טיפות מימית משמש Microreactors אנזימטיות, הופעה אלקטרומגנטית שלהם

Summary

מערכות התגובה מעבדה-ב–שחרור מאפשרים יישום רב תכליתי של תגובות מורכבות בקנה מידה microfluidic. פלטפורמה הופעה אוטומטית של מטריצה 3 x 3 של סלילים אלקטרומגנטיים פותחה נהגה בהצלחה מיזוג שני 10 µL microreactors, ובכך ליזום לתגובה אנזימטי של הקופה נוזלי המתקבל.

Abstract

עבור יישום מוצלח של מערכות התגובה microfluidic, כגון PCR ואלקטרופורזה, התנועה של אמצעי אחסון נוזלי קטן הוא חיוני. בקונבנציונלי מעבדה-ב–צ’יפ-פלטפורמות, ממיסים ודוגמאות מועברים בערוצים microfluidic מוגדר עם התקנות בקרת זרימה מורכבים. פלטפורמת הופעה droplet המובאת כאן היא אלטרנטיבה מבטיחה. זה ניתן להזיז טיפה נוזל (microreactor) על משטח מישורי של פלטפורמה התגובה (lab-ב–שחרור). הופעה של microreactors על פני השטח הידרופוביות של הפלטפורמה מבוססת על השימוש של כוחות מגנטיים על המעטפת החיצונית של הטיפות נוזלי אשר עשוי משכבה דקה של חלקיקים מגנטיט superhydrophobic. פני השטח הידרופוביות של פלטפורמת יש צורך למנוע קשר בין פני השטח כדי לאפשר תנועה חלקה של microreactor הליבה נוזלי. על הרציף, microreactors אחד או יותר עם אמצעי אחסון של 10 µL שאפשר למקמו ולשנות סימולטנית. הפלטפורמה עצמה מורכבת מטריצה 3 x 3 של סלילי כפול חשמל להכיל ליבות ניאודימיום או ברזל. מעברי צבע השדה המגנטי נשלטים באופן אוטומטי. מאת וריאציה של מעברי צבע השדה המגנטי, מעטפת הידרופובי מגנטי של microreactors ניתן לטפל באופן אוטומטי להעביר את microreactor או לפתוח את המעטפת הפיכה. התגובות של סובסטרטים ואנזימים המתאים יכול להיות ביוזמת מיזוג של microreactors או להביא אותם לידי מגע עם משטח זרזים קיבוע.

Introduction

יישומים טכניים עם תגובות מיקרו מתבצעות בעיקר בצ’יפס microchannel מוגדר מראש. מערכות אלו הן נרחב הקים ותיאר באופן מקיף בספרות (אינטר עאליה ^1,2,3). בשנת 2011, המחזור של טכנולוגיות microfluidic ברחבי העולם הסתכם בכ-6.2 מיליארד יורו ⁴. לעומת זאת, השימוש של הכור מיקרו מטלטלין בחופשיות תאים בעבר רק וצילומי לאור במידה מצומצמת. השיטה הנפוצה ביותר להעברת מימית טיפות מיקרו הוא electrowetting ⁵. שיטות אחרות של תנועת טיפות על משטחים מבוססות על שדות חשמליים ⁶, כוח מגנטי ⁷ או הופעה אקוסטית ⁸. בשל השטח שלילי יחס נפח, מערכות מבוססות-droplet microreactor אלה נחשפים אפקטים חזקים אידוי. לכן, ההצעה טיפה בדרך כלל נוסדה כמערכת דו-שלבית נוזלי, איפה השלב העליון יש נקודת רתיחה גבוהה הגנה על השלב מימית מפני אידוי. עם זאת, גישה זו כרוך סיכון גבוה של מזהם את ה-droplet התגובה על ידי לא מבוקרת דיפוזיה. זהו מכשול משמעותי להקמת המערכות שהוזכרו טכני.

