Waterige druppels gebruikt als enzymatische Microreactors en hun elektromagnetische aandrijving

Summary

Lab-in-a-drop reactie systemen toestaan de veelzijdige uitvoering van complexe reacties in een schaal van microfluidic. Een automatische bediening platform bestaande uit een 3 x 3 matrix van elektromagnetische spoelen werd ontwikkeld en met succes gebruikt voor het samenvoegen van twee 10 µL microreactors en daardoor een enzymatische reactie in de resulterende vloeistof Friezen te initiëren.

Abstract

Voor een succesvolle tenuitvoerlegging van microfluidic reactie systemen, zoals PCR en electroforese, is het verkeer van kleine hoeveelheden van de vloeistof essentieel. In conventionele lab-op-een-chip-platformen, worden oplosmiddelen en monsters doorgegeven via gedefinieerde microfluidic kanalen met complexe flow control installaties. De druppel bediening platform hier gepresenteerd is een veelbelovend alternatief. Met het is het mogelijk om een vloeibare drop (microreactor) op een vlakke oppervlakte van een reactie platform (lab-in-a-drop). De bediening van de microreactors op de hydrofobe oppervlak van het platform is gebaseerd op het gebruik van magnetische krachten die op de buitenste schil van de vloeibare druppels die uit een dun laagje superhydrophobic magnetiet deeltjes bestaat. De hydrofobe oppervlak van het platform is nodig om te voorkomen dat ieder contact tussen de vloeibare kern en het oppervlak om een vloeiende beweging van de microreactor. Op het platform, kunnen een of meer microreactors met volumes van 10 µL worden geplaatst en tegelijk verplaatst. Het platform zelf bestaat uit een 3 x 3 matrix van dubbele Elektrospiralen die geschikt voor neodymium of ijzer kernen. Het verlopen van het magnetisch veld worden automatisch gecontroleerd. Door de variatie van het magnetisch veld verlopen, kan de microreactors magnetische hydrofobe shell worden gemanipuleerd automatisch wilt verplaatsen van de microreactor of open de shell omkeerbaar. Reacties van substraten en bijbehorende enzymen kunnen worden geïnitieerd door het samenvoegen van de microreactors of brengen ze in contact met oppervlakte geïmmobiliseerdet katalysatoren.

Introduction

Technische toepassingen met micro reacties worden voornamelijk uitgevoerd in vooraf gedefinieerde microchannel-chips. Deze systemen worden grote schaal vastgesteld en uitgebreid beschreven in de literatuur (inter alia ^1,2,3). In 2011 bedroeg de omzet van microfluidic technologieën wereldwijd 6,2 miljard euro ⁴. In tegenstelling, was het gebruik van vrij beweegbare micro reactor compartimenten eerder alleen onderzocht en gepubliceerd in beperkte mate. De meest voorkomende methode voor het verplaatsen van waterige micro druppels is electrowetting ⁵. Andere methoden voor de motie van druppels op oppervlakken zijn gebaseerd op elektrische velden ⁶, magnetische kracht ⁷ of akoestische bediening ⁸. Als gevolg van hun ongunstige oppervlakte volumeverhouding, worden deze microreactor druppel gebaseerde systemen blootgesteld aan sterke verdamping effecten. De daling van de ontwerpresolutie is dus meestal opgericht als een vloeibare fasensysteem, waar de bovenste fase een hoog kookpunt heeft, bescherming van de waterfase van verdamping. Deze benadering houdt echter een hoog risico op besmetting van de reactie druppel door ongecontroleerde verspreiding. Dit is een belangrijke belemmering voor de technische invoering van de genoemde systemen.

Recente werk gaat met niet-aanhanger vloeistof-vaste stof fase-overgangen. Een zeer effectieve aanpak is het gebruik van superhydrophobic oppervlakken, waardoor de vorming van sferische waterige druppels. Een uitbreiding van het begrip van deze reactie is het gebruik van micro reactie compartimenten met een superhydrophobic oppervlak of shell, die kan bijvoorbeeld bestaan uit polytetrafluorethyleen (PTFE) deeltjes ⁹. Hun contacthoeken op oppervlakken zijn meestal in het bereik van 160° (afhankelijk van de oppervlakteruwheid). De sferische compartimenten dus bieden minimale weerstand voor verkeer op een oppervlak en tegelijkertijd bieden bescherming tegen water verdamping.

