قطرات مائي يستخدم الانزيمية ميكروريكتورس وما يشتغل الكهرومغناطيسي
Summary
تسمح أنظمة رد فعل المختبر في إسقاط تنفيذ تنوعاً من التفاعلات المعقدة في نطاق موائع جزيئية. منصة يشتغل الآلي تتكون من مصفوفة 3 × 3 لفائف الكهرومغناطيسي وضعت واستخدمت بنجاح لدمج اثنين 10 ميليلتر ميكروريكتورس وثم الشروع في فعل الانزيمية في الرخام السائلة الناتجة عن ذلك.
Abstract
حركة كميات صغيرة من السائل ضروري للتنفيذ الناجح لنظم رد فعل موائع جزيئية، مثل بكر والتفريد،. التقليدية مختبر-في–رقاقة–منصات، يتم تمرير المذيبات وعينات من خلال قنوات موائع جزيئية محددة مع تثبيت عنصر التحكم في تدفق المعقدة. منهاج يشتغل الحبرية المقدمة هنا بديلاً واعداً. مع ذلك، من الممكن لتحريك قطره سائل (ميكروريكتور) على سطح مستو من منصة رد فعل (مختبر في إسقاط). يشتغل ميكروريكتورس على سطح الماء للمنهاج يقوم على استخدام القوى المغناطيسية المؤثرة على الغلاف الخارجي لقطرات السائل الذي يتكون من طبقة رقيقة من جسيمات أكسيد الحديد الأسود سوبيرهيدروفوبيك. سطح الماء من المنصة ضروري لتجنب أي اتصال بين الأساسية السائلة والسطح للسماح حركة سلسة ميكروريكتور. على المنصة، يمكن المتمركزة ميكروريكتورس واحد أو أكثر من وحدات التخزين من 10 ميليلتر وتحركت في نفس الوقت. المنهاج نفسه يتكون من مصفوفة 3 × 3 لفائف مزدوجة الكهربائية التي تستوعب النوى نيوديميوم أو الحديد. يتم التحكم تلقائياً في التدرجات المجال المغناطيسي. حسب اختلاف التدرجات المجال المغناطيسي، يمكن التلاعب المغناطيسية قذيفة مسعور ميكروريكتورس تلقائياً الانتقال ميكروريكتور أو فتح shell شكل قابل للعكس. يمكن أن تبدأ ردود الفعل من ركائز والأنزيمات المناظرة بدمجها في ميكروريكتورس أو تقديمهم اتصال مع سطح المواد الحفازة المعطل تداولها.
Introduction
التطبيقات التقنية مع ردود الفعل الجزئي تجري أساسا في رقائق microchannel المعرفة مسبقاً. هذه النظم هي المنشأة على نطاق واسع ووصف شامل في الأدب (في جملة أمور 1،،من23). في عام 2011، بلغ معدل دوران موائع جزيئية التكنولوجيات في العالم اليورو 6.2 بیلیون 4. على النقيض من ذلك، استخدام المقصورات بحرية منقولة المفاعل الصغير كان سابقا فقط درست ونشرت على نطاق محدود. هو الأسلوب الأكثر شيوعاً لنقل مائي قطرات مايكرو اليكتروويتينج 5. طرق أخرى للاقتراح بقطرات على الأسطح تستند إلى المجالات الكهربائية 6أو القوة المغناطيسية 7 يشتغل الصوتية 8. بسبب سطحها غير المواتية لنسبة الحجم، تتعرض هذه النظم المستندة إلى الحبرية ميكروريكتور لآثار التبخر القوية. وهكذا، عادة أنشئت الحركة قطره كنظام مرحلتين سائل، المرحلة العليا فيها نقطة الغليان عالية حماية المرحلة مائي من التبخر. على الرغم من ذلك، هذا النهج ينطوي على مخاطر عالية من تلويث الحبرية رد فعل من الانتشار غير المنضبط. وهذا يشكل عقبة كبيرة لإنشاء تقنية النظم المذكورة.
