단계도 특성 액체 캐리어로 자기 구슬을 사용하여

요약

여기에서는 실험실 내 튜브(lab-in-tube) 접근 방식에서 외부 제어 마그네틱 비드를 액체 캐리어로 사용하여 다중 구성 요소 위상 다이어그램을 조사하는 프로토콜을 제시합니다. 이 접근 방식은 복잡한 액체 시스템의 상 변화에 대한 추가 정보를 수집하려는 응용 분야에 도움이 될 수 있습니다.

초록

1.9 μm의 평균 직경 ~와 자성 비드는 그 액체 세그먼트들의 위상 변화를 조사 할 목적으로 연속적인 액체 튜브 세그먼트 사이의 액체 ㎕의 부피를 수송하기 위해 사용되었다. 자성 비드는 외부 비드 인접한 액체 세그먼트 사이 에어 밸브를 해소 할 수 있도록 자석을 사용하여 제어 하였다. 소수성 코팅은 두 세그먼트 사이의 액체 분리를 향상시키기 위해 관의 내면에 도포 하였다. 인가 된 자계는 이월 량이라 클러스터 내에 특정 량의 액체를 포착, 자성 비드의 집합체 클러스터 형성. 형광 염료는 인접한 액체 세그먼트 형광 강도 변화를 액체 전달, 일련이어서, 하나의 액체 부분에 첨가 하였다. 측정 된 형광 강도 변화의 수치 분석에 기초하여, 자성 비드의 질량 당 이월 볼륨이 밝혀졌다~ 2-3 μL / mg을합니다. 액체의 소량이 랩 - 인 - 튜브 접근 장치의 타당성을 향상 몇 백 마이크로 리터의 비교적 작은 액체 세그먼트의 이용을 허용했다. 액량 작은 조성 변동을 적용이 기술은, 물 및 계면 활성제 C12E5 (펜타 에틸렌 글리콜 모노 도데 실 에테르) 사이의 이진 위상도를 분석하는 종래의 방법보다 더 작은 샘플 볼륨으로 빠르게 분석 선도에 적용 하였다.

서론

직경이 1㎛ 정도의 자성 비드 (MB들)은 특히 생물 의학 장치에, 미세 유체 기반 애플리케이션에서 매우 자주 ^1,2 사용되고있다. 이러한 장치에서, 매크로 블럭은 몇 가지 이름을, 휴대 및 핵산 분리, 조영제, 및 약물 전달 등의 기능을 제공하고있다. 외부 (자기장) 제어 및 액적 기반의 미세 유체의 조합은 작은 볼륨 (<100 NL)를 사용하여 면역의 ³ 컨트롤을 가능하게했다. 액체가 ^4를 처리하는 데 사용하는 경우 매크로 블럭은 약속을 보여 주었다. 이 방법은 공기 밸브에 의해 분리 튜브 내의 액체 세그먼트 사이의 생체 분자를 수송하는 MB들을 사용한다. 이 방법은 과거에 보이는 다른 더 복잡한 랩 - 온 - 칩 디바이스처럼 강력하지 않지만 훨씬 간단하고 액체의 마이크로 리터 크기의 볼륨을 처리하는 기능을 제공 않는다. 유사한 접근 방식은 최근 Haselton의 그룹에 의해 ^5보고 및 생물 의학에 적용되었습니다분석.

이 장치의 가장 중요한 특징 중 하나는, 표면 장력 제어 공기 밸브에 의해 제공 액체 세그먼트를 분리한다. MB들에 연결된 마이크로 리터의 액체 부피는 외부에서인가 된 자계를 이용하여 액체의 세그먼트 사이의 에어 갭을 통해 수송된다. 외부 자기장의 영향 아래 (1.9 μm의 평균 직경에서 ~ 0.4-7 μm의)에서 미세 입자의 매크로 블럭은 내부의 액체 트랩 미세 다공성 클러스터를 만들 수 있습니다. 이 액체 포획의 강도는 다음 하나의 저장소로부터 MB들을 운반 할 때, 표면 장력의 힘을 견디기에 충분하다. 대부분의 접근은 단지 액체 ⁽⁶⁾ 내에 포함 된 (생체 등)을 특정 분자의 수송을 원하는대로 일반적으로,이 효과는 바람직하지 않다. 그러나, 우리의 연구에서 볼 수있는 바와 같이,이 효과는 장치의 양 측면에 이용 될 수있다.

