Article de méthode

Phase Schéma Caractérisation utilisant des billes magnétiques comme supports liquides

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DOI :

10.3791/52957

⸱

4 septembre 2015

 ,  , 
1Department of Electrical Engineering and Computing Systems, University of Cincinnati

Dans cet article

Résumé

Ici, nous présentons un protocole pour étudier les diagrammes de phase à plusieurs composants en utilisant des billes magnétiques contrôlées de l’extérieur comme transporteurs de liquide dans une approche de laboratoire dans le tube. Cette approche peut aider dans les applications qui cherchent à recueillir des informations supplémentaires sur le changement de phase dans les systèmes liquides complexes.

Résumé

Billes magnétiques avec ~ 1,9 um diamètre moyen ont été utilisés pour transporter des volumes de microlitres de liquides entre les segments contigus liquides avec un tube dans le but d'étudier les changements de phase de ces segments de liquide. Les billes magnétiques ont été contrôlées au moyen d'un aimant externe, ce qui permet aux billes pour réduire la vanne d'air entre les segments de liquide adjacents. Un revêtement hydrophobe a été appliqué à la surface interne du tube afin d'améliorer la séparation entre deux segments de liquide. Le champ magnétique appliqué formé un cluster global de billes magnétiques, la capture d'une certaine quantité de liquide au sein du cluster qui est désigné comme le volume report. Un colorant fluorescent a été ajouté à un segment de liquide, suivie d'une série de transferts de liquides, qui a ensuite changé l'intensité de fluorescence dans le segment voisin liquide. Basé sur l'analyse numérique de la variation de l'intensité de fluorescence mesurée, le volume de report par masse de billes magnétiques a été trouvéà ~ 2 à 3 pi / mg. Cette petite quantité de liquide autorisée pour l'utilisation de relativement petits segments de liquide de quelques centaines de microlitres, l'amélioration de la faisabilité de l'appareil pour une approche laboratoire-en-tube. Cette technique consistant à appliquer faible variation de composition dans un volume de liquide a été appliquée à l'analyse du diagramme de phase binaire entre de l'eau et l'agent tensio-C12E5 (éther monododécylique de glycol de pentaéthylène), conduisant à une analyse plus rapide avec des volumes d'échantillon plus petite que les procédés classiques.

Introduction

Les billes magnétiques (MBS) de l'ordre de 1 micromètre de diamètre ont été utilisées très souvent 1,2 dans des applications microfluidiques à base, en particulier pour des dispositifs biomédicaux. Dans ces dispositifs, MBS ont offert des fonctionnalités telles que la cellule et de la séparation de l'acide nucléique, des agents de contraste, et la livraison de la drogue, pour ne nommer que quelques-uns. La combinaison de (champ magnétique) contrôle externe et la microfluidique à base de gouttelettes a permis le contrôle de 3 immunoessais utilisant de petits volumes (<100 NL). Mo ont également montré promesse lorsqu'il est utilisé pour la manipulation de liquide 4. Cette approche utilise les Mo pour le transport de biomolécules entre segments de liquide dans un tube séparés par une vanne d'air. Cette méthode est pas aussi puissant que d'autres dispositifs plus complexes laboratoire sur puce vu dans le passé, mais il est beaucoup plus simple et ne propose la capacité de gérer des volumes microlitre taille de liquide. Une approche similaire a été récemment rapporté 5 par le groupe Haselton et appliqué à biomédicaledosages.

L'un des aspects les plus importants de ce dispositif est la séparation de segment liquide offert par la vanne d'air de la tension superficielle contrôlé. Les volumes de microlitre de liquide attachés à Mo sont transportés à travers cet espace d'air entre segments de liquide utilisant un champ magnétique appliqué de l'extérieur. Mo de microparticules (de 0,4 à 7 ~ m de diamètre avec une moyenne de 1,9 um) sous l'effet du champ magnétique externe créer un cluster de micro-poreuse qui emprisonne liquide à l'intérieur. La force de ce piégeage de liquide est suffisante pour résister aux forces de tension superficielle lors du transport des macroblocs d'un réservoir à l'autre. Typiquement, cet effet est indésirable, comme la plupart des approches veulent seulement le transport de molécules spécifiques (comme biomarqueurs) contenus dans les liquides 6. Cependant, comme on peut le voir dans notre travail, cet effet peut être utilisé pour devenir un aspect positif de l'appareil.

