利用磁珠作为液体载体的相图表征

摘要

本文介绍了一种利用外场控制的磁性微珠作为液体载体，在试管实验室（lab-in-tube）方法中研究多组分相图的实验方案。该方法有助于深入探究复杂液体体系中相变行为的相关应用。

摘要

使用平均直径约为1.9 µm的磁性微珠，通过管路在相邻的液段之间转移微升级别的液体，以研究这些液段的相变行为。磁性微珠由外部磁铁控制，使其能够跨越相邻液段之间的气阀。管路内表面涂有疏水涂层，以增强两个液段之间的分离效果。施加的磁场使磁性微珠形成聚集体簇，簇内截留一定量的液体，该体积被称为携带体积（carry-over volume）。在其中一个液段中加入荧光染料，随后进行一系列液体转移操作，导致相邻液段中的荧光强度发生变化。根据测得的荧光强度变化进行数值分析，发现每毫克磁性微珠的携带体积约为2至3 µl/mg。这种微量液体转移使得可使用体积仅为数百微升的较小液段，从而提高了该装置在“管中实验室”（lab-in-tube）方法中的可行性。该技术通过在液体体积中引入微小的组分变化，应用于水与表面活性剂C12E5（五乙二醇单十二醚）之间的二元相图分析，相比传统方法可使用更少的样品量并实现更快的分析。

引言

直径约为1微米的磁珠（MBs）已被使用^1,2 在基于微流控的应用中，尤其是在生物医学装置中，磁珠（MBs）的使用十分普遍。在这些装置中，磁珠提供了多种功能，例如细胞和核酸分离、造影剂以及药物递送等。外部磁场控制与基于液滴的微流控技术相结合，已实现³ 使用小体积样本对免疫测定进行控制（<100 nl）。当用于液体处理时，MBs 也展现出良好的应用前景⁴该方法利用磁珠在由气阀分隔的管内液体段之间运输生物分子。此方法虽不及以往报道的其他复杂芯片实验室装置功能强大，但其操作更为简便，且具备处理微升级液体体积的能力。近期已有类似方法被报道。⁵ 由Haselton团队开发并应用于生物医学检测。

该装置最重要的特点之一是表面张力控制的空气阀所提供的液段分离功能。在外加磁场的作用下，附着在磁珠（MBs）上的微升级液体体积可通过液段之间的气隙进行转移。在外加磁场作用下，直径约为0.4–7 µm（平均1.9 µm）的微粒磁珠会形成一种微孔结构簇，将液体截留在其中。这种液体截留的强度足以抵抗表面张力，在磁珠从一个储液池转移至下一个储液池的过程中保持液体不泄漏。通常情况下，这种效应是不利的，因为大多数方法仅希望运输液体中包含的特定分子（如生物标志物）⁶。然而，正如我们在研究中所展示的，这种效应可被有效利用，从而成为该装置的一个有利特性。

方案

1. 装置中一次性使用材料的准备

1. 管材准备
   1. 将管材切割为15 cm的片段。管材内径为1.6 mm，外径为3.2 mm。
   2. 使用胶带将管段垂直悬挂。在管子下方放置纸巾，以收集多余的氟聚合物溶液。
   3. 使用注射器向每段管子的顶端开口注入100 µl 氟聚合物溶液，使其与管内壁的整个圆周接触。
   4. 让管段静置悬挂1 hr ，以去除多余的氟聚合物溶液。
   5. 清理未滴落的管底残留氟聚合物溶液。将管段从悬挂位置取下，并丢弃纸巾。
   6. 将管段放入100 °C的烘箱中加热1 hr ，以退火氟聚合物涂层。
   7. 从烘箱中取出管段。使用镊子操作，因为管段温度较高。
2. 稀释磁珠溶液的制备
   1. 根据图2所示的磁珠质量与携带体积之间的关系，计算获得目标携带体积所需的磁珠浓度。
      注：原始磁珠溶液每50 ml 溶液中含有1 g磁珠。若测试腔体积为20 µl，可将原始磁珠溶液与蒸馏水按6:4（磁珠溶液:水）的比例稀释，以获得约0.4 µl的携带体积。当需要不同携带体积时，应调整稀释比例。
   2. 将一个20 ml 样品瓶置于微量天平上，归零天平。
   3. 振荡磁珠溶液容器，然后使用微量移液器吸取0.6 ml ....

结果

采用管中实验室方法进行转运 µl通过使用磁珠和MATLAB进行数值分析，发现液体残留体积的平均值随磁珠质量的变化而变化 （图2））。磁珠质量越大，带入体积也越高，比例为2-3 µl/mg实验装置（图1) 用于观察 H 内的相变₂O/C12E5二元体系。由于H₂O/C12E5 体系是广为人知的，具有多种不同的相态，这些相态可以在 图3B，它成为进一步表征我们装置的合适参考点。图中虚线 图3B 显示实验进行时的标称温度约为 ~ 20 °C从较短时间点（如0至90秒）开始仔细观察反应过程 图3C，到更长的时间，例如在1.5至25分钟内观察到的 图4。L₁ 至 L_α 相变被用于验证 H 中的携带体积₂O/C12E5 二元体系。短期观察显示，当所携带的水转移至 C12E5 表面活性剂腔室时，体系会相变为多种液晶相。然而，由于扩散过程持续进.......

讨论

在大多数常见的相图研究技术中，需要制备多种不同成分和比例的样品，并使其达到热力学平衡，这导致过程耗时较长且消耗大量材料。可通过使用平头毛细管和红外分析方法的DIT（扩散界面输运）法解决部分挑战，但这些方法均无法以较低的成本投入解决所有问题。

在该微流控“管中实验室”方法中，使用磁珠作为液体载体以检测相邻液段之间相变的可行性已得到验证。该方法可实现精确的组分变化，并可通过所示的数值分析技术预先确定。在对水-表面活性剂体系进行细微化学组成调整的同时，能够实时观察其变化，这在该装置中被证明具有重要价值。目前工业界用于分析相变的技术存在一些不利因素。成本始终是一个关注点，而在实验过程中能够使用C12E5等昂贵化学品的极小体积无疑是一项优势。同样，在减小样品尺寸的情况下，扩散过程所需等待时间也显著缩短。H₂O/C12E5体系相对复杂，当其组成发生变化时，可能需要很长时间才能稳定进入特定相态。尽管这些较长的扩散时间看似不利，但与工业实践中所采用方法的扩散时间相比，该技术显然在分析复杂体系组成方面迈出了进步性的一步。

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材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
AccuBead	Bioneer Inc.	TS-1010-1	磁珠
C12E5 表面活性剂	Sigma-Aldrich	76437
Thermo Scientific Nalgene 890	Fisher Scientific	14176178
立方磁铁	Apex Magnets	M1CU
偏振膜	Edmund Optics	38-493
Teflon AF	Dupont	400s1-100-1	氟聚合物溶液
Keyacid 红色染料	Keystone	601-001-49	荧光染料
Luer-Lock	Cole-Parmer	T-45502-12	雌性接头
Luer-Lock	Cole-Parmer	T-45502-56	雄性接头
注射器	Fisher Scientific	14-823-435	3 ml
注射泵	Stoelting	53130
体视显微镜	Nikon	SMZ-2T
倒置显微镜	Nikon	Eclipse Ti-U	所用滤光立方体的激发波长范围为 540–580 nm，二向色镜位于 585 nm，可允许 593–668 nm 范围内的光发射。
天平	Denver Instruments	PI-225D
显微镜载装相机	Motic	5000