Waterige druppels bekleed met micro formaat PTFE deeltjes mogen hun bolvorm tot een diameter van ongeveer 2 mm. Bij hogere volumes, is de hydrofobe shell meestal niet volledig gesloten meer ¹⁰. De invloed van andere shell-materialen en de uitbreiding van het toepassingsgebied van het vloeibare marmer aan apolaire oplosmiddelen werd uitgevoerd door Gao en McCarthy met behulp van ionische vloeistoffen ¹². Voor de vorming van hydrofobe deeltje gebaseerde schelpen, deeltje diameters in maten van 10 nm-30 µm hebben tot dusver beschreven ^11,14,16. Nieuwe studies toonden dat hydrofobe nanodeeltjes als shell materiaal nog beter dan die van microdeeltjes ^{13 zijn}. Eerste stabiliteit studies bevestigd een verhoging in stabiliteit wanneer de deeltjesgrootte wordt teruggebracht van ca. 600 nm tot ca. 100 nm. Deze verwachten resultaten uit de dichtere deeltje distributie rond de waterige bol ¹⁵.

De bescherming van waterige reactie compartimenten door een hydrofobe shell en hun aanwijzing als vloeibare Friezen werd in 2001 voor het eerst beschreven door Aussillous et al. en Mahadevan et al. ^{17 , 18}. sindsdien enkele toepassingen van deze gedefinieerde reactie compartimenten zijn beschreven. Bijvoorbeeld, een gas sensor op basis van vloeibare knikkers ¹⁹ en een detectiemethode voor waterverontreiniging op basis van een optisch kwalitatieve basis geweest ontwikkelde ²⁰. De auteurs onderscheiden de voordelen van hoge reactiesnelheden en het lage verbruik van chemische stoffen die hun micro reactie systemen. Recente publicaties omgaan met de productie van pH-gevoelige liquide knikkers ¹⁶ of de vertegenwoordiging van ‘Janus deeltjes’ met twee verschillende coatings voor een andere functie. Bijvoorbeeld, kon de Bormashenko et al. een microreactor met schelpen gemaakt van Teflon en halfgeleidende Carbon zwart ²¹synthetiseren. Bovendien werd aangetoond dat microreactors kan efficiënt en handig polyperoxides door het absorberen van externe zuurstof als comonomeer via de permeabele gas-vloeistof interface ²⁴synthetiseren. In een andere benadering van de shell silica deeltje-gebaseerde vloeibare Un sac de billes bieden de oppervlakken van de reactieve substraat voor het regelen van de klassieke zilveren spiegel reactie ²⁶. Huidige problemen voor onderzoek en ontwikkeling op het gebied van hydrofiele-kern-hydrofobe-shell druppels zijn de deeltje grootte aanpassing, de reproduceerbare productie van monodispers druppels, de spuitbaarheid van oppervlakken en het effect van een seconde hydrofiele shell op de micro reactie compartimenten ²², evenals een betere controle van de druppel trajecten, bijvoorbeeld voor de ontwikkeling van microPCR-continuprocédé ⁴.