Nous avons utilisé cette «lab-dans-tube'Approche, illustrée schématiquement sur ​​la figure 1, pour l'analyse de diagrammes de phase dans des systèmes de matériaux binaires. Le tensioactif C12E5 a été choisi comme l'objectif principal de la caractérisation, car il est largement utilisé dans les applications industrielles telles que les produits pharmaceutiques, les produits alimentaires, cosmétiques, etc. En particulier, le 2 système binaire O / C12E5 H a été étudié, car il fournit une riche ensemble de phases à explorer. Nous avons mis l'accent sur ​​un aspect spécifique de ce mélange de produits chimiques, à savoir les transitions vers des phases cristallines liquides dans certaines concentrations 7-9. Cette transition est facilement observée dans notre dispositif en intégrant polariseurs dans les études de microscopie optique afin de souligner les limites de phase.

Être capable de cartographier les diagrammes de phase est un domaine très important de l'étude afin de comprendre la cinétique impliqués dans la transition de phase 10. La possibilité de déterminer avec précision l'interaction d'agents tensio-actifs avec un solvantnd autres composants est crucial en raison de leur complexité et de nombreuses phases distinctes 11. De nombreuses autres techniques ont déjà été utilisées pour caractériser les changements de phase. L'approche classique consiste à faire de nombreux échantillons, consistant chacun en des concentrations différentes et en leur permettant équilibrer, ce qui nécessite de longues durées de traitement et de grande quantité de volumes d'échantillons. Ensuite, les échantillons sont généralement analysés par des méthodes optiques comme le transport de diffusion interfaciale (DIT), qui offre à haute résolution de ces compositions tensioactives 12,13. Similaires à la méthode que nous avons utilisé, le procédé DIT utilise une lumière polarisée à l'image limites de phases distinctes.

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Protocole

1. Préparation de One-Time utiliser des matériaux dans Device

  1. Préparation du tuyau
    1. Couper des tubes en 15 cm segments. Tubing a 1,6 mm de diamètre intérieur et de 3,2 mm de diamètre extérieur.
    2. Accrochez segments de tube à la verticale en utilisant du ruban. Placez une serviette de papier sous tubes pour recueillir la solution de polymère fluoré excès.
    3. Injecter 100 ul d'une solution de polymère fluoré dans l'ouverture supérieure de chaque segment de tube en utilisant une seringue, de sorte qu'il entrera en contact avec toute la circonférence de la paroi intérieure.
    4. Autoriser les segments de tube à accrocher en place pendant 1 heure pour éliminer les excès de la solution de polymère fluoré.
    5. Nettoyez toute solution de polymère fluoré d'un côté fond du tube qui n'a pas égoutter. Retirer les tubes de la position suspendue et de disposer de serviettes en papier.
    6. Lieu segments de tubes dans le four à 100 ° C pendant 1 heure pour recuire la couche de revêtement de polymère fluoré.
    7. Retirer segments de tube du four. Utilisez des pinces, que le tube segments seront chauds.
  2. Préparation de la solution diluée bille magnétique
    1. Calculer la concentration en billes magnétiques nécessaire pour obtenir le volume désiré de report, tel que déterminé par le rapport entre le volume de report et Mo masse représenté sur la figure 2.
      Remarque: La solution de bromure de méthyle d'origine a 1 g de Mo dans 50 ml de solution. Compte tenu d'un volume de la chambre d'essai de 20 pi, une solution diluée de MB originale avec de l'eau distillée à un ratio de 6: 4 (solution MB: eau) pour obtenir un volume report de ~ 0,4 pi. Ajuster taux de dilution lorsque le volume différente report est souhaitée.
    2. Placez un échantillon de 20 ml flacon sur un micro-équilibre. La balance à zéro.
    3. Agiter le récipient de solution de billes magnétiques, puis retirer 0,6 ml en utilisant une micro-pipette.
    4. Distribuer la solution à la pipette dans le flacon d'échantillon sur la balance.
    5. Distribuer 0,4 ml d'eau distillée dans le flacon d'échantillon.
  3. Colorant fluorescent Lpréparation iquid
    1. Dissoudre 2 en poids.% De colorant dans de l'eau DI en vortexant la solution pendant 1 min.

