Fase Diagrama Caracterización utilizando perlas magnéticas como vehículos líquidos

Resumen

Aquí, presentamos un protocolo para investigar diagramas de fase multicomponente utilizando perlas magnéticas controladas externamente como portadores de líquido en un enfoque de laboratorio en tubo. Este enfoque puede ayudar en aplicaciones que buscan recopilar más información sobre el cambio de fase en sistemas líquidos complejos.

Resumen

Las perlas magnéticas con ~ 1,9 m de diámetro promedio fueron utilizados para transportar volúmenes de microlitros de líquidos entre segmentos contiguos líquidos con un tubo para el propósito de investigar el cambio de fase de los segmentos líquidos. Las perlas magnéticas fueron controlados externamente usando un imán, lo que permite para las perlas para cerrar la válvula de aire entre los segmentos de líquido adyacentes. Un recubrimiento hidrófobo se aplica a la superficie interior del tubo para mejorar la separación entre dos segmentos líquidos. El campo magnético aplicado formó un clúster agregado de perlas magnéticas, la captura de una cierta cantidad de líquido dentro de la agrupación que se conoce como volumen de arrastre. Un colorante fluorescente se añadió a un segmento líquido, seguido de una serie de transferencias de líquidos, que luego cambió la intensidad de fluorescencia en el segmento de líquido vecina. Basándose en el análisis numérico de la intensidad de fluorescencia medido cambio, se ha encontrado el volumen arrastre por masa de perlas magnéticasser ~ de 2 a 3 l / mg. Esta pequeña cantidad de líquido permitido para el uso de comparativamente pequeños segmentos líquida de un par de cientos de microlitros, la mejora de la viabilidad del dispositivo para un enfoque de laboratorio en tubo. Esta técnica de aplicar pequeña variación composicional en un volumen de líquido se aplicó a analizar el diagrama de fase binaria entre el agua y el agente tensioactivo C12E5 (éter de monododecilo de pentaetileno glicol), lo que lleva a un análisis más rápido con volúmenes de muestra más pequeños que los métodos convencionales.

Introducción

Las perlas magnéticas (MBS) en el orden de 1 micrómetro de diámetro se han utilizado muy a menudo en ^1,2 aplicaciones basadas en microfluidos, en particular para dispositivos biomédicos. En estos dispositivos, MBs han ofrecido capacidades tales como la celular y la separación de ácido nucleico, agentes de contraste, y la administración de fármacos, para nombrar unos pocos. La combinación de control externo (campo magnético) y microfluídica basada en gotitas ha permitido ³ de control de los inmunoensayos que usan volúmenes pequeños (<100 nl). MBs también han mostrado una promesa cuando se utiliza para el manejo de ^líquido 4. Este enfoque utiliza los MBs para el transporte de biomoléculas entre segmentos de líquido dentro de un tubo separados por una válvula de aire. Este método no es tan potente como otros dispositivos más complejos lab-on-chip visto en el pasado, pero es mucho más simple y no ofrecen la capacidad de manejar volúmenes microlitro de tamaño de líquido. Un enfoque similar se ha descrito recientemente por el grupo de ⁵ Haselton y se aplica a biomédicaensayos.

Uno de los aspectos más importantes de este dispositivo es la separación del segmento líquido ofrecido por la válvula de aire controlado por tensión superficial. Volúmenes microlitro de líquido conectados a MBs son transportados a través de este espacio de aire entre los segmentos de líquidos utilizando un campo magnético aplicado externamente. MBs de micropartículas (desde ~ 0,4-7 micras de diámetro con una media de 1,9 micras) bajo el efecto del campo magnético externo crear un clúster microporosa que atrapa líquido dentro. La fuerza de este atrapamiento de líquido es suficiente para resistir las fuerzas de tensión superficial en el transporte de los MBs de un depósito a la siguiente. Típicamente, este efecto no es deseable, ya que la mayoría de los enfoques sólo quieren transporte de moléculas específicas (tales como biomarcadores) contenidos dentro de los líquidos ^6. Sin embargo, como se puede ver en nuestro trabajo, este efecto puede ser utilizado para convertirse en un aspecto positivo del dispositivo.

Hemos utilizado este "laboratorio en tubo"Enfoque, que se muestra esquemáticamente en la Figura 1, para el análisis de los diagramas de fase en sistemas de materiales binarios. El tensioactivo C12E5 ha sido elegido como el foco principal de la caracterización, ya que se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales tales como productos farmacéuticos, productos alimenticios, cosméticos, etc. En particular, el H ₂ sistema binario O / C12E5 fue investigada, ya que proporciona un rico conjunto de fases para explorar. Nos hemos centrado en un aspecto específico de esta mezcla química, es decir, las transiciones a fases cristalinas líquidas en determinadas concentraciones ^7-9. Esta transición se observa fácilmente en nuestro dispositivo mediante la incorporación de los polarizadores en los estudios de microscopía óptica con el fin de poner de relieve los límites de fase.