Een magnetische aandrijving van deze microreactors biedt het voordeel van de relatief hoge verkeer bereiken en een goede selectiviteit van de kracht bij het werken in biochemische systemen. Bij het gebruik van hydrofobe magnetiet deeltjes, zij voldoen aan zowel de functie van de magnetische kracht overbrenging voor het verkeer van de microreactors, evenals de functie van een hydrofobe shell. De magnetische verkeer van druppels met magnetische deeltjes binnen een droplet was gepostuleerd voor het eerst in 2006 door Lehmann et al. ²³ en Shikida et al. ²⁵, die handmatig verplaatst permanente magneten als aandrijvingen voor de mobilisatie van een enkele druppel. Een andere benadering van het verplaatsen van een kleine hoeveelheid vloeistof werd gerealiseerd door Zhao et al., die de hydrofobe Fe₃O₄ deeltjes als magnetische shell gebruikt. De shell van het magnetische vloeistof marmer werd geopend op de bovenzijde van de druppel door een verticaal omgekeerde magnetisch veld ²⁷. Op basis van dit concept, konden Xue et al. ontwikkelen van deeltjes die een microreactor met een oppervlaktespanning van 20,1 dyne cm^{−1 28 vormen}. Lin et al. gefabriceerd roman cellulose gebaseerde micro/nano hiërarchische bollen met zowel Superparamagnetisme als superhydrophobicity die god stabiliteit voor transport en de manipulatie van de magnetische vloeistof druppel ^{31 bieden}. Dit was tot nu toe alleen vrijgegeven als een bewijs-van-principe studeren en niet gebruikt voor alle toepassingen. De magnetische en elektrische controle van de vloeibare knikkers wordt momenteel nagestreefd in eerste benaderingen. Zhao et al. 2010 ¹⁵ en Zhang et al. 2012 ²⁹ konden ontwikkelen een druppel manipulatie door de handmatige (hand bediende) beweging van een permanente magneet onder core-shell druppels. Bormashenko et al. ¹¹ bereikt de versnelling van een Ferromagnetische vloeibare marmer tot een snelheid van 25 cm s^-1 door het naderen van een neodymium magneet. De hierboven genoemde beginsel studies werden verricht uitsluitend door de handmatige verplaatsing van een kleine permanente magneet. Als een volgende stap in de ontwikkeling konden Zhao et al. onlangs de vereiste magnetische fluxdichtheid voor het verkeer van magnetische vloeistof marmer schatten door het variëren van de afstand van een permanente magneet ³⁰. Voor een besturingselement reactie is vergelijkbaar met die van de uniforme systemen van lab-on-a-chip lijkt het onvermijdelijk om te voorzien in de middelen van geautomatiseerde controle van de discrete vloeibare vEV. Om te voldoen aan deze behoefte, ontwikkelden we een nieuw controlesysteem op basis van variabele veld verlopen te fixeren, verplaatsen en open de magnetische microreactors.

Protocol

1. Hydrophobization van magnetische nanodeeltjes voor de synthese van de hydrofobe magnetische deeltjes, Voeg 0,85 g FeCl 3-hexahydraat (3.14 mmol) en 0,30 g FeCl 2 tetrahydraat (1,51 mmol) tot 200 mL water/ethanol oplossing (v/v 4:1). Voeg aan dit mengsel, 0,20 mL 1H, 1H, 2 H, 2H-Perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) (5.23 mmol) met krachtig roeren door een magneetroerder (500 rpm). De synthese in de sfeer van een inert gas (N 2) uitvoeren met behulp van een rondbod…

Representative Results

De shell-deeltjes hebben een diameter van ongeveer 640 nm. Magnetizable nanoparticles omsloten door deze fluorosilane shell deeltjes hebben diameters in een bereik tussen 22 nm en 37 nm. Een 5 µL microreactor met water als een vloeibare kern had een contacthoek van ongeveer 160°. De kracht die nodig is om te bewegen een 10 µL microreactor zoals hierboven beschreven is 1,34 ± 0.08 µN. Figuur 1 t…

Discussion

Voor een succesvol gebruik van microfluidic technologieën is het belangrijk om te bewegen de reactie volume dat overeenstemt met de eisen van de biotechnologische synthese en analyses. Het platform van de bediening gepresenteerde maakt het mogelijk verplaatsen van microfluidic druppels met magnetische kracht. Het verkeer kan vrij worden uitgevoerd in twee dimensies op een vlakke oppervlakte van een reactie-platform door de daling van de vloeistof met een magnetische superhydrophobic shell. Dus is een alternatief systeem…

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