2. Préparation de l'installation expérimentale pour les expériences de fluorescence

  1. Préparation du dispositif de tube.
    1. Insérer un connecteur Luer-Lock femelle sur une extrémité de la tubulure.
    2. Placer le tube dans une seringue luer-lock qui a un volume de 3 ml et 0,1 ml obtention du diplôme.
    3. Placez la seringue dans la pompe à seringue et fixer le taux d'alimentation à 2 ml / h.
    4. Pour l'insertion précise des liquides dans le tube, en utilisant la pompe à seringue pour retirer la solution contenant les billes magnétiques et un colorant fluorescent.
    5. Introduire 20 pi de solution de billes magnétiques en tube en utilisant retrait de pompage à seringue. Ce segment liquide est désignée par la chambre d'essai (volume de la chambre de test peut varier en fonction de l'expérience). Vortex le récipient avec une solution de bille magnétique pendant 1 min, puis agiter à la main pendant le cycle de retrait pour former des dispersions de MB uniformes.
    6. Après l'insertion de liquide de la chambre de test est terminée, retirer 6 pi de l'air dans le tube. Ce volume d'air sera ultérieurement former une valve entre les deux segments liquides.
    7. Après l'insertion de la lame d'air est terminé, commencer le retrait de 180 ul de liquide avec un colorant fluorescent. Ce segment liquide est désigné par le réservoir. Volume du réservoir peut varier en fonction de l'expérience. Plus grand volume réservoir est avantageux de réduire au minimum la variation de la concentration de colorant.
    8. Placer un deuxième connecteur Luer-Lock femelle sur l'autre extrémité du tube.
    9. Retirez le dispositif de tube de la seringue.
    10. Placer bouchons luer-lock sur les deux extrémités du dispositif.
  2. Configuration de l'optique de fluorescence pour des expériences
    1. Mettez tous les composants connectés au microscope inversé.
    2. Allumez l'ordinateur et ouvrez le logiciel d'imagerie de microscope.
"> Procédure pour les expériences de fluorescence 3. Expérimentale

  1. Prendre la mesure de l'intensité de la fluorescence initiale de la chambre et le réservoir test en utilisant le microscope inversé. Lors de l'analyse de la fluorescence de l'échantillon, en sorte que le foyer se trouve dans la position centrale (dans les deux directions x et y) du segment liquide dans le tube. Consigner toutes les mesures dans un tableur de données.
  2. Dispositif placer sur le dessus du cube magnétique telles que les billes magnétiques tous les séparent à une zone dans la chambre de test. Transférer les billes vers le réservoir par le déplacement du dispositif au-dessus de l'aimant (~ 10 sec). L'aimant néodyme de cube de 1 pouce est de qualité N48 avec une force de traction de 45,6 kg.
  3. Une fois amas de perles magnétique est transférée à travers l'entrefer et dans le réservoir, agiter les billes magnétiques en plaçant le dispositif au-dessus de l'aimant et la rotation pour libérer le liquide étant piégé dans le cluster. Continuer l'agitation des billes magnétiques jusqu'à homogénéisation du réservoir a étécomplété (~ 30-45 sec).
  4. Dispositif placer sur le dessus de l'aimant de telle sorte que les billes magnétiques dans le réservoir tous les séparent à une zone. Transférer le cluster de bille magnétique revenir à la chambre d'essai.
  5. Une fois que le cluster atteint la chambre de test, agiter les billes magnétiques en plaçant le dispositif au-dessus de l'aimant et la rotation pour libérer le liquide fluorescent piégé à l'intérieur. Poursuivre l'agitation des billes magnétiques jusqu'à ce que l'homogénéisation de la chambre de test est terminée (~ 30 à 45 secondes).
  6. Prendre des mesures d'intensité de fluorescence à la fois la chambre et le réservoir test en utilisant le microscope inversé. Consigner toutes les mesures dans un tableur de données.
  7. Les étapes sont répétées jusqu'à 3,2-3,6 deux segments liquides convergent vers intensités de fluorescence similaires (~ 100 cycles).

4. Analyse numérique des données fluorescent

  1. Avec les données d'intensité fluorescents stockées dans une feuille de calcul, effectuez l'analyse numérique en utilisant MATLAB.
  2. Derive équations pour calculer une valeur théorique de l'intensité de fluorescence à la fois le réservoir et la chambre de test. Incorporer les équations suivantes dans un fichier de script MATLAB:
    où I est l'intensité de fluorescence (UA), V est le volume (pi), n est le nombre de transferts, R est le réservoir, T est la chambre de test, et C est report.
  3. MATLAB, générer des tracés et d'analyser pour déterminer le volume de report pour toutes les expériences. Utilisez ces données pour produire la figure 2.

