Name: Kropelki wodne stosowane jako mikroreaktory enzymatyczne i ich elektromagnetyczne uruchamianie (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-28T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 27 s
Description: Poznaj technologię mikroreaktorów wodnych do zautomatyzowanych reakcji kaskadowych w biologii syntetycznej. Ta metoda umożliwia badanie procesów enzymatycznych i przesiewanie nowych katalizatorów.

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 pragną podziękować DFG za wsparcie.

1. Hydrofobizacja nanocząstek magnetycznych
<ol>
	<li>Do syntezy hydrofobowych cząstek magnetycznych dodać 0,85 g FeCl3 sześciowodnego (3,14 mmol) i 0,30 g czterowodnego FeCl2 (1,51 mmol) do 200 ml roztworu woda/etanol (4:1 v/v).</li>
	<li>Do tej mieszaniny dodać 0,20 ml 1H,1H,2H,2H-perfluorooktylotrietlesilanu (PFOTES) (5,23 mmol) energicznie mieszając mieszadłem magnetycznym (500 obr./min). Przeprowadzić syntezę w atmosferze gazu obojętnego (N2) przy użyciu kolby okrągłodennej z korkiem w celu zapobieżenia wtórnemu utlenianiu cząstek magnetytu.</li>
	<li>Roztworu dopasowywać kroplami roztworem wodorotlenku amonu (1,5 M) do pH 8 (pH oznaczone pH-metrem). Mieszać roztwór przez 24 godziny za pomocą mieszadła magnetycznego.</li>
	<li>Oddzielić cząstki magnetycznie od roztworu, umieszczając kolbę na magnesie sztabkowym (neodymowy magnes prostopadłościenny 40 x 20 x 10 mm, siła adhezji 25 kg). Wylej roztwór, trzymając magnes przymocowany do dna kolby.</li>
	<li>Przemyć cząstki trzykrotnie roztworem wody/etanolu, używając magnesu sztabkowego, jak opisano w ppkt 1.4). Suszyć cząstki w temperaturze 60 °C przez 24 godziny (wydajność ok. 0,43 g).</li>
	<li>Do analizy cząstek należy użyć skaningowego mikroskopu elektronowego zgodnie z instrukcjami producenta.</li>
</ol>
2. Produkcja mikroreaktorów
<ol>
	<li>Wszystkie wysuszone cząstki lekko zmielić za pomocą szklanego tłuczka, a następnie umieścić je wszystkie bezpośrednio na szalce (46 × 46 × 8 mm, polistyren).</li>
	<li>Pobrać pipetę 10 μl roztworu reakcyjnego (skład zgodnie z opisem w ppkt 5.1) na wszystkie cząstki i lekko przesuwać szalkę wagową w sposób okrężny przez około 10 s (masa cząstek dla mikroreaktora 10 μl: ok. 3,2 x 10-7 kg <klasa sup = "xref">33). Pozostałe cząstki (cząstki, które nie ułożyły się samoczynnie wokół roztworu reakcyjnego) należy przechowywać w temperaturze pokojowej do dalszych zastosowań.</li>
	<li>W celu pomiaru kąta zwilżania mikroreaktora należy zbudować mikroreaktor o pojemności 5 μl z wodą, jak opisano w ppkt 2.2), umieścić go na folii teflonowej i przeanalizować kąt zwilżania za pomocą optycznego urządzenia do pomiaru kąta zwilżania zgodnie z instrukcjami producenta.</li>
</ol>
3. 3D-drukowanie korpusów cewek
<ol>
	<li>Korpusy zwojów dwukręgowych należy zaprojektować o wysokości 16 mm (jedna komora), średnicy 10 mm i średnicy wewnętrznej ok. 4 mm za pomocą oprogramowania CAD zgodnie z instrukcjami producenta.</li>
	<li>Wydrukuj korpusy cewek za pomocą drukarki 3D zgodnie z instrukcjami producenta, używając materiałów takich jak filament polilaktydowy. Owiń korpusy drutem miedzianym o średnicy 0,08 mm, aby uzyskać 4,500 uzwojeń za pomocą sterowanej komputerowo maszyny do nawijania.</li>
</ol>
4. Produkcja platformy uruchamiającej
<ol>
	<li>Ułóż podwójne cewki w matrycy (np. matryca 3 x 3) na tablicy elektrycznej z elementem Peltiera pod spodem, przykręć podwójne cewki i podłącz je do sterowania za pomocą taśmowego (<silna klasa="xfig">Rysunek 3).</li>
	<li>W zależności od pożądanego zastosowania, dodaj żelazny rdzeń (32 mm wysokości, 4 mm średnicy) lub magnes neodymowy (12,5 mm wysokości, 4 mm średnicy, 1,035 kA m-1) do korpusu cewki, aby uzyskać silniejsze pole magnetyczne.</li>
	<li>Aby wykończyć platformę, umieść płytkę, najlepiej ze szkła kwarcowego, o maksymalnej wysokości 1 mm na matrycy cewki.</li>
	<li>Umieść mikroreaktor na powierzchni platformy.</li>
	<li>Aby usunąć górne cząstki z roztworu reakcyjnego i w ten sposób otworzyć mikroreaktor, aktywować cewkę z magnesem neodymowym w środku, używając kontroli wymienionej w ppkt 4.1). Aby ponownie zamknąć mikroreaktor, wyłącz cewkę.</li>
	<li>Do połączenia dwóch mikroreaktorów, które początkowo są oddalone od siebie o ok. 10 mm, należy użyć magnesów neodymowych, jak opisano w ppkt 4.2). Podnieś magnes w wymaganych korpusach cewek, aktywując cewki na ok. 25 s, aby otworzyć jeden mikroreaktor (wymagana odległość między mikroreaktorem a magnesem wynosi około 12 mm) i przesunąć drugi do tej samej pozycji na platformie.</li>
	<li>Aby schłodzić roztwór reakcyjny w mikroreaktorze na powierzchni platformy i zmniejszyć temperaturę cewki, przełącznik na elemencie Peltiera umieszczonym pod matrycą cewki, jak opisano w ppkt 4.1).</li>
</ol>
5. Reakcja enzymatyczna poprzez połączenie mikroreaktorów
<ol>
	<li>Peroksydazę chrzanową rozpuścić w stężeniu 0,1 μg mL-1 w buforze fosforanu potasu (0,1 M, pH 6,5). Rozcieńczyć substrat 10-acetylo-3,7-dihydroksyfenoksazyny (10 mM w dimetylosulfotlenku (DMSO)) buforem fosforanu potasu (0,1 M, pH 6,5) do stężenia 200 μM.</li>
	<li>Użyć 10 μl każdego z tych roztworów do zbudowania dwóch mikroreaktorów, jak opisano w ppkt 2.2). Połączyć oba mikroreaktory za pomocą sił magnetycznych (neodymowy magnes cylindryczny: 12,5 mm x 4 mm, 1,035 kA m-1), jak opisano w ppkt 4.6) w temperaturze 25 °C.</li>
	<li>Wykryć reakcję, umieszczając sondę fluorescencyjną (długość fali wzbudzenia: 570 nm, długość fali emisji: 585 nm) ok. 10 mm bezpośrednio nad otwartym mikroreaktorem przed połączeniem.</li>
</ol>