우리는이 '실험실에서 튜브를 활용 한이진 재료 시스템에서 상태도를 분석하기위한,도 1에 개략적으로 도시 '접근법. 이 풍부한을 제공하기 때문에 널리 등 특히 의약품, 식품, 화장품, 산업용 애플리케이션에서 사용되는 한 계면 활성제 C12E5는, 특성의 주요 초점으로 선정되어, H ₂ O / C12E5 이진 시스템은 조사 하였다 단계의 세트 탐험. 우리는이 화학 물질 혼합물, 특정 농도 ^7-9에서 액정 상에 즉 전환 하나의 특정 측면에 초점을 맞추고있다. 이 전환은 쉽게 위상 경계를 강조하기 위해 광학 현미경 연구에 편광판을 통합하여 우리의 장치에서 관찰된다.

상태도를 매핑 할 수 있다는 것은 위상 전이 ^(10)와 관련 동역학을 이해하기 위해 연구의 중요 분야이다. 정확하게 용제와 계면 활성제의 상호 작용을 결정하는 능력ND 다른 구성 요소로 인해 복잡성과 여러 가지 단계 ^(11)에 매우 중요하다. 많은 다른 기술은 이전에 위상 변화를 특성화하는데 사용되어왔다. 종래의 방법은 각각 다른 농도로 이루어진 그들을 긴 처리 시간 및 샘플 볼륨 높은 금액 요구하는 평형 수 많은 샘플을 포함한다. 그 후, 샘플은 전형적으로 계면 활성제 조성물 ^{(12, 13)의} 고 해상도를 제공 계면 확산 수송 (DIT), 광학 방법에 의해 분석된다. 우리가 활용 한 방법과 유사하게, DIT 방법은 별개의 이미지 경계 상에 편광 된 광을 사용한다.

프로토콜

장치 일회 사용 재료 1. 준비

1. 튜브의 제조
   1. 15cm 세그먼트로 튜브 잘라. 튜빙은 1.6 mm, 내경 3.2 mm, 외경을 갖는다.
   2. 꽉 튜브 세그먼트는 수직으로 테이프를 사용. 과량의 불소 용액을 수집하기 위해 튜브 아래에 종이 타월을 놓습니다.
   3. 이 내측 벽에 전체 둘레에 접촉한다되도록, 주사기를 이용하여 각 튜브 세그먼트의 상단 개구부에 불소 수지 용액 100 ㎕를 주입한다.
   4. 튜브 세그먼트 불소 용액을 과량을 제거하기 위해 1 시간 동안 자리에 정지 할 수 있습니다.
   5. 밖으로 떨어지지 않았다 튜브의 바닥면에서 어떤 불소 용액을 청소합니다. 위치를 걸려에서 튜브를 제거하고 종이 타월 폐기하십시오.
   6. 1 시간 동안 100 ℃에서 오븐에 놓고 튜브 세그먼트는 불소 수지 코팅 층을 어닐링.
   7. 오븐에서 튜브 세그먼트를 제거합니다. 튜브 SEG로, 핀셋을 사용하여사항은 뜨겁습니다.
2. 묽은 자성 비드 용액의 제조
   1. 이월 부피와 질량 MB는도 2에 도시 된 관계에 의해 결정되는 바와 같이, 원하는 이월 량을 달성하는데 필요한 자석 비드 농도를 계산한다.
      주 : 원래 MB 용액 용액 50ml에의 MB 1g을 갖는다. ~ 0.4 μL의 이월 량을 구하는 4 (MB 물 용액 :) 20 μL의 시험 챔버 부피를 고려하면, (6)의 비율로 증류수 원래 MB 용액을 희석. 다른 이월 볼륨이 요구되는 경우 희석 비율을 조정한다.
   2. 마이크로 밸런스에 20 ml의 샘플 병을 놓습니다. 균형을 제로.
   3. 마이크로 피펫을 사용하여 0.6 ml의 철수 후, 자성 비드 용액을 교반 용기.
   4. 균형에 샘플 바이알에 피펫 솔루션을 분배.
   5. 샘플 바이알에 증류수 0.4 mL로 분배.
3. 형광 염료 Liquid 준비
   1. 1 분 동안 솔루션을 텍싱하여 DI 물에 염료의 2 중량. %를 녹인다.

