Методическая статья

Водные капельки, используется как ферментативные микрореакторы и их электромагнитного привода

DOI:

10.3791/54643

⸱

28 августа 2017 г.

 ,  ,  , 
1Institute of Bioprocess Engineering, University of Kaiserslautern, 2Bioprocess Engineering, University of Applied Sciences, FH Aachen

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Лаборатории в падение реакции системы позволяют универсальное осуществление сложных реакций в масштабе microfluidic. Автоматического срабатывания платформа, состоящая из матрицу 3 x 3 электромагнитных катушек был разработан и успешно используется для слияния двух 10 мкл микрореакторы и тем самым инициировать ферментативной реакции в результате жидкого мрамора.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Для успешного внедрения систем microfluidic реакции, например ПЦР и электрофорез движение небольших объемов жидкости. В обычных лаборатории на а чип платформах растворителей и образцы передаются через каналы определенные microfluidic сложного потока управления установками. Платформа срабатывания капелька, представленные здесь является перспективной альтернативой. С ним можно переместить жидкие капли (microreactor) на плоской поверхности платформы реакции (лаборатории в drop). Срабатывание микрореакторы на гидрофобной поверхности платформы основана на использовании магнитных сил, действующих на внешней оболочки капель жидкости, которая сделана из тонкого слоя superhydrophobic магнетитовых частиц. Гидрофобной поверхности платформы необходимо избегать любого контакта между жидкого ядра и поверхности, чтобы разрешить плавное движение microreactor. На платформе один или несколько микрореакторы с объемами 10 мкл можно позиционируется и переехал одновременно. Сама платформа состоит из матрицу 3 x 3 электрических двойной катушки, вместимостью неодимия или железа сердечников. Автоматически контролируются градиентами магнитного поля. Путем изменения магнитного поля градиентов микрореакторы магнитные гидрофобные оболочки можно манипулировать автоматически переместить microreactor или откройте оболочку обратимо. Реакции субстратов и соответствующих ферментов может быть инициировано слияния микрореакторы или привлечения их контакт с поверхности иммобилизованных катализаторов.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Технические приложения с микро реакции преимущественно осуществляется в предопределенных микроканальные фишек. Эти системы являются широко создана и всесторонне описаны в литературе (среди прочего 1,2,3). В 2011 году оборот microfluidic технологий во всем мире составил 6,2 млрд евро 4. В противоположность этому использование свободно движимого микро реактор отсеков был ранее только изучены и опубликованы в ограниченной степени. Наиболее распространенный метод для перемещения водных капель микро-electrowetting 5. Другие методы для движения капель на поверхности основаны на электрические поля 6, магнитные силы 7 или акустическая срабатывания 8. Благодаря их неблагоприятных поверхности соотношение объема этих систем на основе капелька microreactor подвергаются воздействию сильного испарения. Таким образом падение движения обычно устанавливается как жидкий двухфазной системы, где верхний этап имеет высокую температуру кипения защиту водной фазе от испарения. Тем не менее этот подход включает в себя высокий риск заражения реакция капелька, бесконтрольное распространение. Это является существенным препятствием для создания технических систем.

Недавняя работа связана с non сторонник жидкость твердое фазовых переходов. Весьма эффективным подходом является использование superhydrophobic поверхностей, позволяя образование сферических водных капель. Расширение концепции этой реакции является использование микро реакции отсеков с superhydrophobic поверхности или оболочку, которая может состоять, например, из политетрафторэтилена (ПТФЭ) частиц 9. Их контактные углы на поверхности, как правило, в диапазоне от 160° (в зависимости от шероховатости поверхности). Сферические отсеков таким образом обеспечивают минимальное сопротивление движению на поверхности и одновременно обеспечить защиту от испарения воды.

Водных капель с микро размера частиц с PTFE покрытием может сохранить их сферическую форму диаметром около 2 мм до. В более высоких объемах гидрофобные оболочки обычно не закрывается полностью больше 10. Влияние других материалов оболочки и расширение области применения жидкого мрамора для неполярных растворителей был осуществлен Гао и Маккарти, используя ионных жидкостей 12. Для формирования гидрофобных частиц на основе снарядов пока диаметров частиц в размерах 10 Нм-30 мкм были описаны 11,14,16. Новые исследования показали, что гидрофобные наночастицы как материала оболочки используются даже лучше чем микрочастицы 13. Первые исследования стабильности подтвердили увеличение стабильности при уменьшении размера частиц от ca. 600 Нм до примерно 100 Нм. Это скорее всего, результаты от плотность распределения частиц вокруг в водной сфере 15.

