Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

טיפות מימית משמש Microreactors אנזימטיות, הופעה אלקטרומגנטית שלהם

Published: August 28, 2017 doi: 10.3791/54643
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2
1Institute of Bioprocess Engineering, University of Kaiserslautern, 2Bioprocess Engineering, University of Applied Sciences, FH Aachen

Summary

מערכות התגובה מעבדה-ב--שחרור מאפשרים יישום רב תכליתי של תגובות מורכבות בקנה מידה microfluidic. פלטפורמה הופעה אוטומטית של מטריצה 3 x 3 של סלילים אלקטרומגנטיים פותחה נהגה בהצלחה מיזוג שני 10 µL microreactors, ובכך ליזום לתגובה אנזימטי של הקופה נוזלי המתקבל.

Abstract

עבור יישום מוצלח של מערכות התגובה microfluidic, כגון PCR ואלקטרופורזה, התנועה של אמצעי אחסון נוזלי קטן הוא חיוני. בקונבנציונלי מעבדה-ב--צ'יפ-פלטפורמות, ממיסים ודוגמאות מועברים בערוצים microfluidic מוגדר עם התקנות בקרת זרימה מורכבים. פלטפורמת הופעה droplet המובאת כאן היא אלטרנטיבה מבטיחה. זה ניתן להזיז טיפה נוזל (microreactor) על משטח מישורי של פלטפורמה התגובה (lab-ב--שחרור). הופעה של microreactors על פני השטח הידרופוביות של הפלטפורמה מבוססת על השימוש של כוחות מגנטיים על המעטפת החיצונית של הטיפות נוזלי אשר עשוי משכבה דקה של חלקיקים מגנטיט superhydrophobic. פני השטח הידרופוביות של פלטפורמת יש צורך למנוע קשר בין פני השטח כדי לאפשר תנועה חלקה של microreactor הליבה נוזלי. על הרציף, microreactors אחד או יותר עם אמצעי אחסון של 10 µL שאפשר למקמו ולשנות סימולטנית. הפלטפורמה עצמה מורכבת מטריצה 3 x 3 של סלילי כפול חשמל להכיל ליבות ניאודימיום או ברזל. מעברי צבע השדה המגנטי נשלטים באופן אוטומטי. מאת וריאציה של מעברי צבע השדה המגנטי, מעטפת הידרופובי מגנטי של microreactors ניתן לטפל באופן אוטומטי להעביר את microreactor או לפתוח את המעטפת הפיכה. התגובות של סובסטרטים ואנזימים המתאים יכול להיות ביוזמת מיזוג של microreactors או להביא אותם לידי מגע עם משטח זרזים קיבוע.

Introduction

יישומים טכניים עם תגובות מיקרו מתבצעות בעיקר בצ'יפס microchannel מוגדר מראש. מערכות אלו הן נרחב הקים ותיאר באופן מקיף בספרות (אינטר עאליה 1,2,3). בשנת 2011, המחזור של טכנולוגיות microfluidic ברחבי העולם הסתכם בכ-6.2 מיליארד יורו 4. לעומת זאת, השימוש של הכור מיקרו מטלטלין בחופשיות תאים בעבר רק וצילומי לאור במידה מצומצמת. השיטה הנפוצה ביותר להעברת מימית טיפות מיקרו הוא electrowetting 5. שיטות אחרות של תנועת טיפות על משטחים מבוססות על שדות חשמליים 6, כוח מגנטי 7 או הופעה אקוסטית 8. בשל השטח שלילי יחס נפח, מערכות מבוססות-droplet microreactor אלה נחשפים אפקטים חזקים אידוי. לכן, ההצעה טיפה בדרך כלל נוסדה כמערכת דו-שלבית נוזלי, איפה השלב העליון יש נקודת רתיחה גבוהה הגנה על השלב מימית מפני אידוי. עם זאת, גישה זו כרוך סיכון גבוה של מזהם את ה-droplet התגובה על ידי לא מבוקרת דיפוזיה. זהו מכשול משמעותי להקמת המערכות שהוזכרו טכני.