5. Préparation de l'installation expérimentale pour les expériences de tensioactifs

  1. Préparation du dispositif de tube.
    1. Insérer un Luer-Lock femelle sur une extrémité de la tubulure.
    2. Placer le tube dans une seringue luer-lock.
    3. Placez la seringue dans la pompe à seringue et fixer le taux d'alimentation à 2 ml / h.
    4. Pour l'insertion précise des liquides dans le tube, en utilisant la pompe à seringue pour retirer la solution contenant les billes magnétiques et surfactant.
    5. Insérez solution de billes 20 pi magnétique dans le tube en utilisant le retrait de la pompe de la seringue. Ce segment liquide est désignée par la chambre d'essai (volume de la chambre de test peut varier en fonction de l'expérience). Agiter le récipient avec une solution de billes magnétiques à la main pendant le cycle de retrait pour former des dispersions uniformes de bromure de méthyle.
    6. Après l'insertion de liquide de la chambre de test est terminée, retirer 6 pi de l'air dans le tube. Ce volume d'air sera ultérieurement désigné sous l'entrefer.
    7. Après l'insertion de l'entrefer est terminée, commencer le retrait de 180 pi de tensioactif C12E5 pur. Ce sera par la suite désignée sous le réservoir.
  2. Configuration de l'optique pour des expériences tensioactifs.
    1. Déplacer la pompe à seringue avec le dispositif de tube de telle sorte que la chambre d'essai avec des billes magnétiques est mis au point avec le microscope stéréo.
    2. Placez une feuille de film polarisant sur le dessus d'une source de lumière LED. Faites glisser la source de lumière LED sous le tube attaché àla pompe à seringue.
    3. Joindre un autre film polarisant à la lentille du microscope stéréo en utilisant du ruban. Assurez-vous que les deux films polarisants ont un décalage par rapport à l'autre de 90 degrés.
    4. Monter un CCD (dispositif à couplage de charge) à la caméra microscope stéréo. Branchez l'appareil photo à l'ordinateur et ouvrir le logiciel d'imagerie.

6. Procédure expérimentale pour les expériences de tensioactifs

  1. Placer l'aimant de cube à côté de la chambre d'essai tandis que l'aimant est monté sur un support.
  2. Une fois que les billes magnétiques forment une grappe, commencer le pompage de liquides dans le tube à la vitesse d'alimentation de 2 ml / h de telle sorte que la grappe de bille magnétique est déplacé de la chambre d'essai, à travers l'espace d'air, et dans la chambre de réservoir d'agent tensio-actif.
  3. Une fois la grappe de bille magnétique atteint le point médian de la chambre de réservoir, arrêter le pompage de la pompe à seringue.
  4. Déplacez le cube magnétique loin du tube, permettant de billes magnétiques pour séparer unend réduire le temps de diffusion du liquide emprisonné dans le cluster de bille magnétique.
  5. Regarder l'écran de l'ordinateur pour observer le H 2 O cycle de mélange / C12E5 par différentes phases.
  6. Une fois la diffusion et la phase liquide de la modification est terminée, placer l'aimant vers sa destination par le premier réservoir de sorte que les billes magnétiques se forment dans une grappe.
  7. Utilisation de la pompe à seringue, retirer les liquides de telle sorte que le pôle magnétique de perles est transféré depuis le réservoir d'agent tensio-actif, à travers l'entrefer, et de nouveau dans la chambre de O 2 H essai.
  8. Une fois la grappe de bille magnétique atteint le point médian de la chambre de test, arrêter le pompage de la pompe à seringue.
  9. Déplacez le cube magnétique loin du tube. Cela permettra à des billes magnétiques se séparent et aidera à réduire le temps de diffusion du liquide piégé dans l'amas de billes magnétiques.
  10. Regarder l'écran de l'ordinateur pour observer le H 2 O cycle de mélange / C12E5 par différentes phases.
  11. Une fois la diffusion et à changement de phase du liquide est terminée, placer l'aimant à son ancienne destination par la chambre d'essai de sorte que les billes magnétiques forment dans un cluster.
  12. Répétez les étapes 6.2 à 6.11 jusqu'à ce que la chambre de test affiche un changement de phase.