형광 실험을위한 실험 설정 2. 준비

1. 튜브 장치의 제조.
   1. 튜브의 한쪽 끝에 여성 루어 잠금 커넥터를 삽입합니다.
   2. 3 ml의 볼륨과 0.1 ml의 졸업이 루어 잠금 주사기에 튜브를 놓습니다.
   3. 주사기 펌프에 주사기를 놓고 / 시간 2 ml의에서 이송 속도를 설정합니다.
   4. 튜브로의 액체의 정확한 삽입을 위해, 자성 비드와 형광 염료를 함유하는 용액을 인출 주사기 펌프를 사용한다.
   5. 주사기 펌프 철수를 사용하여 튜브에 자기 비드 용액 20 μl를 삽입합니다. 이 액체 세그먼트는 테스트 챔버 (시험 챔버 부피가 실험에 따라 다를 수 있음)로 지칭된다. 1 분 동안 자기 비드 용액으로 용기 와동 다음 중 손으로 교반 금단 사이클 균일 MB 분산액을 형성한다.
   6. 시험 챔버 액체의 삽입이 체결 된 후, 튜브에 공기를 6 μL를 철회. 공기의 체적이 나중에 액체 두 세그먼트 사이에 밸브를 형성 할 것이다.
   7. 에어 갭의 삽입이 완료된 후, 형광 염료로 출금 액 180 μl를 시작한다. 이 세그먼트는 액체 저장조로 지칭된다. 저수지 볼륨은 실험에 따라 달라질 수 있습니다. 큰 저장 볼륨은 염료 농도의 변화를 최소화하는 것이 유익하다.
   8. 관의 타단 상에 제 암형 루어 락 커넥터를 배치했다.
   9. 주사기에서 튜브 장치를 제거합니다.
   10. 장치의 양쪽 끝 루어 잠금 캡을 놓습니다.
2. 형광 실험에 대한 광학 설정
   1. 거꾸로 현미경에 연결된 모든 구성 요소를 켭니다.
   2. 컴퓨터를 켜고 현미경 이미징 소프트웨어를 엽니 다.

형광 실험에 대한 "> 3. 실험 절차

1. 거꾸로 현미경을 사용하여 시험 챔버 및 저수지의 초기 형광 강도 측정을 가져 가라. 샘플의 형광을 분석 할 때, 초점은 튜브 내의 액체 세그먼트 (두 X 및 Y 방향) 중앙 위치에 있음을 보장한다. 데이터를 스프레드 시트에 기록 측정.
2. 자석 구슬 모두가 시험 챔버의 한 영역으로 분리되도록 큐브 자석의 맨 위에 장치를 놓습니다. 자석 (~ 10 초)의 맨 위에 장치를 이동하여 저수지에 구슬을 전송합니다. 1 인치 네오디뮴 큐브 자석은 45.6 kg의 풀 힘으로 등급 N48입니다.
3. 자성 비드 클러스터가 에어 갭을 통해 저장조로 이송되면, 자석의 상단 위에 소자를 배치하고, 클러스터 내에서 포획되는 액체를 분리하도록 회전하여 자성 비드를 교반한다. 저수지의 균질화가 될 때까지 자석 구슬의 교반을 계속완료 (~ 30 ~ 45 초).
4. 자석 저수지에서 자기 구슬 모두가 하나의 영역으로 분리되도록의 맨 위에 장치를 놓습니다. 시험 챔버에 다시 자기 비드 클러스터를 전송합니다.
5. 클러스터가 시험 챔버에 도달하면, 자석의 상단 위에 위치시키고 장치 내의 포획 형광 액체를 방출하도록 회전하여 자성 비드를 교반한다. 시험 챔버의 균질화가 (~ 30-45 초)에 완료 될 때까지 자성 비드의 교반을 계속한다.
6. 도립 현미경을 사용하여 시험 챔버와 두 저장조의 형광 강도 측정을 수행. 데이터를 스프레드 시트에 기록 측정.
7. 두 액체 세그먼트가 비슷한 형광 강도 (~ 100 사이클)에 수렴 할 때까지 단계 3.2-3.6이 반복된다.

