Фазовая диаграмма характеристик, используя магнитные шарики в качестве жидких носителей

Общая цель данного эксперимента заключается в анализе объема переноса между соседними жидкими сегментами в устройстве «лаборатория на чипе/в трубке» с использованием магнитных бусин. Это достигается путем создания устройства из гидрофобных трубок, которые с помощью шприцевого насоса заполняются несколькими жидкими сегментами, разделенными воздушными прослойками, при этом в одну из жидкостей вводятся магнитные бусины и флуоресцентный краситель. На втором этапе измеряется интенсивность флуоресценции соседних жидких сегментов с помощью микроскопа после каждого перемещения магнитных бусин, осуществляемого с помощью внешнего магнита.

Далее проводится численный анализ этих измерений интенсивности флуоресценции для расчета объема переноса магнитных частиц. Результаты показывают, что анализ изменения фазы в многокомпонентной системе, состоящей из двух жидкостей, возможен благодаря способности использовать магнитные частицы в качестве метода переноса жидкостных объемов мик्रोलлитрового размера между соседними резервуарами. Как вы увидите сегодня, мы работаем с этим очень интересным и простым методом с использованием магнитных частиц для переноса жидкостей внутри простой трубки, в отличие от более сложных традиционных микрофлюидных схем.

Первоначально мы применили этот метод для исследования интерфейса между несмешивающимися жидкостями, а сейчас расширяем область его применения на другие задачи, включая диагностический анализ цельной крови с отделением белков от эритроцитов, анализ мочи, иммунохимический анализ и так далее. Основное преимущество данной методики перед другими существующими методами, такими как использование микрофлюидных каналов, заключается в её простоте и экономичности изготовления. Она обеспечивает высокую гибкость использования для различных типов экспериментов и гарантирует воспроизводимость результатов.

Хотя данный метод позволяет изучить применение систем, требующих перемещения мельчайших пиковых объемов, его также можно использовать в других системах, таких как разделение крови, адресная доставка лекарств и введение контрастных веществ. Для подготовки трубок сначала разрежьте их на сегменты длиной 15 сантиметров, подвесьте сегменты трубок вертикально с помощью скотча, поместив под ними бумажное полотенце для сбора излишков раствора фторполимера. С помощью пипетки введите 100 мкл раствора фторполимера в верхнее отверстие каждого сегмента трубки так, чтобы раствор соприкоснулся со всей окружностью внутренней стенки.

Оставьте сегменты трубок в подвешенном состоянии на один час, чтобы удалить излишки раствора фторполимера. Затем поместите сегменты трубок в печь при температуре 100 °C на один час для отверждения слоя фторполимерного покрытия. Далее приготовьте разбавленный раствор магнитных бусин, поместив пробирку объемом 20 мл на микровесы и обнулив их.

Перемешайте содержимое контейнера с раствором магнитных частиц, затем с помощью микропипетки отберите 0,6 миллилитров. Перенесите отобранный раствор в пробирку с образцом, находящуюся на весах, и добавьте в нее 0,4 миллилитра дистиллированной воды. Также приготовьте флуоресцентный краситель, растворив краситель в деионизированной воде в концентрации 0,02 вес. %, и перемешайте раствор на вортексе в течение одной минуты.

Для подготовки трубки установите соединитель с female lure lock на один ее конец. Поместите трубку в шприц с Luer-lock объемом 3 мл и градацией 0,1 мл. Установите шприц в шприцевой насос и установите скорость подачи 2 мл/ч.

Перемешайте содержимое контейнера с раствором магнитных частиц на вортексе, после чего с помощью шприцевого насоса введите в пробирку 20 µL раствора. После завершения подачи жидкости в тестовую камеру введите в пробирку 6 µL воздуха. Этот объем воздуха впоследствии сформирует воздушную пробку между двумя сегментами жидкости.

После завершения создания воздушного зазора начните забор 180 µL жидкости с флуоресцентным красителем. Установите второй разъем Luer Lock (мама) на другой конец трубки и отсоедините устройство с трубкой от шприца. Затем закройте оба конца устройства колпачками Luer Lock.

Измерьте начальную интенсивность флуоресценции в тестольной камере и резервуаре с помощью инвертированного микроскопа. Поместите устройство над кубическим магнитом так, чтобы все магнитные бусины собрались в одной области тестольной камеры. Переместите бусины в резервуар, сдвинув устройство относительно магнита.

После того как кластер магнитных частиц переместится через воздушный зазор в резервуар, перемешайте магнитные частицы, поместив устройство над магнитом и поворачивая его для высвобождения жидкости, удерживаемой внутри кластера, до полной гомогенизации содержимого резервуара. Затем снова расположите устройство над магнитом так, чтобы все магнитные частицы в резервуаре собрались в одной области. Перенесите кластер магнитных частиц обратно в тестовую камеру.

Когда кластер достигнет измерительной камеры, перемешайте магнитные частицы, поместив устройство над магнитом и вращая его. Высвободите удерживаемую флуоресцентную жидкость до полного гомогенизирования содержимого измерительной камеры. Измерьте интенсивность флуоресценции как в измерительной камере, так и в резервуаре с помощью инвертированного микроскопа.