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Résultats

En utilisant l'approche Lab-dans-tube pour le transport de quantités ul-volume de liquide avec des billes magnétiques avec MATLAB pour l'analyse numérique, les volumes moyens de report liquides, en fonction de la masse de billes magnétiques, ont été trouvés (Figure 2). Supérieur de masse de billes magnétiques offre un volume supérieur de report dans le taux de 2-3 ul / mg. Le dispositif expérimental (figure 1) a été utilisé pour observer le changement de phase dans le 2 O

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Discussion

Dans les techniques les plus courantes pour examen du diagramme de phase, plusieurs échantillons avec différentes compositions et les rapports doivent être préparés et ont pour atteindre l'équilibre thermodynamique qui provoque un processus long et une quantité importante de matériau. Certains défis peuvent être résolus par la méthode DIT (transport interfaciale diffusion) à l'aide capillaire plat et la méthode d'analyse infrarouge, mais aucun d'eux ne peuvent résoudre tous les défis avec faible coût d&#...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

Remerciements

Les auteurs reconnaissent de nombreuses discussions utiles avec M. Caggioni et le soutien de Proctor and Gamble sous la forme d’un stage pour NAB.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
AccuBeadBioneer Inc.TS-1010-1Billes magnétiques
C12E5 TensioactifSigma-Aldrich76437
Thermo Scientific Nalgene 890Fisher Scientific14176178
Cube MagnetApex MagnetsM1CU
Polarizer FilmEdmund Optics38-493
Teflon AFDupont400s1-100-1Solution fluoropolymère
Keyacid Red DyeKeystone601-001-49Colorant fluorescent
Luer-LockCole-ParmerT-45502-12Femelle
Luer-LockCole-ParmerT-45502-56Seringue mâle
Fisher Scientific14-823-435Pompe
seringueStoelting53130
StéréomicroscopeNikonSMZ-2T
NikonEclipse Ti-ULe cube de filtre utilisé avait une gamme de longueurs d’onde d’excitation de 540 à 580 nm et un miroir dichroïque à 585 nm, permettant une photoémission allant de 593 à 668 nm.
BalanceDenver Instruments  ;PI-225D
Caméra montée sur microscopeMotic5000
à 3 ml Microscope inversé

Références

  1. Gijs, M. A., Lacharme, F., Lehmann, U. Microfluidic applications of magnetic particles for biological analysis and catalysis. Chemical review. 110, 1518-1563 (2009).
  2. Kozissnik, B., Dobson, J. Biomedical applications of mesoscale magnetic particles. MRS Bulleti. 38, 927-932 (2013).
  3. Ali-Cherif, A., Begolo, S., Descroix, S., Viovy, J. -L., Malaquin, L. Programmable Magnetic Tweezers and Droplet Microfluidic Device for High-Throughput Nanoliter Multi-Step Assays. Angewandte Chemie International Editio. 51, 10765-10769 (2012).
  4. Blumenschein, N. A., Han, D., Caggioni, M., Steckl, A. J. Magnetic Particles as Liquid Carriers in the Microfluidic Lab-in-Tube Approach To Detect Phase Change. ACS Applied Materials, & Interface. 6, 8066-8072 (2014).
  5. Bordelon, H., et al. Development of a low-resource RNA extraction cassette based on surface tension valves. ACS applied materials. 3, 2161-2168 (2011).
  6. Adams, N. M., et al. Design criteria for developing low-resource magnetic bead assays using surface tension valves. Biomicrofluidic. 7, 014104(2013).
  7. Hishida, M., Tanaka, K. Transition of the hydration state of a surfactant accompanying structural transitions of self-assembled aggregates. Journal of Physics: Condensed Matte. 24, 284113(2012).
  8. Strey, R., Schomacker, R., Roux, D., Nallet, F., Olsson, U. Dilute lamellar and L3 phases in the binary water-C12E5 system. Journal of the Chemical Society, Faraday Transaction. 86, 2253-2261 (1990).
  9. Chen, B. -H., et al. Dissolution Rates of Pure Nonionic Surfactants. Langmui. 16, 5276-5283 (2000).
  10. Warren, P. B., Buchanan, M. Kinetics of surfactant dissolution. Current Opinion in Colloid, & Interface Scienc. 6, 287-293 (2001).
  11. Laughlin, R. The Aqueous Phase Behavior of Surfactant. , Academic Press. New York. (1996).
  12. Laughlin, R. G., et al. Phase Studies by Diffusive Interfacial Transport Using Near-Infrared Analysis for Water (DIT-NIR). The Journal of Physical Chemistry. 104, 7354-7362 (2000).
  13. Lynch, M. L., Kochvar, K. A., Burns, J. L., Laughlin, R. G. Aqueous-Phase Behavior and Cubic Phase-Containing Emulsions in the C12E2−Water System. Langmui. 16, 3537-3542 (2000).

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Mots-clés

Transfert de liquideTubulure hydrophobeColorant fluorescentVolume de reportPompe seringueAimant externeTensioactif C12E5Lab in Tube

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