<ol><li>Squires, T., Quake, S. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.77.977">Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale.</a> Rev. Mod. Phys. 77 (3), 977-1026 (2005).</li>
<li>Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17086584">Reactions in Droplets in Microfluidic Channels.</a> Angew Chem Int Ed Engl. 45 (44), 7336-7356 (2006).</li>
<li>Erickson, D., Li, D. <a target="_blank" href="https://nano.mae.cornell.edu/pubs/erickson_microfluidic_review.pdf">Integrated microfluidic devices.</a> Anal. Chim. Acta. 507 (1), 11-26 (2004).</li>
<li>Zhang, Y., Ozdemir, P. <a target="_blank" href="http://strathprints.strath.ac.uk/7763/1/strathprints007763.pdf">Microfluidic DNA amplification-A review.</a> Anal. Chim. Acta. 638 (2), 115-125 (2009).</li>
<li>Ohashi, T., Kuyama, H., Suzuki, K., Nakamura, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Control+of+aqueous+droplets+using+magnetic+and+electrostatic+forces%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Control of aqueous droplets using magnetic and electrostatic forces.</a> Anal. Chim. Acta. 612 (2), 218-225 (2008).</li>
<li>Srinivasan, V., Pamula, V. K., Fair, R. B. <a target="_blank" href="http://ryantoussaint.com/projects/tests/microfluidics/doc/Srinivasan.2004.pdf">Droplet-based microfluidic lab-on-a-chip for glucose detection.</a> Anal. Chim. Acta. 507 (1), 145-150 (2004).</li>
<li>Lehmann, U., Vandevyver, C., Parashar, V. K., Gijs, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplet-Based+DNA+Purification+in+a+Magnetic+Lab-on-a-Chip%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Ed%22%5BJournal%5D)">Droplet-Based DNA Purification in a Magnetic Lab-on-a-Chip.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 45 (19), 3062-3067 (2006).</li>
<li>Guttenberg, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Planar+chip+device+for+PCR+and+hybridization+with+surface+acoustic+wave+pump%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Planar chip device for PCR and hybridization with surface acoustic wave pump.</a> Lab Chip. 5 (3), (2005).</li>
<li>Al-Kaidy, H., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cben.201500008/abstract">Biotechnology and Bioprocess Engineering - From the First Ullmann's Article to Recent Trends.</a> ChemBioEng Reviews. 2 (3), 175-184 (2015).</li>
<li>McHale, G., Newton, M. I. <a target="_blank" href="http://nrl.northumbria.ac.uk/5213/1/Postprint_McHale_Soft_Matter_vol_7_p5473_2011.pdf">Liquid marbles: principles and applications.</a> Soft Matter. 7 (12), 5473(2011).</li>
<li>Bormashenko, E., Pogreb, R., Bormashenko, Y., Musin, A., Stein, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+Investigations+on+Ferrofluidics%3A+Ferrofluidic+Marbles+and+Magnetic-Field-Driven+Drops+on+Superhydrophobic+Surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">New Investigations on Ferrofluidics: Ferrofluidic Marbles and Magnetic-Field-Driven Drops on Superhydrophobic Surfaces.</a> Langmuir. 24 (21), 12119-12122 (2008).</li>
<li>Gao, L., McCarthy, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ionic+Liquid+Marbles%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Ionic Liquid Marbles.</a> Langmuir. 23 (21), 10445-10447 (2007).</li>
<li>Bhosale, P. S., Panchagnula, M. V., Stretz, H. A. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/profile/Holly_Stretz/publication/224406900_Mechanically_robust_nanoparticle_stabilized_transparent_liquid_marbles/links/0fcfd50e5a351c31bd000000.pdf">Mechanically robust nanoparticle stabilized transparent liquid marbles.</a> Appl. Phys. Lett. 93 (3), 034109(2008).</li>
<li>Bormashenko, E., Balter, R., Aurbach, D. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.3487936">Micropump based on liquid marbles.</a> Appl. Phys. Lett. 97 (9), 091908(2010).</li>
<li>Zhao, Y., Fang, J., Wang, H., Wang, X., Lin, T. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.200902512/abstract">Magnetic Liquid Marbles: Manipulation of Liquid Droplets Using Highly Hydrophobic Fe 3 O 4 Nanoparticles.</a> Adv. Mater. 22 (6), 707-710 (2010).</li>
<li>Fujii, S., Kameyama, S., Armes, S. P., Dupin, D., Suzaki, M., Nakamura, Y. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2010/sm/b914997j">pH-responsive liquid marbles stabilized with poly(2-vinylpyridine) particles.</a> Soft Matter. 6 (3), 635(2010).</li>
<li>Aussillous, P., Quéré, D. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nature/journal/v411/n6840/full/411924a0.html">Liquid Marbles.</a> Nature. 411 (6840), 924-927 (2001).</li>
<li>Mahadevan, L. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nature/journal/v411/n6840/full/411895a0.html">Non-stick water.</a> Nature. 411 (6840), 895-896 (2001).</li>
<li>Tian, J., Arbatan, T., Li, X., Shen, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Liquid+marble+for+gas+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Commun%22%5BJournal%5D)">Liquid marble for gas sensing.</a> Chem. Commun. 46 (26), 4734(2010).</li>
<li>Bormashenko, E., Musin, A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433209001627">Revealing of water surface pollution with liquid marbles.</a> Appl. Surf. Sci. 255 (12), 6429-6431 (2009).</li>
