Sulu damlacıkları enzimatik Microreactors ve onların elektromanyetik çalıştırma kullanılan
Summary
Laboratuvar içinde bırak tepki sistemleri karmaşık tepkiler çok yönlü uygulanması bir mikrosıvısal ölçeğinde izin verir. Elektromanyetik bobinler bir 3 x 3 matris oluşan bir otomatik çalıştırma platformu geliştirilmiştir ve başarıyla birleştirme iki 10 µL microreactors için kullanılan ve böylece elde edilen sıvı mermer bir enzimatik reaksiyon başlatabilir.
Abstract
PCR ve Elektroforez, gibi mikrosıvısal tepki sistemleri başarılı uygulanması için küçük sıvı birimleri hareketi esastır. Geleneksel laboratuvar-Tarih-a-chip-platformlarında, çözücüler ve örnekleri karmaşık akış denetimi yüklemelerinin ile tanımlanmış mikrosıvısal kanallar aracılığıyla geçirilir. Burada sunulan damlacık çalıştırma platformu gelecek vaat eden bir alternatiftir. Bununla beraber, sıvı damla (microreactor) bir tepki platformu (laboratuvar-içinde-a-damla) düzlemsel bir yüzeye taşımak mümkündür. Microreactors platformu hidrofobik yüzey üzerinde çalıştırma manyetik kuvvetler superhydrophobic manyetit parçacıklar ince bir tabaka halinde yapılan Dış kabuğun sıvı damla üzerinde hareket kullanımı temel alır. Platformun hidrofobik yüzey sıvı çekirdek ve microreactor düzgün bir hareket sağlamak için yüzey arasında herhangi bir temas önlemek için gereklidir. Platformda, bir veya daha fazla microreactors 10 µL hacimleri ile konumlandırılmış ve aynı anda taşındı. Platformu kendisi Neodim veya demir çekirdeği yerleştirmek elektrik çift bobin ise ışını bir 3 x 3 matris oluşur. Manyetik alan degradeler otomatik olarak kontrol edilir. Manyetik alan degradeler varyasyon tarafından microreactors manyetik hidrofobik kabuk otomatik olarak microreactor taşımak veya kabuk geri dönülebilir olarak açmak için manipüle edilebilir. Yüzeylerde ve ilgili enzimler reaksiyonları microreactors birleştirilmesi veya temas yüzey immobilize katalizörler duruma getirmeden tarafından başlatılabilir.
Introduction
Mikro reaksiyonlar ile teknik uygulamaları önceden tanımlanmış microchannel fiş ağırlıklı olarak devam etmektedir. Bu sistemleri yaygın olarak kurulan ve kapsamlı bir şekilde literatürde açıklanan (Inter alia 1,2,3). 2011 yılında 6,2 milyar euro 4mikrosıvısal teknolojileri dünya çapında cirosunun buldu. Buna ek olarak, özgürce hareketli mikro reaktör bölmeleri kullanımı daha önce sadece muayene ve sınırlı bir ölçüde yayınlandı. Sulu mikro damlacıkları taşımak için en yaygın yöntem electrowetting 5‘ tir. Damla yüzeylerde hareket için diğer yöntemleri elektrik alanlar 6, Manyetik kuvvet 7 veya akustik çalıştırma 8üzerinde temel alır. Hacim oranı onların olumsuz yüzeyine nedeniyle, bu microreactor damlacık tabanlı sistemler güçlü buharlaşma etkilere maruz kalır. Böylece, açılan hareket genellikle üst aşama buharlaşma sulu faz koruma yüksek kaynama noktasına sahip olduğu sıvı iki aşamalı bir sistem olarak kuruldu. Bununla birlikte, bu yaklaşım tepki damlacık tarafından kontrol edilmeyen Difüzyon kirletici yüksek risk içerir. Bu bahsedilen sistemlerinin teknik kurulması için önemli bir engeldir.
Son iş yapışık olmayan sıvı-katı faz geçişleri ile ilgilidir. Superhydrophobic yüzeyler, küresel sulu damlacıkları oluşumunu sağlayan kullanımı son derece etkili bir yaklaşımdır. Mikro tepki bölmeleri bir superhydrophobic yüzey veya kabuk, politetrafloroetilin (PTFE) parçacıklar 9örneğin oluşabilir kullanımı bu reaksiyon kavramı bir uzantısıdır. Kişi kendi açıları yüzeylerde genellikle (bağlı olarak yüzey pürüzlülüğü) 160 ° arasındadır. Küresel bölmeleri böylece bir yüzey üzerinde hareket en az direnç sağlamak ve aynı anda su buharlaşma karşı koruma sağlar.
Mikro ölçekli PTFE parçacıkları ile kaplı sulu damla çapı yaklaşık 2 mm kadar küresel kendi şeklini korumak. Daha yüksek birimleri hidrofobik kabuk genellikle tamamen artık 10kapalı değil. Diğer kabuk malzeme etkisi ve nonpolar çözücüler sıvı mermer uygulama alanının genişlemesi Gao ve McCarthy tarafından iyonik sıvılar 12kullanarak uygulanmıştır. Hidrofobik parçacık dayanarak kabuklarını oluşumu için ana kadar açıklanan 11,14,16parçacık çapı 10 nm-30 µm boyutlarda oldu. Yeni çalışmalar kabuk malzeme olarak hidrofobik nano tanecikleri microparticles 13bundan daha iyi kullanım olduğunu gösterdi. İlk istikrar çalışmalar doğruladı bir artış istikrar üzerinden parçacık boyutu küçüldüğünde ca. 600 nm ca. 100 nm için. Bu olası sonuçları sulu küre 15çevresinde yoğun parçacık dağılımından.