형광 데이터 4. 수치 해석

1. 형광 강도 데이터를 스프레드 시트에 저장으로, MATLAB을 사용하여 수치 해석을 수행한다.
2. Deriv전자 방정식은 저장조 및 시험실 양쪽에서 형광 강도의 이론 값을 산출한다. MATLAB 스크립트 파일에 대한 다음 방정식을 통합 :
   I는 형광 강도 (AU)이고, V는 체적 (μL)이고, n은 전송의 수이고, R은 T는 시험 챔버이고, C는 이월이며, 저수지이다.
3. MATLAB은, 플롯을 생성하고 모든 실험에 대한 이월 볼륨을 결정하기 위해 분석 사용. 도 2를 생성하기 위하여이 데이터를 사용한다.

계면 활성제 실험을위한 실험 설정 5. 준비

1. 튜브 장치의 제조.
   1. 튜브의 한쪽 끝에 여성 루어 잠금을 삽입합니다.
   2. 루어 잠금 주사기에 튜브를 놓습니다.
   3. 주사기 펌프에 주사기를 놓고 / 시간 2 ml의에서 이송 속도를 설정합니다.
   4. 튜브로의 액체의 정확한 삽입을 위해, 자성 비드와 SU 함유 용액을 인출 주사기 펌프를 사용하여rfactant.
   5. 주사기 펌프 철수를 사용하여 튜브에 20 μL 자기 비드 솔루션을 삽입합니다. 이 액체 세그먼트는 테스트 챔버 (시험 챔버 부피가 실험에 따라 다를 수 있음)로 지칭된다. MB 균일 한 분산액을 형성하기 위해 철회주기 동안 손으로 마그네틱 비드 용액을 교반 용기.
   6. 시험 챔버 액체의 삽입이 체결 된 후, 튜브에 공기를 6 μL를 철회. 공기의 체적이 나중에 에어 갭이라고한다.
   7. 에어 갭의 삽입이 완료된 후, 출금 순수한 C12E5 활성제의 180 μl를 시작한다. 이것은 나중에 저장조로 지칭 될 것이다.
2. 계면 활성제 실험 광학 설정.
   1. 자석 구슬 테스트 챔버는 스테레오 현미경으로 초점이되도록 배관 장치 주사기 펌프를 이동합니다.
   2. LED 광원 위에 편광 필름의 시트를 놓습니다. 에 부착 된 튜브 아래에 LED 광원을 밀어주사기 펌프.
   3. 테이프를 사용하여 스테레오 현미경의 렌즈에 다른 편광 필름을 부착합니다. 2 장의 편광 필름은 서로 상쇄 90도를 가지고 있는지 확인하십시오.
   4. 스테레오 현미경에 CCD (전하 결합 소자) 카메라를 탑재합니다. 카메라를 컴퓨터에 연결하고 이미징 소프트웨어를 엽니 다.

계면 활성제 실험 6. 실험 절차

1. 자석이 스탠드에 장착되는 동안 시험 챔버 옆에 큐브 자석을 놓습니다.
2. 자성 비드가 클러스터를 형성하면, 자성 비드 클러스터가 에어 갭에 걸쳐, 그리고 계면 활성제를 저류 챔버 내로, 시험 챔버로부터 이동되도록 2 ㎖ / hr의 공급 속도로 튜브에 액체를 펌핑하기.
3. 자성 비드 클러스터가 저장 챔버의 중간 점에 도달하면, 주사기 펌프에 펌프를 멈춘다.
4. 자성 비드를 분리 할 수​​ 있도록, 관으로부터 떨어져 큐브 자석 이동ND 자성 비드 클러스터에 포집 된 액체의 확산 시간을 감소시킨다.
5. 여러 단계를 통해 H ₂ O / C12E5 혼합물주기를 관찰하기 위해 컴퓨터 화면을보세요.
6. 액체의 확산 및 위상 변화가 완료되면 자성 비드가 클러스터로 형성하고 있으므로, 리저버로 다시 이전 대상에 자석을 배치했다.
7. 주사기 펌프를 이용하여 자성 비드 클러스터가 에어 갭을 가로 질러, 계면 활성제의 저장소로부터 옮기고,되도록 액체를 인출 다시 H ₂ O 시험 챔버로.
8. 자성 비드 클러스터가 시험 챔버의 중간 점에 도달하면, 주사기 펌프에 펌프를 멈춘다.
9. 멀리 튜브에서 큐브 자석을 이동합니다. 이렇게 자성 비드를 분리 할 수​​있게되며, 자성 비드 클러스터에 포집 된 액체의 확산 시간을 줄일 수 있도록한다.
10. 여러 단계를 통해 H ₂ O / C12E5 혼합물주기를 관찰하기 위해 컴퓨터 화면을보세요.
11. 액체의 확산 및 위상 변화가 완료되면 자성 비드가 클러스터로 형성하고 있으므로, 시험 챔버에 의하여 그 이전의 목적지로 다시 자석을 배치했다.
12. 시험 챔버는 상 변화가 표시 될 때까지 반복 6.2-6.11 단계를 반복합니다.

