Extraction de Soxhlet de biomarqueurs lipidiques de sédiments

Earth Science

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Overview

Source : Laboratoire de Jeff Sanoussi - University of Massachusetts Amherst

Chaque laboratoire a besoin de normes qui suivent les performances, précision, et la précision de ses instruments au fil du temps pour assurer un mesurage effectué aujourd'hui est identique à une mesure effectuée par an a partir de maintenant (Figure 1). Parce que les normes doivent tester les performances des instruments sur une longue période de temps, les grands volumes des normes sont souvent nécessaires. De nombreuses normes chimiques peuvent être achetés auprès de sociétés scientifiques au détail, comme le Sigma-Aldrich et Fisher. Toutefois, certains composés qui se produisent dans la nature et qui se rapportent aux études paléoclimatiques n’ont pas encore été isolés et purifiés à l’achat. Par conséquent, ces composés doivent être extraites des échantillons naturels, et en raison des volumes importants de normes requises, besoin de grandes quantités de sédiments à extraire. L’Extraction au solvant accéléré (Dionex) et des extractions de sonication ne sont pas appropriées pour l’extraction de ces importants volumes de sédiments. Dans ces circonstances, une extraction Soxhlet est utilisée.

Figure 1
Figure 1. Schéma montrant comment chimique standard suit la performance d’un instrument à travers le temps. La ligne pointillée représente une relation 1:1 entre l’accepté et mesuré (sur l’instrument) valeur d’une variable. Chaque étoile est une mesure hebdomadaire de la norme chimique. Étoiles vertes constituent des normes qui sont exacts. Étoiles rouges représentent les personnes qui ne sont pas précis, indiquant que l’instrument nécessite une maintenance corrective.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. L'essentiel de la science de la terre. Extraction de Soxhlet de biomarqueurs lipidiques de sédiments. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

Extraction de Soxhlet est probablement la plus ancienne forme d’extraction de la matière organique. Des preuves archéologiques de la Mésopotamie impose l’utilisation d’un appareil de type Soxhlet qui utilisaient l’eau chaude à ~ 3 500 BC1,2. Soxhlets modernes utilisent condenseurs sophistiqué de verre soufflé et solvants organiques dans cette méthode d’extraction « continu » (Figure 2). Solvant est reflux d’un ballon à fond rond vers le haut dans un condenseur avec une bobine de recirculation d’eau froide. Lorsque le solvant gazeux entre en contact avec la bobine, il se condense en une chambre avec un dé de fibre de verre tenant l’échantillon. Cette chambre est sertie d’un faites, et lorsqu’un certain seuil est atteint (généralement un volume assez grand pour plonger l’ensemble de l’échantillon), la chambre est vidée dans le ballon à fond rond via un siphon intégré, où l’extrait lipidique s’accumule alors que le solvant devient partie intégrante du cycle suivant. Par conséquent, la durée d’extraction « continu ». Extraction de Soxhlet est souvent utilisée pour l’extraction de la plus grande (> g 10) échantillons.

Figure 2
La figure 2. Un appareil de soxhlet.

Extraction de Soxhlet est une méthode permettant d’isoler les composés, tels que les lipides, d’une grande quantité de matière solide avec un relativement faible volume de solvant.

Nombreux composés pertinents aux études paléoclimatiques ne sont pas disponibles à l’achat de sociétés scientifiques de détail. Normes de ces composés doivent donc être préparés à partir des échantillons naturels.

Grandes quantités de norme sont nécessaires pour évaluer la performance d’un instrument au fil du temps. Pour obtenir une quantité suffisante d’un biomarqueur pour préparation standard, un grand volume de sédiments doit être extraite.

L’extracteur Soxhlet, inventé de 1870 par Franz von Soxhlet, permet automatisés, extraction par lots à partir d’un solide, en accroissant l’efficience globale tout en utilisant une petite quantité de solvant.

Cette vidéo fait partie d’une série sur les lipides extraction, purification et analyse des sédiments. Il illustrera extraction Soxhlet de biomarqueurs lipidiques de sédiments marins destinés à paleothermometry et présentera quelques autres applications d’extraction Soxhlet en chimie et sciences de la terre.