<li>Bormashenko, E., Bormashenko, Y., Pogreb, R., Gendelman, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Janus+Droplets%3A+Liquid+Marbles+Coated+with+Dielectric%2FSemiconductor+Particles%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Janus Droplets: Liquid Marbles Coated with Dielectric/Semiconductor Particles.</a> Langmuir. 27 (1), 7-10 (2011).</li>
<li>Bormashenko, E. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/232410820_Liquid_marbles_Properties_and_applications">Liquid marbles: Properties and applications.</a> Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 16 (4), 266-271 (2011).</li>
<li>Lehmann, U., Hadjidj, S., Parashar, V. K., Vandevyver, C., Rida, A., Gijs, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400505010087">Two-dimensional magnetic manipulation of microdroplets on a chip as a platform for bioanalytical applications.</a> Sens. Actuator B-Chem. 117 (2), 457-463 (2006).</li>
<li>Sato, E., Yuri, M., Fujii, S., Nishiyama, T., Nakamura, Y., Horibe, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Liquid+marbles+as+a+micro-reactor+for+efficient+radical+alternating+copolymerization+of+diene+monomer+and+oxygen%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Commun%22%5BJournal%5D)">Liquid marbles as a micro-reactor for efficient radical alternating copolymerization of diene monomer and oxygen.</a> Chem. Commun. 51 (97), Cambridge, England. 17241-17244 (2015).</li>
<li>Shikida, M., Takayanagi, K., Inouchi, K., Honda, H., Sato, K. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092540050500119X">Using wettability and interfacial tension to handle droplets of magnetic beads in a micro-chemical-analysis system.</a> Sens. Actuator B-Chem. 113 (1), 563-569 (2006).</li>
<li>Sheng, Y., Sun, G., Wu, J., Ma, G., Ngai, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silica-based+liquid+marbles+as+microreactors+for+the+silver+mirror+reaction%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Ed%22%5BJournal%5D)">Silica-based liquid marbles as microreactors for the silver mirror reaction.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 54 (24), 7012-7017 (2015).</li>
<li>Zhao, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-organized+Polymer+Aggregates+with+a+Biomimetic+Hierarchical+Structure+and+its+Superhydrophobic+Effect%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Biochem.+Biophys%22%5BJournal%5D)">Self-organized Polymer Aggregates with a Biomimetic Hierarchical Structure and its Superhydrophobic Effect.</a> Cell Biochem. Biophys. 49 (2), 91-97 (2007).</li>
<li>Xue, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+Liquid+Marbles%3A+A+%22Precise%22+Miniature+Reactor%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Magnetic Liquid Marbles: A "Precise" Miniature Reactor.</a> Adv. Mater. 22 (43), 4814-4818 (2010).</li>
<li>Zhang, L., Cha, D., Wang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Remotely+Controllable+Liquid+Marbles%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Remotely Controllable Liquid Marbles.</a> Adv. Mater. 24 (35), 4756-4760 (2012).</li>
<li>Zhao, Y., Xu, Z., Parhizkar, M., Fang, J., Wang, X., Lin, T. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s10404-012-0976-9">Magnetic liquid marbles, their manipulation and application in optical probing.</a> Microfluid Nanofluid. 13 (4), 555-564 (2012).</li>
<li>Lin, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Superhydrophobic+magnetic+poly%28DOPAm-co-PFOEA%29%2FFe3O4%2Fcellulose+microspheres+for+stable+liquid+marbles%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Commun%22%5BJournal%5D)">Superhydrophobic magnetic poly(DOPAm-co-PFOEA)/Fe3O4/cellulose microspheres for stable liquid marbles.</a> Chem. Commun. 52 (9), Cambridge, England. 1895-1898 (2016).</li>
<li>Glettenberg, M., Niemeyer, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tuning+of+Peroxidase+Activity+by+Covalently+Tethered+DNA+Oligonucleotides%5BTitle%5D)+AND+%22Bioconjugate+Chem%22%5BJournal%5D)">Tuning of Peroxidase Activity by Covalently Tethered DNA Oligonucleotides.</a> Bioconjugate Chem. 20 (5), 969-975 (2009).</li>
<li>Al-Kaidy, H., Tippkötter, N. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/elsc.201400124/abstract">Superparamagnetic hydrophobic particles as shell material for digital microfluidic droplets and proof-of-principle reaction assessments with immobilized laccase.</a> Eng. Life Sci. 16 (3), 222-230 (2016).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Dla skutecznego wykorzystania technologii mikroprzepływowych ważne jest przesunięcie objętości reakcji odpowiadającej wymaganiom syntezy i analiz biotechnologicznych. Przedstawiona tutaj platforma uruchamiająca umożliwia przemieszczanie kropel mikroprzepływowych za pomocą siły magnetycznej. Ruch może być wykonywany swobodnie w dwóch wymiarach na płaskiej powierzchni platformy reakcyjnej poprzez zamknięcie kropli cieczy w magnetycznej powłoce superhydrofobowej. W ten sposób wprowadzono system alternatywny dla predefiniowa...

