Name: Charakterystyka diagramu fazowego z wykorzystaniem kulek magnetycznych jako nośników cieczy (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-09-04T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 37 s
Description: Poznaj metodę analizy objętości przeniesienia cieczy między segmentami w mikrofluidycznym urządzeniu z użyciem kulek magnetycznych. Technika ta umożliwia badanie zmian fazowych w złożonych układach ciekłych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują za wiele użytecznych dyskusji z M. Caggioni i wsparcie ze strony Proctor and Gamble w postaci stażu dla NAB.

1. Przygotowanie materiałów jednorazowego użytku w urządzeniu
<ol>
	<li>Przygotowanie rurki
	<ol>
		<li>Pokrój rurkę na segmenty o długości 15 cm. Rurka ma średnicę wewnętrzną 1,6 mm i średnicę zewnętrzną 3,2 mm.</li>
		<li>Zawieś segmenty rur pionowo za pomocą taśmy. Umieść ręcznik papierowy pod rurkami, aby zebrać nadmiar roztworu fluoropolimeru.</li>
		<li>Wstrzyknąć 100 μl roztworu fluoropolimeru do górnego otworu każdego segmentu probówki za pomocą strzykawki, tak aby zetknął się z całym obwodem na wewnętrznej ściance.</li>
		<li>Pozostaw segmenty rurki na miejscu na 1 godzinę, aby usunąć nadmiar roztworu fluoropolimeru.</li>
		<li>Usuń roztwór fluoropolimeru ze spodu probówki, który nie kapał. Wyjmij rurkę z pozycji wiszącej i wyrzuć ręczniki papierowe.</li>
		<li>Umieść segmenty rurki w piecu w temperaturze 100 °C na 1 godzinę, aby wyżarzyć warstwę powłoki fluoropolimerowej.</li>
		<li>Wyjmij segmenty rurki z piekarnika. Użyj pęsety, ponieważ segmenty rurki będą gorące.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie rozcieńczonego roztworu kulki magnetycznej
	<ol>
		<li>Obliczyć stężenie kulek magnetycznych potrzebne do osiągnięcia pożądanej objętości przeniesienia, określone na podstawie zależności między objętością przenoszoną a masą MB pokazaną na rysunku 2. 
		Uwaga: Oryginalny roztwór MB zawiera 1 g MB w 50 ml roztworu. Biorąc pod uwagę objętość komory testowej wynoszącą 20 μl, rozcieńczyć oryginalny roztwór MB wodą destylowaną w stosunku 6:4 (roztwór MB do wody), aby uzyskać objętość przeniesienia ~0,4 μl. Dostosuj współczynnik rozcieńczenia, gdy pożądana jest inna objętość przeniesienia.</li>
		<li>Umieścić fiolkę z próbką o pojemności 20 ml na mikrowadze. Wyzeruj saldo.</li>
		<li>Wymieszać pojemnik z roztworem kulek magnetycznych, a następnie pobrać 0,6 ml za pomocą mikropipety.</li>
		<li>Dozować odpipetowany roztwór do fiolki z próbką po równowadze.</li>
		<li>Wlać 0,4 ml wody destylowanej do fiolki z próbką.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie barwnika fluorescencyjnego w płynie
	<ol>
		<li>Rozpuść 2% wag. barwnika w wodzie demineralizowanej, wirując roztwór przez 1 minutę.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przygotowanie zestawu doświadczalnego do eksperymentów fluorescencyjnych
<ol>
	<li>Przygotowanie urządzenia do rurek.
	<ol>
		<li>Włóż żeńskie złącze Luer-lock na jednym końcu rurki.</li>
		<li>Umieścić probówkę w strzykawce Luer-lock o pojemności 3 ml i podziałce 0,1 ml.</li>
		<li>Umieścić strzykawkę w pompie strzykawkowej i ustawić szybkość podawania na 2 ml/h.</li>
		<li>W celu dokładnego wprowadzenia płynów do rurki należy użyć pompy strzykawkowej, aby pobrać roztwór zawierający kulki magnetyczne i barwnik fluorescencyjny.</li>
		<li>Wlać 20 μl roztworu kulek magnetycznych do probówki za pomocą pompy strzykawkowej. Ten segment cieczy jest określany jako komora testowa (objętość komory testowej może się różnić w zależności od eksperymentu). Wirować pojemnik roztworem kulek magnetycznych przez 1 minutę, a następnie mieszać ręcznie podczas cyklu pobierania, aby uzyskać jednolite dyspersje MB.</li>
		<li>Po zakończeniu wprowadzania cieczy do komory testowej należy pobrać 6 μl powietrza do probówki. Ta objętość powietrza utworzy później zawór pomiędzy dwoma segmentami cieczy.</li>
		<li>Po zakończeniu wprowadzania szczeliny powietrznej rozpocznij pobieranie 180 μl cieczy z barwnikiem fluorescencyjnym. Ten segment cieczy jest określany jako zbiornik. Objętość zbiornika może się różnić w zależności od eksperymentu. Większa objętość zbiornika jest korzystna, aby zminimalizować zmianę stężenia barwnika.</li>
		<li>Umieść drugie żeńskie złącze Luer-lock na drugim końcu rurki.</li>
		<li>Wyjąć rurkę ze strzykawki.</li>
		<li>Umieść nasadki Luer-lock na obu końcach urządzenia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Konfiguracja optyki do eksperymentów fluorescencyjnych
	<ol>
		<li>Włącz wszystkie elementy podłączone do odwróconego mikroskopu.</li>
		<li>Włącz komputer i otwórz oprogramowanie do obrazowania mikroskopu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Procedura eksperymentalna dla eksperymentów fluorescencyjnych
<ol>
	<li>Wykonaj wstępny pomiar intensywności fluorescencji komory testowej i zbiornika za pomocą odwróconego mikroskopu. Podczas analizy fluorescencji próbki należy upewnić się, że ognisko znajduje się w pozycji środkowej (zarówno w kierunku x, jak i y) segmentu cieczy w probówce. Rejestruj pomiary w arkuszu kalkulacyjnym danych.</li>
	<li>Umieść urządzenie na magnesie sześciennym tak, aby wszystkie kulki magnetyczne segregowały się w jednym obszarze w komorze testowej. Przenieś koraliki do zbiornika, przesuwając urządzenie nad magnesem (~ 10 sekund). 1-calowy magnes neodymowy sześcienny jest klasy N48 o sile ciągnącej 45,6 kg.</li>
	<li>Gdy klaster kulek magnetycznych zostanie przeniesiony przez szczelinę powietrzną do zbiornika, porusz kulki magnetyczne, umieszczając urządzenie na magnesie i obracając, aby uwolnić ciecz uwięzioną w klastrze. Kontynuuj mieszanie kulek magnetycznych, aż do zakończenia homogenizacji zbiornika (~ 30-45 sekund).</li>
