Vandige dråber bruges som enzymatisk Microreactors og deres elektromagnetisk aktivering
Summary
Lab i slip reaktion systemer giver mulighed for alsidig gennemførelsen af komplekse reaktioner i en mikrofluid skala. En automatiseret aktivering platform bestående af 3 x 3 matrix af elektromagnetiske spoler blev udviklet og med held bruges til at flette to 10 µL microreactors og indlede derved en enzymatisk reaktion i den resulterende flydende kugler.
Abstract
For en vellykket gennemførelse af mikrofluid reaktion systemer, såsom PCR og elektroforese, er flytning af små flydende diskenheder afgørende. I konventionelle lab-om-a-chip-platforme, er opløsningsmidler og prøver passeret gennem definerede mikrofluid kanaler med komplekse flow kontrol installationer. Droplet aktivering platform præsenteres her er en lovende alternativ. Med det er det muligt at flytte en flydende dråbe (microreactor) på en plane flade af en reaktion platform (lab-i-en-drop). Aktivering af microreactors på den hydrofobe overflade af platformen er baseret på brugen af magnetiske kræfter, der handler på ydre skallen af de flydende dråber, som er lavet af et tyndt lag af superhydrophobic magnetit partikler. Hydrofobe overfladen af platformen er nødvendig for at undgå enhver kontakt mellem den flydende kerne og overfladen for at tillade en jævn bevægelse af microreactor. På platformen, kan en eller flere microreactors med mængder af 10 µL placeres og flyttede samtidig. Perronen sig selv består af en 3 x 3 matrix af elektriske dobbelt spoler, der rumme enten neodym eller jern kerner. Magnetfelt gradienter styres automatisk. Af variation af magnetfeltet forløb, kan microreactors’ magnetisk hydrofobe shell manipuleres automatisk for at flytte microreactor eller åbne skallen kan dekrypteres. Reaktioner af substrater og tilsvarende enzymer kan påbegyndes ved fletning af microreactors eller at bringe dem i kontakt med overfladen immobiliseret katalysatorer.
Introduction
Tekniske applikationer med micro reaktioner er overvejende udføres i foruddefinerede microchannel chips. Disse systemer er meget etableret og udførligt beskrevet i litteraturen (inter alia 1,2,3). I 2011 udgjorde omsætningen af mikrofluid teknologier på verdensplan 6,2 milliarder euro 4. Derimod var brugen af frit bevægelige mikro reaktor rum tidligere kun undersøgt og udgivet i begrænset omfang. Den mest almindelige metode til at flytte vandig mikro dråber er electrowetting 5. Andre metoder til bevægelse af dråber på overflader er baseret på elektriske felter 6, magnetisk kraft 7 eller akustisk aktivering 8. På grund af deres ugunstige overflade til volumen-forholdet, er disse droplet-baserede microreactor systemer udsat for stærk fordampning effekter. Således etableret drop motion normalt som en flydende tofasede system, hvor den øverste fase har et højt kogepunkt beskytte den vandige fase ved fordampning. Ikke desto mindre, denne fremgangsmåde indebærer en høj risiko for at forurene reaktion droplet ved ukontrolleret diffusion. Dette er en betydelig hindring for den tekniske oprettelsen af de nævnte systemer.
Nylige arbejde beskæftiger sig med ikke-tilhænger væske-solid faseovergange. En yderst effektiv metode er brugen af superhydrophobic overflader, så dannelsen af sfæriske vandig dråber. En forlængelse af denne reaktion koncept er brugen af mikro reaktion segmenter med en superhydrophobic overflade eller shell, der kan for eksempel bestå af polytetrafluorethylen (PTFE) partikler 9. Deres kontakt vinkler på overflader er normalt i området fra 160° (afhængigt af overfladeruhed). De sfæriske rum giver således minimal modstand mod bevægelse på en overflade og yde samtidig beskyttelse mod vand fordampning.
Vandige dråber belagt med micro mellemstore PTFE partikler kan opretholde deres kugleform op til en diameter på omkring 2 mm. Ved højere lydstyrker, hydrofobe skallen er normalt ikke er helt lukket længere 10. Påvirkning af andre materialer, shell og en udvidelse af anvendelsesområdet for den flydende marmor for upolære opløsningsmidler blev gennemført af Gao og McCarthy ved at bruge ioniske væsker 12. For dannelsen af hydrofobe partikel-baserede skaller, har hidtil partikel diametre i størrelserne på 10 nm-30 µm været beskrevet 11,14,16. Nye undersøgelser viste, at hydrofobe nanopartikler som shell materiale er endnu bedre end for mikropartikler 13. Første stabilitetsundersøgelser bekræftet en stigning i stabilitet, når partikelstørrelse er reduceret fra ca. 600 nm til ca. 100 nm. Denne sandsynlige resultater fra tættere partikel fordelingen omkring vandig sfære 15.