Aplikacje techniczne z mikroreakcjami są głównie wykonywane w predefiniowanych układach mikrokanałowych. Systemy te są powszechnie znane i kompleksowo opisane w literaturze (m.in. 1,2,3). W 2011 r. światowe obroty w zakresie technologii mikroprzepływowych wyniosły 6,2 mld euro 4. Z kolei wykorzystanie swobodnie poruszających się komór mikroreaktorów było wcześniej badane i publikowane jedynie w ograniczonym zakresie. Najpowszechniejszą metodą przemieszczania mikrokropelek wody wodnej jest elektrozwilżanie 5. Inne metody ruchu kropel na powierzchniach opierają się na polach elektrycznych 6, sile magnetycznej 7 lub akustycznym uruchomieniu 8. Ze względu na niekorzystny stosunek powierzchni do objętości, te kropelkowe systemy mikroreaktorów są narażone na silne efekty parowania. W związku z tym ruch kropli jest zwykle ustalany jako ciekły układ dwufazowy, w którym górna faza ma wysoką temperaturę wrzenia chroniącą fazę wodną przed parowaniem. Niemniej jednak takie podejście wiąże się z dużym ryzykiem zanieczyszczenia kropli reakcji przez niekontrolowaną dyfuzję. Jest to istotna przeszkoda w technicznym ustanowieniu wspomnianych systemów.
Ostatnie prace dotyczą nieprzylegających przejść fazowych ciecz-ciało stałe. Wysoce skutecznym podejściem jest zastosowanie powierzchni superhydrofobowych, pozwalających na tworzenie się kulistych kropel wodnych. Rozszerzeniem tej koncepcji reakcji jest zastosowanie mikrokomór reakcyjnych z superhydrofobową powierzchnią lub powłoką, które mogą na przykład składać się z cząstek politetrafluoroetylenu (PTFE) 9. Ich kąty działania na powierzchniach mieszczą się zazwyczaj w zakresie 160° (w zależności od chropowatości powierzchni). Dzięki temu kuliste komory zapewniają minimalny opór ruchu na powierzchni i jednocześnie zapewniają ochronę przed parowaniem wody.
Wodne krople pokryte mikrocząsteczkami PTFE mogą zachować swój kulisty kształt do średnicy około 2 mm. Przy większych objętościach powłoka hydrofobowa zwykle nie jest już całkowicie zamknięta 10. Wpływ innych materiałów powłokowych i rozszerzenie pola zastosowania ciekłego marmuru do rozpuszczalników niepolarnych zostało zrealizowane przez Gao i McCarthy'ego za pomocą cieczy jonowych 12. Do tej pory opisywano średnice cząstek o średnicach cząstek w rozmiarach od 10 nm do 30 μm 11,14,16. Nowe badania wykazały, że nanocząstki hydrofobowe jako materiał otoczki są jeszcze lepiej przydatne niż mikrocząstki 13. Pierwsze badania stabilności potwierdziły wzrost stabilności, gdy wielkość cząstek zmniejszy się z ok. od 600 nm do ok. 100 nm. Prawdopodobnie wynika to z gęstszego rozkładu cząstek wokół kuli wodnej 15.
Ochrona wodnych komór reakcyjnych przez hydrofobową powłokę i ich oznaczenie jako płynnych kulek zostało po raz pierwszy opisane w 2001 roku przez Aussillous et al. oraz Mahadevan et al. 17,18. Od tego czasu opisano niewiele zastosowań tych zdefiniowanych przedziałów reakcyjnych. Na przykład opracowano czujnik gazu oparty na płynnych kulkach 19 oraz metodę wykrywania zanieczyszczenia wody opartą na optycznie jakościowej podstawie 20. Autorzy wyróżniają zalety wysokich szybkości reakcji i niskiego zużycia substancji chemicznych w ich układach mikroreakcyjnych. Ostatnie publikacje dotyczą produkcji płynnych kulek wrażliwych na pH 16 lub reprezentacji "cząstek janusa" z dwiema różnymi powłokami o różnej funkcjonalności. Na przykład Bormashenko i in. mogli zsyntetyzować mikroreaktor z powłokami wykonanymi z teflonu i półprzewodnikowej sadzy 21. Ponadto wykazano, że mikroreaktory mogą wydajnie i wygodnie syntetyzować polinadtlenki poprzez absorpcję zewnętrznego tlenu w postaci komonomeru przez przepuszczalny interfejs gazowo-cieczowy 24. W innym podejściu, powłoka z płynnych marmurów na bazie cząstek krzemionki zapewnia reaktywne powierzchnie podłoża do regulacji klasycznej reakcji lustra srebra 26. Aktualnymi problemami dla badań i rozwoju w dziedzinie kropel hydrofilowych i hydrofobowych powłok są: regulacja wielkości cząstek, powtarzalna produkcja kropelek monodyspersyjnych, zwilżalność powierzchni i wpływ drugiej powłoki hydrofilowej na przedziały mikroreakcyjne 22, a także lepsza kontrola trajektorii kropel, np. dla rozwoju ciągłych systemów mikroPCR 4.
Magnetyczne uruchamianie tych mikroreaktorów oferuje przewagę w postaci stosunkowo dużego zakresu ruchu i dobrej selektywności siły podczas pracy w systemach biochemicznych. W przypadku zastosowania hydrofobowych cząstek magnetytu spełniają one zarówno funkcję przenoszenia siły magnetycznej na ruch mikroreaktorów, jak i funkcję powłoki hydrofobowej. Ruch magnetyczny kropel z cząstkami magnetycznymi wewnątrz kropli został po raz pierwszy postulowany w 2006 roku przez Lehmanna i wsp. 23 oraz Shikida et al. 25, którzy używali ręcznie poruszanych magnesów trwałych jako siłowników do mobilizacji pojedynczej kropli. Inne podejście do przemieszczania niewielkiej ilości cieczy zostało zrealizowane przez Zhao i wsp., którzy wykorzystali hydrofobowe cząstki Fe3O4 jako powłokę magnetyczną. Skorupa magnetycznego płynnego marmuru została otwarta na górnej stronie kropli przez pionowe odwrócone pole magnetyczne 27. Opierając się na tej koncepcji, Xue i in. byli w stanie opracować cząstki, które tworzą mikroreaktor o napięciu powierzchniowym 20,1 dyne cm−1 28. Lin i in. wyprodukowali nowatorskie mikro/nano hierarchiczne kule na bazie celulozy, zarówno z superparamagnetyzmem, jak i superhydrofobowością, które zapewniają boską stabilność w transporcie i manipulacji kropelkami cieczy magnetycznej 31. Do tej pory zostało to opublikowane tylko jako badanie potwierdzające zasadę i nie zostało wykorzystane do żadnej aplikacji. Magnetyczne i elektryczne sterowanie płynnymi kulkami jest obecnie prowadzone w pierwszych podejściach. Zhao i in. w 2010 roku 15 oraz Zhang et al. 2012 29 byli w stanie opracować manipulację kropelkami poprzez ręczny (ręczny) ruch magnesu trwałego pod kropelkami skorupy rdzenia. Bormaszenko i wsp. 11 osiągnął przyspieszenie ferromagnetycznego płynnego marmuru do prędkości 25 cm s-1 poprzez zbliżenie się do magnesu neodymowego. Wyżej wymienione badania zasadnicze zostały przeprowadzone wyłącznie poprzez ręczny ruch małego magnesu trwałego. Jako kolejny krok rozwojowy, Zhao i in. byli ostatnio w stanie oszacować wymaganą gęstość strumienia magnetycznego dla ruchu magnetycznego płynnego marmuru poprzez zmianę odległości magnesu trwałego 30. W celu zapewnienia kontroli reakcji porównywalnej do tej stosowanej w popularnych systemach typu lab-on-a-chip, nieuniknione wydaje się zapewnienie środków do automatycznej kontroli dyskretnych objętości cieczy. Aby zaspokoić tę potrzebę, opracowaliśmy nowy system sterowania oparty na zmiennych gradientach pola do mocowania, przesuwania i otwierania mikroreaktorów magnetycznych.