	<li>Umieść urządzenie na magnesie tak, aby wszystkie kulki magnetyczne w zbiorniku segregowały się w jednym obszarze. Przenieś klaster kulek magnetycznych z powrotem do komory testowej.</li>
	<li>Gdy klaster dotrze do komory testowej, zamieszaj kulki magnetyczne, umieszczając urządzenie na magnesie i obracając, aby uwolnić uwięzioną w nim ciecz fluorescencyjną. Kontynuuj mieszanie kulek magnetycznych aż do zakończenia homogenizacji komory testowej (~ 30-45 sekund).</li>
	<li>Wykonaj pomiary intensywności fluorescencji zarówno w komorze testowej, jak i zbiorniku za pomocą mikroskopu odwróconego. Rejestruj pomiary w arkuszu kalkulacyjnym danych.</li>
	<li>Kroki 3.2-3.6 są powtarzane, aż oba segmenty cieczy zbiegną się do podobnych intensywności fluorescencji (~ 100 cykli).</li>
</ol>
4. Analiza numeryczna danych fluorescencyjnych
<ol>
	<li>Po zapisaniu danych o intensywności fluorescencji w arkuszu kalkulacyjnym wykonaj analizę numeryczną za pomocą MATLAB.</li>
	<li>Wyprowadź równania, aby obliczyć teoretyczną wartość intensywności fluorescencji zarówno w zbiorniku, jak i komorze testowej. Uwzględnij następujące równania w pliku skryptu MATLAB: 
	gdzie I jest intensywnością fluorescencji (A.U.), V jest objętością (μl), n jest liczbą transferów, R jest zbiornikiem, T jest komorą testową, a C jest przeniesieniem.</li>
	<li>Korzystając z programu MATLAB, generuj wykresy i analizuj, aby określić objętość przeniesienia dla wszystkich eksperymentów. Na podstawie tych danych można utworzyć rysunek 2.</li>
</ol>
5. Przygotowanie zestawu doświadczalnego do eksperymentów z surfaktantami
<ol>
	<li>Przygotowanie urządzenia do rurek.
	<ol>
		<li>Włóż żeński Luer-lock na jeden koniec rurki.</li>
		<li>Umieścić probówkę w strzykawce typu Luer-lock.</li>
		<li>Umieścić strzykawkę w pompie strzykawkowej i ustawić szybkość podawania na 2 ml/h.</li>
		<li>W celu dokładnego wprowadzenia płynów do rurki, należy użyć pompy strzykawkowej, aby pobrać roztwór zawierający kulki magnetyczne i środek powierzchniowo czynny.</li>
		<li>Wlać 20 μl roztworu kulek magnetycznych do probówki za pomocą pompy strzykawkowej. Ten segment cieczy jest określany jako komora testowa (objętość komory testowej może się różnić w zależności od eksperymentu). Podczas cyklu pobierania należy ręcznie mieszać pojemnik roztworem kulek magnetycznych, aby uzyskać jednolite dyspersje MB.</li>
		<li>Po zakończeniu wprowadzania cieczy do komory testowej należy pobrać 6 μl powietrza do probówki. Ta objętość powietrza będzie później nazywana szczeliną powietrzną.</li>
		<li>Po zakończeniu wprowadzania szczeliny powietrznej rozpocznij pobieranie 180 μl czystego środka powierzchniowo czynnego C12E5. Będzie on później nazywany zbiornikiem.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Konfiguracja optyki do eksperymentów z surfaktantami.
	<ol>
		<li>Przesunąć pompę strzykawkową z rurką tak, aby komora testowa z kulkami magnetycznymi była zogniskowana za pomocą mikroskopu stereoskopowego.</li>
		<li>Umieść arkusz folii polaryzacyjnej na źródle światła LED. Wsuń źródło światła LED pod rurkę dołączoną do pompy strzykawkowej.</li>
		<li>Przymocuj kolejną folię polaryzacyjną do soczewki mikroskopu stereoskopowego za pomocą taśmy. Upewnij się, że dwie folie polaryzacyjne są przesunięte względem siebie o 90 stopni.</li>
		<li>Zamontuj kamerę CCD (urządzenie sprzężone z ładunkiem) do mikroskopu stereoskopowego. Podłącz aparat do komputera i otwórz oprogramowanie do obrazowania.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. Procedura eksperymentalna dla eksperymentów z surfaktantami
<ol>
	<li>Umieść magnes sześcienny obok komory testowej, podczas gdy magnes jest zamontowany na stojaku.</li>
	<li>Gdy kulki magnetyczne utworzą klaster, rozpocznij pompowanie cieczy w rurze z prędkością 2 ml / godz., tak aby klaster kulek magnetycznych został przeniesiony z komory testowej, przez szczelinę powietrzną i do komory zbiornika środka powierzchniowo czynnego.</li>
	<li>Gdy klaster kulek magnetycznych osiągnie punkt środkowy komory zbiornika, przerwij pompowanie na pompie strzykawkowej.</li>
	<li>Odsuń magnes sześcienny od rury, umożliwiając oddzielenie się kulek magnetycznych i skrócenie czasu dyfuzji cieczy uwięzionej w klastrze kulek magnetycznych.</li>
	<li>Obserwuj ekran komputera, aby obserwować, jak mieszaninaH2O/C12E5 przechodzi przez różne fazy.</li>
	<li>Po zakończeniu dyfuzji i przemiany fazowej cieczy umieść magnes z powrotem w swoim pierwotnym miejscu przeznaczenia przy zbiorniku, aby kulki magnetyczne uformowały się w klaster.</li>
	<li>Za pomocą pompy strzykawkowej pobrać ciecze w taki sposób, aby klaster kulek magnetycznych został przeniesiony ze zbiornika środka powierzchniowo czynnego, przez szczelinę powietrzną i z powrotem do komory testowejH2O.</li>
	<li>Gdy klaster kulek magnetycznych osiągnie punkt środkowy komory testowej, przerwij pompowanie na pompie strzykawkowej.</li>
	<li>Odsuń magnes sześcienny od rury. Umożliwi to oddzielenie kulek magnetycznych i pomoże skrócić czas dyfuzji cieczy uwięzionej w klastrze kulek magnetycznych.</li>
	<li>Obserwuj ekran komputera, aby obserwować, jak mieszaninaH2O/C12E5 przechodzi przez różne fazy.</li>
	<li>Po zakończeniu dyfuzji i przemiany fazowej cieczy umieść magnes z powrotem w swoim pierwotnym miejscu przeznaczenia przy komorze testowej, aby kulki magnetyczne uformowały się w klaster.</li>
	<li>Powtarzaj kroki 6.2-6.11, aż komora testowa wyświetli zmianę fazy.</li>
</ol>