Un assemblage typique utilise un ballon à fond rond, un condenseur à eau froide et l’appareil de Soxhlet lui-même. Le solide à extraire est placé dans un dé à coudre dans la chambre centrale de l’appareil. L’extraction est facilitée par l’ajout d’énergie sous forme de chaleur, connu comme le reflux. Les vapeurs de solvant augmente à travers le chemin de distillation dans l’appareil de Soxhlet au condenseur. À la condensation, le solvant recueille dans la chambre, dissoudre certains de la matière organique dans la cosse. Tandis que la chambre se remplit, le siphon remplit aussi bien. Lorsque le siphon est plein, la solution s’écoule dans la fiole. Le niveau de la solution ne dépasse jamais la partie supérieure de la cartouche, donc aucun solide pénètre dans la fiole.

L’extrait lipidique recueille continuellement dans le ballon, alors que le solvant devient partie intégrante du prochain cycle d’extraction. Ainsi, le cycle peut répéter indéfiniment sans perte de solvant.

La conservation du solvant, la nature continue de l’extraction et la capacité d’accueillir de vastes échantillons, extraction Soxhlet idéal pour isoler les composés organiques provenant de grandes portions de matière insoluble.

Maintenant que vous comprenez les principes d’extraction Soxhlet, Let ' s go grâce à une procédure d’extraction de Soxhlet de biomarqueurs lipidiques de sédiments.

Pour cette expérience, un échantillon de sédiments marins excès d’une expédition de carottage est utilisé. L’échantillon va être lyophilisé, écrasé et homogénéisé. Pour plus d’instructions, veuillez consulter le vidéo de cette collection sur l’Extraction par Sonication.

Pour préparer l’extraction, tout d’abord faire une solution de 9:1 de dichlorométhane au méthanol. Cette solution servira comme solvant d’extraction et de laver les instruments de laboratoire et de verrerie.

Pour éliminer les contaminants organiques, brûler le ballon à fond rond, appareil de Soxhlet, cosse de fibre de verre et pesant boîtes pendant 6 h à 550 ° C. Laver un ballon à fond rond le DCM-méthanol de solution. Une fois prêt à mettre en place l’extraction, rincer une spatule de laboratoire et de cinq à dix jetons bouillante avec la solution DCM-méthanol.

Pour commencer à construire l’Assemblée extraction, mis en place un chauffe-ballon sous une hotte. Obtenir un condenseur, un stand de soutien pour garantir le ballon et l’appareil de Soxhlet.

Tare a brûlé pesant d’étain. Avec la spatule préalablement rincé solvant, transférer environ 50 g d’échantillon à l’étain de pesage et d’enregistrer la masse. Charger le matériel dans la cosse de fibre de verre consommé.

Remplissez le brûlé et rincés au ballon à fond rond un peu plus de la moitié plein de la solution DCM-méthanol. Ajouter les chips bouillante lavées et placer le ballon à fond rond dans le chauffe-ballon.

Ensuite, placez l’extrémité ouverte du dé à coudre échantillon vers le haut dans la chambre de l’appareil de Soxhlet. Connectez l’appareil dans le ballon à fond rond et fixez l’appareil en place.

Fixer le condenseur vers le haut de l’appareil de Soxhlet. Connecter la canalisation d’eau froide au port inférieur du condenseur avec une cravate de tuyau pince ou zip. Connectez la conduite d’évacuation à la voie supérieure du condenseur et de l’envoyer vers le drain.

Faire couler l’eau du condenseur et vérifiez le chemin d’écoulement. Ensuite, allumez le chauffe-ballon et chauffer le solvant au reflux.

Le solvant début de condensation, veiller à ce que l’eau de condensation s’égoutte dans la chambre et que l’extrait est siphonnée dans le ballon à fond rond. Le solvant doit rester à une faible ébullition pendant l’extraction.

Surveiller le processus d’extraction et le débit d’eau condenseur jusqu'à ce que l’extraction soit complète. Puis, arrêter l’extraction en désactivant le chauffe-ballon. Une fois l’extrait refroidi, enlevez le condenseur et l’appareil de Soxhlet. Enfin, sceller le ballon à fond rond contenant l’extrait lipidique total et le stocker pour un traitement ultérieur.