<table><tbody><tr><td>Drukarka 3D</td><td>FelixPrinters</td><td>Pro1</td><td></td></tr><tr><td>10-acetylo-3,7-dihydroksyfenoksazyna (Amplex Red)</td><td>Life Technologies</td><td>A12222</td><td></td></tr><tr><td>Wodorotlenek amonu</td><td>TU-KL</td><td>1072</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie CAD</td><td>Krawędź podeszwy Siemens</td><td>Urządzenie</td><td></td></tr><tr><td>do pomiaru kąta zwilżania</td><td>Dataphysics</td><td>OCA 20</td><td></td></tr><tr><td>Cylinder magnes</td><td>Webcraft GmbH</td><td>S-04-13-N</td><td>https://www.supermagnete.de/stabmagnete-neodym-rund/stabmagnet-durchmesser-4mm-hoehe-12.5mm-neodym-n42-vernickelt_S-04-13-N</td></tr><tr><td>Fosforan dipotasowy</td><td>Bernd Kraft</td><td>7758-11</td><td></td></tr><tr><td>Piec do suszenia</td><td>Spoiwo</td><td>FD 115</td><td></td></tr><tr><td>Etanol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>68-17-5</td><td></td></tr><tr><td>FeCl2 tetrahydrat</td><td>TU-KL</td><td>1625</td><td></td></tr><tr><td>FeCl3 sześciowodny</td><td>TU-KL</td><td>1622</td><td></td></tr><tr><td>Sonda fluorescencyjna</td><td>PerkinElmer</td><td>LS 55</td><td></td></tr><tr><td>Peroksydaza chrzanowa</td><td>Carl Roth</td><td>9003-99-0</td><td></td></tr><tr><td>Nadtlenek wodoru</td><td>Th.Geyer GmbH & Co</td><td>7722-84-1</td><td></td></tr><tr><td>Fosforan monopotasowy</td><td>Bernd Kraft</td><td>7778-77-0</td><td></td></tr><tr><td>Element Peltiera</td><td>Conrad&nbsp;</td><td></td><td></td>193569</tr><tr><td>Perfluoroktylotrietoksysilan</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>51851-37-7</td><td></td></tr><tr><td>Skaningowy mikroskop elektronowy</td><td>FEI</td><td>Helios NanoLab 650 DualBeam</td><td></td></tr><tr><td>Separator magnes prętowy</td><td>Webcraft GmbH</td><td>Q-40-20-10-N</td><td></td></tr><tr><td>Nawijarka</td><td>IWT GmbH</td><td>FW122</td><td></td></tr></tbody></table>