Beskyttelse af vandige reaktion rum ved en hydrofobe shell og deres udpegning som flydende kugler blev første gang beskrevet i 2001 af Aussillous et al. og Lis et al. 17 , 18. siden da, få anvendelser af disse definerede reaktion rum er blevet beskrevet. Eksempelvis en gas sensor baseret på flydende kugler 19 og en påvisningsmetode for vandforurening baseret på grundlag af optisk kvalitative har været udviklede 20. Forfatterne skelne fordelene af høj reaktion satser og de lavt forbrug af kemikalier i deres mikro reaktion systemer. De seneste publikationer beskæftiger sig med produktion af pH-følsomme flydende kugler 16 eller repræsentation af ‘Janus partikler’ med to forskellige belægninger af forskellige funktioner. For eksempel, kunne Bormashenko et al. syntetisere en microreactor med skaller af Teflon og halvledende kønrøg 21. Desuden blev det påvist, at microreactors kan effektivt og praktisk syntetisere polyperoxides ved at absorbere eksterne ilt som comonomer gennem gennemtrængelig gas-væske interface 24. I en anden tilgang give skallen af silica-partikel-baseret flydende kugler reaktive substrat overflader til at regulere klassisk Sølv spejl reaktion 26. Aktuelle problemer for forskning og udvikling i feltet hydrofile-core-hydrofobe-shell dråber er justeringen partikel størrelse, reproducerbare produktion af monodisperse dråber, befugtningen af overflader og effekten af en anden hydrofile shell på mikro reaktion rum 22, samt en bedre kontrol af droplet baner, fx for udviklingen af kontinuerlig microPCR-systemer 4.
En magnetisk aktivering af disse microreactors tilbyder fordelen ved relativt høj bevægelse intervaller og en god selektivitet af kraften, når du arbejder i biokemiske systemer. Når du bruger hydrofobe magnetit partikler, opfylder de både funktionen af den magnetiske kraft transmission til flytning af microreactors, såvel som funktion af en hydrofobe shell. Den magnetiske bevægelse af dråber med magnetiske partikler inde en droplet blev postuleret for første gang i 2006 af Lehmann et al. 23 og Shikida et al. 25, der anvendes manuelt flyttet permanente magneter som aktuatorer til tilvejebringelse af en enkelt dråbe. En anden tilgang til at flytte en lille mængde væske blev realiseret af Zhao et al., der brugte de hydrofobe Fe3O4 partikler som magnetisk shell. Skallen af den magnetiske flydende marmor blev åbnet på den øvre side af drop af en lodret modsatte magnetfelt 27. Baseret på dette koncept, var Xue et al. i stand til at udvikle partikler, der udgør en microreactor med en overfladespænding 20,1 dyne cm1 28. Lin et al. fabrikeret roman cellulose-baseret mikro/nano hierarkisk kugler med både superparamagnetism og superhydrophobicity som giver Gud stabilitet for magnetisk flydende droplet transport og manipulation 31. Det var hidtil kun udgivet som en proof-of-principle studere og ikke anvendes for enhver ansøgning. De magnetiske og elektriske kontrol af den flydende kugler er i øjeblikket forfølges i første tilgange. Zhao et al. i 2010 15 og Zhang et al. 2012 29 var i stand til at udvikle en droplet manipulation af manuel (hånddrevne) flytning af en permanent magnet under core-shell dråber. Bormashenko et al. 11 opnåede acceleration af en ferromagnetiske flydende marmor til en hastighed på 25 cm s-1 ved at nærme sig en neodym magnet. Det ovennævnte princip undersøgelser blev gennemført udelukkende af manuel flytning af en lille permanent magnet. Som et næste skridt i udviklingen har Zhao et al. for nylig kunnet anslår den nødvendige magnetisk fluxtæthed for flytning af magnetiske flydende marmor ved at variere afstanden fra en permanent magnet 30. For en reaktion kontrol sammenlignes med almindelige lab-on-a-chip systemer synes det uundgåeligt at tjene som middel til automatisk kontrol af den diskrete flydende volumes. For at opfylde dette behov, udviklet vi et nyt kontrolsystem baseret på variabel felt forløb at fiksere, flytte og åbne den magnetiske microreactors.
Protocol
Representative Results
Discussion
For vellykket anvendelse af mikrofluid teknologier er det vigtigt at flytte reaktion volumen svarer til kravene i den bioteknologiske syntese og analyser. Aktivering platform præsenteres her gør det muligt at flytte mikrofluid dråber af magnetiske kraft. Bevægelsen kan udføres frit i to dimensioner på en plane flade af en reaktion platform af omslutter den flydende drop med en magnetisk superhydrophobic shell. Således er en alternativ ordning til foruddefinerede mikrofluid kanaler med komplekse flow kontrol instal…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende DFG for støtte.
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).