Ser capaz de mapear los diagramas de fase es una zona muy importante de estudio para entender la cinética involucrados con transición de fase ^10. La capacidad para determinar con precisión la interacción de agentes tensioactivos con disolventes unand otros componentes es crucial debido a su complejidad y muchas fases distintas ^11. Muchas otras técnicas se han utilizado previamente para caracterizar el cambio de fase. El enfoque convencional consiste en hacer muchas muestras, cada uno compuesto de diferentes concentraciones y permitiendo que se equilibren, que requiere largos tiempos de procesamiento y alta cantidad de volúmenes de muestra. A continuación, las muestras se analizan típicamente por métodos ópticos tales como el transporte difusivo interfacial (DIT), que ofrece alta resolución de tales composiciones de agentes tensioactivos ^12,13. Al igual que en el método que hemos utilizado, el método DIT utiliza luz polarizada para imagen límites de fase distintas.

Protocolo

1. Preparación de una sola vez Uso de Materiales en Device

1. Preparación de tubo
   1. Cortar la tubería en 15 cm segmentos. Tubería tiene 1,6 mm de diámetro interior y 3,2 mm de diámetro exterior.
   2. Segmentos de tubo Colgar verticalmente con cinta. Coloque la toalla de papel por debajo de los tubos para recoger el exceso de solución de polímero fluorado.
   3. Inyectar 100 l de solución de polímero fluorado en la abertura superior de cada segmento de tubo usando la jeringa, de manera que entre en contacto con toda la circunferencia en la-pared interna.
   4. Permitir a segmentos de tubo para colgar en su lugar durante 1 hora para eliminar el exceso de cantidad de solución de polímero fluorado.
   5. Limpie cualquier solución fluoropolímero de lado inferior del tubo que no gotee fuera. Retire la tubería desde la posición que cuelga y disponer de toallas de papel.
   6. Segmentos Place tubo en horno a 100 ° C durante 1 hora para recocer la capa de revestimiento de fluoropolímero.
   7. Retire segmentos de tubo del horno. Utilice pinzas, como seg tubomentos estarán calientes.
2. Preparación de la solución de perlas magnéticas diluido
   1. Calcular la concentración de perla magnética necesaria para alcanzar el volumen arrastre deseada, según lo determinado por la relación entre arrastre de volumen y masa MB se muestra en la Figura 2.
      Nota: La solución MB original tiene 1 g de MBs en 50 ml de solución. Teniendo en cuenta un volumen de cámara de prueba de 20 l, diluir la solución MB original con agua destilada a una relación de 6: 4 (solución MB: agua) para obtener un volumen arrastre de ~ 0,4 l. Ajuste relación de dilución cuando se desea diferente volumen de arrastre.
   2. Colocar un vial de 20 ml de muestra en un micro-equilibrio. Cero el equilibrio.
   3. Agitar el envase de la solución perla magnética, a continuación, retirar 0,6 ml utilizando un micro-pipeta.
   4. Prescindir de solución de pipeta en el frasco de la muestra en el equilibrio.
   5. Dispensar 0,4 ml de agua destilada en el vial de muestra.
3. Fluorescente tinte lpreparación iquid
   1. Disolver 2 wt.% De un colorante en agua DI por agitación de la solución durante 1 min.

2. Preparación de la instalación experimental para experimentos de fluorescencia

1. Preparación del dispositivo de tubo.
   1. Insertar un conector Luer-lock hembra en un extremo de la tubería.
   2. Se coloca el tubo en una jeringa Luer-lock que tiene un volumen de 3 ml y 0,1 ml de la graduación.
   3. Coloque la jeringa en la bomba de jeringa y fijar la velocidad de alimentación a 2 ml / hr.
   4. Para la inserción precisa de los líquidos en el tubo, utilizar la bomba de jeringa para extraer la solución que contiene las perlas magnéticas y colorante fluorescente.
   5. Inserto 20 l de solución de perlas magnéticas en el tubo de retirada utilizando una bomba de jeringa. Este segmento de líquido se conoce como la cámara de prueba (volumen de la cámara de prueba puede variar dependiendo del experimento). Vortex el recipiente con solución perla magnética durante 1 min y luego agitar a mano durante el ciclo de retirada para formar MB dispersiones uniformes.
   6. Después de que se llegó a la conclusión de inserción líquido cámara de prueba, retirar 6 l de aire en el tubo. Este volumen de aire más tarde formará una válvula en entre los dos segmentos líquidos.
   7. Una vez finalizada la inserción espacio de aire, comenzará la retirada de 180 l de líquido con colorante fluorescente. Este segmento de líquido se conoce como el depósito. Volumen del depósito puede variar dependiendo del experimento. Volumen del depósito más grande es beneficioso para reducir al mínimo el cambio de concentración de colorante.
   8. Coloque un segundo conector Luer-lock hembra en el otro extremo del tubo.
   9. Retire el dispositivo de tubo de la jeringa.
   10. Coloque tapas Luer-lock en ambos extremos del dispositivo.
2. Configuración óptica para los experimentos de fluorescencia
   1. Encienda todos los componentes conectados al microscopio invertido.
   2. Encienda el ordenador y abra el software de imágenes de microscopio.