kropelki wodne stosowane jako mikroreaktory enzymatyczne i ich elektromagnetyczne uruchamianie

Aqueous Droplets Used as Enzymatic Microreactors and Their Electromagnetic Actuation

Dla pomyślnego wdrożenia systemów reakcji mikroprzepływowych, takich jak PCR i elektroforeza, niezbędny jest ruch małych objętości cieczy. W konwencjonalnych platformach typu lab-on-a-chip rozpuszczalniki i próbki są przepuszczane przez zdefiniowane kanały mikroprzepływowe ze złożonymi instalacjami kontroli przepływu. Przedstawiona tutaj platforma do uruchamiania kropelek jest obiecującą alternatywą. Dzięki niemu możliwe jest przemieszczanie kropli cieczy (mikroreaktora) po płaskiej powierzchni platformy reakcyjnej (lab-in-a-drop). Uruchamianie mikroreaktorów na hydrofobowej powierzchni platformy opiera się na wykorzystaniu sił magnetycznych działających na zewnętrzną powłokę kropel cieczy, która składa się z cienkiej warstwy superhydrofobowych cząstek magnetytu. Hydrofobowa powierzchnia platformy jest potrzebna, aby uniknąć kontaktu między ciekłym rdzeniem a powierzchnią, aby umożliwić płynny ruch mikroreaktora. Na platformie można jednocześnie ustawić i przesunąć jeden lub więcej mikroreaktorów o objętości 10 μl. Sama platforma składa się z matrycy 3 x 3 podwójnych cewek elektrycznych, które mieszczą rdzenie neodymowe lub żelazne. Gradienty pola magnetycznego są sterowane automatycznie. Poprzez zmianę gradientów pola magnetycznego, magnetyczna hydrofobowa powłoka mikroreaktorów może być automatycznie manipulowana, aby przesunąć mikroreaktor lub odwracalnie otworzyć powłokę. Reakcje substratów i odpowiadających im enzymów można zainicjować poprzez połączenie mikroreaktorów lub doprowadzenie ich do kontaktu z katalizatorami unieruchomionymi powierzchniowo.

Cząsteczki otoczki mają średnicę około 640 nm. Nanocząsteczki magnetyzowalne zamknięte w tych fluorosilanowych otoczkach mają średnice w zakresie od 22 nm do 37 nm. Mikroreaktor o pojemności 5 µL z wodą jako rdzeniem ciekłym miał kąt zwilżania około 160°.
Siła niezbędna do przemieszczenia mikroreaktora o objętości 10 µL, opisanego powyżej, wynosi 1,34 ± 0,08 µN. Rysunek 1 przedstawia siłę elektromag...

Systemy reakcji typu lab-in-a-drop pozwalają na wszechstronne przeprowadzanie złożonych reakcji w skali mikroprzepływowej. Opracowano zautomatyzowaną platformę uruchamiającą składającą się z matrycy cewek elektromagnetycznych o wymiarach 3 x 3, która z powodzeniem została wykorzystana do połączenia dwóch mikroreaktorów o pojemności 10 μl, a tym samym zainicjowania reakcji enzymatycznej w powstałych płynnych kulkach.

Kropelki wodne stosowane jako mikroreaktory enzymatyczne i ich elektromagnetyczne uruchamianie

For the successful implementation of microfluidic reaction systems, such as PCR and electrophoresis, the movement of small liquid volumes is essential. In ...