Защиты водных реакции отсеков гидрофобные оболочки и их обозначение как жидкого мрамора был впервые описан в 2001 году Aussillous et al. и Махадеван et al. 17 , 18. с тех пор, были описаны несколько приложений этих отсеков определенной реакции. Например датчик газа, на основе жидкого мрамора 19 и метод обнаружения загрязнения воды, основанный на основе оптически качественных были развитые 20. Авторы выделяют преимущества высокой реакции ставок и низкое потребление химических веществ, их микро реакции систем. Недавние публикации дело с производства жидкого мрамора рН чувствительных 16 или представление «Janus частиц» с двух различных покрытий различных функций. Например Bormashenko et al. может синтезировать microreactor снарядами из тефлона и полупроводниковые сажи 21. Кроме того было продемонстрировано, что микрореакторы может эффективно и удобно синтезировать polyperoxides, поглощая внешнего кислорода как сомономерами через проницаемых газо жидкостный интерфейс 24. В другой подход оболочки на основе кремния частица жидкого мрамора обеспечивают реактивной субстрата поверхностей регулировать классической Серебряное зеркало реакции 26. Текущие проблемы для исследований и разработок в области гидрофильно ядро гидрофобная оболочки капель являются регулировки размера частиц, воспроизводимое производство монодисперсных капельки, смачиваемость поверхностей и эффект второго Гидрофильные оболочки на микро реакции отсеков 22, а также лучше контролировать капелька траекторий, например для развития систем непрерывной microPCR 4.

Магнитные срабатывания этих микрореакторы предлагает преимущество относительно высокой движения диапазонов и хорошей селективности сил при работе в биохимических систем. При использовании гидрофобные магнетитовых частиц, они выполняют функцию магнитной силы передачи движения микрореакторы, а также функция гидрофобные оболочки. Движение магнитного капель с магнитных частиц внутрь капельку было постулировано в первый раз в 2006 году, Леманн и др. 23 и Shikida и др. 25, которые использовали вручную перемещены постоянные магниты, приводы для мобилизации одной капли. Чжао et al., который использовал гидрофобных частиц Fe3O4 как магнитные оболочки был реализован другой подход для перемещения небольшое количество жидкости. Оболочки магнитные жидкого мрамора был открыт на верхней стороне падение вертикальных обратное магнитное поле 27. Основываясь на этой концепции, Сюэ et al. смогли разработать частицы, которые формируют microreactor с поверхностное натяжение 20.1 Дина см−1 28. Линь et al. сфабрикованы Роман на основе целлюлозы микро/нано иерархических сферы с Суперпарамагнетизм и superhydrophobicity которые обеспечивают стабильность Бога для магнитной жидкости капелька транспорта и манипуляции 31. Это был выпущен пока только как доказательство принципа исследования и не используется для любых приложений. Магнитного и электрического управления жидкого мрамора в настоящее время осуществляется в первых подходов. Чжао et al. в 2010 15 и Zhang et al. 2012 29 смогли разработать капелька манипуляции вручную (ручным) движением постоянного магнита под ядро оболочка капельки. Bormashenko и др. 11 достигается ускорение ферромагнитных жидкого мрамора к скорости s 25 см-1 приближается неодимовый магнит. Упомянутые выше принцип исследования проводились исключительно ручной движением небольшой постоянного магнита. В качестве следующего шага развития Чжао et al. недавно смогли оценить необходимые плотности магнитного потока для движения магнитных жидкого мрамора, меняя расстояние постоянный магнит 30. Для элемента управления реакции, сопоставимые общих систем лаборатории на чипе кажется неизбежным для предоставления средств автоматизированного контроля дискретных жидкости volumes. Чтобы удовлетворить эту потребность, мы разработали новую систему управления, основанную на поля переменной градиенты фиксировать, перемещать и открыть магнитные микрореакторы.

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

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. гидрофобизации магнитных наночастиц

