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。

我们已采用这种“管中实验室”方法（如图1所示），用于分析二元材料体系的相图。表面活性剂C12E5被选为主要的表征对象，因其在制药、食品、化妆品等工业领域有广泛应用。特别是H₂O/C12E5二元体系，因其展现出丰富的相态而被深入研究。我们重点关注了该化学混合物的某一特定性质，即在特定浓度下向液晶相转变的过程^7-9。通过在光学显微镜研究中引入偏振片以凸显相界，该相变过程可在我们的装置中清晰观察到。

能够绘制相图是理解相变动力学的一个非常重要的研究领域¹⁰。由于表面活性剂与溶剂及其他组分之间的相互作用具有复杂性并可形成多种不同的相态，因此精确确定这些相互作用至关重要¹¹。以往已有多种技术被用于表征相变过程。传统方法包括制备大量样品，每个样品含有不同浓度的组分，并使其达到平衡，该过程需要较长的处理时间且消耗较多的样品体积。随后，通常采用光学方法对样品进行分析，例如扩散界面输运（DIT）法，该方法可对这类表面活性剂体系提供高分辨率的成像^12,13。与我们所采用的方法类似，DIT 方法利用偏振光来成像不同的相界面。

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 溶液。
   4. 将移液器中的溶液排入天平上的样品瓶中。
   5. 向样品瓶中加入0.4 ml 蒸馏水。
3. 荧光染料溶液的制备
   1. 将2 wt.%染料加入去离子水中，通过涡旋振荡1分钟使其溶解。

2. 荧光实验实验装置的准备

1. 管路装置的准备。
   1. 将一个雌性鲁尔锁接头插入管路的一端。
   2. 将管路插入一个容积为 3 ml 、刻度为 0.1 ml 的鲁尔锁注射器中。
   3. 将注射器放入注射泵，并将流速设定为 2 ml/hr。
   4. 为准确将液体注入管路，使用注射泵回吸含有磁珠和荧光染料的溶液。
   5. 使用注射泵回吸方式将 20 µl 磁珠溶液注入管路中。该液体段称为测试腔（测试腔体积可根据实验需要调整）。将磁珠溶液容器涡旋震荡 1 min ，并在回吸过程中手动振荡，以形成均匀的磁珠分散液。
   6. 完成测试腔液体注入后，回吸 6 µl 空气进入管路。该体积的空气将在两个液体段之间形成一个气阀。
   7. 完成气隙插入后，开始回吸 180 µl 含荧光染料的液体。该液体段称为储液腔。储液腔体积可根据实验需要调整。较大的储液腔体积有助于最小化染料浓度的变化。
   8. 在管路的另一端安装第二个雌性鲁尔锁接头。
   9. 将管路装置从注射器上取下。
   10. 在装置的两端均安装鲁尔锁帽。
2. 荧光实验的光学系统设置
   1. 打开与倒置显微镜连接的所有组件。
   2. 启动计算机并打开显微镜成像软件。

3. 荧光实验的实验步骤

1. 使用倒置显微镜测量测试腔室和储液区的初始荧光强度。分析样品荧光时，确保焦平面位于管内液段中心位置（x 和 y 方向均居中）。将测量结果记录在数据表格中。
2. 将装置置于立方磁铁上方，使磁珠全部聚集到测试腔室的某一区域。通过将装置移至磁铁上方（约 10 秒）将磁珠转移至储液区。该 1 英寸钕铁硼立方磁铁为 N48 级，拉力为 45.6 kg。
3. 当磁珠簇通过气隙进入储液区后，将装置置于磁铁上方并旋转以搅动磁珠，释放被包裹在磁珠簇内的液体。持续搅动磁珠直至储液区液体均匀混合（约 30–45 秒）。
4. 将装置置于磁铁上方，使储液区内的磁珠全部聚集到某一区域，然后将磁珠簇转移回测试腔室。
5. 当磁珠簇到达测试腔室后，将装置置于磁铁上方并旋转以搅动磁珠，释放其中包裹的荧光液体。持续搅动磁珠直至测试腔室内的液体完全均一化（约 30–45 秒）。
6. 使用倒置显微镜测量测试腔室和储液区的荧光强度，并将测量结果记录在数据表格中。
7. 重复步骤 3.2–3.6，直至两个液段的荧光强度趋于一致（约 100 个循环）。