העבודה האחרונה עוסקת שלב נוזל נוזל מוצק שאינו דוגל מעברים. גישה יעילה ביותר הוא השימוש של משטחים superhydrophobic, מאפשר היווצרות של טיפות מימית כדורית. הרחבה של המושג הזה התגובה הוא השימוש של מיקרו תגובת תאי עם משטח superhydrophobic או מעטפת, אשר יכול למשל להיות מורכב חלקיקי טפלון (PTFE) 9. זוויות הקשר שלהם על משטחים הם בדרך כלל בטווח של 160° (בהתאם חספוס פני השטח). התאים כדורית ובכך לספק התנגדות מינימלית לתנועה על משטח, במקביל מספקים הגנה מפני אידוי מים.

טיפות מימית מצופה חלקיקי מיקרו PTFE בגודל עשוי לשמור על צורתם כדורית עד קוטר של-2 מ מ. בעוצמות גבוהות, הקליפה הידרופובי בדרך כלל לא סגור לחלוטין כבר 10. השפעת חומרים אחרים מעטפת והרחבת של השדה של היישום של השיש נוזלי ממיסים פולרי בוצע על-ידי גאו מקארתי באמצעות נוזלים יוניים 12. על היווצרות של פגזים מבוסס חלקיק הידרופוביות, קטרים חלקיקים בגדלים של 10 nm-30 מיקרומטר כה תיאר 11,14,16. מחקרים חדשים הראו כי חלקיקים הידרופובי כחומר מעטפת השימוש אפילו טוב יותר מזה של microparticles 13. מחקרי יציבות הראשון אישר עלייה ביציבות כאשר גודל החלקיקים מצומצמת מ ca. 600 nm ca- 100 ננומטר. תוצאות הזה סביר להניח התפלגות החלקיקים צפופה בסביבה מימית הספרה ה- 15.

ההגנה על התגובה מימית תאים על ידי פגז הידרופוביות שלהם כערבים גולות נוזלי תוארה לראשונה בשנת 2001 על ידי. Aussillous et al. , Mahadevan. et al. 17 , 18. מאז, תוארו מספר יישומים של תאים אלה התגובה מוגדרים. לדוגמה, חיישן הגז מבוסס על גולות נוזלי 19 ו שיטת זיהוי זיהום מים המבוסס על בסיס איכותי שטיחות כבר מפותחת 20. המחברים מבחינים את היתרונות של שיעורי תגובה גבוהה וצריכה נמוכה של כימיקלים של מערכות מיקרו התגובה שלהם. פרסומים אחרונים עוסקים הייצור של גולות נוזלי pH רגיש 16 או הייצוג של "חלקיקים יאנוס" עם שני ציפויים שונים של פונקציונליות שונה. לדוגמה, Bormashenko. ואח יכול לסנתז של microreactor עם קליפות של טפלון, פחמן שחור מוליכים למחצה 21. יתר על כן הוכח כי microreactors יכול באופן יעיל ונוח לסנתז polyperoxides על ידי קליטת חמצן חיצוני כמו comonomer דרך ממשק גז נוזלי חדיר 24. בגישה אחרת הקליפה של סיליקה-חלקיקים מבוססי גולות נוזלי לספק את המשטחים המצע תגובתי לווסת את התגובה מראה כסוף קלאסי 26. בעיות הנוכחי עבור מחקר ופיתוח בתחום של טיפות הידרופילית-core-הידרופובי-shell הן את התאמת גודל החלקיקים, ייצור לשחזור של טיפות monodisperse, את wettability של משטחים ועל ההשפעה של שניה מעטפת הידרופילית על תאי מיקרו תגובה 22, כמו גם על שליטה טובה יותר. של מסלולים רביב, למשל עבור הפיתוח של microPCR-מערכות רציפות 4.