  1. для синтеза гидрофобные магнитных частиц, добавить 0,85 г FeCl 3 гексагидрата (3.14 ммоль) и 0.30 g FeCl 2 тетрагидрат (1.51 ммоль) 200 мл вода/этанола раствор (4:1 v/v).
  2. В эту смесь, добавить 0.20 мл 1 Ч, 1, 2 Ч, 2H-Perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) (5.23 ммоль) с энергичным перемешиванием с магнитной мешалкой (500 об/мин). Осуществлять синтез в атмосфере инертного газа (N 2), используя раунд нижней колбе с пробкой с целью предотвращения вторичного окисления частиц магнетита.
  3. Настроить решение падение мудрый раствором гидроксида аммония (1,5 М) до pH 8 (рН зависит от pH метр). Перемешать раствор для 24 часа с помощью магнитной мешалкой.
  4. Отдельные частицы магнитной от решения, поместив колбу на баре магнит (неодимовый магнит кубовидной 40 x 20 x 10 мм, клей силу 25 кг). Слить раствор при сохранении магнит, прилагается к нижней части колбы.
  5. Мыть частицы в три раза раствором вода/этанол при использовании бар магнит, как описано в 1.4). Сухие частицы при 60 ° C в течение 24 ч (урожайность приблизительно 0,43 г).
  6. Для анализа частиц, используйте сканирующий электронный микроскоп согласно данным производителя ' s инструкции.

2. Изготовление микрореакторы

  1. молоть все сухие частицы, слегка с помощью пестика стекла и впоследствии поставить все из них непосредственно в сковороде взвешивания (46 × 46 × 8 мм, полистирола).
  2. Пипетки 10 мкл реакции раствора (состав как описано в разделе 5.1) на все частицы и переместить весом Пан слегка в круговой путь для приблизительно 10 s (масса частиц для 10 мкл microreactor: ca. 3.2 x 10 -7 кг < sup класс = «внешней» > 33). Хранить при комнатной температуре для дальнейшего применения оставшиеся частицы (частицы, которые не сделали самостоятельно собрать вокруг решения реакции).
  3. Для измерения угла контакта microreactor, построить 5 мкл microreactor с водой, как описано в 2.2), поместите его на тефлоновую фильм и проанализировать угол контакта с помощью оптических контактный угол измерения устройства согласно данным производителя ' s инструкции.

3. 3D-печати катушки органов

  1. дизайн двойной катушки тела с высотой 16 мм (одна палата), диаметром 10 мм и внутренним диаметром около 4 мм с помощью программного обеспечения CAD согласно данным производителя ' s инструкции.
  2. Печать органы катушки с 3D-принтер по заявлению производителя ' s инструкции с использованием материалов, таких как полилактид накаливания. Обертывание тела с 0,08 мм медная проволока для достижения 4500 обмотки с помощью компьютера контролируемых Клубконамоточная машина.

4. Изготовление срабатывания платформы

  1. организовать двойной катушки в матрице (например 3 x 3 матрица) на Электрический щит с элементом Пельтье, под винт на двойной катушки и подключить их к элементу управления через кабель (ленты Рисунок 3).
  2. В зависимости от желаемого приложения, добавьте железного сердечника (высота 32 мм, диаметр 4 мм) или неодимовый магнит (высота 12,5 мм, диаметр 4 мм, 1,035 ка m -1) к телу получить сильнее магнитное поле катушки.
  3. До конца платформы место пластину, предпочтительно кварцевого стекла, с максимальной высотой 1 мм на матрице катушки.
  4. Место на поверхности платформы microreactor.
  5. Снять верхний частиц от реакции решения и тем самым открыть microreactor активировать катушки с неодимовым магнитом внутри с помощью элемента управления, упомянутых в пункте 4.1). Чтобы закрыть microreactor снова отключить катушки.
  6. Для слияния двух микрореакторы, которые первоначально ca. 10 мм друг от друга использовать неодимовые магниты, как описано в разделе 4.2). Поднимите магнит в органах требуется катушка, активировав катушки для ca. 25 s открыть один microreactor (необходимое расстояние между microreactor и магнит лежит около 12 мм) и переместить один на той же позиции на платформе.
  7. Охладить вниз реакция раствора в microreactor на поверхности платформы и чтобы уменьшить температуру катушки включите элемент Пельтье, расположены под катушки матрицы, как описано в пункте 4.1).

5. Ферментативной реакции путем слияния микрореакторы

  1. растворяют пероксидазы в концентрации 0,1 мкг мл -1 в буфере фосфат калия (0,1 М, рН 6,5). Разбавляют калия фосфат буфера (0,1 М, рН 6,5) к концентрации 200 мкм субстрат, 10-ацетил-3,7-dihydroxyphenoxazine (10 мм диметилсульфоксид (ДМСО)).
  2. Использование 10 мкл каждого из этих решений для построения двух микрореакторы, как описано в 2.2). Объединить два микрореакторы, среднее магнитных сил (неодимовый магнит цилиндра: 12,5 мм x 4 мм, 1 035 ка m -1) как описано в 4,6) в 25 ° C.
  3. Обнаружить реакции, поместив флуоресценции зонда (длина волны возбуждения: 570 Нм, длина волны излучения: 585 нм) ca. 10 мм прямо над открытой microreactor перед слиянием.