العمل الأخيرة تشعر بالتحولات المرحلة السائلة-الصلبة غير ملتصقة. اتباع نهج فعالة للغاية من استخدام الأسطح سوبيرهيدروفوبيك، مما يسمح تشكيل قطرات مائي كروية. امتداداً لهذا المفهوم رد الفعل هو استخدام المقصورات الرد الجزئي مع سطح سوبيرهيدروفوبيك أو قذيفة، والتي على سبيل المثال يمكن أن تتألف من جزيئات تترافلوروايثيلين (PTFE) 9. زوايا الاتصال بهم على الأسطح عادة في المجموعة من 160 درجة (حسب خشونة السطح). وبالتالي توفير الحد الأدنى من المقاومة للحركة على سطح المقصورات كروية وفي نفس الوقت توفير الحماية ضد تبخر الماء.
قطرات مائي المغلفة مع جزيئات PTFE الحجم الصغير قد الحفاظ على شكلها كروي حتى يبلغ قطرها حوالي 2 ملم. في أحجام أكبر، شل مسعور هو عادة ليست مغلقة تماما بعد الآن 10. ونفذ تأثير مواد قذيفة أخرى وتوسيع مجال تطبيق الرخام السائل للمذيبات nonpolar قاو ومكارثي باستخدام السوائل الأيونية 12. لتكوين مسعور قذائف على أساس الجسيمات، حتى الآن كانت أقطار الجسيمات في الأحجام من 10 نانومتر-30 ميكرومتر وصف 11،،من1416. دراسات جديدة أظهرت أن جسيمات نانوية مسعور كمادة شل من استخدام أفضل حتى من ذلك المجهرية الدقيقة 13. أكدت دراسات الاستقرار أول زيادة في الاستقرار عندما يتم خفض حجم الجسيمات من ca. 600 نانومتر إلى ca. 100 نانومتر. هذه النتائج المحتملة من توزيع الجسيمات أكثر كثافة حول مجال مائي 15.
حماية مقصورات رد فعل مائي بقذيفة مسعور وتعيينهم كالرخام السائل وصفت أولاً في عام 2001 من أوسيلوس et al. وماهاديفان et al. 17 , 18-ومنذ ذلك الحين، وقد وصف التطبيقات القليلة من هذه المقصورات رد فعل محدد. على سبيل المثال، كان جهاز استشعار غاز على أساس السائل الرخام 19 وأسلوب كشف عن تلوث المياه تقوم على أساس نوعي بصريا المتقدمة 20. يميز المؤلفون مزايا معدلات تفاعل عالية واستهلاك منخفض للمواد الكيميائية التي نظمها الرد الجزئي. المنشورات الأخيرة التعامل مع إنتاج الرخام السائل حساسة لدرجة الحموضة 16 أو تمثيل ‘الجسيمات يانوس’ مع الطلاء مختلفة اثنين من وظائف مختلفة. على سبيل المثال، يمكن توليف بورماشينكو et al. ميكروريكتور مع قذائف مصنوعة من تفلون وانتشارية أسود الكربون 21. وعلاوة على ذلك أنه اتضح أن ميكروريكتورس يمكن أن كفاءة وملاءمة توليف بوليبيروكسيديس بامتصاص الأكسجين الخارجي كومونومير من خلال واجهة غاز-سائل إنفاذية 24. في نهج آخر قذيفة الرخام السائل السليكا-المستندة إلى الجسيمات توفير أسطح الركازة رد الفعل لتنظيم رد فعل مرآة فضة الكلاسيكية 26. المشاكل الحالية للبحث والتطوير في الميدان من قطيرات ماء الأساسية-مسعور شل يتم تعديل حجم الجسيمات، واستنساخه بإنتاج قطرات مونوديسبيرسي، ويتابيليتي من السطوح والأثر من الثانية ماء شل في المقصورات رد فعل الصغير 22، فضلا عن عنصر تحكم أفضل لمسارات الحبرية، مثلاً لتطوير نظم ميكروبكر المستمر 4.