Sulu tepki bölmeleri sıvı mermerler olarak kendi tayin ve hidrofobik kabuğu korunması ilk Aussillous vd ve Mahadevan vd. 2001 yılında tanımlanmıştır 17 , 18. o zamandan beri bu tanımlanmış tepki bölmeleri birkaç uygulama tarif edilmistir. Örneğin, sıvı mermerler 19 ve tabanlı bir optik nitel olarak su kirliliği için bir algılama yöntemi dayalı bir gaz sensörü gelişmiş 20olmuştur. Yazarlar yüksek tepki oranları avantajları ve kimyasallar mikro tepki sistemlerinin düşük tüketim farkı. Son yayınlar pH duyarlı sıvı mermerler 16 üretimi veya ‘Janus parçacıklar’ temsil farklı işlevler iki farklı kaplamalar ile uğraşmak. Örneğin, Bormashenko ve ark. Teflon ve yarıiletken karbon siyah 21kabukları ile bir microreactor sentez. Ayrıca microreactors verimli olabilir gösterilmiştir ve uygun olarak comonomer den geçirgen gaz-sıvı arayüzey 24dış oksijen emerek polyperoxides sentez. Başka bir yaklaşım sıvı mermerler silis-parçacık tabanlı kabuk klasik gümüş ayna tepki 26düzenleyen reaktif substrat yüzeyler sağlar. Araştırma ve geliştirme alanında hidrofilik-core-hidrofobik-kabuk damlacıkları için geçerli sorunları parçacık boyutu ayarlama, monodisperse damlacıkları tekrarlanabilir üretimi, yüzeylerin wettability ve ikinci bir etkisi vardır hidrofilik kabuk damlacık yörüngeler, örneğin sürekli microPCR-sistemleri 4geliştirilmesi için bir daha iyi kontrol yanı sıra mikro tepki bölmeleri 22.
Bu microreactors manyetik bir çalıştırma ve gücü iyi bir seçicilik ve nispeten yüksek hareket aralıkları yararlanmak biyokimyasal sistemlerinde çalışırken sunmaktadır. Hidrofobik manyetit parçacıkları kullanırken, hem Manyetik kuvvet iletim microreactors hareketine işlevinin yanı sıra hidrofobik bir kabuk işlevi yerine getirmek. Lehmann ve ark. tarafından 2006 yılında ilk kez bir damlacık manyetik partikülleri ile damlacıkları manyetik hareket öne 23 ve Shikida vd. Kim el ile kullanılan 25, Kalıcı mıknatıslar aktüatörler tek bir damlacık seferberlik için alındı. Küçük bir miktar sıvı taşımak için başka bir yaklaşım hidrofobik Fe3O4 parçacıklar manyetik kabuk olarak kullanılan Zhao vd.tarafından gerçekleştirildi. Manyetik sıvı mermer kabuk damla üst tarafında dikey ters manyetik alan 27tarafından açıldı. Bu kavram üzerinde bağlı olarak, Xue vd. yüzey gerilimi 20,1 dyne cm– 1 28ile microreactor oluşturan parçacıklar geliştirmek mümkün. Lin ve ark. manyetik sıvı damlacık ulaşım ve manipülasyon 31için Tanrı istikrar sağlayan roman selüloz tabanlı Mikro/nano hiyerarşik küreler hem superparamagnetism hem de superhydrophobicity ile imal edilmiştir. Bir kanıtı-of-ilke eğitim ve herhangi bir uygulama için kullanılacak değil gibi bu defa sadece yayımlanmıştır. Sıvı mermerler manyetik ve elektrik kontrollerinin şu anda ilk yaklaşımlar takip etti. Zhao ve ark. 2010 15 ve Zhang vd. 2012 29 Daimi Mıknatıs çekirdeği-kabuk damlacıkları altında manuel (elle işletilen) hareketi tarafından bir damlacık işleme geliştirmek başardık. Bormashenko vd. 11 ferromanyetik sıvı mermeri 25 cm s-1 hız hızlanma Neodim Mıknatıs yaklaşan tarafından elde. Çalışmalar sadece küçük bir Daimi Mıknatıs manuel hareketi tarafından yürütülen yukarıda belirtilen ilke. Bir sonraki gelişim adım olarak, Zhao ve ark. son zamanlarda manyetik sıvı mermer hareketi için gerekli manyetik akı yoğunluğu Daimi Mıknatıs 30mesafesini değiştirerek tahmin edebilirsiniz. Ortak laboratuvar-on-a-chip sistemleri karşılaştırılabilir bir reaksiyon denetim için ayrı sıvı v otomatik kontrol anlamına gelir sağlamak için kaçınılmaz görünüyorolumes. Bu ihtiyacı karşılamak için sabitleştirmek, hareket ve manyetik microreactors açmak için değişken alan degradeler dayalı yeni bir kontrol sistemi geliştirdi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikrosıvısal teknolojilerin başarılı kullanımı için Biyoteknolojik sentezi ve analizleri gereksinimlerine karşılık gelen tepki hareket önemlidir. Burada sunulan çalıştırma platformu Manyetik kuvvet tarafından mikrosıvısal damlacıkları taşımayı mümkün kılan. Hareket serbestçe bir tepki platformu düzlemsel bir yüzeye iki boyutta bir manyetik superhydrophobic kabuk ile sıvı damla içine alarak gerçekleştirilebilir. Böylece önceden tanımlanmış mikrosıvısal kanalları ile karmaşık ak…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar DFG destek için kabul etmek istiyorum.
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).
