Vattenhaltiga droppar används som enzymatisk Microreactors och deras elektromagnetiska manövrering

Summary

Lab-i-a-drop reaktion system tillåter mångsidiga genomförandet av komplexa reaktioner i en mikroflödessystem skala. En automatiserad aktivering plattform som består av en 3 x 3 matris av elektromagnetiska spolar utvecklades och använts framgångsrikt för att sammanfoga två 10 µL microreactors och inleda därmed en enzymatisk reaktion i den resulterande flytande kulor.

Abstract

För ett framgångsrikt genomförande av mikrofabricerade reaktion system, såsom PCR och elektrofores, är förflyttning av små flytande volymer viktigt. I konventionella lab-på-a-chip-plattformar skickas lösningsmedel och prover via definierade mikroflödessystem kanaler med komplexa flöde kontroll installationer. Droplet aktivering plattformen presenteras här är ett lovande alternativ. Med det är det möjligt att flytta en flytande droppe (microreactor) på en plan yta av en reaktion plattform (lab-i-a-drop). Aktivering av microreactors på hydrofoba ytan av plattformen är baserad på användning av magnetiska krafter som verkar på det yttre skalet av de flytande dropparna som är gjord av ett tunt lager av superhydrofobt magnetit partiklar. Hydrofoba ytan av plattformen som behövs för att undvika kontakt mellan den flytande kärnan och ytan så att en jämn rörelse av microreactor. På plattformen, kan en eller flera microreactors med volymer på 10 µL placeras och flyttade samtidigt. Plattformen själv består av en 3 x 3 matris av elektriska dubbla spolar som rymma antingen neodymium eller järn kärnor. Övertoningarna magnetfält styrs automatiskt. Av ändringen av de magnetfält lutningarna, kan den microreactors’ magnetiska hydrofoba shell manipuleras automatiskt för att flytta microreactor eller öppna shell reversibelt. Reaktioner av substrat och motsvarande enzymer kan initieras genom sammanslagning av microreactors eller att föra dem i kontakt med ytan immobiliserade katalysatorer.

Introduction

Tekniska tillämpningar med micro reaktioner sker huvudsakligen i fördefinierade microchannel marker. Dessa system är allmänt etablerade och utförligt beskriven i litteraturen (bland annat ^1,2,3). 2011 uppgick omsättningen för mikroflödessystem teknik över hela världen till 6,2 miljarder euro ⁴. Däremot var användningen av fritt rörliga micro reaktorn fack tidigare endast prövade och offentliggjorda i begränsad omfattning. Den vanligaste metoden för att flytta aqueous micro droppar är electrowetting ⁵. Andra metoder för förslaget droppar på ytor bygger på elektriska fält ⁶, magnetisk kraft ⁷ eller akustisk aktivering ⁸. På grund av deras unfavorable ytbehandlar till volymförhållandet utsätts dessa droplet-baserade microreactor system för stark avdunstning effekter. Således, droppe förslaget upprättas vanligtvis som ett flytande faser, där den övre fasen har en hög kokpunkt skydda vattenfasen från avdunstning. Detta tillvägagångssätt innebär dock en hög risk av kontaminerande reaktion droplet-programmet genom okontrollerad diffusion. Detta är ett betydande hinder för tekniska etableringen av de nämnda systemen.

Senaste arbete angå med icke-anhängare flytande-fast fasövergångar. En mycket effektiv strategi är användningen av superhydrofobt ytor, att tillåta bildandet av sfäriska aqueous droppar. En förlängning av denna reaktion koncept är användningen av micro reaktion fack med en superhydrofobt yta eller skal, som kan till exempel bestå av polytetrafluoreten (PTFE) partiklar ⁹. Deras kontakt vinklar på ytor finns vanligtvis i intervallet 160° (beroende på ytjämnheten). De sfäriska fack ger därmed minimalt motstånd för rörligheten på en yta och ger samtidigt skydd mot vattenavdunstning.

Vattenhaltiga droppar belagd med PTFE mikropartiklar storlek får behålla sin sfärisk form upp till en diameter på cirka 2 mm. Vid högre volymer, är hydrofoba skalet brukar inte helt stängd längre ¹⁰. Påverkan av andra shell material och utvidgningen av tillämpningsområdet på flytande marmor till nonpolar vätskor genomfördes av Gao och McCarthy med hjälp av Joniska vätskor ¹². För bildandet av hydrofoba partikel-baserade skal, har partikel diametrarna i storlekar 10 nm-30 µm hittills beskrivna ^11,14,16. Nya studier visade att hydrofoba nanopartiklar som shell material ännu bättre användning än mikropartiklar ¹³. Första stabilitetsundersökningar bekräftad ökning i stabilitet när partikelstorleken minskas från ca. 600 nm till ca. 100 nm. Detta sannolikt resultat från fördelningen av tätare partiklarnas runt de vattenhaltiga sfär ¹⁵.