<ol><li>Gijs, M. A., Lacharme, F., Lehmann, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+applications+of+magnetic+particles+for+biological+analysis+and+catalysis%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+review%22%5BJournal%5D)">Microfluidic applications of magnetic particles for biological analysis and catalysis.</a> Chemical review. 110, 1518-1563 (2009).</li>
<li>Kozissnik, B., Dobson, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomedical+applications+of+mesoscale+magnetic+particles%5BTitle%5D)+AND+%22MRS+Bulleti%22%5BJournal%5D)">Biomedical applications of mesoscale magnetic particles.</a> MRS Bulleti. 38, 927-932 (2013).</li>
<li>Ali-Cherif, A., Begolo, S., Descroix, S., Viovy, J. -L., Malaquin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Programmable+Magnetic+Tweezers+and+Droplet+Microfluidic+Device+for+High-Throughput+Nanoliter+Multi-Step+Assays%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Editio%22%5BJournal%5D)">Programmable Magnetic Tweezers and Droplet Microfluidic Device for High-Throughput Nanoliter Multi-Step Assays.</a> Angewandte Chemie International Editio. 51, 10765-10769 (2012).</li>
<li>Blumenschein, N. A., Han, D., Caggioni, M., Steckl, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+Particles+as+Liquid+Carriers+in+the+Microfluidic+Lab-in-Tube+Approach+To+Detect+Phase+Change%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials%2C+%26+Interface%22%5BJournal%5D)">Magnetic Particles as Liquid Carriers in the Microfluidic Lab-in-Tube Approach To Detect Phase Change.</a> ACS Applied Materials, & Interface. 6, 8066-8072 (2014).</li>
<li>Bordelon, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+a+low-resource+RNA+extraction+cassette+based+on+surface+tension+valves%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+applied+materials%22%5BJournal%5D)">Development of a low-resource RNA extraction cassette based on surface tension valves.</a> ACS applied materials. 3, 2161-2168 (2011).</li>
<li>Adams, N. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+criteria+for+developing+low-resource+magnetic+bead+assays+using+surface+tension+valves%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidic%22%5BJournal%5D)">Design criteria for developing low-resource magnetic bead assays using surface tension valves.</a> Biomicrofluidic. 7, 014104(2013).</li>
<li>Hishida, M., Tanaka, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transition+of+the+hydration+state+of+a+surfactant+accompanying+structural+transitions+of+self-assembled+aggregates%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physics%3A+Condensed+Matte%22%5BJournal%5D)">Transition of the hydration state of a surfactant accompanying structural transitions of self-assembled aggregates.</a> Journal of Physics: Condensed Matte. 24, 284113(2012).</li>
<li>Strey, R., Schomacker, R., Roux, D., Nallet, F., Olsson, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dilute+lamellar+and+L3+phases+in+the+binary+water-C12E5+system%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Chemical+Society%2C+Faraday+Transaction%22%5BJournal%5D)">Dilute lamellar and L3 phases in the binary water-C12E5 system.</a> Journal of the Chemical Society, Faraday Transaction. 86, 2253-2261 (1990).</li>
<li>Chen, B. -H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dissolution+Rates+of+Pure+Nonionic+Surfactants%5BTitle%5D)+AND+%22Langmui%22%5BJournal%5D)">Dissolution Rates of Pure Nonionic Surfactants.</a> Langmui. 16, 5276-5283 (2000).</li>
<li>Warren, P. B., Buchanan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinetics+of+surfactant+dissolution%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Opinion+in+Colloid%2C+%26+Interface+Scienc%22%5BJournal%5D)">Kinetics of surfactant dissolution.</a> Current Opinion in Colloid, & Interface Scienc. 6, 287-293 (2001).</li>
<li>Laughlin, R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLaughlin%2C+R+%22The+Aqueous+Phase+Behavior+of+Surfactant%22">The Aqueous Phase Behavior of Surfactant</a>. , Academic Press. New York. (1996).</li>
<li>Laughlin, R. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phase+Studies+by+Diffusive+Interfacial+Transport+Using+Near-Infrared+Analysis+for+Water+%28DIT-NIR%29%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Phase Studies by Diffusive Interfacial Transport Using Near-Infrared Analysis for Water (DIT-NIR).</a> The Journal of Physical Chemistry. 104, 7354-7362 (2000).</li>
<li>Lynch, M. L., Kochvar, K. A., Burns, J. L., Laughlin, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aqueous-Phase+Behavior+and+Cubic+Phase-Containing+Emulsions+in+the+C12E2%E2%88%92Water+System%5BTitle%5D)+AND+%22Langmui%22%5BJournal%5D)">Aqueous-Phase Behavior and Cubic Phase-Containing Emulsions in the C12E2−Water System.</a> Langmui. 16, 3537-3542 (2000).</li>
</ol>