"Procedimiento Experimental 3.> Para experimentos de fluorescencia

1. Tomar la medida de intensidad de fluorescencia inicial de la cámara de prueba y el depósito utilizando el microscopio invertido. Al analizar la fluorescencia de la muestra, asegúrese de que la atención se centra en la posición central (en ambas direcciones xey) del segmento de líquido dentro del tubo. Mediciones de registro en la hoja de cálculo de datos.
2. Coloque el dispositivo sobre la parte superior del imán del cubo de tal manera que las perlas magnéticas todas segregan a un área en la cámara de prueba. Transferencia de las perlas para el depósito moviendo el dispositivo sobre la parte superior del imán (~ 10 seg). El imán de neodimio cubo de 1 pulgada es de grado N48 con una fuerza de tracción de 45,6 kg.
3. Una vez clúster perla magnética se transfiere a través del espacio de aire y en el depósito, agitar las perlas magnéticas colocando el dispositivo sobre la parte superior del imán y de rotación para liberar el líquido que se está atrapado dentro de la agrupación. Continuar la agitación de las perlas magnéticas hasta homogeneización del depósito ha sidocompletado (~ de 30-45 seg).
4. Coloque el dispositivo sobre la parte superior del imán de manera que las perlas magnéticas en el depósito de todos segregar a una área. Transferir el cúmulo de cuentas magnéticas de nuevo a la cámara de prueba.
5. Una vez que el grupo alcanza la cámara de prueba, agitar las perlas magnéticas colocando el dispositivo sobre la parte superior del imán y de rotación para liberar el líquido fluorescente atrapado dentro. Continuar la agitación de las perlas magnéticas hasta homogeneización de la cámara de prueba se ha completado (~ de 30-45 seg).
6. Tome medidas de intensidad de fluorescencia tanto de la cámara de prueba y el depósito utilizando el microscopio invertido. Mediciones de registro en la hoja de cálculo de datos.
7. Los pasos 3,2 a 3,6 se repiten hasta que ambos segmentos líquidos convergen para intensidades similares de fluorescencia (~ 100 ciclos).

4. Numérica Análisis de Datos fluorescente

1. Con los datos de intensidad fluorescentes almacenados en una hoja de cálculo, realice el análisis numérico utilizando MATLAB.
2. Derive ecuaciones para calcular un valor teórico de la intensidad de la fluorescencia tanto en el depósito y la cámara de prueba. Incorporar las siguientes ecuaciones en un archivo de secuencia de comandos de MATLAB:
   donde I es la intensidad de fluorescencia (AU), V es el volumen (l), n es el número de transferencias, R es el reservorio, T es la cámara de ensayo, y C es llevar a-over.
3. Usando MATLAB, generar parcelas y analizar para determinar el volumen de arrastre para todos los experimentos. Utilice estos datos para producir la figura 2.

5. Preparación de la instalación experimental para experimentos de tensioactivos

1. Preparación del dispositivo de tubo.
   1. Inserte una hembra Luer-lock en un extremo de la tubería.
   2. Se coloca el tubo en una jeringa Luer-lock.
   3. Coloque la jeringa en la bomba de jeringa y fijar la velocidad de alimentación a 2 ml / hr.
   4. Para la inserción precisa de los líquidos en el tubo, utilizar la bomba de jeringa para extraer la solución que contiene las perlas magnéticas y surfactant.
   5. Inserte solución grano 20 l magnética en el tubo mediante la retirada de la bomba de jeringa. Este segmento de líquido se conoce como la cámara de prueba (volumen de la cámara de prueba puede variar dependiendo del experimento). Agite el recipiente con solución perla magnética con la mano durante el ciclo de retirada para formar MB dispersiones uniformes.
   6. Después de que se llegó a la conclusión de inserción líquido cámara de prueba, retirar 6 l de aire en el tubo. Este volumen de aire más adelante se refiere como el espacio de aire.
   7. Una vez finalizada la inserción espacio de aire, comenzará la retirada de 180 l de tensioactivo C12E5 puro. Esto más tarde ser referido como el depósito.
2. Configuración óptica para experimentos de surfactante.
   1. Mueva la bomba de jeringa con dispositivo de tubo de tal manera que la cámara de ensayo con perlas magnéticas está en foco con el microscopio estereoscópico.
   2. Coloque una hoja de película polarizador en la parte superior de una fuente de luz LED. Deslice la fuente de luz LED debajo del tubo adherido ala bomba de jeringa.
   3. Adjunte otra película polarizador en la lente del microscopio estéreo utilizando cinta. Asegúrese de que las dos películas polarizador tienen un desfase de uno a 90 grados.
   4. Montar un CCD (dispositivo de carga acoplada) cámara al microscopio estereoscópico. Conecte la cámara al ordenador y abrir el software de imágenes.