결과

자성 비드 질량의 함수로서, 수치 해석, 평균 액체 이월 볼륨 MATLAB 함께 자성 비드와 액체 μL 부피 량을 이송하기위한 랩 - 인 - 튜브 방식을 사용하여, (도 2)를 발견 하였다. 자석 구슬의 높은 질량은 2-3 μL / mg의 속도에서 더 높은 이월 볼륨을 제공합니다. 실험 장치 (도 1) H ₂ O / C12E5 이진 시스템 내의 위상 변화를 관찰 하였다. H ₂ O / C12E5 시스템은도 3b에서 볼 수있는 여러 가지 단계, 공지이고 가지고 있기 때문에, 우리는 상기 장치의 특성을 참조하여 해당 시점의 역임. 그림 (b)의 점선은 실험이 20 ° C를 ~의에서 수행 된 공칭 온도를 보여줍니다. 반응은 신중 같은 1.5 분 & # 25과 같은 0 긴 시간에, 그림 3C에서 본 90 초에, 짧은 시간에서 관찰되었다. ...

토론

상태도 조사위한 일반적인 기술들은, 상이한 조성 및 비율과 다중 샘플 준비 및 긴 과정과 물질의 상당한 양을 발생 열역학적 평형에 도달 할 필요가있다. 몇 가지 문제가 평면 모세관 및 적외선 분석 방법을 사용하여 (전송 확산 계면) DIT 방법에 의해 해결 될 수 있지만, 그들 중 어느 것도 저렴한 투자 모든 과제를 해결할 수 없다.

이 마이크로 유체 "랩 - 인 - 튜브"접근 방식에서 액체 담체로서 자성 비드를 사용하는 가능성은 인접한 세그먼트 사이에서 액체의 상 변화를 검출 용으로 입증되었다. 이 방법은 도시 수치 해석 기술을 이용하여 소정의 수 정확한 조성 변경을 허용한다. 화학 메이크업을 조금만 변경을하는 동안 물에 계면 활성제 시스템에서의 실시간 변경 사항을 확인하는 기능은이 장치에 귀중한 자산이 될 입증했다.위상 변화를 분석하기위한 산업에서 사용되는 현재의 기술은 관련된 몇몇 바람직하지 않은면이있다. 비용은 항상 관심이며, 실험 중에 C12E5 같...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
AccuBead	바이오니아 Inc.	TS-1010-1	마그네틱 비드
C12E5 계면활성제	Sigma-Aldrich	76437
Thermo Scientific Nalgene 890	Fisher Scientific	14176178
큐브 자석	Apex 자석	M1CU
편광판 필름	Edmund Optics	38-493
테프론 AF	듀퐁	400s1-100-1	불소 중합체 용액
Keyacid Red Dye	Keystone	601-001-49	형광 염료
Luer-Lock	Cole-Parmer	T-45502-12	Female
Luer-Lock	Cole-Parmer	T-45502-56	Male
Syringe	Fisher Scientific	14-823-435	3 ml
주사기 펌프	스톨팅	53130
스테레오 현미경	Nikon	SMZ-2T
도립 현미경	Nikon	Eclipse Ti-U	사용된 필터 큐브는 여기 파장 범위가 540-580nm이고 다이크로익 미러가 585nm이므로 593-668nm 범위의 광방출을 허용합니다.
밸런스	덴버 인스트루먼트	PI-225D
현미경 탑재 카메라	Motic	5000