Повторяйте эти шаги до тех пор, пока оба жидких сегмента не достигнут схожей интенсивности флуоресценции. Чтобы подготовить трубчатое устройство, установите разъем female lure lock на один конец трубки и вставьте трубку в шприц с разъемом lure lock. Затем поместите шприц в шприцевой насос и установите скорость подачи 2 mL/h.

С помощью шприцевого насоса введите в пробирку 20 µL раствора магнитных частиц в воде и смеси C 12 E 5 в соотношении один к одному. После завершения подачи жидкости в тестовую камеру наберите в пробирку 6 µL воздуха для создания воздушного зазора. Начните забор 180 µL чистого поверхностно-активного вещества C 12 E 5 для настройки оптики.

Сначала переместите шприцевой насос с трубчатым устройством так, чтобы камера с магнитными частицами находилась в фокусе стереомикроскопа, в котором используются перекрестные поляризаторы. Для повышения контраста между осажденной твердой фазой и жидкой фазой поместите лист поляризационной пленки поверх светодиодного источника света. Расположите светодиодный источник света под трубкой, присоединенной к шприцевому насосу.

Прикрепите вторую поляризационную пленку к объективу стереомикроскопа с помощью клейкой ленты, убедившись, что две поляризационные пленки смещены относительно друг друга на 90 градусов. Поместите кубический магнит рядом с тестовой камерой, закрепив магнит на штативе. Как только магнитные бусины образуют кластер, начните закачку жидкостей в трубку со скоростью подачи 2 мл/ч так, чтобы кластер магнитных бусин переместился из тестовой камеры через воздушный зазор в камеру резервуара с ПАВ.

Когда кластер магнитных бусин достигнет середины камеры резервуара, остановите работу шприцевого насоса. Отодвиньте кубический магнит от пробирки, чтобы магнитные бусины разделились и сократилось время диффузии жидкости, удерживаемой в кластере магнитных бусин. После завершения диффузии и фазового перехода жидкости верните магнит в прежнее положение у резервуара, чтобы магнитные бусины снова образовали кластер.

С помощью шприцевого насоса переместите жидкости так, чтобы кластер магнитных частиц переместился из резервуара с сурфактантом через воздушный зазор обратно в испытательную камеру. Когда кластер магнитных частиц достигнет середины испытательной камеры, остановите шприцевой насос и удалите кубический магнит от трубки. После завершения диффузии и фазового перехода жидкости верните магнит в прежнее положение у резервуара, чтобы магнитные частицы снова сформировали кластер.

Повторяйте эти действия до тех пор, пока в тестовой камере не произойдет фазовый переход. Здесь представлено изображение магнитных частиц, воды и неионогенного поверхностно-активного вещества C 12 E five внутри гидрофобной трубки. Во время начального процесса переноса магнитных частиц они удерживаются на месте с помощью внешнего кубического магнита.

В то время как жидкости перекачиваются влево, гранулы выходят из тестовой камеры и попадают в C 12 E 5. Как только магнитные гранулы поступают внутрь, водный раствор поверхностно-активного вещества начинает диффундировать от структуры магнитных гранул. После пребывания магнитных гранул в камере с ПАВ в течение пяти секунд на отметке десяти секунд наблюдается лишь небольшое изменение фазы.

Магнитные частицы полностью погружены в сурфактант. Фазовый переход продолжается до 92-й отметки на четвертой минуте. На девятой минуте интенсивность фазового перехода возрастает.

Горизонтальное изменение фаз начинает сокращаться, в то время как структура растет по вертикали. Если на 17-й минуте область изменения фаз значительно уменьшилась в размере, то к 25-й минуте видно лишь небольшое количество этого изменения. Здесь представлено начальное состояние тестовой камеры water C 12 V five с магнитными бусинами в устройстве до переноса сурфактанта.

После шести циклов перемещения произошла смена фазы. Напротив, при отсутствии магнитных шариков в устройстве смена фазы не наблюдалась, что доказывает: полученные результаты были обусловлены переносом магнитных шариков, а не жидкости. При выполнении данной процедуры шарики прилипали к внутренним стенкам трубок.

При выполнении данной процедуры важно выделить достаточное время для протекания процесса диффузии при переносе жидкостей между соседними резервуарами. В нашу систему могут быть интегрированы другие варианты, такие как использование электромагнита, чтобы ответить на дополнительные вопросы, например, о том, как ускорить процесс разделения и минимизировать ручные манипуляции. Для контекста отметим, что этот очень простой метод, основанный по сути на использовании пластиковой трубки, магнитных частиц и внешнего магнита, применялся для разделения различных жидкостей и исследования их фазовых диаграмм.

Тем не менее, универсальность и простота данного метода окажутся полезными во многих других областях применения, прежде всего в сфере диагностического анализа различных жидкостей. Используя магнитные микросферы для транспортировки малых объемов — либо напрямую, либо путем функционализации магнитных частиц — мы можем анализировать компоненты образца жидкости. Это находит применение в самых разных областях.

Например, разделение и анализ белков из эритроцитов цельной крови, аналогично в моче и многих других жидкостях, которые могут быть проанализированы таким способом с использованием простого метода, без сложности и затрат, связанных с традиционным изготовлением микрофлюидных устройств.