Fase Diagrama Caracterización utilizando perlas magnéticas como vehículos líquidos

El objetivo general del siguiente experimento es analizar el volumen de arrastre entre segmentos líquidos adyacentes dentro de un dispositivo de tubo en el laboratorio mediante el uso de perlas magnéticas. Esto se logra creando el dispositivo con tubos hidrófobos, cargado en una bomba de jeringa, que consta de múltiples segmentos líquidos separados por una válvula de aire e incorporando tanto perlas magnéticas como un colorante fluorescente en uno de los líquidos. Como segundo paso, se mide la intensidad fluorescente de los segmentos líquidos adyacentes mediante un microscopio tras cada transferencia de las perlas magnéticas realizada con un imán externo.

A continuación, se realiza un análisis numérico sobre estas mediciones de intensidad fluorescente con el fin de calcular el volumen de arrastre de las perlas magnéticas. Los resultados muestran que es factible el análisis del cambio de fase en un sistema multicomponente compuesto por dos líquidos, basado en la capacidad de utilizar perlas magnéticas como método para transferir volúmenes de líquido del orden de microlitros entre depósitos adyacentes. Por tanto, como espero que vean hoy, estamos trabajando con una técnica muy interesante y sencilla que implica el uso de perlas magnéticas para transferir fluidos dentro de un tubo simple, en contraposición con circuitos microfluídicos convencionales más complejos.

Y nosotros lo hemos aplicado inicialmente a la investigación de la separación de fases entre fluidos admisibles, y ahora estamos ampliando su uso a otras aplicaciones, incluyendo el análisis diagnóstico de sangre completa mediante la separación de proteínas de los glóbulos rojos, el análisis de orina, ensayos inmunológicos, entre otros. La principal ventaja de esta técnica frente a otros métodos existentes, como el uso de canales microfluídicos, es su simplicidad y su fabricación rentable. Ofrece una alta versatilidad de uso entre diferentes tipos de experimentos y proporciona resultados consistentes.

Aunque este método puede proporcionar información sobre aplicaciones que requieren el movimiento de volúmenes mínimos y máximos, también puede aplicarse a otros sistemas como la separación de sangre, la administración dirigida de fármacos y los agentes de contraste. Para preparar el tubo, primero corte el tubo en segmentos de 15 centímetros, cuelgue los segmentos de tubo verticalmente usando cinta adhesiva, colocando una toalla de papel debajo de los tubos para recoger el exceso de solución de polímero fluoro. Inyecte 100 microlitros de la solución de polímero fluoro en la abertura superior de cada segmento de tubo utilizando una pipeta, de modo que entre en contacto con toda la circunferencia de la pared interna.

Deje que los segmentos de tubo cuelguen en su lugar durante una hora para eliminar cualquier exceso de solución de polímero fluoro. Luego, coloque los segmentos de tubo en un horno a 100 grados Celsius durante una hora para recocer la capa de recubrimiento de polímero fluoro. A continuación, prepare la solución diluida de perlas magnéticas colocando un vial de muestra de 20 mililitros sobre una microbalanza y poniendo a cero la balanza.

Agite el recipiente de la solución de perlas magnéticas y luego retire 0,6 mililitros utilizando una micropipeta. Deposite la solución pipeteada en el vial de muestra sobre la balanza y agregue 0,4 mililitros de agua destilada al vial de muestra. Además, prepare el colorante fluorescente disolviendo un 0,02 por ciento en peso del colorante en agua desionizada y vortexeando la solución durante un minuto.

Para preparar el dispositivo de tubo, inserte un conector de bloqueo hembra en un extremo del tubo. Coloque el tubo en una jeringa de bloqueo que tenga un volumen de tres mililitros y graduación de 0,1 mililitros. Coloque la jeringa en la bomba de jeringa y ajuste la velocidad de alimentación a dos mililitros por hora.

