Fase Diagrama Caracterização utilizando esferas magnéticas como veículos líquidos

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

Esférulas magnéticas com ~ 1,9 um de diâmetro médio foram usadas para o transporte de volumes de microlitros de líquidos entre os segmentos de líquidos contíguos com um tubo com a finalidade de investigar a mudança de fase dos segmentos de líquido. As pérolas magnéticas foram controlados externamente utilizando um magnete, permitindo que as esferas se colmatar a válvula de ar entre os segmentos de líquidos adjacentes. Um revestimento hidrofóbico foi aplicado à superfície interna do tubo para melhorar a separação entre dois segmentos de líquido. O campo magnético aplicado formado um conjunto agregado de esferas magnéticas, a captura de uma certa quantidade de líquido no interior do conjunto que é referido como o volume de transferência. Um corante fluorescente foi adicionado a um segmento de líquido, seguido por uma série de transferências de líquidos, que, em seguida, a intensidade de fluorescência alteradas no segmento de líquido vizinhos. Com base na análise numérica da mudança medida da intensidade de fluorescência, o volume de reporte por massa de esferas magnéticas foi encontradoser ~ 2 a 3 ul / mg. Esta pequena quantidade de líquido permitiu a utilização de segmentos de líquido relativamente pequenas de algumas centenas de microlitros, aumentando a viabilidade do dispositivo para uma abordagem laboratório-em-tubo. Esta técnica de aplicação de pequena variação da composição num volume líquido foi aplicado para analisar o diagrama de fase binário entre a água e o agente tensioactivo C12E5 (pentaetileno glicol éter monododecil), levando a mais rápida análise de amostras com volumes menores do que os métodos convencionais.

Introduction

As esferas magnéticas (MB) é da ordem de 1 micrómetro de diâmetro foram usadas com bastante frequência em ^1,2 aplicações de microfluidos-base, em particular para dispositivos biomédicos. Nestes dispositivos, MBs têm oferecido capacidades, tais como células e separação de ácido nucleico, agentes de contraste, e a entrega de drogas, para citar alguns. A combinação de (campo magnético) de controle externo e microfluídica baseada em gotículas permitiu ³ controle de imunoensaios utilizando pequenos volumes (<100 nl). MBs também têm demonstrado promessa quando utilizado para o tratamento líquido ^4. Esta abordagem utiliza os MBs para transportar biomoléculas entre segmentos de líquido dentro de um tubo separado por uma válvula de ar. Este método não é tão poderoso como outros dispositivos lab-on-chip mais complexas visto no passado, mas é muito mais simples e não oferece a capacidade de lidar com volumes microlitro porte de líquido. Uma abordagem semelhante tem sido relatado recentemente ⁵ por grupo de Haselton e aplicado a biomédicaensaios.

Um dos aspectos mais importantes do presente dispositivo é a separação do segmento de líquido oferecido pela válvula de ar controlada por tensão superficial. Volumes de microlitros de líquido unidas a MBs são transportados através deste espaço de ar entre os segmentos de líquidos usando um campo magnético aplicado externamente. MBs de micropartículas (~ 0,4-7 um em diâmetro com uma média de 1,9 | iM), sob o efeito do campo magnético externo criar um conjunto de micro-poroso que retém o líquido dentro. A força deste aprisionamento líquido é suficiente para suportar as forças de tensão da superfície quando se transportam os MBs de um reservatório para o próximo. Tipicamente, este efeito não é desejável, como a maioria das abordagens somente a moléculas de transporte específicas (tais como biomarcadores) contidos nos líquidos ^6. No entanto, como pode ser visto no nosso trabalho, este efeito pode ser utilizado para tornar um aspecto positivo do dispositivo.

Temos utilizado este "laboratório-em-tubo'Abordagem, mostrado esquematicamente na Figura 1, para a análise de diagramas de fases em sistemas de materiais de binários. O surfactante C12E5 foi escolhido como o principal foco de caracterização, uma vez que é amplamente usado em aplicações industriais tais como produtos farmacêuticos, produtos alimentares, cosméticos, etc. Em particular, a _H2O / C12E5 sistema binário foi investigada porque fornece uma rica conjunto de fases para explorar. Temos focado em um aspecto específico desta mistura química, a saber, as transições para fases líquidas cristalinas em determinadas concentrações ^7-9. Esta transição é facilmente observado em nosso dispositivo, incorporando polarizadores nos estudos de microscopia óptica, a fim de destacar as fronteiras de fase.

Ser capaz de mapear diagramas de fase é uma área muito importante de estudo, a fim de compreender a cinética envolvidos com a transição de fase ^10. A capacidade de determinar com precisão a interacção de tensioactivos com um solventesnd outros componentes é crucial, devido à sua complexidade e muitas fases distintas ^11. Muitas outras técnicas têm sido anteriormente utilizados para caracterizar mudança de fase. A abordagem convencional envolve a criação de muitas amostras, cada uma consistindo de diferentes concentrações e permitindo-lhes a equilibrar, o que requer tempos de processamento longos e elevada quantidade de volumes de amostra. Em seguida, as amostras são tipicamente analisadas por métodos óticos, como os transportes interfacial difusora (DIT), que oferece alta resolução de tais composições de surfactante ^12,13. Semelhante ao método nós utilizamos, o método DIT usa luz polarizada para a imagem de fase fronteiras distintas.

Protocol

1. Preparação de um tempo de uso de materiais no Device Preparação de tubo Corte a tubulação em 15 cm segmentos. Tubing tem 1,6 mm de diâmetro interno e 3.2 mm de diâmetro externo. Segmentos de tubo pendurar verticalmente usando fita. Coloque uma toalha de papel debaixo de tubos para recolher a solução de fluoropolímero excesso. Injectar 100 ul de solução de fluoropolímero na abertura superior de cada um dos segmentos de tubo utilizando uma seringa, de tal forma que …

Representative Results

Utilizando a abordagem de laboratório-em-tubo para o transporte de quantidades ul-volume de líquido com esferas magnéticas, juntamente com MATLAB para análise numérica, os volumes de reporte médios líquidos, como uma função de massa de esférulas magnéticas, foram encontrados (Figura 2). Massa maior de esferas magnéticas proporciona maior volume de carry-over na taxa de 2-3 ul / mg. A configuração experimental (Figura 1) foi usado para observar a mudança de fase no H2…

Discussion

Em técnicas mais comuns para a investigação diagrama de fase, múltiplas amostras com diferentes composições e proporções precisa de ser preparado e ter a atingir o equilíbrio termodinâmico, que provoca um processo demorado e uma quantidade significativa de material. Alguns desafios podem ser resolvidos por DIT método (transporte interfacial difusora) usando capilar plano e método de análise de infravermelho, mas nenhum deles pode resolver todos os desafios com investimento de baixo custo.

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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