Autorzy nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

W większości popularnych technik badania diagramów fazowych konieczne jest przygotowanie wielu próbek o różnym składzie i proporcjach, które muszą osiągnąć równowagę termodynamiczną, co powoduje długotrwały proces i znaczną ilość materiału. Niektóre wyzwania można rozwiązać metodą DIT (dyfuzyjny transport międzyfazowy) wykorzystującą płaską kapilę i metodę analizy w podczerwieni, ale żadna z nich nie jest w stanie rozwiązać wszystkich problemów przy niskich kosztach inwestycji.
Możliwość wykor...

Magnetyczne koraliki (MB) o średnicy rzędu 1 mikrometra były dość często używane1,2 w zastosowaniach opartych na mikroprzepływach, szczególnie w urządzeniach biomedycznych. W tych urządzeniach MB oferują takie możliwości, jak separacja komórek i kwasów nukleinowych, środki kontrastowe i dostarczanie leków, żeby wymienić tylko kilka. Połączenie kontroli zewnętrznej (pole magnetyczne) i mikrofluidyki opartej na kropelkach umożliwiło3 kontrole testów immunologicznych przy użyciu małych objętości (<100 nl). MB okazały się również obiecujące, gdy są używane do obsługi cieczy4. Podejście to wykorzystuje MB do transportu biomolekuł między segmentami cieczy w rurze oddzielonej zaworem powietrznym. Ta metoda nie jest tak potężna, jak inne, bardziej złożone urządzenia typu lab-on-chip widziane w przeszłości, ale jest znacznie prostsza i oferuje możliwość obsługi objętości cieczy o rozmiarach mikrolitrów. Podobne podejście zostało niedawno zgłoszone przez grupę Haseltona i zastosowane do testów biomedycznych.
Jednym z najważniejszych aspektów tego urządzenia jest separacja segmentów cieczy oferowana przez zawór powietrzny sterowany napięciem powierzchniowym. Mikrolitrowe objętości cieczy przyłączone do MB są transportowane przez tę szczelinę powietrzną między segmentami cieczy za pomocą zewnętrznie przyłożonego pola magnetycznego. Mikrocząstki MB (o średnicy od ~0,4 do 7 μm, średnio 1,9 μm) pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego tworzą mikroporowaty klaster, który zatrzymuje ciecz w środku. Wytrzymałość tego uwięzienia cieczy jest wystarczająca, aby wytrzymać siły napięcia powierzchniowego podczas transportu MB z jednego zbiornika do drugiego. Zazwyczaj efekt ten jest niepożądany, ponieważ większość podejść wymaga transportu tylko określonych cząsteczek (takich jak biomarkery) zawartych w cieczach6. Jednak, jak widać w naszej pracy, efekt ten można wykorzystać, aby stać się pozytywnym aspektem urządzenia.
Wykorzystaliśmy to podejście 'lab-in-tube', pokazane schematycznie na rysunku 1, do analizy diagramów fazowych w binarnych systemach materiałowych. Surfaktant C12E5 został wybrany jako główny punkt charakterystyki, ponieważ jest szeroko stosowany w zastosowaniach przemysłowych, takich jak farmaceutyki, produkty spożywcze, kosmetyki itp. W szczególności zbadano układ podwójnyH2O/C12E5, ponieważ dostarcza on bogatego zestawu faz do zbadania. Skupiliśmy się na jednym specyficznym aspekcie tej mieszaniny chemicznej, a mianowicie na przejściach do faz ciekłokrystalicznych w określonych stężeniach7-9. To przejście można łatwo zaobserwować w naszym urządzeniu poprzez włączenie polaryzatorów do badań mikroskopii optycznej w celu podkreślenia granic fazowych.
Możliwość mapowania diagramów fazowych jest bardzo ważnym obszarem badań, aby zrozumieć kinetykę związaną z przejściem fazowym10. Możliwość precyzyjnego określenia interakcji środków powierzchniowo czynnych z rozpuszczalnikami i innymi składnikami jest kluczowa ze względu na ich złożoność i wiele odrębnych faz11. Wiele innych technik było wcześniej używanych do charakteryzowania przemiany fazowej. Konwencjonalne podejście polega na pobraniu wielu próbek, z których każda składa się z różnych stężeń i umożliwieniu ich zrównoważenia, co wymaga długiego czasu przetwarzania i dużej ilości próbek. Następnie próbki są zwykle analizowane metodami optycznymi, takimi jak dyfuzyjny transport międzyfazowy (DIT), który zapewnia wysoką rozdzielczość takich kompozycji środków powierzchniowo czynnych12,13. Podobnie jak metoda, którą zastosowaliśmy, metoda DIT wykorzystuje światło spolaryzowane do obrazowania wyraźnych granic fazowych.