Vortexe el recipiente con una solución de perlas magnéticas antes de insertar 20 microlitros en el tubo mediante la aspiración con una bomba de jeringa. Una vez finalizada la inserción de líquido en la cámara de prueba, aspire seis microlitros de aire hacia el tubo. Este volumen de aire formará posteriormente una válvula entre los dos segmentos líquidos.

Una vez completada la inserción del espacio de aire, comience a retirar 180 microlitros de líquido con tinte fluorescente. Coloque un segundo conector de bloqueo de acoplamiento hembra en el otro extremo del tubo y retire el dispositivo del tubo de la jeringa. A continuación, coloque tapones de bloqueo en ambos extremos del dispositivo.

Realice la medición inicial de la intensidad de fluorescencia de la cámara de prueba y el depósito utilizando el microscopio invertido. Coloque el dispositivo sobre la parte superior del imán cúbico de manera que las perlas magnéticas se separen todas hacia una zona en la cámara de prueba. Transfiera las perlas al depósito moviendo el dispositivo sobre la parte superior del imán.

Una vez que el grupo de microesferas magnéticas se transfiere a través del espacio de aire y entra en el depósito, agite las microesferas magnéticas colocando el dispositivo sobre la parte superior del imán y girándolo para liberar el líquido atrapado dentro del grupo hasta que se complete la homogeneización del depósito. Luego, coloque el dispositivo sobre la parte superior del imán de manera que todas las microesferas magnéticas en el depósito se separen hacia una zona determinada. Transfiera nuevamente el grupo de microesferas magnéticas a la cámara de prueba.

Una vez que el agregado alcance la cámara de prueba, agite las perlas magnéticas colocando el dispositivo sobre la parte superior del imán y girándolo. Libere el líquido fluorescente atrapado hasta que se complete la homogeneización de la cámara de prueba. Realice mediciones de intensidad fluorescente tanto de la cámara de prueba como del depósito utilizando el microscopio invertido.

Repita estos pasos hasta que ambos segmentos líquidos converjan en intensidades de fluorescencia similares. Para preparar el dispositivo de tubo, inserte un conector macho en un extremo del tubo y coloque el tubo dentro de una jeringa con conector. Luego, coloque la jeringa en la bomba de jeringa y ajuste la velocidad de alimentación a dos mililitros por hora.

Inserte 20 microlitros de una solución mezclada uno a uno de perlas magnéticas en agua con C 12 E cinco en el tubo utilizando la retirada de una bomba de jeringa. Una vez finalizada la inserción de líquido en la cámara de prueba, retire seis microlitros de aire en el tubo tras la inserción del espacio de aire. Comience la retirada de 180 microlitros de surfactante puro C 12 E cinco para ajustar la óptica.

Primero, mueva la bomba de jeringa con el dispositivo de tubo de modo que la cámara de prueba con las perlas magnéticas esté enfocada con el microscopio estereoscópico. Utilice polarizadores cruzados colocando una hoja de película polarizadora encima de una fuente de luz LED para mejorar el contraste entre la fase sólida precipitada y la fase líquida. Deslice la fuente de luz LED debajo del tubo conectado a la bomba de jeringa.

Coloque otra película polarizadora en el objetivo del microscopio estereoscópico usando cinta adhesiva, asegurándose de que las dos películas polarizadoras tengan una diferencia de 90 grados entre sí. Coloque el imán cúbico junto a la cámara de prueba mientras el imán está montado en un soporte. Una vez que las perlas magnéticas formen un agregado, comience a bombear líquidos hacia el tubo a una velocidad de alimentación de dos mililitros por hora, de modo que el agregado de perlas magnéticas se desplace desde la cámara de prueba a través del espacio de aire y entre en la cámara del depósito de surfactante.