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

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Частицы оболочки имеют диаметр около 640 Нм. Magnetizable наночастиц, заключенный в этой fluorosilane частицы оболочки имеют диаметр в диапазоне между 22 Нм и 37 Нм. 5 мкл microreactor с водой как жидкое ядро было около 160° углом контакта.

Сила, необходимая для перемещения 10 мкл microreactor, как описано выше – 1,34 ± 0,08 µN. на рисунке 1 показана электромагнитные силы катушки с 4500 обмотки медн...

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

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Для успешного использования microfluidic технологий важно переместить том реакции, соответствующий требованиям биотехнологического синтеза и анализа. Срабатывание платформы, представленные здесь делает возможным для перемещения microfluidic капель магнитной силой. Движение может выполняться свободно в двух измерениях на плоской поверхности платформы реакции, заключив жидкой капли с магнитной superhydrophobic оболочки. Таким образом альтернативной системы для предопределенных microfluidic каналы сложного потока управления...

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

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы хотели бы признать DFG для поддержки.

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

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
3D-принтерFelixPrintersPro1
10-ацетил-3,7-дигидроксифеноксазин (Amplex Red)Life TechnologiesA12222
Гидроксид аммонияTU-KL1072
САПР программное обеспечениеSiemensSoled edge
Прибор для измерения угла контактаDataphysicsOCA 20
Cylinder магнитWebcraft GmbHS-04-13-Nhttps://www.supermagnete.de/stabmagnete-neodym-rund/stabmagnet-durchmesser-4mm-hoehe-12.5mm-neodym-n42-vernickelt_S-04-13-N
ДикалийфосфатBernd Kraft7758-11
Сушильная печьСвязующееFD 115
ЭтанолSigma-Aldrich68-17-5
FeCl2 тетрагидратTU-KL1625
FeCl3 гексагидратTU-KL1622
Флуоресцентный зондPerkinElmerLS 55
Пероксидаза хренаCarl Roth9003-99-0
Перекись водородаTh.Geyer GmbH & Co7722-84-1
МонокалийфосфатBernd Kraft7778-77-0
Элемент ПельтьеConrad 
ПерфтороктилтриэтоксисиланSigma-Aldrich51851-37-7
Сканирующий электронный микроскопFEIHelios NanoLab 650 DualBeam
Разделительный стержневой магнитWebcraft GmbHQ-40-20-10-N
Намоточная машинаIWT GmbHFW122
193569