Skydd av vattenhaltigt reaktion avdelningar genom en hydrofoba skal och deras beteckning som flytande kulor beskrevs första gången 2001 av Aussillous et al. och Mahadevan o.a. ^{17 , 18}. sedan dess har några tillämpningar av dessa definierade reaktion avdelningar har beskrivits. Till exempel har en gas-sensorenhet baserat på flytande kulor ¹⁹ och en detektionsmetod för vattenföroreningar baserat på optiskt kvalitativ basis varit utvecklade ²⁰. Författarna skilja fördelarna med hög reaktion priser och låg konsumtion av kemikalier i deras micro reaktion system. Senaste publikationer behandlar produktion av pH-känsliga flytande kulor ¹⁶ eller framställningen av ‘Janus partiklar’ med två olika beläggningar av olika funktioner. Exempelvis kunde Bormashenko et al. syntetisera en microreactor med skal gjorda av Teflon och halvledande kimrök ²¹. Dessutom var det visat att microreactors kan effektivt och bekvämt syntetisera polyperoxides genom att absorbera externa syre som monomer genom den genomsläppliga vätske-gränssnitt ²⁴. I ett annat tillvägagångssätt skalet av kiseldioxid-partikel-baserade flytande kulor ge reaktiva substrat ytorna för att reglera den klassiska silver spegel reaktion ²⁶. Aktuella problem för forskning och utveckling inom området av hydrofil-core-hydrofoba-shell droppar är den partikel storlek justeringen, reproducerbara produktion av monodisperse droppar, Vätbarheten hos preparat av ytor och effekten av en sekund hydrofil shell på micro reaktion fack ²², liksom en bättre kontroll av droplet trajectoriesen, t.ex. för utvecklingen av kontinuerliga microPCR-system ⁴.

En magnetisk aktivering av dessa microreactors erbjuder fördelen med relativt hög rörlighet spänner och en bra selektivitet i kraft när du arbetar i biokemiska system. När du använder hydrofoba magnetit partiklar, uppfyller de funktionen av magnetisk kraft överföring till rörelsen av microreactors, såväl som funktionen av en hydrofoba skal. Det magnetiska flödet av droppar med magnetiska partiklar inuti ett droplet-program var postulerade för första gången i 2006 av Lehmann et al. ²³ och Shikida o.a. ²⁵, som använde manuellt flyttade permanentmagneter som manöverdon för mobilisering av en enda droppe. En annan metod att flytta en liten mängd vätska realiserades av Zhao et al., som använde de hydrofoba Fe₃O₄ partiklarna som magnetisk skal. Skalet av magnetiska flytande marmor öppnades på den övre sidan av nedgången av en lodrät omvänd magnetfält ²⁷. Baserat på detta koncept, kunde Xue et al. utveckla partiklar som bildar en microreactor med en ytspänning 20,1 dyne cm^{−1 28}. Lin et al. fabricerade roman cellulosabaserade mikro/nano hierarkiska sfärer med både superparamagnetism och superhydrophobicity som ger Gud stabilitet för magnetiska flytande droplet transport och manipulation ³¹. Detta släpptes bara så långt som ett proof-of-principle studera och inte används för alla program. För närvarande bedrivs i första metoder är magnetisk och elektrisk kontroll av flytande kulor. Zhao et al. 2010 ¹⁵ och Zhang et al. 2012 ²⁹ kunde utveckla en droplet manipulation av en permanent magnet under core-shell droppar manuell (handmanövrerade) rörelser. Bormashenko et al. ¹¹ genom att accelerationen av ferromagnetiska flytande marmor till en hastighet av 25 cm s^-1 närmar sig en neodymiummagnet. Principen ovan nämnda studier genomfördes uteslutande av manuell förflyttning av en liten permanentmagnet. Som ett nästa steg i utvecklingen kunde Zhao et al. nyligen att uppskatta den krävs magnetisk flödestäthet för förflyttning av magnetiska flytande marmor genom att variera avståndet av en permanentmagnet ³⁰. För en reaktion kontroll jämförbar med gemensamma lab-on-a-chip system verkar det oundvikligt att tillhandahålla medel för automatiserad kontroll av diskreta flytande volumes. För att tillgodose detta behov har utvecklat vi ett nytt styrsystem baserat på variabelfältet lutningar att fixera, flytta och öppna den magnetiska microreactors.

Protocol

1. Hydrophobization av magnetiska nanopartiklar för syntes av de hydrofoba magnetiska partiklarna, lägga till 0,85 g FeCl 3 hexahydrat (3,14 mmol) och 0.30 g FeCl 2 tetrahydrat (1.51 mmol) till 200 mL vatten/etanol lösningen (4:1 v/v). Till denna blandning, lägga till 0,20 mL 1H, 1H, 2 H, 2H-Perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) (5.23 mmol) med kraftig omrörning av en magnetisk omrörare (500 rpm). Utföra syntesen i en inert gasatmosfär (N 2) via en runda-bott…

Representative Results

Shell partiklarna har en diameter på cirka 640 nm. De magnetizable nanopartiklar inneslutna i denna fluorosilane shell partiklar har diametrar mellan 22 nm och 37 nm. En 5 µL microreactor med vatten som en flytande kärna hade en kontaktvinkel av runt 160°. Den kraft som behövs för att flytta en 10 µL microreactor som beskrivs ovan är 1,34 ± 0,08 µN. diagram 1 visar den elektromagnetiska kr…

Discussion

För en framgångsrik användning av mikrofabricerade teknik är det viktigt att flytta reaktion volymen motsvarar kraven i biotekniska syntes och analyser. Aktivering plattformen presenteras här gör det möjligt att flytta mikroflödessystem droppar genom magnetisk kraft. Rörelsen kan utföras fritt i två dimensioner på en plan yta av en reaktion plattform genom att omsluta flytande droppe med en magnetisk superhydrofobt skal. Således införs ett alternativt system till fördefinierade mikroflödessystem kanaler m…

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