<table><tbody><tr><td>AccuBead</td><td>Bioneer Inc.</td><td>TS-1010-1</td><td>Koraliki magnetyczne</td></tr><tr><td>C12E5 Środek powierzchniowo czynny</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>76437</td><td></td></tr><tr><td>Thermo Scientific Nalgene 890</td><td>Fisher Scientific</td><td>14176178</td><td></td></tr><tr><td>Magnes sześcienny</td><td>Apex Magnets</td><td>M1CU</td><td></td></tr><tr><td>Folia polaryzacyjna</td><td>Edmund Optics</td><td>38-493</td><td></td></tr><tr><td>Teflon AF</td><td>Dupont</td><td>400s1-100-1</td><td>Roztwór fluoropolimeru</td></tr><tr><td>Keyacid Red Dye</td><td>Keystone</td><td>601-001-49</td><td>Barwnik fluorescencyjny</td></tr><tr><td>Luer-Lock</td><td>Cole-Parmer</td><td>T-45502-12</td><td>Żeński</td></tr><tr><td>Luer-Lock</td><td>Cole-Parmer</td><td>T-45502-56</td><td></td></tr><tr><td>Strzykawka</td> męska <td>Fisher Scientific</td><td>14-823-435</td><td></td></tr><tr><td>Pompka strzykawkowa</td> 3 ml <td>Stoelting</td><td>53130</td><td></td></tr><tr><td>Mikroskop stereoskopowy</td><td>Nikon</td><td>SMZ-2T</td><td></td></tr><tr><td>Mikroskop odwrócony</td><td>Nikon</td><td>Eclipse Ti-U</td><td>Zastosowana kostka filtrująca miała zakres długości fali wzbudzenia w zakresie 540-580 nm oraz zwierciadło dichroiczne w zakresie 585 nm, co pozwalało na fotoemisję w zakresie 593-668 nm.</td></tr><tr><td>Instrumenty Balance</td><td>Denver&nbsp;</td><td>PI-225D</td><td></td></tr><tr><td>Kamera mikroskopowa</td><td>Motic</td><td>5000</td><td></td></tr></tbody></table>

charakterystyka diagramu fazowego z wykorzystaniem kulek magnetycznych jako nośników cieczy

Phase Diagram Characterization Using Magnetic Beads as Liquid Carriers

Magnetyczne kulki o średniej średnicy ~1,9 μm były używane do transportu mikrolitrowych objętości cieczy między sąsiadującymi segmentami cieczy za pomocą rurki w celu zbadania przemiany fazowej tych segmentów cieczy. Kulki magnetyczne były sterowane zewnętrznie za pomocą magnesu, co pozwoliło na mostek przez zawór powietrzny między sąsiednimi segmentami cieczy. Na wewnętrzną powierzchnię rurki nałożono powłokę hydrofobową, aby zwiększyć separację między dwoma segmentami cieczy. Zastosowane pole magnetyczne utworzyło zagregowane skupisko kulek magnetycznych, wychwytując pewną ilość cieczy w klastrze, która jest określana jako objętość przeniesienia. Do jednego segmentu cieczy dodano barwnik fluorescencyjny, po którym nastąpiła seria transferów cieczy, które następnie zmieniły intensywność fluorescencji w sąsiednim segmencie cieczy. Na podstawie analizy numerycznej zmierzonej zmiany intensywności fluorescencji stwierdzono, że objętość przenoszona na masę kulek magnetycznych wynosi od ~2 do 3 μl/mg. Ta niewielka ilość cieczy pozwoliła na użycie stosunkowo małych segmentów cieczy o objętości kilkuset mikrolitrów, co zwiększyło wykonalność urządzenia w przypadku podejścia lab-in-tube. Ta technika polegająca na zastosowaniu niewielkich zmian składu w objętości cieczy została zastosowana do analizy binarnego diagramu fazowego między wodą a środkiem powierzchniowo czynnym C12E5 (eter monododecylowy glikolu pentaetylenowego), co doprowadziło do szybszej analizy przy mniejszych objętościach próbek niż metody konwencjonalne.

Wykorzystując podejście Lab-in-Tube do transportu objętości rzędu µl cieczy za pomocą kulek magnetycznych wraz z oprogramowaniem MATLAB do analizy numerycznej, wyznaczono średnie objętości przenoszonej cieczy w funkcji masy kulek magnetycznych (Rysunek 2). Większa masa kulek magnetycznych zapewnia większą objętość przenoszenia w tempie 2-3 µl/mg. Układ eksperymentalny (Rysunek 1) został wykorzystany do obserwacji zmiany fazy wewnątrz binarnego systemu H2O/C12E5. Ponieważ syste...

Tutaj prezentujemy protokół do badania wieloskładnikowych diagramów fazowych przy użyciu zewnętrznie kontrolowanych kulek magnetycznych jako nośników cieczy w podejściu lab-in-tube. Takie podejście może być pomocne w zastosowaniach, które mają na celu zebranie dalszych informacji na temat przemiany fazowej w złożonych układach cieczowych.

Charakterystyka diagramu fazowego z wykorzystaniem kulek magnetycznych jako nośników cieczy

Magnetic beads with ~1.9 &#181;m average diameter were used to transport microliter volumes of liquids between contiguous liquid segments with a tube for ...