Extraction de Soxhlet est souvent utilisée pour l’analyse chimique d’un échantillon solide et peut également être utilisée pour la purification et la préparation du réactif.

Extraction de Soxhlet peut servir à détecter la présence de composés de biphényles polychlorés ou BPC, dans l’environnement. L’efficacité de transfert des PCB des poissons-proies aux poissons prédateurs a été mesurée pour obtenir des informations sur les risques sanitaires pour l’homme et la faune de manger contaminé poisson. Extraction de Soxhlet de tissus de poisson permet de préparation des échantillons pour la chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse.

Composés pour être introduits dans l’environnement en grande quantité sont analysés pour la présence de BPC Biochar sont un sous-produit de la pyrolyse des organiques d’importance qui, lors de l’ajout au sol, peut améliorer la qualité du sol et absorber les polluants. Validation de méthodes de production de biochar pour utilisation généralisée comprend l’extraction Soxhlet pour tester la présence de PCB par chromatographie en phase gazeuse.

Extraction Soxhlet peut également servir à purifier un solide par extraction des composés indésirables. Acides gras à longue chaîne ont été sélectivement retirés de peaux de tomate par extraction par étapes pour donner la cuticule de la tomate sans cire. L’extraction progressive a été réalisée avec plusieurs solvants de polarités différentes dans la succession. Cela a non seulement fourni l’enlèvement complet de cire de la peau de la tomate, mais a permis d’isoler des portions de cire individuel basé sur les caractéristiques de solubilité ainsi.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE d’extraction Soxhlet de biomarqueurs de lipides provenant de sédiments géologiques archive. Vous devez maintenant être familiarisé avec les principes qui sous-tendent l’extraction Soxhlet, la procédure d’extraction Soxhlet d’un échantillon de sédiments et quelques exemples de comment extraction Soxhlet peut servir à des fins d’analyse.

Merci de regarder !

Procedure

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1. le programme d’installation et préparation du matériel

  1. Prélever un échantillon de sédiments marins congelés, lyophilisées, broyées et homogénéisé. Un exemple comme celui-ci contient plusieurs des composés nécessaires pour les normes.
    1. Des normes sont souvent faites de sédiments qui restent après une expédition Carottage ou analyse. Par exemple, dans cette expérience, les sédiments qui proviennent de la « Patch de boue », situé juste au sud de Cape Cod sont extraite. Ces sédiments a été prise dans le cadre d’une expédition Carottage mais ne servira pas à répondre à des questions scientifiques. Nous pouvons donc l’utiliser pour faire une norme.
    2. Placez un morceau de ~ 100 g des sédiments dans le congélateur pendant la nuit afin qu’il gèle à travers.
    3. Une fois que le sédiment est complètement gelé, allumez le gel sèche (disponible auprès de nombreux détaillants de matériel scientifique comme Fisher) et attendez que le condensateur atteint sa valeur de consigne (souvent ~-30 ° C).
    4. Charger l’échantillon de sédiments dans le gel sèche et fermer la purge pour commencer en tirant un vide sur l’échantillon.
    5. Selon la quantité d’eau dans les sédiments et la taille de l’échantillon, il peut prendre plusieurs jours pour sécher l’échantillon.
    6. Une fois que l’échantillon est sec, éteindre l’évent de sécheuse, gel il et supprimer l’exemple.
    7. Placer l’échantillon dans un mortier rincé au solvant et les moudre en poudre à l’aide d’un pilon. Pour ce faire à l’ensemble de l’échantillon et le magasin dans un bocal en verre dans le congélateur jusqu’au moment de l’extraire.
  2. Selon la taille de l’échantillon, utiliser des flacons avec des volumes allant de 4 à 60 mL. Pour cette expérience, utiliser les flacons en verre de borosilicate (40 mL) et solvants sécuritaires caps. Brûler les flacons, pipettes en verre borosilicate et pesage tins à 550 ° C pendant 6 h avant d’assurer l’élimination des contaminants organiques possibles.
  3. Obtenir le dichlorométhane et le méthanol (les deux sont courantes dans les laboratoires de géochimie organiques plus), puis les utiliser individuellement pour rincer les outils de laboratoire et de la verrerie avant utilisation. Un mélange de dichlorométhane (DCM) de méthanol (MeOH ; 9:1) est utilisé dans nombreux laboratoires d’extraire efficacement des biomarqueurs avec un large éventail de polarités. Solvants doivent être exempts de contaminants organiques.
  4. Acquérir un appareil de soxhlet à utiliser dans cette expérience (ceux-ci peuvent être achetés de Fisher Scientific ou autre détaillant de science), puis lavage et brûlée à 550 ° C pendant 6 h avant son utilisation.
  5. Obtenir des cosses de fibre de verre (peut être acheté de Whatman) et la combustion eux à 550 ° C pendant 6 h avant son utilisation.

