Fasdiagrammet Karakterisering med användning av magnetiska pärlor som flytande bärare

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

Magnetiska pärlor med ~ 1,9 | im medeldiameter användes för att transportera mikrolitervolymer av vätskor mellan intilliggande vätskesegment med ett rör i syfte att utreda fasändring av dessa vätskesegmenten. De magnetiska pärlorna externt styrd med användning av en magnet, vilket möjliggör pärlorna för att överbrygga luftventilen mellan de närliggande vätskesegmenten. En hydrofob beläggning applicerades på den inre ytan av röret för att förbättra separationen mellan två vätskesegmenten. Det anbringade magnetfältet bildas ett aggregat kluster av magnetiska pärlor, infångning av en viss vätskemängd inom klustret som kallas överföring volym. Ett fluorescerande färgämne sattes till en vätskesegmentet, följt av en serie av flytande överföringar, som sedan ändrade fluorescensintensiteten i angränsande vätskesegmentet. Baserat på numerisk analys av den uppmätta fluorescensintensitet förändring, har övervältringsvolym per massa av magnetiska pärlor funnitatt vara ~ två till tre il / mg. Denna lilla mängd vätska som tillåts för användning av jämförelsevis små vätskesegment av ett par hundra mikroliter, förbättra genomförbarheten av anordningen för ett labb-i-rör tillvägagångssätt. Denna teknik att applicera små kompositions variation i en vätskevolym applicerades för att analysera den binära fasdiagrammet mellan vatten och det ytaktiva C12E5 (pentaetylenglykol monododecyleter), vilket leder till snabbare analyser med mindre provvolymer än konventionella metoder.

Introduction

Magnetiska pärlor (MBS) i storleksordningen 1 mikrometer i diameter har använts ^1,2 ganska ofta i mikroflödesbaserade program, särskilt för biomedicinska anordningar. I dessa anordningar har MB erbjudit funktioner såsom cell och nukleinsyra separation, kontrastmedel, och drug delivery, för att nämna några. Kombinationen av externa (magnetfält) kontroll och droppbaserade mikrofluidik har möjliggjort ^tre kontroll av immun med små volymer (<100 nl). MB har också visat sig lovande när de används för vätskehantering ^4. Detta tillvägagångssätt använder MBS för att transportera biomolekyler mellan vätskesegment i ett rör åtskilda av en luftventil. Denna metod är inte lika kraftfullt som andra mer komplicerade lab-on-chip-enheter sett tidigare, men det är mycket enklare och inte erbjuder möjlighet att hantera mikroliter stora volymer av vätska. Ett liknande tillvägagångssätt har nyligen rapporterats ⁵ genom Haselton grupp och appliceras på biomedicinskaanalyser.

En av de viktigaste aspekten av denna enhet är den vätskesegmentet separationen erbjuds av ytspänning styrda luftventil. Mikroliter vätskevolymer knutna till MB transporteras genom denna luftspalt mellan vätskesegment med hjälp av ett externt pålagt magnetfält. Mikropartikel MBs (från ~ 0,4-7 ^ m i diameter med ett genomsnitt på 1,9 | j, m) under inverkan av det yttre magnetfältet skapa ett mikroporöst kluster som fällor vätska inuti. Styrkan i denna flytande infångning är tillräcklig för att motstå krafter ytspänning vid transport MBS från en reservoar till nästa. Typiskt är denna effekt icke önskvärd, eftersom de flesta strategier bara är intresserad av transport av specifika molekyler (såsom biomarkörer) som finns i vätskorna ^6. Såsom kan ses i vårt arbete, denna effekt kan utnyttjas för att bli en positiv aspekt av anordningen.

Vi har använt denna "lab-i-rör"Tillvägagångssätt, som visas schematiskt i fig 1, för analys av fasdiagram i binära material system. Det ytaktiva C12E5 har valts som huvudfokus karakterisering, eftersom det är allmänt används i industriella tillämpningar såsom läkemedel, livsmedel, kosmetika, etc. Framför allt var _H2O / C12E5 binära systemet undersöktes eftersom det ger en rik uppsättning faser att utforska. Vi har fokuserat på en särskild aspekt av denna kemiska blandningen, nämligen övergångarna till flytande kristallina faser under vissa koncentrationer ^7-9. Denna övergång lätt observeras i vår enhet genom att införliva polarisatorer i optisk mikroskopi studier för att belysa fasgränserna.

Att kunna kartlägga fasdiagram är ett mycket viktigt område för studier för att förstå kinetiken arbetar med fasövergång ^10. Förmågan att exakt bestämma interaktionen mellan tensider med lösningsmedel ennd andra komponenter är avgörande på grund av deras komplexitet och många olika faser ^11. Många andra tekniker har tidigare använts för att karakterisera fasförändring. Det konventionella tillvägagångssättet innebär att många prover, vardera bestående av olika koncentrationer och låta dem jämvikt, vilket kräver långa handläggningstider och stor mängd provvolymer. Därefter prover typiskt analyseras med optiska metoder såsom diffusiv gräns transport (DIT), som ger hög upplösning av sådana ytaktiva kompositioner ^12,13. I likhet med den metod vi har utnyttjat använder DIT metoden polariserat ljus för att avbilda olika fasgränserna.

Protocol

1. Beredning av engångsbruk Material i Enhetshanteraren Framställning av röret Skär slangen i 15 cm segment. Slangar har 1,6 mm innerdiameter och 3,2 mm ytterdiameter. Häng rörsegmenten vertikalt med tejp. Placera pappershandduk under rör för att samla överskottet fluorlösning. Injicera 100 pl fluorpolymerlösningen i övre öppningen av varje rörsegment sprutan, så att den kommer att komma i kontakt med hela omkretsen på den inre väggen. Tillåt rörsegmen…

Representative Results

Använda Lab-in-Tube strategi för transport il volymer mängder vätska med magnetiska kulor tillsammans med MATLAB för numerisk analys, genomsnittliga flytande carry-over volymer, som en funktion av magnetiska pärlor massa, konstaterades (Figur 2). Högre massa av magnetiska pärlor ger högre förädlings volym i hastigheten av 2-3 | j, l / mg. Den experimentella uppställningen (fig 1) användes för att observera fasändring inom H2O / C12E5 binära systemet. Eftersom …

Discussion

I de vanligaste teknikerna för fasdiagrammet undersökning, flertal prover med olika sammansättning och förhållanden måste förberedas och måste nå termodynamisk jämvikt, som orsakar en utdragen process och en betydande mängd material. Vissa utmaningar kan lösas genom DIT (diffus gräns transport) metod som använder platt kapillär och den infraröda analysmetod, men ingen av dem kan lösa alla problem med låg investeringskostnad.

Möjligheten att använda magnetiska pärlor som …

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