Cuando el grupo de microesferas magnéticas alcance el punto medio de la cámara del depósito, detenga la bomba del bombín. Mueva el imán cúbico lejos del tubo para que las microesferas magnéticas se separen y reduzca el tiempo de difusión del líquido atrapado en el grupo de microesferas magnéticas. Una vez completada la difusión y el cambio de fase del líquido, coloque el imán nuevamente en su posición anterior junto al depósito, de modo que las microesferas magnéticas se agrupen nuevamente.

Utilizando la bomba de jeringa, retire los líquidos de manera que el agregado de microesferas magnéticas se transfiera desde el depósito de tensioactivo a través del espacio de aire y de regreso a la cámara de prueba. Una vez que el agregado de microesferas magnéticas alcance el punto medio de la cámara de prueba, detenga la bomba de jeringa y aleje el imán cúbico del tubo. Tras completarse la difusión y el cambio de fase del líquido, coloque nuevamente el imán en su posición anterior junto al depósito, para que las microesferas magnéticas se agrupen nuevamente.

Repita estos pasos hasta que la cámara de prueba muestre un cambio de fase. Aquí se muestra una imagen de las perlas magnéticas, el agua y el surfactante no iónico C 12 E cinco dentro del tubo hidrofóbico. Durante el proceso inicial de transferencia de las perlas magnéticas, las perlas se mantienen en su lugar utilizando un imán cúbico externo.

Mientras los líquidos son bombeados hacia la izquierda aquí, las perlas salen de la cámara de prueba e ingresan al C 12 E cinco. Una vez que las perlas magnéticas entran, el agua con surfactante comienza a difundirse desde la estructura de las perlas magnéticas. Después de que las perlas magnéticas han permanecido en la cámara de surfactante durante cinco segundos, solo se observa una pequeña cantidad de cambio de fase en la marca de diez segundos.

Las perlas magnéticas están completamente envueltas en el agente tensioactivo. El cambio de fase continúa hasta la marca 92 a los cuatro minutos. El cambio de fase aumenta a los nueve minutos.

La fase horizontal de cambio comienza a reducirse mientras la estructura crece verticalmente. Mientras que a los 17 minutos el cambio de fase se ha reducido drásticamente en tamaño, a los 25 minutos solo queda una pequeña cantidad del cambio de fase visible. A continuación se muestra la condición inicial de una cámara de prueba de agua C 12 V cinco con perlas magnéticas en el dispositivo antes de que se transfiriera el tensioactivo.

Después de seis transferencias de ida y vuelta, se produjo un cambio de fase. Por el contrario, al no haber bolas magnéticas en el dispositivo, no se observó cambio de fase, lo que demuestra que los resultados observados se debieron al arrastre de bolas magnéticas y no al líquido. Adherencia a las paredes internas del tubo al intentar este procedimiento.

Es importante disponer de suficiente tiempo para permitir que se produzca el proceso de difusión al transferir líquidos entre reservorios adyacentes siguiendo este procedimiento. Otras opciones, como utilizar un electroimán o la vegetación, pueden incorporarse a nuestro sistema con el fin de responder preguntas adicionales, como cómo acelerar el proceso de división y cómo minimizar la manipulación manual. Para poner esto en contexto, esta técnica muy sencilla que implica esencialmente un tubo de plástico, perlas magnéticas y un imán externo se ha aplicado a la separación de diferentes fluidos y a la exploración de su espacio de diagrama de fases.

Sin embargo, la versatilidad y simplicidad de la técnica darán resultados positivos en muchas otras aplicaciones, principalmente en el área del análisis diagnóstico de diferentes fluidos. Al utilizar abejas magnéticas para transportar pequeños volúmenes, ya sea directamente o mediante la funcionalización de las perlas magnéticas, podemos analizar los componentes de la muestra de fluido. Y esto tiene aplicaciones en diversos campos.

Por ejemplo, la separación y el análisis de proteínas de glóbulos rojos en sangre completa, de manera similar en orina, y muchos otros fluidos que pueden analizarse de esta manera mediante una técnica sencilla sin la complejidad y el costo asociados con la fabricación convencional de dispositivos microfluídicos.