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest analiza objętości przeniesienia między sąsiednimi segmentami cieczy w urządzeniu typu lab-on-a-tube z wykorzystaniem kulek magnetycznych. Cel ten zostaje osiągnięty poprzez stworzenie urządzenia z hydrofobowej rurki, załadowanej za pomocą pompy strzykawkowej w taki sposób, aby składało się ono z wielu segmentów cieczy oddzielonych zaworem powietrznym, przy czym do jednej z cieczy wprowadzono kulek magnetyczne oraz barwnik fluorescencyjny. W drugim kroku, po każdym przeniesieniu kulek magnetycznych za pomocą zewnętrznego magnesu, mierzy się intensywność fluorescencji sąsiednich segmentów cieczy przy użyciu mikroskopu.Następnie przeprowadzono analizę numeryczną tych pomiarów intensywności fluorescencji w celu obliczenia objętości przeniesienia kulek magnetycznych. Wyniki pokazują, że analiza zmiany fazy w układzie wieloskładnikowym składającym się z dwóch cieczy jest możliwa dzięki zastosowaniu kulek magnetycznych jako metody przenoszenia objętości cieczy rzędu mikrolitrów między sąsiednimi zbiornikami. Jak mam nadzieję, przekonają się Państwo dzisiaj, pracujemy z tą niezwykle interesującą i prostą techniką wykorzystującą kulki magnetyczne do przenoszenia płynów wewnątrz prostej probówki, w przeciwieństwie do bardziej złożonych, konwencjonalnych układów mikrofluidycznych.Początkowo zastosowaliśmy tę metodę w badaniu oddziaływań powierzchniowych między cieczami dopuszczalnymi, a obecnie rozszerzamy ją na inne zastosowania, w tym analizę diagnostyczną krwi pełnej, oddzielanie białek od erytrocytów, analizę moczu, testy immunoenzymatyczne i tak dalej. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z innymi istniejącymi metodami, takimi jak wykorzystanie kanałów mikroprzepływowych, jest jej prostota oraz niskie koszty wykonania. Oferuje ona wysoką elastyczność dla użytkownika w zależności od rodzaju eksperymentu oraz zapewnia powtarzalne wyniki.Choć metoda ta może dostarczyć cennych informacji w zastosowaniach wymagających przemieszczania niewielkich, szczytowych objętości, może ona zostać zastosowana również w innych układach, takich jak separacja krwi, ukierunkowane dostarczanie leków czy środki kontrastowe. Aby przygotować rurkę, należy najpierw pociąć rurkę na segmenty o długości 15 centymetrów, zawiesić segmenty rurek pionowo za pomocą taśmy, kładąc pod nimi ręcznik papierowy w celu zebrania nadmiaru roztworu fluoropolimeru. Za pomocą pipety wstrzyknąć 100 µl roztworu fluoropolimeru do górnego otworu każdego segmentu rurki w taki sposób, aby roztwór zetknął się z całym obwodem wewnętrznej ścianki.Pozostaw segmenty rurki w zawieszeniu na jedną godzinę, aby usunąć nadmiar roztworu polimeru fluorowego. Następnie umieść segmenty rurki w piekarniku w temperaturze 100 °C na jedną godzinę, aby utwardzić warstwę powłoki polimeru fluorowego. W kolejnym kroku przygotuj rozcieńczony roztwór kulek magnetycznych, kładąc fiolkę z próbką o pojemności 20 ml na mikrowadze i zerując urządzenie.Wymieszaj roztwór kulek magnetycznych w pojemniku, a następnie pobierz 0,6 ml za pomocą mikropipety. Przenieś pobrany roztwór do fiolki z próbką znajdującej się na wadze i dodaj do niej 0,4 ml wody destylowanej. Przygotuj również barwnik fluorescencyjny, rozpuszczając 0,02% wagowo barwnika w wodzie dejonizowanej i mieszając roztwór na wirówce laboratoryjnej (vortexie) przez jedną minutę.Aby przygotować urządzenie z drenem, załóż żeński konektor luer-lock na jeden koniec drenu. Umieść rurkę w strzykawce luer-lock o objętości 3 ml i podziałce 0,1 ml. Umieść strzykawkę w pompie strzykawkowej i ustaw szybkość podawania na 2 ml/h.Wymieszaj naczynie z roztworem kulek magnetycznych na wirówce typu vortex przed wprowadzeniem 20 µL do probówki za pomocą pompy strzykawkowej. Po zakończeniu wprowadzania cieczy do komory testowej, pobierz sześć µL powietrza do probówki. Ta objętość powietrza utworzy później zawór pomiędzy dwoma segmentami cieczy.Po zakończeniu wprowadzania przerwy powietrznej należy pobrać 180 µl cieczy z barwnikiem fluorescencyjnym. Na drugi koniec rurki nałożyć drugi żeński konektor typu lure lock, a następnie wyjąć urządzenie z rurką ze strzykawki. Następnie na obu końcach urządzenia należy umieścić nakrętki lure lock.Wykonaj wstępny pomiar intensywności fluorescencji w komorze testowej i zbiorniku za pomocą mikroskopu odwróconego. Umieść urządzenie nad magnesem kostkowym w taki sposób, aby wszystkie koraliki magnetyczne zgromadziły się w jednym obszarze komory testowej. Przenieś koraliki do zbiornika, przesuwając urządzenie nad magnesem.Po przeniesieniu skupiska kulek magnetycznych przez przerwę powietrzną do zbiornika, należy wymieszać kuleczki magnetyczne, umieszczając urządzenie nad magnesem i obracając je, aby uwolnić ciecz uwięzioną w skupisku, aż do pełnej homogenizacji zawartości zbiornika. Następnie należy umieścić urządzenie nad magnesem w taki sposób, aby wszystkie kulki magnetyczne w zbiorniku zgromadziły się w jednym obszarze. Przenieś skupisko kulek magnetycznych z powrotem do komory testowej.Gdy skupisko dotrze do komory testowej, wymieszaj kulki magnetyczne, umieszczając urządzenie nad magnesem i obracając je. Uwolnij uwięzioną fluorescencyjną ciecz, aż do uzyskania homogenizacji zawartości komory testowej. Wykonaj pomiary intensywności fluorescencji zarówno w komorze testowej, jak i w zbiorniku, używając