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Squires, T., Quake, S. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Rev. Mod. Phys. 77 (3), 977-1026 (2005).
  2. Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. Reactions in Droplets in Microfluidic Channels. Angew Chem Int Ed Engl. 45 (44), 7336-7356 (2006).
  3. Erickson, D., Li, D. Integrated microfluidic devices. Anal. Chim. Acta. 507 (1), 11-26 (2004).
  4. Zhang, Y., Ozdemir, P. Microfluidic DNA amplification-A review. Anal. Chim. Acta. 638 (2), 115-125 (2009).
  5. Ohashi, T., Kuyama, H., Suzuki, K., Nakamura, S. Control of aqueous droplets using magnetic and electrostatic forces. Anal. Chim. Acta. 612 (2), 218-225 (2008).
  6. Srinivasan, V., Pamula, V. K., Fair, R. B. Droplet-based microfluidic lab-on-a-chip for glucose detection. Anal. Chim. Acta. 507 (1), 145-150 (2004).
  7. Lehmann, U., Vandevyver, C., Parashar, V. K., Gijs, M. A. Droplet-Based DNA Purification in a Magnetic Lab-on-a-Chip. Angew. Chem. Int. Ed. 45 (19), 3062-3067 (2006).
  8. Guttenberg, Z., et al. Planar chip device for PCR and hybridization with surface acoustic wave pump. Lab Chip. 5 (3), (2005).
  9. Al-Kaidy, H., et al. Biotechnology and Bioprocess Engineering - From the First Ullmann's Article to Recent Trends. ChemBioEng Reviews. 2 (3), 175-184 (2015).
  10. McHale, G., Newton, M. I. Liquid marbles: principles and applications. Soft Matter. 7 (12), 5473(2011).
  11. Bormashenko, E., Pogreb, R., Bormashenko, Y., Musin, A., Stein, T. New Investigations on Ferrofluidics: Ferrofluidic Marbles and Magnetic-Field-Driven Drops on Superhydrophobic Surfaces. Langmuir. 24 (21), 12119-12122 (2008).
  12. Gao, L., McCarthy, T. J. Ionic Liquid Marbles. Langmuir. 23 (21), 10445-10447 (2007).
  13. Bhosale, P. S., Panchagnula, M. V., Stretz, H. A. Mechanically robust nanoparticle stabilized transparent liquid marbles. Appl. Phys. Lett. 93 (3), 034109(2008).
  14. Bormashenko, E., Balter, R., Aurbach, D. Micropump based on liquid marbles. Appl. Phys. Lett. 97 (9), 091908(2010).
  15. Zhao, Y., Fang, J., Wang, H., Wang, X., Lin, T. Magnetic Liquid Marbles: Manipulation of Liquid Droplets Using Highly Hydrophobic Fe 3 O 4 Nanoparticles. Adv. Mater. 22 (6), 707-710 (2010).
  16. Fujii, S., Kameyama, S., Armes, S. P., Dupin, D., Suzaki, M., Nakamura, Y. pH-responsive liquid marbles stabilized with poly(2-vinylpyridine) particles. Soft Matter. 6 (3), 635(2010).
  17. Aussillous, P., Quéré, D. Liquid Marbles. Nature. 411 (6840), 924-927 (2001).
  18. Mahadevan, L. Non-stick water. Nature. 411 (6840), 895-896 (2001).
  19. Tian, J., Arbatan, T., Li, X., Shen, W. Liquid marble for gas sensing. Chem. Commun. 46 (26), 4734(2010).
  20. Bormashenko, E., Musin, A. Revealing of water surface pollution with liquid marbles. Appl. Surf. Sci. 255 (12), 6429-6431 (2009).
  21. Bormashenko, E., Bormashenko, Y., Pogreb, R., Gendelman, O. Janus Droplets: Liquid Marbles Coated with Dielectric/Semiconductor Particles. Langmuir. 27 (1), 7-10 (2011).
  22. Bormashenko, E. Liquid marbles: Properties and applications. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 16 (4), 266-271 (2011).
  23. Lehmann, U., Hadjidj, S., Parashar, V. K., Vandevyver, C., Rida, A., Gijs, M. Two-dimensional magnetic manipulation of microdroplets on a chip as a platform for bioanalytical applications. Sens. Actuator B-Chem. 117 (2), 457-463 (2006).
  24. Sato, E., Yuri, M., Fujii, S., Nishiyama, T., Nakamura, Y., Horibe, H. Liquid marbles as a micro-reactor for efficient radical alternating copolymerization of diene monomer and oxygen. Chem. Commun. 51 (97), Cambridge, England. 17241-17244 (2015).
  25. Shikida, M., Takayanagi, K., Inouchi, K., Honda, H., Sato, K. Using wettability and interfacial tension to handle droplets of magnetic beads in a micro-chemical-analysis system. Sens. Actuator B-Chem. 113 (1), 563-569 (2006).
  26. Sheng, Y., Sun, G., Wu, J., Ma, G., Ngai, T. Silica-based liquid marbles as microreactors for the silver mirror reaction. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (24), 7012-7017 (2015).
  27. Zhao, N., et al. Self-organized Polymer Aggregates with a Biomimetic Hierarchical Structure and its Superhydrophobic Effect. Cell Biochem. Biophys. 49 (2), 91-97 (2007).
  28. Xue, Y., et al. Magnetic Liquid Marbles: A "Precise" Miniature Reactor. Adv. Mater. 22 (43), 4814-4818 (2010).
  29. Zhang, L., Cha, D., Wang, P. Remotely Controllable Liquid Marbles. Adv. Mater. 24 (35), 4756-4760 (2012).
  30. Zhao, Y., Xu, Z., Parhizkar, M., Fang, J., Wang, X., Lin, T. Magnetic liquid marbles, their manipulation and application in optical probing. Microfluid Nanofluid. 13 (4), 555-564 (2012).
  31. Lin, X., et al. Superhydrophobic magnetic poly(DOPAm-co-PFOEA)/Fe3O4/cellulose microspheres for stable liquid marbles. Chem. Commun. 52 (9), Cambridge, England. 1895-1898 (2016).
  32. Glettenberg, M., Niemeyer, C. M. Tuning of Peroxidase Activity by Covalently Tethered DNA Oligonucleotides. Bioconjugate Chem. 20 (5), 969-975 (2009).
  33. Al-Kaidy, H., Tippkötter, N. Superparamagnetic hydrophobic particles as shell material for digital microfluidic droplets and proof-of-principle reaction assessments with immobilized laccase. Eng. Life Sci. 16 (3), 222-230 (2016).

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

Похожие статьи