يشتغل مغناطيسية لهذه ميكروريكتورس يوفر ميزة نطاقات حركة عالية نسبيا وانتقائية جيدة من القوة عند العمل في النظم الحيوية. عند استخدام جسيمات أكسيد الحديد الأسود مسعور، أنها تفي بكل وظيفة انتقال القوة المغناطيسية لحركة ميكروريكتورس، فضلا عن وظيفة قذيفة مسعور. وكان افترض حركة المغناطيسي من قطرات مع جزيئات مغناطيسية داخل معالجة تجميعية للمرة الأولى في عام 2006 بليمان et al. 23 وشيكيدا et al. 25، الذين استخدموا يدوياً نقل المغناطيس الدائم مشغلات لتعبئة معالجة تجميعية واحدة. وأدرك نهج آخر لنقل كمية صغيرة من السائل من تشاو وآخرون، الذين استخدموا مسعور Fe3س4 الجسيمات كشل المغناطيسية. وافتتح على الجانب العلوي من الانخفاض قذيفة الرخام السائل المغناطيسي مجال المغناطيسي عكس عمودي 27. وبناء على هذا المفهوم، شيويه et al. كانت قادرة على تطوير الجسيمات التي تشكل ميكروريكتور مع توتر السطحي من داين 20.1 سم1 28. لين et al. اختﻻق رواية المستندة إلى السليولوز الدقيقة/نانو الهرمية المجالات مع كل من سوبيرباراماجنيتيسم وسوبيرهيدروفوبيسيتي التي توفر الاستقرار الله ل النقل والتلاعب الحبرية السائل المغناطيسي 31. وهذا حتى الآن سوى صدر كإثبات لمبدأ الدراسة ولا يستخدم لأي تطبيق. ويجري حاليا مراقبة المغنطيسية والكهربائية من الرخام السائل في النهج الأول. تشاو وآخرون في 2010 15 وتشانغ وآخرون 2012 29 كانت قادرة على تطوير الحبرية تلاعب بحركة المغناطيس الدائم تحت قطرات الأساسية-شل اليدوي (تعمل باليد). بورماشينكو et al. 11 تحقيق التعجيل بالرخام السائل المغناطيسية بسرعة 25 سم s-1 التي تقترب من مغنطيس نيوديميوم. المبدأ المذكور أعلاه أجريت دراسات حصرا بدليل حركة المغناطيس الدائم الصغيرة. وكخطوة تالية في تنمية، كانت تشاو وآخرون مؤخرا قادرة على تقدير كثافة التدفق المغناطيسي المطلوبة لنقل الرخام السائل المغناطيسي باختلاف المسافة من المغناطيس الدائم 30. عنصر تحكم رد فعل مماثل لنظم مشتركة لمختبر على رقاقة، يبدو أنه لا مفر منها لتوفير وسائل التحكم الآلي الخامس السائل المنفصلةأولوميس. لتلبية هذه الحاجة، قمنا بتطوير نظام جديد لعنصر تحكم استناداً إلى حقل متغير التدرجات يحملق والتحرك وفتح ميكروريكتورس المغناطيسي.
Protocol
Representative Results
Discussion
للاستخدام الناجح للتكنولوجيات موائع جزيئية، من المهم لتحريك حجم رد الفعل المطابق لمتطلبات التوليف التكنولوجيا الحيوية والتحاليل. منهاج يشتغل المعروضة هنا يجعل من الممكن تحريك قطرات موائع جزيئية بالقوة المغناطيسية. الحركة يمكن أن يؤديها بحرية في بعدين على سطح مستو من منصة رد فعل أرفق قط?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب تود أن تقر DFG للدعم.