העבודה האחרונה עוסקת שלב נוזל נוזל מוצק שאינו דוגל מעברים. גישה יעילה ביותר הוא השימוש של משטחים superhydrophobic, מאפשר היווצרות של טיפות מימית כדורית. הרחבה של המושג הזה התגובה הוא השימוש של מיקרו תגובת תאי עם משטח superhydrophobic או מעטפת, אשר יכול למשל להיות מורכב חלקיקי טפלון (PTFE) ⁹. זוויות הקשר שלהם על משטחים הם בדרך כלל בטווח של 160° (בהתאם חספוס פני השטח). התאים כדורית ובכך לספק התנגדות מינימלית לתנועה על משטח, במקביל מספקים הגנה מפני אידוי מים.

טיפות מימית מצופה חלקיקי מיקרו PTFE בגודל עשוי לשמור על צורתם כדורית עד קוטר של-2 מ מ. בעוצמות גבוהות, הקליפה הידרופובי בדרך כלל לא סגור לחלוטין כבר ¹⁰. השפעת חומרים אחרים מעטפת והרחבת של השדה של היישום של השיש נוזלי ממיסים פולרי בוצע על-ידי גאו מקארתי באמצעות נוזלים יוניים ¹². על היווצרות של פגזים מבוסס חלקיק הידרופוביות, קטרים חלקיקים בגדלים של 10 nm-30 מיקרומטר כה תיאר ^11,14,16. מחקרים חדשים הראו כי חלקיקים הידרופובי כחומר מעטפת השימוש אפילו טוב יותר מזה של microparticles ¹³. מחקרי יציבות הראשון אישר עלייה ביציבות כאשר גודל החלקיקים מצומצמת מ ca. 600 nm ca- 100 ננומטר. תוצאות הזה סביר להניח התפלגות החלקיקים צפופה בסביבה מימית הספרה ה- ¹⁵.

ההגנה על התגובה מימית תאים על ידי פגז הידרופוביות שלהם כערבים גולות נוזלי תוארה לראשונה בשנת 2001 על ידי. Aussillous et al. , Mahadevan. et al. ^{17 , 18}. מאז, תוארו מספר יישומים של תאים אלה התגובה מוגדרים. לדוגמה, חיישן הגז מבוסס על גולות נוזלי ¹⁹ ו שיטת זיהוי זיהום מים המבוסס על בסיס איכותי שטיחות כבר מפותחת ²⁰. המחברים מבחינים את היתרונות של שיעורי תגובה גבוהה וצריכה נמוכה של כימיקלים של מערכות מיקרו התגובה שלהם. פרסומים אחרונים עוסקים הייצור של גולות נוזלי pH רגיש ¹⁶ או הייצוג של “חלקיקים יאנוס” עם שני ציפויים שונים של פונקציונליות שונה. לדוגמה, Bormashenko. ואח יכול לסנתז של microreactor עם קליפות של טפלון, פחמן שחור מוליכים למחצה ²¹. יתר על כן הוכח כי microreactors יכול באופן יעיל ונוח לסנתז polyperoxides על ידי קליטת חמצן חיצוני כמו comonomer דרך ממשק גז נוזלי חדיר ²⁴. בגישה אחרת הקליפה של סיליקה-חלקיקים מבוססי גולות נוזלי לספק את המשטחים המצע תגובתי לווסת את התגובה מראה כסוף קלאסי ²⁶. בעיות הנוכחי עבור מחקר ופיתוח בתחום של טיפות הידרופילית-core-הידרופובי-shell הן את התאמת גודל החלקיקים, ייצור לשחזור של טיפות monodisperse, את wettability של משטחים ועל ההשפעה של שניה מעטפת הידרופילית על תאי מיקרו תגובה ²², כמו גם על שליטה טובה יותר. של מסלולים רביב, למשל עבור הפיתוח של microPCR-מערכות רציפות ⁴.