2. préparation de l’échantillon

  1. Placez une tible pesant étain sur l’échelle du laboratoire, puis tare.
  2. Rincer la spatule de laboratoire avec le solvant, puis utilisez-la pour transférer une masse appropriée de l’échantillon dans l’étain pesage et enregistrer la masse.
    1. La masse de l’échantillon varie en fonction de sa teneur en matière organique. Matière organique relativement maigre matériel (boue marine) peut exiger plusieurs grammes, tandis que la matière organique riche matériel (tissus foliaires) peut-être nécessiter beaucoup moins.
  3. Transférer la totalité du matériel dans l’étain pesage dans un dé de fibre de verre de consommé.

3. extraction

  1. ~ 400 mL du mélange (9:1) DCM:MeOH de transfert dans le ballon à fond rond (le ballon doit être à moitié plein) et mettre en chauffage du manteau. Ajouter plusieurs puces bouillante (5-10) solvant rincée.
  2. Placer la cartouche de l’échantillon, plate vers le haut, dans la pièce maîtresse de l’appareil de Soxhlet.
  3. Placez la pièce maîtresse sur le ballon à fond rond et fixer avec une pince de verrerie.
  4. Installer le condenseur sur le dessus de la pièce maîtresse de la Soxhlet et fixer avec un collier de verrerie.
  5. Joindre une des conduites d’eau froides du condenseur à la canalisation d’eau froide dans la hotte à l’aide d’un collier de serrage. L’autre itinéraire dans le drain.
  6. Faire couler l’eau pour assurer le drainage et circulation appropriée.
  7. Le chauffe-ballon et régler la température jusqu'à ce que le solvant dans le ballon à fond rond est en légère ébullition.
  8. Surveiller l’extraction quelques fois au cours de la prochaine heure.
    1. Vérifiez que la température est réglée correctement à l’ébullition, le solvant est condensation dans le condenseur et dégoulinant en pièce maîtresse, la pièce est de remplissage et vidange correctement et l’eau est correctement qui s’écoulent dans l’évacuation de la hotte.
  9. Surveiller l’extraction sur les 36 h suivant.
    1. S’assurer que la température est réglée correctement à ébullition, le solvant est condensation dans le condenseur et dégoulinant en pièce maîtresse, la pièce se remplit et vidange correctement, l’eau est correctement qui s’écoulent dans l’évacuation de la hotte et le niveau de solvant dans le ballon à fond rond est toujours environ à moitié plein.
  10. Après 36 h, arrêter l’extraction en désactivant le chauffe-ballon.
  11. Étiqueter le flacon « TLE ».

Results

À la fin de l’extraction, un extrait de lipides totaux (TLE) pour l’échantillon est réalisé. Le ballon à fond rond contient la matière organique extractible de l’échantillon de sédiments. Cette TLE peut désormais être analysé, et ses constituants chimiques identifiés et quantifiés.

Applications and Summary

L’extrait de la boue marine contient des composés appelés alkénones, qui sont utilisés dans la paléo-océanographie. Alkénones sont longue chaîne alkyl-cétones produites par certaines catégories d’algues Haptophyta qui vivent dans l’océan de surface éclairée3 (Figure 3). Les deux alkénones plus courants sont des atomes de carbone 37 longs et ont deux ou trois doubles liaisons en eux. Les haptophytes ajuster le ratio de ces deux alkénones dans leurs cellules selon la température de l’eau qu'où ils vivent. Le rapport entre les deux alkénones définit l’Uk'37 ratio :