Ogólnym celem tego urządzenia jest dostarczenie nowej technologii platformy mikroprzepływowej, która realizuje zautomatyzowane reakcje kaskadowe w małych kropelkach wodnych. Metoda ta może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie biologii syntetycznej poprzez odtworzenie sekwencji reakcji mikroorganizmów wykonujących złożone sekwencje reakcji z enzymami i badania przesiewowe nowych katalizatorów. Główną zaletą naszego podejścia lab-in-a-drop jest to, że jest ono bardzo elastyczne.W przeciwieństwie do mikroprzepływowych chipów opartych na kanałach, jedynym warunkiem wstępnym jest środowisko reakcji hydrofilowej. Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w reakcje enzymatyczne, może być również stosowana do innych systemów, takich jak katalizatory nieorganiczne lub ciągnięcie ligandów. Po raz pierwszy wpadłem na pomysł tej metody, gdy próbowałem zaprojektować urządzenie mikroprzepływowe ze zintegrowaną separacją produktów, ale bez skomplikowanego systemu zaworów i separatorów.Przesuwając roztwór reakcyjny w postaci kropelki, kontrola reakcji staje się bardzo prosta. Najpierw zaprojektuj w druku 3D korpusy cewek. Następnie za pomocą maszyny do nawijania owiń ciała drutem miedzianym o średnicy 08 milimetrów 45 sto razy każdy.Umieść element Peltiera na tablicy elektrycznej. Przykręć pierwszą warstwę zwojów do elementu Peltiera, aby utworzyć kwadrat. Następnie zabezpiecz drugą warstwę cewek na górze za pomocą wydrukowanej w 3D plastikowej ramy lub innego nieprzewodzącego materiału.Podłącz tablicę elektryczną do sterownika magnesu za pomocą taśmowego. Włóż magnesy neodymowe do cewek. Umieść szklaną lub plastikową płytkę ze szkła kwarcowego lub tworzywa sztucznego o grubości jednego milimetra na wierzchu matrycy cewki.Przymocuj pokrywę na miejscu za pomocą, aby zakończyć montaż platformy uruchamiającej. Aby rozpocząć syntezę nanocząstek w atmosferze obojętnej, najpierw zawiesić 85 gramów sześciowodnego chlorku żelaza(III) i 3 gramy czterowodnego chlorku żelaza(II) w 200 mililitrach roztworu woda-etanol w proporcji cztery do jednego. Następnie dodaj 0,2 mililitra PFOTES i wymieszaj mieszaninę z prędkością 500 obr./min za pomocą mieszadła magnetycznego.Dodać 1,5 molowego wodorotlenku amonu do mieszaniny, aby uzyskać pH 8,0. A następnie kontynuuj mieszanie roztworu przez 24 godziny, aby uzyskać hydrofobowe nanocząstki magnetyczne. Przymocować magnes sztabkowy o sile przyczepności 25 kilogramów do dna kolby reakcyjnej.Odlej roztwór i umyj cząstki trzykrotnie roztworem wody do etanolu w proporcji cztery do jednego. Wyjmij magnes i susz cząsteczki w temperaturze 60 stopni Celsjusza przez 24 godziny. Scharakteryzuj cząstki za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej.Przygotować roztwór 0,1 mikrograma na mililitr peroksydazy chrzanowej w 0,1 molowym buforze fosforanu potasu o pH 6,5 z 10 milimolowym nadtlenkiem wodoru. Następnie należy przygotować 20-mikromolowy roztwór sondy fluorescencyjnej 10-acetylo-3,7-dihydroksyfenoksazyny w buforze fosforanu potasu. Następnie delikatnie zmiel suche nanocząstki za pomocą szklanego moździerza i tłuczka.Przenieś cząstki na szalkę do ważenia polistyrenu i dodaj 10 mikrolitrów roztworu peroksydazy. Delikatnie obracaj patelnię przez około 10 sekund, aby uzyskać samoorganizację nanocząstek wokół roztworu peroksydazy. Przenieś ten mikroreaktor na platformę uruchamiającą.Powtórz ten proces z 10 mikrolitrami roztworu sondy fluorescencyjnej i umieść drugi mikroreaktor na platformie. Przechowuj pozostałe cząstki w temperaturze pokojowej. Użyj elementu Peltiera, aby utrzymać roztwory reakcyjne w mikroreaktorach w temperaturze 25 stopni Celsjusza.Zamontuj mikroskop fluorescencyjny około 10 milimetrów nad mikroreaktorami i podłącz mikroskop do komputera. Za pomocą sterowania magnesem aktywuj magnesy i obróć, aby ustawić mikroreaktor z roztworem sondy fluorescencyjnej pod mikroskopem. Włącz lampkę wzbudzenia.Podnieś magnes cewki, aby otworzyć mikroreaktor i rozpocząć rejestrowanie obrazu z mikroskopii fluorescencyjnej. Po dwóch do pięciu sekundach opuść magnes, aby zamknąć mikroreaktor. Następnie użyj sterowania magnesem, aby przesunąć mikroreaktor peroksydazy w sąsiedztwie mikroreaktora fluorescencyjnego.Otwórz mikroreaktor z sondą fluorescencyjną. Mikroreaktor peroksydazy jest wciągany do mikroreaktora sondy i otwierany, inicjując reakcję. Monitoruj reakcję za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej, otwierając i zamykając połączony mikroreaktor w razie potrzeby.Mikroreaktory stworzono poprzez kodowanie kropelek roztworu hydrofobowymi nanocząstkami żelaza. Te mikroreaktory mogą być przenoszone, otwierane, zamykane i łączone poprzez manipulację magnesami neodymowymi pod platformą uruchamiającą. Platforma uruchamiająca może być również zbudowana z żelaznych rdzeni w korpusach cewek.Zapewnia to wystarczającą siłę magnetyczną, aby przesunąć mikroreaktor o ponad 10 milimetrów, ale jest niewystarczające do otwarcia mikroreaktora. Dlatego magnes neodymowy musi być używany do przeprowadzania reakcji w małych objętościach roztworu. Przeprowadzono reprezentatywną reakcję enzymatyczną między peroksydazą a znacznikiem fluorescencyjnym i monitorowano ją za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej.Wspomniana przez Michaelisa kinetyka zaobserwowana podczas reakcji zgadzała się dobrze z wartościami literaturowymi, wskazując, że ustawienie mikroreaktora nie ma wpływu na przebieg reakcji. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak syntetyzować mikrocząstki hydrofobowe i generować z nich wodne mikrokropelki. Technologia platformy może być wykorzystywana do zautomatyzowanej kontroli reakcji poprzez łączenie kropel.Dodatkowo, pojedyncze mikroreaktory wypełnione substratem mogą poruszać się po małych strefach powierzchniowych ze zmobilizowanymi enzymami. Zastosowanie wielu stref immobilizacji z różnymi enzymami umożliwia sekwencyjną kaskadę reakcji z produktami przenośnymi i natychmiastowymi. Opracowanie prototypu to dopiero początek.Obecnie wdrażamy zautomatyzowany system dozujący nad platformą reakcyjną, aby ponownie umieścić unieruchomione enzymy w dowolnej pozycji. Matryca cewki zostanie zwiększona do 10 razy 10 pozycji. Technika ta może utorować drogę do sterowanego komputerowo planowania i wykonywania sekwencji reakcji biochemicznych.

aqueous-droplets-used-as-enzymatic-microreactors-their

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Mikrofluidyczne platformy kropelkowe są obiecującymi narzędziami do eksperymentów wysokoprzepustowych, ponieważ umożliwiają one niskokosztowe generowanie piko-litrowych, samoczynnie odseparowanych komór z częstotliwością rzędu kHz. Dzięki integracji z szybkimi, czułymi i wysokorozdzielczymi metodami spektroskopii fluorescencyjnej, duże ilości informacji generowanych w tych systemach mogą być efektywnie wydobywane, przetwarzane i wykorzystywane.