הופעה מגנטי של אלה microreactors מציע את היתרון של טווחי תנועה גבוהה יחסית של סלקטיביות טוב של הכוח בעת עבודה במערכות הביוכימי. בעת שימוש מגנטיט הידרופובי חלקיקים, הם לממש את הפונקציה של העברת כוח מגנטי את תנועת microreactors, כמו גם את הפונקציה של פגז הידרופובי. תנועת מגנטי של טיפות עם חלקיקים מגנטיים בתוך droplet היה שמהווה לראשונה בשנת 2006 על ידי להמן. et al. 23 ו. Shikida et al. 25, אשר השתמשו באופן ידני עבר קבועים magnets כמו מפעילים גיוס כללי של droplet יחיד. גישה אחרת כדי להעביר כמות קטנה של נוזל התממש על ידי זאו. et al., אשר משמש החלקיקים4 הידרופובי Fe3O מעטפת מגנטי. המעטפת של השיש נוזל מגנטי פתחו על הצד העליון של הטיפה שדה מגנטי הפוך אנכית 27. מבוסס על תפיסה זו, Xue. et al. הצליחו לפתח חלקיקים אשר יוצרים microreactor עם מתח פני השטח של דיין 20.1 ס מ− 1 28. . לין ואח מפוברק חדשניים מבוססי תאית מיקרו/ננו הירארכי הספירות פאראמגנטיות על וגם superhydrophobicity המספקים יציבות אלוהים droplet נוזל מגנטי תחבורה ומניפולציה 31. זה כה שוחרר רק הוכחה-של-עיקרון ללמוד, לא משמש עבור כל יישום. שליטה מגנטיים וחשמליים של הקופה נוזלי הוא נרדף כעת בגישות הראשון. זאו. et al. ב 2010 15 לג'אנג. ואח 2012 29 הצליחו לפתח מניפולציה droplet על ידי התנועה (המופעלים באמצעות היד) ידני של מגנט קבוע מתחת ליבה-קליפה טיפות. . Bormashenko et al. 11 שהשיג ההאצה של גולה נוזלי פרומגנטי במהירות של 25 ס מ s-1 מתקרב מגנט נאודימיום. העיקרון שהוזכרו לעיל מחקרים בוצעו באופן בלעדי על ידי התנועה ידנית של מגנט קבוע קטן. כצעד הבא פיתוח, זאו. et al. הצליחו לאחרונה להעריך את צפיפות השטף המגנטי הנדרש לתנועה של השיש נוזל מגנטי על ידי שינוי המרחק של מגנט קבוע 30. עבור פקד תגובה לזו של מערכות מעבדה-על-שבב נפוצות, זה בלתי נמנע לספק אמצעי בקרה אוטומטיות של v נוזלי דיסקרטיתolumes. כדי לספק צורך זה, פיתחנו מערכת בקרה חדשה המבוססת על מעברי צבע משתנה השדה שמלמדות, העבר ולפתוח את microreactors מגנטי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-Hydrophobization של חלקיקים מגנטיים

  1. לסינתזה של החלקיקים המגנטיים הידרופוביות, להוסיף 0.85 g FeCl 3 hexahydrate (3.14 אינצ mmol) 0.30 g FeCl 2 tetrahydrate (1.51 mmol) 200 מ ל פתרון מים/אתנול (4:1 v/v).
  2. כדי תערובת זו, הוסף 0.20 מ ל 1H. 1H, 2 H, 2H-Perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) (5.23 mmol) עם בחישה נמרצת על ידי פגים (500 סל ד). לבצע הסינתזה באווירה גז אינרטי (N 2) באמצעות בקבוקון סיבוב המדרגה עם פקק על מנת למנוע חמצון המשני של החלקיקים מגנטיט.
  3. להתאים את הירידה פתרון חכם עם פתרון אמוניה מימית (1.5 M) pH של 8 (pH נקבע על ידי מד pH). מוסיפים את הפתרון עבור 24 שעות ביממה באמצעות של פגים.
  4. להפריד בין החלקיקים דיסקות מן הפתרון על-ידי הצבת את הבקבוק על הבר מגנט (דבק 40 x 20 x 10 מ מ, מגנט cuboid ניאודימיום כוח 25 ק ג). שופכים את הפתרון תוך שמירה על המגנט המצורף בתחתית הבקבוק.
  5. לרחוץ את החלקיקים שלוש פעמים עם הפתרון מים/אתנול תוך שימוש בר מגנט כמתואר ב- 1.4). יבש את החלקיקים ב 60 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות (תשואה. ca. 0.43 g).
  6. לניתוח החלקיקים, להשתמש במיקרוסקופ אלקטרונים סריקה לפי יצרן ' הוראות s.