Équation 1) Uk'37 = (C37 : 2) / (C37 : 2 + C37 : 3) 4,5

La culture6,7 et base-sommet sédiments8 étalonnage études ont conduit à l’élaboration de l’Uk'37 Index comme une approximation quantitative de la SST. Dans ce travail, nous utilisons :

Équation 2) Uk'37 = 0.034(SST) + 0,039 ; 1,4 ° C de 0 à 28 ° C [basée sur la culture7]

Alkénones sont conservés dans les sédiments datant de l' Éocène précoce (il y a 56 millions ans)9. Connaître la répartition des alcénones dans une carotte de sédiments à travers le temps concerne l’information sur l’évolution de la température de surface de mer à cet endroit. Cependant, il faut d’abord s’assurer que l’instrument avec exactitude et précision mesure le rapport entre les deux alkénones, et c’est pourquoi les normes sont nécessaires.

Figure 3

Figure 3. Alkénones avec 2 (C37:2) et 3 (C37:3) doubles liaisons (à gauche) sont produites par certaines algues Haptophyta qui vivent dans l’océan de surface éclairée (à droite). (Photo gracieuseté de Tim I. Eglinton, Woods Hole Oceanographic Institution)

References

  1. Jensen, W. B. The Origin of the Soxhlet Extractor J Chem Ed. 84, 1913-1914, (2007).
  2. Levey, M. Chemistry and Technology in Ancient Mesopotamia, Elsevier. 33-34, (1959).
  3. Conte, M. H., Thompson, A., Eglinton, G. Primary production of lipid biomarker compounds by Emiliania huxleyi: results from an experimental mesocosm study in fjords of southern Norway, Sarsia79, 319-332 (1994).
  4. Brassell, S. C., Eglinton, G., Marlowe, I. T., Pflaumann, U., Sarnthein, M. Molecular Stratigraphy - a New Tool for Climatic Assessment, Nature320 (6058), 129-133 (1986).
  5. Herbert, T. D. Alkenone paleotemperature determinations, in Treatise in Marine Geochemistry, edited by H. Elderfield, Elsevier 391-432 (2003).
  6. Prahl, F. G., Wakeham S. G., Calibration of Unsaturation Patterns in Long-Chain Ketone Compositions for Paleotemperature Assessment, Nature330(6146), 367-369 (1987).
  7. Prahl, F. G., Muehlhausen, L. A., Zahnle, D. L. Further evaluation of long-chain alkenones as indicators of paleoceanographic conditions, Geochimica et Cosmochimica Acta52(9), 2303-2310 (1988).
  8. Müller, P. J. et al. Calibration of the alkenone paleotemperature index U37K′ based on core-tops from the eastern South Atlantic and the global ocean (60°N-60°S), Geochimica et Cosmochimica Acta62(10), 1757-1772 (1998).
  9. Marlowe, I. T. et al. Long-chain Alkenones and Alkyl Alkenoates and the Fossil Coccolith Record of Marine-sediments, Chem Geol88(3-4), 349-375 (1990).
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1. le programme d’installation et préparation du matériel