Metody detekcji fluorescencyjnej dla mikroprzepływowych platform kroplkowych

Opracowaliśmy zautomatyzowaną platformę do hodowli komórek i przesłuchań do eksperymentów stymulacji komórek na mikroskalę.  Platforma oferuje prostą, wszechstronną i precyzyjną kontrolę w hodowli i stymulacji małych populacji komórek oraz odzyskiwaniu lizatów do analiz molekularnych.  Platforma doskonale nadaje się do badań, w których wykorzystuje się cenne komórki i/lub odczynniki.

Wszechstronna, zautomatyzowana platforma do eksperymentów ze stymulacją komórek w mikroskali

Opisano protokół produkcji i obsługi urządzeń do odwadniania pól (Field-DW), a także wstępne badania wpływu pól elektrycznych na zawartość kropel.

Wykorzystanie zmniejszonej interakcji kropelka-powierzchnia w celu optymalizacji transportu bioanalitów w cyfrowej mikrofluidyce

Ta praca przedstawia prostą i wizualną metodę wykrywania polimorfizmów wielonukleotydowych na pneumatycznej platformie do manipulacji kropelkami. Dzięki proponowanej metodzie cały eksperyment, w tym manipulacja kropelkami i wykrywanie polimorfizmów wielonukleotydowych, może być przeprowadzony w temperaturze około 23 °C bez pomocy zaawansowanych urządzeń.

Wizualna detekcja kolorymetryczna polimorfizmów wielonukleotydowych na pneumatycznej platformie do manipulacji kropelkami

Ten artykuł opisuje proces mikroprzepływowy i parametry przygotowania cząstek uruchamiających z elastomerów ciekłokrystalicznych. Proces ten pozwala na przygotowanie cząstek uruchamiających oraz zmianę ich wielkości i kształtu (od spłaszczonej do silnie prolate, morfologii rdzeń-powłoka i janus), a także wielkość aktywacji.

Przygotowanie mikroprzepływowe siłowników z elastomeru ciekłokrystalicznego

Cyfrowy mikrofluidyk oparty na elektrozwilżaniu to technika, która wykorzystuje sterowaną napięciem zmianę pozornego kąta zwilżania kropli o objętości mikrolitra, aby ułatwić jej manipulację. Połączenie tego z funkcjonalizowanymi kulkami magnetycznymi umożliwia integrację wielu operacji laboratoryjnych w celu przygotowania próbki i identyfikacji patogenów za pomocą testu immunoenzymatycznego (ELISA).

Cyfrowa platforma mikroprzepływowa oparta na elektrozwilżaniu do zautomatyzowanego testu immunoenzymatycznego

Ogólnym celem protokołu jest przygotowanie ponad miliona uporządkowanych, jednolitych, stabilnych i biokompatybilnych kropel femtolitru na płaskim podłożu o powierzchni 1cm2, który może być użyty do syntezy białek bez komórek.

Femtolitrowa matryca kropelkowa do masowo równoległej syntezy białek z pojedynczych cząsteczek DNA

Opisujemy zestaw edukacyjny, który pozwala użytkownikom przeprowadzać wiele eksperymentów i zdobywać praktyczne doświadczenie w zakresie cyfrowej mikrofluidyki.

Wszechstronny zestaw oparty na cyfrowym uruchamianiu kropelkowym mikrofluidyki do nauczania przedmiotów ścisłych

Testy kropelek wody w oleju są przydatne do chemii analitycznej, ewolucji enzymów i analizy pojedynczych komórek, ale zazwyczaj wymagają mikrofluidyki do formowania kropel. W tym miejscu opisujemy emulgację z szablonami cząstek, bezprzepływowe podejście do wykonywania testów kropelkowych.

Emulgacja szablonowa cząstek umożliwia oznaczanie kropel bez mikroprzepływowości

Ten protokół opisuje, jak używać systemu mikrobiologicznej hodowli mikrokropel (MMC) do prowadzenia zautomatyzowanej hodowli mikrobiologicznej i adaptacyjnej ewolucji. MMC może hodować i podkulminować mikroorganizmy automatycznie i w sposób ciągły oraz monitorować online ich wzrost ze stosunkowo wysoką przepustowością i dobrą równoległością, zmniejszając zużycie pracy i odczynników.

Zautomatyzowana hodowla mikroorganizmów i ewolucja adaptacyjna z wykorzystaniem systemu hodowli mikrokropelek drobnoustrojów (MMC)

Tutaj przedstawiono protokół produkcji urządzeń mikroprzepływowych na bazie szkła, używanych do generowania wysoce monodyspersyjnych emulsji o kontrolowanej wielkości kropli.

Urządzenia na bazie szkła do generowania kropli i emulsji

Poznaj technologię mikroreaktorów wodnych do zautomatyzowanych reakcji kaskadowych w biologii syntetycznej. Ta metoda umożliwia badanie procesów enzymatycznych i przesiewanie nowych katalizatorów.

Kropelki wodne stosowane jako mikroreaktory enzymatyczne i ich elektromagnetyczne uruchamianie

Przeglądaj więcej filmów