ottica per evidenziare confini di fase.

Essere in grado di mappare diagrammi di stato è una zona molto importante di studio al fine di comprendere la cinetica coinvolti transizione di fase ^10. La capacità di determinare con precisione l'interazione di tensioattivi con solventi and altri componenti è fondamentale per la loro complessità e molte fasi distinte ^11. Molte altre tecniche sono state precedentemente utilizzati per caratterizzare cambiamento di fase. L'approccio convenzionale consiste nel fare molti campioni, ciascuno composto di diverse concentrazioni e consentendo loro di equilibrare, che richiede tempi di lavorazione lunghi ed elevata quantità di volumi di campione. Quindi, i campioni sono tipicamente analizzati con metodi ottici come diffusiva trasporto interfacciale (DIT), che offre alta risoluzione di tali composizioni tensioattivi ^12,13. Simile al metodo che abbiamo utilizzato, il metodo DIT utilizza la luce polarizzata per immagini confini di fase distinte.

Protocol

1. Preparazione di One-Time utilizzano materiali in Device Preparazione del tubo Tagliare la tubazione in 15 cm segmenti. Tubing ha 1,6 mm di diametro interno e diametro esterno 3,2 millimetri. Segmenti di tubo Hang verticalmente con del nastro. Mettere tovagliolo di carta sotto i tubi per raccogliere la soluzione fluoropolimero in eccesso. Iniettare 100 ul di soluzione di fluoropolimero in apertura superiore di ciascun segmento tubolare mediante siringa, in modo tale che possa ve…

Representative Results

Utilizzando l'approccio Lab-in-tubo per il trasporto importi microlitri volume di liquido con perline magnetiche con MATLAB per l'analisi numerica volumi medi riporto liquido, in funzione della massa del branello magnetico, sono stati trovati (Figura 2). Maggiore massa di sfere magnetiche fornisce un volume più alto riporto del tasso di 2-3 ml / mg. Il setup sperimentale (Figura 1) è stato utilizzato per osservare il cambiamento di fase del gruppo H 2 O / sistema bi…

Discussion

In più comuni tecniche di indagine diagramma di fase, campioni multipli di varia composizione e rapporti devono essere preparati e devono raggiungere l'equilibrio termodinamico che provoca un processo lungo e una notevole quantità di materiale. Alcune sfide possono essere risolti DIT metodo (trasporto interfacciale diffusiva) con capillare piano e il metodo di analisi a raggi infrarossi, ma nessuno di loro in grado di risolvere tutte le sfide con un investimento a basso costo.

La possi…

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