6. Procedimiento experimental para experimentos de tensioactivos

1. Coloque el imán del cubo al lado de la cámara de prueba mientras que el imán está montado sobre un soporte.
2. Una vez que las perlas magnéticas forman un clúster, comenzar el bombeo de líquidos en el tubo en la velocidad de alimentación de 2 ml / hr de tal manera que el clúster perla magnética se mueve desde la cámara de prueba, a través del entrehierro, y en la cámara de depósito de agente tensioactivo.
3. Una vez que el clúster perla magnética alcanza el punto medio de la cámara de depósito, parar el bombeo en la bomba de jeringa.
4. Mueva el imán cubo de distancia desde el tubo, lo que permite perlas magnéticas para separar unand reducir el tiempo de difusión del líquido atrapado en el clúster perla magnética.
5. Ver la pantalla del ordenador para observar el _H 2 O / ciclo de mezcla C12E5 por diferentes fases.
6. Una vez que se completa la difusión y la fase de cambio del líquido, colocar el imán de nuevo a su destino anterior por el depósito por lo que las perlas magnéticas se forman en una agrupación.
7. El uso de la bomba de jeringa, retirar los líquidos tales que el clúster perla magnética se transfiere desde el depósito de agente tensioactivo, a través del espacio de aire, y de nuevo en el H ₂ O cámara de prueba.
8. Una vez que el clúster perla magnética alcanza el punto medio de la cámara de prueba, parar el bombeo en la bomba de jeringa.
9. Mueva el imán cubo de distancia desde el tubo. Esto permitirá perlas magnéticas se separen y ayudará a reducir el tiempo de difusión del líquido atrapado en el clúster perla magnética.
10. Ver la pantalla del ordenador para observar el _H 2 O / ciclo de mezcla C12E5 por diferentes fases.
11. Una vez finalizada la fase de difusión y cambio del líquido, colocar el imán de nuevo a su destino anterior de la cámara de prueba por lo que las perlas magnéticas se forman en un clúster.
12. Repita los pasos 6.2 a 6.11 hasta la cámara de prueba muestra un cambio de fase.

Resultados

Utilizando el enfoque de Lab-en-Tube para el transporte de cantidades l de volumen de líquido con perlas magnéticas junto con MATLAB para el análisis numérico, volúmenes medios de arrastre de líquido, como una función de la masa de perlas magnéticas, se encontraron (Figura 2). Masa Superior de perlas magnéticas proporciona un mayor volumen de arrastre en la tasa de 2-3 l / mg. El montaje experimental (Figura 1) se utiliza para observar el cambio de fase en el _H 2 O / sistema ...

Discusión

En las técnicas más comunes para la investigación diagrama de fases, varias muestras con diferentes composiciones y proporciones deben estar preparados y tienen que alcanzar el equilibrio termodinámico que provoca un proceso largo y una cantidad significativa de material. Algunos desafíos pueden ser resueltos por DIT método (transporte interfacial difusiva) utilizando capilar plana y el método de análisis de infrarrojos, pero ninguno de ellos puede resolver todos los retos con inversión de bajo costo.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
AccuBead	Bioneer Inc.	TS-1010-1	Perlas magnéticas
C12E5 Surfactante	Sigma-Aldrich	76437
Thermo Scientific Nalgene 890	Fisher Scientific	14176178
Imán	cubo Imanes de ápice	M1CU
Película polarizadora	Edmund Optics	38-493
Teflón AF	Dupont	400s1-100-1 Solución de	fluoropolímero
Keyacid Tinte rojo	Keystone	601-001-49	Colorante fluorescente
Luer-Lock	Cole-Parmer	T-45502-12	Hembra
Luer-Lock	Cole-Parmer	T-45502-56
Jeringa	Macho Fisher Scientific	14-823-435	3 ml
Bomba de jeringa	Stoelting	53130
Microscopio estereoscópico	Nikon	SMZ-2T
	Nikon	Eclipse Ti-U	El cubo de filtro utilizado tenía un rango de longitud de onda de excitación de 540-580 nm y un espejo dicroico de 585 nm, lo que permitía una fotoemisión de 593-668 nm.
Balance	Denver Instruments	PI-225D
cámara montada en microscopio	Motic	5000