4. 荧光数据的数值分析

1. 将荧光强度数据存入电子表格后，使用 MATLAB 进行数值分析。
2. 推导方程以计算储液池和测试腔室内荧光强度的理论值。将以下方程整合到一个 MATLAB 脚本文件中：
   其中 I 表示荧光强度（A.U.），V 表示体积（µl），n 表示转移次数，R 表示储液池，T 表示测试腔室，C 表示残留量。
3. 使用 MATLAB 生成图表并进行分析，以确定所有实验中的残留体积。利用该数据生成图 2。

5. 表面活性剂实验的实验装置准备

1. 管路装置的准备。
   1. 将一个雌性鲁尔锁接头插入管路的一端。
   2. 将管子插入鲁尔锁注射器中。
   3. 将注射器放入注射泵，并将流速设置为 2 ml/hr。
   4. 为准确地将液体注入管路中，使用注射泵抽吸含有磁珠和表面活性剂的溶液。
   5. 使用注射泵抽吸 20 µl 磁珠溶液进入管路。该液体段称为测试腔（测试腔体积可根据实验需要调整）。在抽吸过程中手动振荡磁珠溶液容器，以形成均匀的磁珠分散液。
   6. 完成测试腔液体注入后，抽吸 6 µl 空气进入管路。该体积的空气后续将称为空气间隙。
   7. 完成空气间隙注入后，开始抽吸 180 µl 纯 C12E5 表面活性剂。该部分后续将称为储液段。
2. 表面活性剂实验的光学装置设置。
   1. 移动带有管路装置的注射泵，使含有磁珠的测试腔位于体视显微镜的焦平面上。
   2. 将一片偏振膜放置在 LED 光源上方。将 LED 光源滑至连接在注射泵上的管路下方。
   3. 使用胶带将另一片偏振膜固定在体视显微镜的镜头上。确保两片偏振膜之间呈 90 度角偏置。
   4. 将 CCD（电荷耦合器件）相机安装到体视显微镜上。将相机连接至计算机并打开成像软件。

6. 表面活性剂实验的实验步骤

1. 将立方磁铁放置在测试腔旁边，同时将磁铁固定在支架上。
2. 当磁珠形成聚集体后，以 2 ml/hr 的进样速率开始通过注射泵推动管路中的液体，使磁珠聚集体从测试腔移动，经过气隙，进入表面活性剂储液腔。
3. 当磁珠聚集体到达储液腔中点位置时，停止注射泵的泵送。
4. 将立方磁铁移离管路，使磁珠分散，从而缩短磁珠聚集体中滞留液体的扩散时间。
5. 观察计算机屏幕，查看 H₂O/C12E5 混合物经历不同相态的变化过程。
6. 当液体的扩散和相变完成后，将磁铁重新放回储液腔附近原位置，使磁珠重新形成聚集体。
7. 使用注射泵抽出液体，使磁珠聚集体从表面活性剂储液腔经气隙返回至 H₂O 测试腔。
8. 当磁珠聚集体到达测试腔中点位置时，停止注射泵的泵送。
9. 将立方磁铁移离管路，使磁珠分散，有助于缩短磁珠聚集体中滞留液体的扩散时间。
10. 观察计算机屏幕，查看 H₂O/C12E5 混合物经历不同相态的变化过程。
11. 当液体的扩散和相变完成后，将磁铁重新放回测试腔 附近的原位置，使磁珠重新形成聚集体。
12. 重复步骤 6.2–6.11，直至测试腔中出现明显的相变现象。

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