  1. Prélever un échantillon de sédiments marins congelés, lyophilisées, broyées et homogénéisé. Un exemple comme celui-ci contient plusieurs des composés nécessaires pour les normes.
    1. Des normes sont souvent faites de sédiments qui restent après une expédition Carottage ou analyse. Par exemple, dans cette expérience, les sédiments qui proviennent de la « Patch de boue », situé juste au sud de Cape Cod sont extraite. Ces sédiments a été prise dans le cadre d’une expédition Carottage mais ne servira pas à répondre à des questions scientifiques. Nous pouvons donc l’utiliser pour faire une norme.
    2. Placez un morceau de ~ 100 g des sédiments dans le congélateur pendant la nuit afin qu’il gèle à travers.
    3. Une fois que le sédiment est complètement gelé, allumez le gel sèche (disponible auprès de nombreux détaillants de matériel scientifique comme Fisher) et attendez que le condensateur atteint sa valeur de consigne (souvent ~-30 ° C).
    4. Charger l’échantillon de sédiments dans le gel sèche et fermer la purge pour commencer en tirant un vide sur l’échantillon.
    5. Selon la quantité d’eau dans les sédiments et la taille de l’échantillon, il peut prendre plusieurs jours pour sécher l’échantillon.
    6. Une fois que l’échantillon est sec, éteindre l’évent de sécheuse, gel il et supprimer l’exemple.
    7. Placer l’échantillon dans un mortier rincé au solvant et les moudre en poudre à l’aide d’un pilon. Pour ce faire à l’ensemble de l’échantillon et le magasin dans un bocal en verre dans le congélateur jusqu’au moment de l’extraire.
  2. Selon la taille de l’échantillon, utiliser des flacons avec des volumes allant de 4 à 60 mL. Pour cette expérience, utiliser les flacons en verre de borosilicate (40 mL) et solvants sécuritaires caps. Brûler les flacons, pipettes en verre borosilicate et pesage tins à 550 ° C pendant 6 h avant d’assurer l’élimination des contaminants organiques possibles.
  3. Obtenir le dichlorométhane et le méthanol (les deux sont courantes dans les laboratoires de géochimie organiques plus), puis les utiliser individuellement pour rincer les outils de laboratoire et de la verrerie avant utilisation. Un mélange de dichlorométhane (DCM) de méthanol (MeOH ; 9:1) est utilisé dans nombreux laboratoires d’extraire efficacement des biomarqueurs avec un large éventail de polarités. Solvants doivent être exempts de contaminants organiques.
  4. Acquérir un appareil de soxhlet à utiliser dans cette expérience (ceux-ci peuvent être achetés de Fisher Scientific ou autre détaillant de science), puis lavage et brûlée à 550 ° C pendant 6 h avant son utilisation.
  5. Obtenir des cosses de fibre de verre (peut être acheté de Whatman) et la combustion eux à 550 ° C pendant 6 h avant son utilisation.

2. préparation de l’échantillon

  1. Placez une tible pesant étain sur l’échelle du laboratoire, puis tare.
  2. Rincer la spatule de laboratoire avec le solvant, puis utilisez-la pour transférer une masse appropriée de l’échantillon dans l’étain pesage et enregistrer la masse.
    1. La masse de l’échantillon varie en fonction de sa teneur en matière organique. Matière organique relativement maigre matériel (boue marine) peut exiger plusieurs grammes, tandis que la matière organique riche matériel (tissus foliaires) peut-être nécessiter beaucoup moins.
  3. Transférer la totalité du matériel dans l’étain pesage dans un dé de fibre de verre de consommé.

3. extraction

  1. ~ 400 mL du mélange (9:1) DCM:MeOH de transfert dans le ballon à fond rond (le ballon doit être à moitié plein) et mettre en chauffage du manteau. Ajouter plusieurs puces bouillante (5-10) solvant rincée.
  2. Placer la cartouche de l’échantillon, plate vers le haut, dans la pièce maîtresse de l’appareil de Soxhlet.
  3. Placez la pièce maîtresse sur le ballon à fond rond et fixer avec une pince de verrerie.
  4. Installer le condenseur sur le dessus de la pièce maîtresse de la Soxhlet et fixer avec un collier de verrerie.
  5. Joindre une des conduites d’eau froides du condenseur à la canalisation d’eau froide dans la hotte à l’aide d’un collier de serrage. L’autre itinéraire dans le drain.
  6. Faire couler l’eau pour assurer le drainage et circulation appropriée.
  7. Le chauffe-ballon et régler la température jusqu'à ce que le solvant dans le ballon à fond rond est en légère ébullition.
  8. Surveiller l’extraction quelques fois au cours de la prochaine heure.
    1. Vérifiez que la température est réglée correctement à l’ébullition, le solvant est condensation dans le condenseur et dégoulinant en pièce maîtresse, la pièce est de remplissage et vidange correctement et l’eau est correctement qui s’écoulent dans l’évacuation de la hotte.
  9. Surveiller l’extraction sur les 36 h suivant.
    1. S’assurer que la température est réglée correctement à ébullition, le solvant est condensation dans le condenseur et dégoulinant en pièce maîtresse, la pièce se remplit et vidange correctement, l’eau est correctement qui s’écoulent dans l’évacuation de la hotte et le niveau de solvant dans le ballon à fond rond est toujours environ à moitié plein.
  10. Après 36 h, arrêter l’extraction en désactivant le chauffe-ballon.
  11. Étiqueter le flacon « TLE ».

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