Методическая статья

Фазовая диаграмма характеристик, используя магнитные шарики в качестве жидких носителей

12.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/52957

⸱

4 сентября 2015 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы представляем протокол для исследования многокомпонентных фазовых диаграмм с использованием магнитных шариков, управляемых извне, в качестве носителей жидкости в подходе «лаборатория в пробирке». Этот подход может быть полезен в приложениях, направленных на сбор дополнительной информации о фазовых изменениях в сложных жидкостных системах.

Аннотация

Магнитные шарики с диаметром ~ 1,9 средняя мкм были использованы для транспортировки объемов мкл жидкости между смежными сегментами жидких с трубкой с целью исследования фазовых изменений этих жидких сегментов. Магнитные шарики с внешним управлением с помощью магнита, что позволяет шарики, чтобы преодолеть воздушный клапан между соседними жидких сегментов. Гидрофобное покрытие наносили на внутреннюю поверхность трубки для повышения расстояние между двумя жидкими сегментов. Приложенного магнитного поля образуется совокупный кластер магнитных шариков, захватив определенный количество жидкости в кластере, который называют объем перенесенных. Флуоресцентный краситель был добавлен в одном сегменте жидкой, а затем серии жидких передачи, которые затем изменили интенсивность флуоресценции в соседней жидкого сегмента. На основании численного анализа измеренного изменения интенсивности флуоресценции, объем переноса в массе магнитных шариков было обнаруженоравной ~ 2 до 3 мкл / мг. Это небольшое количество жидкости допускается использование сравнительно небольших жидких сегментов пару сотен мкл, повышение возможности устройства подхода лаборатория-в-трубе. Этот метод нанесения небольшого Композиционный Вариант в объеме жидкости была применена к анализу фазовой диаграммы между водой и поверхностно-активным веществом C12E5 (pentaethylene гликоля монододециловый эфир) двоичный, что приводит к более быстрому анализу с меньшими объемами выборок по сравнению с традиционными методами.

Введение

Магнитные шарики (MBS) на заказ 1 мкм в диаметре, были использованы 1,2 довольно часто в микрожидкостных-приложений, в частности, для биомедицинских устройств. В этих устройствах, МБ предложили такие возможности, как клетки и разделения нуклеиновых кислот, контрастных агентов, и поставки наркотиков, чтобы назвать несколько. Сочетание внешних (магнитное поле) контроля и капель на основе микрофлюидики позволило 3 контроль иммунологических с использованием малых объемов (<100 NL). МБ также показали обещание, когда используется для обработки жидкости 4. Этот подход использует МБ для транспортировки биомолекулы между жидкостью сегментов внутри трубки, разделенных воздушным клапаном. Этот метод не является столь мощным, как другие, более сложные лаборатории-на-чипе устройства видели в прошлом, но это гораздо проще, и не предлагают возможности обработки мкл размера объемы жидкости. Аналогичный подход был недавно сообщили 5 группой Haselton и применяется для биомедицинскиханализах.

Один из наиболее важных аспектов этого устройства является жидкой фаз сегмент предлагаемые поверхностного натяжения контролируемой воздушного клапана. Объемы мкл жидкости, прикрепленные к МБ транспортируются через этот воздушный зазор между жидкими сегментов с использованием приложенного извне магнитного поля. Микрочастицы МБ (из ~ 0.4-7 мкм в диаметре, в среднем на 1,9 мкм) под действием внешнего магнитного поля создать микро-пористых кластер, который захватывает жидкость в. Сила этого жидкого захвата достаточно, чтобы выдержать силы поверхностного натяжения при транспортировке МБС из одного резервуара в другой. Как правило, этот эффект нежелателен, так как большинство подходов нужны только транспортировку специфических молекул (например, биомаркеров), содержащихся в жидкостях 6. Тем не менее, как можно видеть в нашей работе, этот эффект может быть использован, чтобы стать положительным аспектом устройства.

Мы использовали эту «лабораторию в трубе"Подход, схематически показано на рисунке 1, для анализа фазовых диаграмм двойных систем материалов. Поверхностно-активное вещество C12E5 был выбран в качестве основного фокуса характеристики, как это широко используется в промышленных приложениях, таких как фармацевтика, продукты питания, косметика, и т.д. В частности, H 2 O / C12E5 бинарная система была исследована, поскольку она обеспечивает богатый набор фаз, чтобы исследовать. Мы сосредоточились на одном конкретном аспекте этого химического смеси, а именно переходов на жидкокристаллических фаз при определенных концентрациях 7-9. Этот переход легко наблюдается в нашем устройстве путем включения поляризаторы в оптических исследованиях микроскопии для того, чтобы подчеркнуть границы фаз.

