用作酶反应器的水滴及其电磁驱动

该设备的总体目的是提供一种新的微流控平台技术，实现小水滴中的自动级联反应。该方法可以通过重现微生物的反应序列、使用酶进行复杂的反应序列和筛选新的催化剂来帮助回答合成生物学领域的关键问题。我们的 Lab-in-a-drop 方法的主要优点是适应性很强。

与基于通道的微流体芯片相反，唯一的先决条件是亲水反应环境。虽然这种方法可以提供对酶促反应的见解，但它也可以应用于其他系统，例如无机催化剂或配体串。当我尝试设计一种具有集成产品分离但没有复杂的阀门和分离器系统的微流体装置时，我第一次想到了这种方法。

通过将反应溶液作为液滴移动，反应控制变得非常简单。首先，用 3D 打印线圈体进行设计。然后，使用绕线机用 08 毫米铜线将主体缠绕 4500 次。

将 Peltier 元件放在电板上。将第一层线圈拧到 Peltier 元件上，形成一个正方形。然后，用 3D 打印的塑料框架或其他非导电材料将第二层线圈固定在顶部。

用带状电缆将电板连接到磁铁控制器。将钕磁铁插入线圈。将一毫米厚的石英玻璃或塑料板放在线圈矩阵的顶部。

用螺丝将盖子固定到位，以完成驱动平台的组装。要在惰性气氛下开始纳米颗粒合成，首先将 85 克氯化铁 （III） 六水合物和 3 克氯化铁 （II） 四水合物悬浮在 200 毫升四比一的水-乙醇溶液中。然后，加入 0.2 毫升 PFOTES，并用磁力搅拌棒以 500 RPM 的速度搅拌混合物。

向混合物中加入 1.5 摩尔氢氧化铵，使 pH 值为 8.0。然后继续搅拌溶液 24 小时，得到疏水性磁性纳米颗粒。将具有 25 kg 粘附力的条形磁铁贴在反应瓶底部。

倒出溶液，用四比一的水-乙醇溶液洗涤颗粒 3 次。取下磁铁并在 60 摄氏度下干燥颗粒 24 小时。用扫描电子显微镜表征颗粒。

在 0.1 摩尔 pH 6.5 磷酸钾缓冲液中，用 10 毫摩尔过氧化氢配制 0.1 μg/mL 辣根过氧化物酶的溶液。然后，在磷酸钾缓冲液中制备荧光探针 10-乙酰基-3,7-二羟基吩恶嗪的 20 微摩尔溶液。然后，使用玻璃研钵和研杵轻轻研磨干燥的纳米颗粒。

将颗粒转移到聚苯乙烯秤盘中，加入 10 微升过氧化物酶溶液。轻轻旋转锅约 10 秒，以实现纳米颗粒在过氧化物酶溶液周围的自组装。将此微反应器转移到驱动平台。

用 10 μL 荧光探针溶液重复此过程，并将第二个微反应器放在平台上。将剩余的颗粒储存在室温下。使用 Peltier 元件将微反应器中的反应溶液保持在 25 摄氏度。

将荧光显微镜安装在微反应器上方约 10 毫米处，并将显微镜连接到计算机。使用磁控激活磁体并转动以将荧光探针溶液的微反应器定位在显微镜下。打开激发灯。

抬起线圈磁铁以打开微反应器并开始记录荧光显微镜图像。2 到 5 秒后，降低磁体以关闭微反应器。然后，使用磁体控制将过氧化物酶微反应器移动到荧光微反应器附近。

打开荧光探针微反应器。将过氧化物酶微反应器拉入探针微反应器并打开，引发反应。通过荧光显微镜监测反应，根据需要打开和关闭合并的微反应器。

微反应器是通过用疏水性铁纳米颗粒对溶液液滴进行编码而形成的。这些微反应器可以通过在驱动平台下纵钕磁铁来移动、打开、关闭和合并。驱动平台也可以用线圈体中的铁芯构成。

这提供了足够的磁力，使微反应器移动 10 毫米以上，但不足以打开微反应器。因此，必须使用钕磁铁在小体积溶液中进行反应。进行过氧化物酶和荧光标记之间的代表性酶促反应，并通过荧光显微镜监测。

Michaelis 提到的反应过程中观察到的动力学与文献值非常吻合，表明微反应器设置不会影响反应进程。看完这个视频，你应该对如何合成疏水微粒和用它们生成水性微滴有了很好的了解。该平台技术可用于通过液滴合并进行自动反应控制。

此外，填充有底物的单个微反应器可以在带有动员酶的小表面区域的顶部移动。使用具有不同酶的多个固定区可实现具有可运输和即时产物的连续反应级联反应。这个原型开发只是一个开始。

目前，我们正在反应平台上方实施自动分配系统，以将固定化酶重新放置在任何位置。线圈矩阵将增加到 10 乘以 10 位。这项技术可以为计算机控制的生化反应序列的规划和执行铺平道路。