Materials
| 3D-printer | FelixPrinters | Pro1 | |
| 10-acetyl-3,7-dihydroxyphenoxazine (Amplex Red) | Life Technologies | A12222 | |
| Ammonium hydroxide | TU-KL | 1072 | |
| CAD software | Siemens | Soled edge | |
| Contact angle measuring device | Dataphysics | OCA 20 | |
| Cylinder magnet | Webcraft GmbH | S-04-13-N | https://www.supermagnete.de/stabmagnete-neodym-rund/stabmagnet-durchmesser-4mm-hoehe-12.5mm-neodym-n42-vernickelt_S-04-13-N |
| Dipotassium phosphate | Bernd Kraft | 7758-11 | |
| Drying oven | Binder | FD 115 | |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 68-17-5 | |
| FeCl2 tetrahydrate | TU-KL | 1625 | |
| FeCl3 hexahydrate | TU-KL | 1622 | |
| Fluorescence probe | PerkinElmer | LS 55 | |
| Horseradish peroxidase | Carl Roth | 9003-99-0 | |
| Hydrogen peroxide | Th.Geyer GmbH & Co | 7722-84-1 | |
| Monopotassium phosphate | Bernd Kraft | 7778-77-0 | |
| Peltier element | Conrad | 193569 | |
| Perfluoroctyltriethoxysilane | Sigma-Aldrich | 51851-37-7 | |
| Scanning Electron Microscope | FEI | Helios NanoLab 650 DualBeam | |
| Separation bar magnet | Webcraft GmbH | Q-40-20-10-N, | |
| Winding machine | IWT GmbH | FW122 |
References
- Squires, T., Quake, S. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Rev. Mod. Phys. 77 (3), 977-1026 (2005).
- Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. Reactions in Droplets in Microfluidic Channels. Angew Chem Int Ed Engl. 45 (44), 7336-7356 (2006).
- Erickson, D., Li, D. Integrated microfluidic devices. Anal. Chim. Acta. 507 (1), 11-26 (2004).
- Zhang, Y., Ozdemir, P. Microfluidic DNA amplification-A review. Anal. Chim. Acta. 638 (2), 115-125 (2009).
- Ohashi, T., Kuyama, H., Suzuki, K., Nakamura, S. Control of aqueous droplets using magnetic and electrostatic forces. Anal. Chim. Acta. 612 (2), 218-225 (2008).
- Srinivasan, V., Pamula, V. K., Fair, R. B. Droplet-based microfluidic lab-on-a-chip for glucose detection. Anal. Chim. Acta. 507 (1), 145-150 (2004).
- Lehmann, U., Vandevyver, C., Parashar, V. K., Gijs, M. A. Droplet-Based DNA Purification in a Magnetic Lab-on-a-Chip. Angew. Chem. Int. Ed. 45 (19), 3062-3067 (2006).
- Guttenberg, Z., et al. Planar chip device for PCR and hybridization with surface acoustic wave pump. Lab Chip. 5 (3), (2005).
- Al-Kaidy, H., et al. Biotechnology and Bioprocess Engineering – From the First Ullmann’s Article to Recent Trends. ChemBioEng Reviews. 2 (3), 175-184 (2015).
- McHale, G., Newton, M. I. Liquid marbles: principles and applications. Soft Matter. 7 (12), 5473 (2011).
- Bormashenko, E., Pogreb, R., Bormashenko, Y., Musin, A., Stein, T. New Investigations on Ferrofluidics: Ferrofluidic Marbles and Magnetic-Field-Driven Drops on Superhydrophobic Surfaces. Langmuir. 24 (21), 12119-12122 (2008).
- Gao, L., McCarthy, T. J. Ionic Liquid Marbles. Langmuir. 23 (21), 10445-10447 (2007).
- Bhosale, P. S., Panchagnula, M. V., Stretz, H. A. Mechanically robust nanoparticle stabilized transparent liquid marbles. Appl. Phys. Lett. 93 (3), 034109 (2008).
- Bormashenko, E., Balter, R., Aurbach, D. Micropump based on liquid marbles. Appl. Phys. Lett. 97 (9), 091908 (2010).