Будучи в состоянии карту фазовые диаграммы очень важной областью исследований для того, чтобы понять кинетики, связанных с фазовым переходом 10. Возможность точно определить взаимодействие ПАВ с растворителями Ай другие компоненты важно из-за их сложности и многих различных фаз 11. Многие другие методы ранее использовались для характеристики изменения фазы. Традиционный подход предполагает создание многих образцов, каждый из которых состоит из различных концентрациях и позволяя им, чтобы уравновесить, который требует длительных время обработки и высокое количество объемов проб. Затем образцы, как правило, анализируется с помощью оптических методов, таких как диффузионного межфазного транспорта (ДИТ), который предлагает высокое разрешение таких поверхностно-активных веществ композиций 12,13. Подобно методу Мы использовали метод DIT использует поляризованный свет для межфазных границ отдельных изображений.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовка одноразового использования материалов в устройстве

  1. Подготовка трубы
    1. Вырезать трубки на 15 см сегментов. Трубы имеет 1,6 мм внутренний диаметр и 3,2 мм наружный диаметр.
    2. Повесьте сегменты труб по вертикали, используя ленту. Поместите бумажное полотенце под труб, чтобы собрать избыток раствора фторполимера.
    3. Вводят 100 мкл раствора фторполимера в верхнее отверстие каждого сегмента трубки с помощью шприца, таким образом, что она будет вступать в контакт с всей окружности на внутренней стене.
    4. Разрешить сегменты труб повесить на месте в течение 1 часа, чтобы удалить избыточное количество фторполимера раствора.
    5. Очистите любые фторполимерной решение от нижней части трубы, что не капать. Удалить из трубки висит позицию и распоряжаться бумажных полотенец.
    6. Поместите сегменты трубки в печи при 100 ° С в течение 1 ч дл отжига фторполимера слой покрытия.
    7. Удалить сегменты труб из духовки. Используйте пинцет, а трубки SEGные будет жарко.
  2. Подготовка разбавленных магнитных решения борта
    1. Рассчитать концентрацию магнитного бисера, необходимое для достижения желаемого объема переходящий, как определено соотношением между переноса объема и МБ масса показано на фиг.2.
      Примечание: оригинальное решение МБ имеет 1 г МБ в 50 мл раствора. Учитывая объем испытательной камеры 20 мкл, разбавленные оригинальный MB раствора с дистиллированной водой до соотношения 6: 4 (раствор MB: вода), чтобы получить объем перенесение ~ 0,4 мкл. Отрегулируйте коэффициент разбавления, когда разные объемы переноса желательно.
    2. Поместите флакон с 20 мл пробы на микро-баланса. Нулевой баланс.
    3. Перемешайте магнитного контейнер шарик решение, то вывести 0,6 мл с использованием микро-пипетки.
    4. Разлить пипеткой раствора в ампуле образца на балансе.
    5. Разлить 0,4 мл дистиллированной воды во флакон образца.
  3. Люминесцентная краска лiquid подготовка
    1. Растворить 2 мас.% Красителя в деионизированной воде при интенсивном перемешивании раствора в течение 1 мин.

2. Подготовка экспериментальной установки для экспериментов флуоресценции

  1. Получение устройства дл труб.
    1. Вставка гнездовой соединитель Луера на один конец трубки.
    2. Поместите трубку в шприц Луера, что имеет объем 3 мл и 0,1 мл окончание.
    3. Поместите шприц в шприцевой насос и установить скорость подачи в 2 мл / ч.
    4. Для точного введения жидкостей в трубопроводе, с помощью шприца, чтобы вывести раствора, содержащего магнитных шариков и флуоресцентный краситель.
    5. Вставьте 20 мкл магнитной решения шарик в трубку с помощью шприца вывод насоса. Эта жидкость сегмент именуется испытательной камере (объем камеры тест может изменяться в зависимости от эксперимента). Vortex контейнер с магнитной раствора шарик в течение 1 мин, а затем перемешивание вручную во цикл вывода для формирования единых MB дисперсий.
    6. После вставки жидкости испытательной камере заключен, вывести 6 мкл воздуха в трубку. Этот объем воздуха будет позже образуют клапан между двумя жидкими сегментов.
    7. После вставки воздушный зазор завершена, начнется вывода 180 мкл жидкости с флуоресцентным красителем. Эта жидкость сегмент называют резервуаром. Объем резервуара может варьироваться в зависимости от эксперимента. Большие объемы резервуара полезно минимизировать изменение концентрации красителя.
    8. Поместите второй гнездовой соединитель Луера на другом конце трубки.
    9. Снимите устройство трубы из шприца.
    10. Поместите Луера крышки на обоих концах устройства.
  2. Настройка оптики для флуоресцентных экспериментов
    1. Включите все компоненты, подключенные к инвертированным микроскопом.
    2. Включите компьютер и откройте для обработки изображений микроскоп.
"> 3. Порядок Экспериментальная для флуоресценции Эксперименты