הופעה מגנטי של אלה microreactors מציע את היתרון של טווחי תנועה גבוהה יחסית של סלקטיביות טוב של הכוח בעת עבודה במערכות הביוכימי. בעת שימוש מגנטיט הידרופובי חלקיקים, הם לממש את הפונקציה של העברת כוח מגנטי את תנועת microreactors, כמו גם את הפונקציה של פגז הידרופובי. תנועת מגנטי של טיפות עם חלקיקים מגנטיים בתוך droplet היה שמהווה לראשונה בשנת 2006 על ידי להמן. et al. ²³ ו. Shikida et al. ²⁵, אשר השתמשו באופן ידני עבר קבועים magnets כמו מפעילים גיוס כללי של droplet יחיד. גישה אחרת כדי להעביר כמות קטנה של נוזל התממש על ידי זאו. et al., אשר משמש החלקיקים₄ הידרופובי Fe₃O מעטפת מגנטי. המעטפת של השיש נוזל מגנטי פתחו על הצד העליון של הטיפה שדה מגנטי הפוך אנכית ²⁷. מבוסס על תפיסה זו, Xue. et al. הצליחו לפתח חלקיקים אשר יוצרים microreactor עם מתח פני השטח של דיין 20.1 ס מ^{− 1 28}. . לין ואח מפוברק חדשניים מבוססי תאית מיקרו/ננו הירארכי הספירות פאראמגנטיות על וגם superhydrophobicity המספקים יציבות אלוהים droplet נוזל מגנטי תחבורה ומניפולציה ³¹. זה כה שוחרר רק הוכחה-של-עיקרון ללמוד, לא משמש עבור כל יישום. שליטה מגנטיים וחשמליים של הקופה נוזלי הוא נרדף כעת בגישות הראשון. זאו. et al. ב 2010 ¹⁵ לג’אנג. ואח 2012 ²⁹ הצליחו לפתח מניפולציה droplet על ידי התנועה (המופעלים באמצעות היד) ידני של מגנט קבוע מתחת ליבה-קליפה טיפות. . Bormashenko et al. ¹¹ שהשיג ההאצה של גולה נוזלי פרומגנטי במהירות של 25 ס מ s^-1 מתקרב מגנט נאודימיום. העיקרון שהוזכרו לעיל מחקרים בוצעו באופן בלעדי על ידי התנועה ידנית של מגנט קבוע קטן. כצעד הבא פיתוח, זאו. et al. הצליחו לאחרונה להעריך את צפיפות השטף המגנטי הנדרש לתנועה של השיש נוזל מגנטי על ידי שינוי המרחק של מגנט קבוע ³⁰. עבור פקד תגובה לזו של מערכות מעבדה-על-שבב נפוצות, זה בלתי נמנע לספק אמצעי בקרה אוטומטיות של v נוזלי דיסקרטיתolumes. כדי לספק צורך זה, פיתחנו מערכת בקרה חדשה המבוססת על מעברי צבע משתנה השדה שמלמדות, העבר ולפתוח את microreactors מגנטי.

Protocol

1-Hydrophobization של חלקיקים מגנטיים לסינתזה של החלקיקים המגנטיים הידרופוביות, להוסיף 0.85 g FeCl 3 hexahydrate (3.14 אינצ mmol) 0.30 g FeCl 2 tetrahydrate (1.51 mmol) 200 מ ל פתרון מים/אתנול (4:1 v/v). כדי תערובת זו, הוסף 0.20 מ ל 1H. 1H, 2 H, 2H-Perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) (5.23 mmol) עם בחישה נמרצת על ידי פגים (500 סל ד). לבצע הסינתזה ב…

Representative Results

חלקיקי מעטפת יש קוטר של בסביבות 640 ננומטר. חלקיקים magnetizable בסוגריים את חלקיקי מעטפת fluorosilane יש קטרים בטווח בין 22 ננומטר ו-37 ננומטר. Microreactor 5 µL עם מים כמו גרעין נוזלי הייתה זווית הקשר של בסביבות 160°. הכוח הנדרש כדי להזיז microreactor 10 µL כפי שתוארה ל?…

Discussion

השימוש המוצלח של microfluidic טכנולוגיות, חשוב לעבור שעוצמת התגובה המתאים לדרישות של סינתזה ביוטכנולוגי, ניתוחים. פלטפורמת הופעה המובאת כאן מאפשרת לך להעביר טיפות microfluidic על-ידי כוח מגנטי. התנועה יכולה להתבצע באופן חופשי בשני מימדים על משטח מישורי של פלטפורמה תגובה על-ידי תחימת הירידה נוזלי עם ?…

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