mikroskopu odwróconego.Powtarzaj te kroki, aż oba segmenty cieczy osiągną zbliżoną intensywność fluorescencji. Aby przygotować urządzenie z rurką, zamontuj złączy Luer-lock żeńskie na jednym końcu rurki, a następnie umieść rurkę w strzykawce z złączem Luer-lock. Następnie umieść strzykawkę w pompie strzykawkowej i ustaw szybkość podawania na 2 mL/h.Za pomocą pompy strzykawkowej wprowadź do probówki 20 µL mieszaniny kulek magnetycznych w wodzie i C 12 E 5 w stosunku 1:1. Po zakończeniu wprowadzania cieczy do komory testowej, wciągnij do probówki 6 µL powietrza w celu utworzenia przerwy powietrznej. Następnie wciągnij 180 µL czystego surfaktantu C 12 E 5 w celu ustawienia optyki.Najpierw przesuń pompę strzykawkową wraz z urządzeniem rurkowym tak, aby komora testowa z kulkami magnetycznymi znajdowała się w polu widzenia stereomikroskopu, w którym zastosowano polaryzatory krzyżowe. Aby zwiększyć kontrast między wytrąconą fazą stałą a fazą ciekłą, umieść arkusz folii polaryzacyjnej na źródle światła LED. Wsuń źródło światła LED pod rurkę podłączoną do pompy strzykawkowej.Do obiektywu stereomikroskopu przymocuj taśmą drugą folię polaryzacyjną, upewniając się, że obie folie polaryzacyjne są ustawione względem siebie pod kątem 90 stopni. Umieść magnes kostkowy obok komory testowej, korzystając z podstawki do magnesu. Gdy koraliki magnetyczne utworzą skupisko, rozpocznij pompowanie cieczy do rurki z prędkością przepływu 2 ml/h, tak aby skupisko koralików magnetycznych zostało przemieszczone z komory testowej przez szczelinę powietrzną do komory zbiornika z surfaktantem.Gdy skupisko kulek magnetycznych osiągnie punkt środkowy komory zbiornika, należy zatrzymać pompowanie w pompie strzykawkowej. Odsuń magnes kostkowy od probówki, aby kulki magnetyczne oddzieliły się, co skróci czas dyfuzji cieczy uwięzionej w skupisku kulek magnetycznych. Po zakończeniu dyfuzji i zmiany fazy cieczy, przyłóż magnes z powrotem w poprzednim miejscu przy zbiorniku, aby kulki magnetyczne ponownie utworzyły skupisko.Używając pompy strzykawkowej, odciągnij ciecze w taki sposób, aby skupisko kulek magnetycznych zostało przeniesione z zbiornika z surfaktantem przez przerwę powietrzną z powrotem do komory testowej. Po tym, jak skupisko kulek magnetycznych osiągnie środek komory testowej, zatrzymaj pompę strzykawkową i odsuń magnes kostkowy od probówki. Po zakończeniu dyfuzji i zmiany fazy cieczy, umieść magnes z powrotem w poprzednim miejscu przy zbiorniku, aby kulki magnetyczne ponownie utworzyły skupisko.Powtarzaj te kroki, aż w komorze testowej pojawi się zmiana fazy. Przedstawiony tutaj obraz ukazuje kuleczki magnetyczne w wodzie oraz niejonowy surfaktant C 12 E pięć wewnątrz hydrofobowej rurki. Podczas początkowego procesu przenoszenia kuleczek magnetycznych są one utrzymywane w miejscu za pomocą zewnętrznego magnesu kostkowego.Podczas gdy ciecze są tutaj pompowane w lewo, kuleczki opuszczają komorę testową i przedostają się do C 12 E 5. Po wprowadzeniu magnetycznych kuleczek woda z surfaktantem zaczyna dyfundować z ich struktury. Po pięciu sekundach przebywania magnetycznych kuleczek w komorze z surfaktantem, w dziesiątej sekundzie obserwowana jest jedynie niewielka zmiana fazy.Kuleczki magnetyczne są całkowicie otoczone surfaktantem. Zmiana fazy trwa nadal do 92. znacznika w czwartej minucie. Zmiana fazy nasila się w dziewiątej minucie.Horyzontalna zmiana fazy zaczyna maleć, podczas gdy struktura rośnie w pionie. O ile w 17. minucie obszar zmiany fazy drastycznie się skurczył, o tyle w 25. minucie widoczna pozostaje jedynie niewielka jej część. Przedstawiono tutaj stan początkowy komory testowej water C 12 V five z kulkami magnetycznymi w urządzeniu przed przeniesieniem surfaktantu.Po sześciu cyklach transferu nastąpiła zmiana fazy. Odwrotnie, przy braku kulek magnetycznych w urządzeniu nie zaobserwowano zmiany fazy, co dowodzi, że uzyskane wyniki wynikały z przeniesienia kulek magnetycznych, a nie z obecności cieczy. Przyleganie do wewnętrznych ścianek rurek podczas próby przeprowadzenia tej procedury.Przy stosowaniu tej procedury ważne jest zapewnienie odpowiedniej ilości czasu na zajście procesu dyfuzji podczas przenoszenia cieczy między sąsiednimi zbiornikami. W naszym systemie można zaimplementować inne rozwiązania, takie jak wykorzystanie elektromagnesu, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące sposobów przyspieszenia procesu podziału oraz minimalizacji manipulacji manualnych. Aby osadzić to w kontekście, ta niezwykle prosta technika, opierająca się w zasadzie na plastikowej rurce, kulkach magnetycznych i zewnętrznym magnesie, została zastosowana do separacji różnych płynów oraz badania przestrzeni ich diagramów fazowych.Jednakże wszechstronność i prostota tej techniki okażą się przydatne w wielu innych zastosowaniach, przede wszystkim w zakresie analizy diagnostycznej różnych płynów. Wykorzystując kuleczki magnetyczne do transportu małych objętości, bezpośrednio lub poprzez ich funkcjonalizację, możemy analizować składniki próbki płynu. Znajduje to zastosowanie w dowolnych obszarach.Na przykład separacja i analiza białek z erytrocytów we krwi pełnej, analogicznie w moczu oraz w wielu innych płynach, które można w ten sposób analizować, stosując prostą technikę bez złożoności i kosztów związanych z konwencjonalnym wytwarzaniem urządzeń mikrofluidycznych.