- Zhao, Y., Fang, J., Wang, H., Wang, X., Lin, T. Magnetic Liquid Marbles: Manipulation of Liquid Droplets Using Highly Hydrophobic Fe 3 O 4 Nanoparticles. Adv. Mater. 22 (6), 707-710 (2010).
- Fujii, S., Kameyama, S., Armes, S. P., Dupin, D., Suzaki, M., Nakamura, Y. pH-responsive liquid marbles stabilized with poly(2-vinylpyridine) particles. Soft Matter. 6 (3), 635 (2010).
- Aussillous, P., Quéré, D. Liquid Marbles. Nature. 411 (6840), 924-927 (2001).
- Mahadevan, L. Non-stick water. Nature. 411 (6840), 895-896 (2001).
- Tian, J., Arbatan, T., Li, X., Shen, W. Liquid marble for gas sensing. Chem. Commun. 46 (26), 4734 (2010).
- Bormashenko, E., Musin, A. Revealing of water surface pollution with liquid marbles. Appl. Surf. Sci. 255 (12), 6429-6431 (2009).
- Bormashenko, E., Bormashenko, Y., Pogreb, R., Gendelman, O. Janus Droplets: Liquid Marbles Coated with Dielectric/Semiconductor Particles. Langmuir. 27 (1), 7-10 (2011).
- Bormashenko, E. Liquid marbles: Properties and applications. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 16 (4), 266-271 (2011).
- Lehmann, U., Hadjidj, S., Parashar, V. K., Vandevyver, C., Rida, A., Gijs, M. Two-dimensional magnetic manipulation of microdroplets on a chip as a platform for bioanalytical applications. Sens. Actuator B-Chem. 117 (2), 457-463 (2006).
- Sato, E., Yuri, M., Fujii, S., Nishiyama, T., Nakamura, Y., Horibe, H. Liquid marbles as a micro-reactor for efficient radical alternating copolymerization of diene monomer and oxygen. Chem. Commun. 51 (97), 17241-17244 (2015).
- Shikida, M., Takayanagi, K., Inouchi, K., Honda, H., Sato, K. Using wettability and interfacial tension to handle droplets of magnetic beads in a micro-chemical-analysis system. Sens. Actuator B-Chem. 113 (1), 563-569 (2006).
- Sheng, Y., Sun, G., Wu, J., Ma, G., Ngai, T. Silica-based liquid marbles as microreactors for the silver mirror reaction. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (24), 7012-7017 (2015).
- Zhao, N., et al. Self-organized Polymer Aggregates with a Biomimetic Hierarchical Structure and its Superhydrophobic Effect. Cell Biochem. Biophys. 49 (2), 91-97 (2007).
- Xue, Y., et al. Magnetic Liquid Marbles: A “Precise” Miniature Reactor. Adv. Mater. 22 (43), 4814-4818 (2010).
- Zhang, L., Cha, D., Wang, P. Remotely Controllable Liquid Marbles. Adv. Mater. 24 (35), 4756-4760 (2012).
- Zhao, Y., Xu, Z., Parhizkar, M., Fang, J., Wang, X., Lin, T. Magnetic liquid marbles, their manipulation and application in optical probing. Microfluid Nanofluid. 13 (4), 555-564 (2012).
- Lin, X., et al. Superhydrophobic magnetic poly(DOPAm-co-PFOEA)/Fe3O4/cellulose microspheres for stable liquid marbles. Chem. Commun. 52 (9), 1895-1898 (2016).
- Glettenberg, M., Niemeyer, C. M. Tuning of Peroxidase Activity by Covalently Tethered DNA Oligonucleotides. Bioconjugate Chem. 20 (5), 969-975 (2009).
- Al-Kaidy, H., Tippkötter, N. Superparamagnetic hydrophobic particles as shell material for digital microfluidic droplets and proof-of-principle reaction assessments with immobilized laccase. Eng. Life Sci. 16 (3), 222-230 (2016).