2. ייצור של Microreactors

  1. לטחון כל החלקיקים מיובשים מעט באמצעות כבעלי זכוכית ומניחים כולן לאחר מכן ישירות במחבת במשקל (46 × 46 × 8 מ מ, פוליסטירן).
  2. 10 פיפטה פתרון תגובה µL (הרכב כפי שמתואר 5.1) על גבי כל החלקיקים ואת מהלך שקילת במחבת מעט בצורה מעגלית במשך כ 10 s (חלקיק מסה על microreactor 10 µL: ca. 3.2 x 10 ק ג -7 < מה המצב class = "xref" > 33). לאחסן את החלקיקים שנותרו (חלקיקים אשר לא בעצמם סביב הפתרון התגובה) בטמפרטורת החדר עבור יישומים נוספים-
  3. למדידת זווית microreactor הקשר, לבנות microreactor 5 µL עם מים כמתואר ב- 2.2), להניחה על סרט טפלון ולנתח את זווית מגע באמצעות מכשיר מדידה אופטית זווית מגע על-פי יצרן ' s הוראות.

3. הדפסת תלת-ממד של הגופים סליל

  1. לעצב את הגופות סליל כפול בגובה של 16 מ מ (תא אחד), בקוטר של 10 מ"מ של הקוטר הפנימי של ca. 4 מ מ באמצעות תוכנת תיב מ לפי יצרן ' s הוראות.
  2. להדפיס את הגופות סליל עם מדפסת תלת-ממד על פי היצרן ' s הוראות על-ידי שימוש בחומרים כגון polylactide הלהט. לעטוף את הגופות עם חוט נחושת 0.08 מ"מ כדי להשיג 4,500 windings באמצעות מכונת מתפתל מבוקר מחשב-

4. ייצור של פלטפורמת הופעה

  1. סדר הכפול סלילי במטריצה (למשל 3 x 3 מטריקס) על לוח חשמלי עם אלמנט Peltier מתחת, לדפוק על הגלילים זוגי ולקשר אותם אל פקד באמצעות רצועת הכלים (כבל איור 3).
  2. בהתאם ליישום המבוקש, להוסיף על ליבת ברזל (32 מ מ גובה, קוטר 4 מ מ) או מגנט נאודימיום (12.5 מ מ גובה, קוטר 4 מ מ, קה 1035 ז -1) לגוף סליל כדי לקבל שדה מגנטי חזק יותר.
  3. לסיים הפלטפורמה למקם על צלחת, רצוי זכוכית קוורץ, עם גובה מקסימלי של 1 מ מ על המטריקס סליל-
  4. במקום microreactor על פני השטח של פלטפורמת.
  5. למשוך את החלקיקים העליון הפתרון התגובה ולפתוח ובכך microreactor להפעיל סליל עם מגנט נאודימיום פנימה על-ידי שימוש בפקד שצוין ב- 4.1). כדי לסגור microreactor שוב לבטל את הגליל.
  6. כדי למזג שתי microreactors אשר הם בתחילה ca. בהפרש של 10 מ מ להשתמש מגנטים ניאודימיום כמתואר ב- 4.2). להרים את המגנט בגופים סליל הנדרש על ידי הפעלת הגלילים עבור ca. 25 s כדי לפתוח את אחד microreactor (נדרש מרחק בין שקרים microreactor, מגנט כ 12 מ מ) וכדי לעבור השני לאותו מיקום על הרציף.
  7. להתקרר התגובה פתרון microreactor על פני השטח פלטפורמה וכדי להקטין את הטמפרטורה סליל לעבור על הרכיב Peltier ממוקם מתחת המטריקס סליל כמתואר ב- 4.1).