phase-diagram-characterization-using-magnetic-beads-as-liquid-carriers

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

W niniejszym artykule przedstawiono prosty ilościowy test wychwytu powinowactwa w fazie ciekłej. Jest to niezawodna technika oparta na oddziaływaniu między kulkami magnetycznymi a białkami z markerem (np. nanociałami) z jednej strony oraz na powinowactwie między białkiem z markerem a drugim, znakowanym białkiem (np. poliovirus) z drugiej strony.

Analiza wychwytu powinowactwa w fazie ciekłej z użyciem kulek magnetycznych do badania oddziaływań białko-białko: przykład poliwirusa i nanoprzeciwciała

Skaner do obrazowania cząstek magnetycznych w próbkach płaskich został opracowany przy użyciu techniki detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości planarnej. Reakcja produktu intermodulacji magnetycznej na nieliniowe niehisteretyczne namagnesowanie cząstek jest rejestrowana po wzbudzeniu dwuczęstotliwościowym. Może być używany do wykonywania obrazów 2D cienkich próbek biologicznych.

Skaner detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości do obrazowania cząstek magnetycznych w próbkach planarnych

Przedstawiono procedury wytwarzania wysoce reagujących magnetycznie zespołów polimolekularnych chelatujących jony lantanowców. Odpowiedź magnetyczna jest podyktowana rozmiarem zespołu, który jest dostosowywany przez wytłaczanie przez membrany nanoporowe. Podatność magnetyczna zespołów i zmiany strukturalne wywołane temperaturą są monitorowane za pomocą pomiarów dwójłomności, techniki uzupełniającej magnetyczny rezonans jądrowy i rozpraszanie neutronów pod małym kątem.

Procedury produkcyjne i pomiary dwójłomności do projektowania magnetycznie reagujących zespołów fosfolipidów chelatujących jony lantanowców

Ten protokół opisuje syntezę cząstek magnetycznych i ocenę ich właściwości wiązania DNA za pomocą dynamicznego i elektroforetycznego rozpraszania światła. Metoda ta koncentruje się na monitorowaniu zmian wielkości cząstek, ich polidyspersyjności i potencjału zeta powierzchni cząstek, które odgrywają główną rolę w wiązaniu materiałów takich jak DNA.

Analiza wiązania cząstek DNA-magnetycznych za pomocą dynamicznego i elektroforetycznego rozpraszania światła

Tutaj prezentujemy protokół opisujący badania ex situ i in situ przemian strukturalnych w szkłach metalowych. Zastosowaliśmy metody analityczne oparte na jądrze, które badają oddziaływania nadsubtelne. Wykazujemy możliwość zastosowania spektrometrii Mössbauera i jądrowego rozpraszania promieniowania synchrotronowego do przodu podczas eksperymentów opartych na temperaturze.

Metody badań przemian strukturalnych ex situ i in situ: przypadek krystalizacji szkieł metalicznych

W tym raporcie prezentujemy protokół do badania bezpośrednich efektów magnetoelektrycznych, tj. indukcji polaryzacji ferroelektrycznej poprzez zastosowanie pól magnetycznych w ciekłych kryształach. Protokół ten zapewnia unikalne podejście, wspierane przez miękkość ciekłych kryształów, w celu uzyskania magnetoelektryków w temperaturze pokojowej.

Pomiar magnetycznie dostrojonej polaryzacji ferroelektrycznej w ciekłych kryształach

Informujemy o jednogarnkowej syntezie hydrotermalnej klastrów ferrytu manganu (MFC), która oferuje niezależną kontrolę nad wymiarami i składem materiału. Separacja magnetyczna umożliwia szybkie oczyszczanie, a funkcjonalizacja powierzchni za pomocą sulfonowanych polimerów zapewnia, że materiały nie agregują się w biologicznie istotnym środowisku. Uzyskane w ten sposób produkty są dobrze przygotowane do zastosowań biomedycznych.

Stabilne zawiesiny wodne klastrów ferrytu manganu o przestrajalnym wymiarze i składzie w nanoskali

Badania magnetyczne ex situ mogą bezpośrednio dostarczyć dużych i lokalnych informacji na elektrodzie magnetycznej, aby krok po kroku ujawnić mechanizm magazynowania ładunku. W tym artykule wykazano elektronowy rezonans spinowy (ESR) i podatność magnetyczną w celu monitorowania oceny gatunków paramagnetycznych i ich stężenia w redoks-aktywnym szkielecie metaloorganicznym (MOF).

Charakterystyka magnetometryczna produktów pośrednich w elektrochemii ciała stałego redoks-aktywnych struktur metaloorganicznych

Zgłaszamy test hybrydowy i jednocząsteczkowy, aby bezpośrednio zobrazować i określić ilościowo ruch fluorescencyjnie znakowanej, w pełni zrekonstytuowanej helikazy Cdc45/Mcm2-7/GINS (CMG) na liniowych cząsteczkach DNA utrzymywanych w miejscu w pułapce optycznej.

Zestaw hybrydowy i test jednocząsteczkowy do obrazowania ruchu w pełni odtworzonego CMG

Przedstawiamy protokoły dla metodologii NMR, REstricted DIFfusion of INvisible speciEs (REDIFINE) oraz CONdensate DEtectioN za pomocą SEmi-solid Magnetization Transfer (CONDENSE-MT), które umożliwiają bezoznakową, ilościową charakterystykę kondensatów biomolekularnych w warunkach bifazowych, ujawniając podział molekularny, dynamikę wymiany, hydratację kondensatu oraz strukturę kropli bez osadu czy oznakowania.

Wykorzystanie roztworu NMR do charakteryzacji kondensatów biomolekularnych w warunkach bifazowych

Poznaj metodę analizy objętości przeniesienia cieczy między segmentami w mikrofluidycznym urządzeniu z użyciem kulek magnetycznych. Technika ta umożliwia badanie zmian fazowych w złożonych układach ciekłych.

Charakterystyka diagramu fazowego z wykorzystaniem kulek magnetycznych jako nośników cieczy

Przeglądaj więcej filmów