  1. Возьмем первое измерение интенсивности флуоресценции испытательной камеры и резервуара при помощи инвертированного микроскопа. При анализе флуоресценцию образца, гарантировать, что фокус находится в центральном положении (в обоих направлениях х и у) жидкой сегмента внутри трубки. Измерения Запись в таблице данных.
  2. Поместите устройство на верхней части куба магнита таким образом, что все магнитные шарики отделить одной области в испытательной камере. Передача шарики в резервуар, перемещая устройство на верхней части магнита (~ 10 сек). 1-дюймовый неодимовый магнит куб класса N48 с выдвижной силы 45,6 кг.
  3. После магнитного бисера кластера передается через воздушный зазор, а в резервуар, перемешивание магнитных шариков, поместив устройство на верхней части магнита и вращающегося выпустить жидкость в ловушке внутри кластера. Продолжить перемешивание магнитных шариков до гомогенизации водохранилища не былозавершена (~ 30-45 сек).
  4. Поместите устройство поверх магнита таким образом, что магнитные шарики в резервуаре все разделения одной области. Передача магнитного шарик кластера обратно в испытательной камере.
  5. После того, как кластер достигает испытательную камеру, перемешивание магнитных шариков, поместив устройство на верхней части магнита и вращающегося выпустить захваченный флуоресцентный жидкости внутри. Продолжить перемешивание магнитных шариков до гомогенизации испытательной камеры не была завершена (~ 30-45 сек).
  6. Возьмите измерения интенсивности флуоресценции как в испытательную камеру и резервуар с помощью инвертированного микроскопа. Измерения Запись в таблице данных.
  7. Шаги 3.2-3.6 повторяются до тех пор, как жидкие сегменты не сходятся с подобными интенсивности флуоресценции (~ 100 циклов).

4. Численный анализ Флуоресцентные данных

  1. С данных интенсивность флуоресценции сохраняется в электронной таблице выполните численный анализ с помощью MATLAB.
  2. DERIVе уравнения для расчета теоретического значения интенсивности флуоресценции как в резервуаре и испытательной камеры. Включить следующие уравнения в файле сценария MATLAB:
    где я это интенсивность флуоресценции (АС), есть объем (мкл), п количество переводов, R является резервуаром, T это тест камеры, а С перенос.
  3. Использование MATLAB, генерировать и анализировать графики, чтобы определить объем переходящий для всех экспериментов. Используйте эти данные, чтобы произвести Рисунок 2.

5. Подготовка экспериментальной установки для экспериментов ПАВ

  1. Получение устройства дл труб.
    1. Вставка женского Луера на один конец трубки.
    2. Поместите трубку в шприц Луера.
    3. Поместите шприц в шприцевой насос и установить скорость подачи в 2 мл / ч.
    4. Для точного введения жидкостей в трубопроводе, с помощью шприца, чтобы вывести раствора, содержащего магнитных шариков и Суrfactant.
    5. Вставьте 20 мкл магнитной шарик решение в трубке с использованием вывод шприц насоса. Эта жидкость сегмент именуется испытательной камере (объем камеры тест может изменяться в зависимости от эксперимента). Перемешайте контейнер с магнитным борта раствора стороны в течение цикла вывода для формирования единых MB дисперсий.
    6. После вставки жидкости испытательной камере заключен, вывести 6 мкл воздуха в трубку. Этот объем воздуха будет позже упоминаться как воздушный зазор.
    7. После вставки воздушный зазор завершена, начнется вывода 180 мкл чистой C12E5 ПАВ. Это будет позже называют резервуаром.
  2. Настройка оптики для поверхностно экспериментов.
    1. Перемещение шприцевой насос с трубками устройства таким образом, что испытательная камера с магнитными гранулами находится в фокусе с стереомикроскопа.
    2. Поместите лист поляризационной пленки на верхней части светодиодного источника света. Слайд светодиодный источник света под трубкой, прикрепленной кшприц насос.
    3. Приложить другой поляризатор фильм объектив стерео микроскопом, используя ленту. Убедитесь, что два поляризатора пленки имеют 90 градусов смещены относительно друг друга.
    4. Установите ПЗС (прибор с зарядовой связью) камеры в стерео микроскопа. Подключите камеру к компьютеру и откройте программу изображений.