5. התגובה אנזימטי על ידי מיזוג Microreactors

  1. התמוססות peroxidase חזרת-ריכוז של 0.1 µg מ ל -1 במאגר אשלגן פוספט (0.1 M, pH 6.5). לדלל את המצע, 10-אצטיל-3,7-dihydroxyphenoxazine (10 מ מ dimethylsulfoxide (דימתיל סולפוקסיד)) עם אשלגן פוספט מאגר (0.1 M, pH 6.5) כדי ריכוז של מיקרומטר 200.
  2. 10 שימוש µL של כל הפתרונות הללו כדי לבנות microreactors שני כמתואר ב- 2.2). למזג את שני microreactors באמצעות הממוצע של כוחות מגנטיים (מגנט neodymium גליל: 12.5 מ מ x 4 מ מ, 1,035 קה מ -1) כמתואר ב- 4.6)-25 מעלות צלזיוס
  3. לזהות את התגובה על-ידי הצבת בדיקה קרינה פלואורסצנטית (אורך גל עירור: 570 ננומטר, אורך גל פליטה: 585 ננומטר) ca. 10 מ מ ישירות מעל microreactor נפתח לפני המיזוג.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

חלקיקי מעטפת יש קוטר של בסביבות 640 ננומטר. חלקיקים magnetizable בסוגריים את חלקיקי מעטפת fluorosilane יש קטרים בטווח בין 22 ננומטר ו-37 ננומטר. Microreactor 5 µL עם מים כמו גרעין נוזלי הייתה זווית הקשר של בסביבות 160°.

הכוח הנדרש כדי להזיז microreactor 10 µL כפי שתוארה לעיל היא µN ± 0.08 1.34. איור 1 מציג את הכוח האלקטרומגנטי של סליל עם windings 4,500 של חוטי נחושת של ליבת ברזל פנימי מופעל עם 58 mA. התפלגות כוח מוערך על ידי מודל אלמנטים סופיים (FEM) כדי לקבוע את המאפיינים סליל נדרש לעבור על microreactor. כפי שניתן לראות באיור1, הכוח המגנטי בניצוחו של הסליל המתואר הוא חזק מספיק כדי לעבור microreactor מרחק שונה יותר 10 מ"מ מהמרכז סליל.

הכוח המגנטי כדי לפתוח microreactor שווה 0.85 mN ± 0.05 אשר גבוהה הרבה יותר הכוח הנדרש כדי לעבור את ה-droplet. הכוח המגנטי המושרה על ידי הסליל עם ליבת ברזל בתוך (איור 1) אינה חזקה מספיק כדי לפתוח microreactor, מגנט נאודימיום שימש הגלילים. על ידי מפעיל הגלילים זוגי בכיוונים זרם חילופין, ניתן להעביר את מגנט קבוע לקראת או הרחק את הפלטפורמה. ובכך, microreactor יכול להיות פתיחה או סגירה מגנטית. אם microreactors שני עם פגז לגמרי שלם לשכב על הצד הם אל תמזג כפי מעכב מתח הפנים שלהם פיוז'ן. לכן חייבים לפחות אחד אפשרות לפתוח.