6. Экспериментальная процедура для ПАВ экспериментов

  1. Поместите куб магнит рядом с испытательной камеры, а магнит установлен на стенде.
  2. После того, как магнитные гранулы образуют кластер, начинают перекачивания жидкостей в трубе при скорости подачи 2 мл / ч, так что магнитное шарик кластера перемещается из испытательной камеры, через воздушный зазор, а в поверхностно резервуара камеры.
  3. После того, как магнитное шарик кластера достигает середину пласта камеры, остановить перекачку на шприцевой насос.
  4. Перемещение куба магнита от трубки, что позволяет магнитные шарики, чтобы отделитьй сократить время диффузии жидкости в ловушке в магнитном борта кластера.
  5. Смотрите на экран компьютера наблюдать H 2 O / C12E5 смесь цикл через различные фазы.
  6. После того, как диффузия и фазового перехода жидкости завершена, поместите магнит обратно в прежнее место назначения резервуаром таким образом, магнитные шарики образуют в кластер.
  7. Использование шприца, вывести жидкости, такие, что магнитное шарик кластера передается из резервуара поверхностно, через воздушный зазор, и назад в H 2 O испытательной камеры.
  8. После того, как магнитное шарик кластера достигает среднюю испытательной камеры, остановить перекачку на шприцевой насос.
  9. Перемещение куба магнита от трубки. Это позволит магнитные шарики, чтобы отделить и поможет сократить время диффузии жидкости в ловушке в магнитном борта кластера.
  10. Смотрите на экран компьютера наблюдать H 2 O / C12E5 смесь цикл через различные фазы.
  11. После того, как диффузия и фазового перехода жидкости завершена, поместите магнит обратно в прежнее место назначения по испытательной камере таким образом, магнитные шарики образуют в кластер.
  12. Повторите шаги 6.2-6.11 до испытательной камере не отображает изменения фаз.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Используя подход Лаборатория в трубе для транспортировки суммы мкл-объем жидкости с магнитных шариков вместе с MATLAB для численного анализа, средних жидких перенесенных объемов, в зависимости от магнитной массы шарик, были найдены (рисунок 2). Высшее масса магнитных шариков обеспечивает более высокий объем переходящий в размере 2-3 мкл / мг. Экспериментальная установка (рис 1) был использован для наблюдения изменения фазы в пределах H 2 O / C12E5 двоичной системе. Поскольку ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В наиболее распространенных методов фазовой диаграммы исследования, несколько образцов с различными составами и коэффициентов должны быть подготовлены и должны достичь термодинамического равновесия, которая вызывает длительный процесс и значительное количество материала. Некоторые проблемы могут быть решены с помощью DIT метод (диффузная поверхностное транспорт), используя плоскую капилляр и метод анализа инфракрасного, но ни один из них не может решить все проблемы с низкой стоимости инвестиций.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

У авторов нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Авторы отмечают много полезных дискуссий с М. Каджиони и поддержку со стороны Proctor and Gamble в виде стажировки для NAB.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
AccuBeadBioneer Inc.TS-1010-1Магнитные шарики
C12E5 Поверхностно-активное веществоSigma-Aldrich76437
Thermo Scientific Nalgene 890Fisher Scientific14176178
Cube МагнитApex МагнитыM1CU
Поляризационная пленкаEdmund Optics38-493
Тефлон AFDupont400s1-100-1Раствор фторполимера
Красная краскаKeystone601-001-49Флуоресцентный краситель
Luer-LockCole-ParmerT-45502-12Женский
Luer-LockCole-ParmerT-45502-56Мужской
шприцFisher Scientific14-823-435мл
Шприцевая помпаStoelting53130
СтереомикроскопNikonСМЗ-2Т
Инвертированный микроскопNikonEclipse Ti-UИспользуемый фильтр-куб имел диапазон длин волн возбуждения от 540-580 нм и дихроичное зеркало на длине волны 585 нм, что позволяло осуществлять фотоизлучение в диапазоне от 593 до 668 нм.
БалансДенвер Инструментс Фотоаппарат для микроскопа PI-225D
Motic5000
3

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

C12E5

Похожие статьи