איור 2 מציג את קינטיקת מיכאליס-מנטן הנובע מיזוג של microreactor 10 µL המכיל peroxidase עם עוד 10 microreactor µL המכיל את המצע המתאים (n = 3). על ידי Lineweaver-בורק לינאריזציה K מחושבתמ' ערך עבור התגובה בתוך microreactor הוא 86.85 מיקרומטר ± 10.95 מיקרומטר, הערךהמרבי v שוכן 378.8 nmol L-1 s-1 ± 115.6 nmol L-1 s-1. כמו הערךm K הוא טוב התכתבות עם נתן בספרות, מיקרומטר 3 81 ± 32, ניתן להניח כי התגובה אנזימטי בתוך microreactor בקנה מידה קטן עם החומר מעטפת הידרופוביות לא מושפע ביחס זיקה.

Figure 1
איור 1: האלקטרו-מגנטי בכוח סימולציה של סליל עם 58 mA ו- 4,500 windings של נחושת חוטים התלות של המרחק של microreactor למרכז הגליל נקבעים על-ידי FEM. הקוטר סליל 10 מ מ, קוטר ליבת ברזל הוא 4 מ מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: מיכאליס-מנטן של peroxidase נמדד על-ידי מיזוג שני 10 µL microreactors. הטמפרטורה היא 25 ° C, והוא המאגר המשמש אשלגן פוספט (0.1 M) עם pH של 6.5. שלוש חזרות בוצעו.

Figure 3
איור 3: פלטפורמה הופעה. פלטפורמת הופעה מורכב של מטריצה 3 x 3 של סלילי כפול. סליל אחד יש 4,500 windings, בגובה של 16 מ מ (תא אחד), בקוטר של 10 מ"מ של הקוטר הפנימי של ca. 4 מ מ. גובה הגלילים הוגדר מראש על ידי הגובה של מגנט neodymium בשימוש גליל. הקוטר נבחר כי מחקרים קודמים הראו כי מדובר מרחק סביר עבור העברה של microreactor עם סוג זה של מגנט. המספר את windings ואת הנוכחי נקבע ע י FEM. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

השימוש המוצלח של microfluidic טכנולוגיות, חשוב לעבור שעוצמת התגובה המתאים לדרישות של סינתזה ביוטכנולוגי, ניתוחים. פלטפורמת הופעה המובאת כאן מאפשרת לך להעביר טיפות microfluidic על-ידי כוח מגנטי. התנועה יכולה להתבצע באופן חופשי בשני מימדים על משטח מישורי של פלטפורמה תגובה על-ידי תחימת הירידה נוזלי עם פגז superhydrophobic מגנטי. לפיכך מערכת חלופית לערוצים microfluidic מראש עם התקנות בקרת זרימה מורכבים, כמו בשימוש מערכות microfluidic המקובלת, לעבור ממיסים ודוגמאות הוא הציג. הופעה אוטומטית של טיפות תגובה קטנה ולכן הוא פישוט משמעותי של פלטפורמות מעבדה-על-שבב ידוע. יתר על כן, הפלטפורמה מאפשרת לפתוח הפיכה של microreactor כדי להוסיף ולהסיר התגובה דגימות. בשילוב עם מערכת מפיק מגבונים לחים, זה יכול לגרום מידה רבה של שליטה התגובה האוטומטית, היא הצעד הראשון עבור סיליקו microreactions designable ב- virtual מעבדה-ב--טיפה. המגבלה העיקרית של טכניקה זו היא כי microreactors רק יכול להיבנות עם כמויות קטנות (עד ca. 30 µL). שלב קריטי בפרוטוקול היא הגילוי של התגובה אנזימטי פנימה microreactors החללית פלורסצנטיות חייב להיות מותאם כראוי. אפשרות זיהוי נוסף עשוי להיות ספקטרוסקופיה UV/vis.

תהליך הפיתוח של פלטפורמת הראה כי סליל אלקטרומגנטית בקוטר של 10 מ"מ מספיקה לתנועה droplet. מצד שני, סליל כפול מלא אוויר או ליבה של ברזל הוא לא מסוגל לגרום את הכוח המגנטי הנדרש כדי לפתוח פגז microreactor. לכן, ניאודימיום ליבות נבחרו במקרה בטבעות כדי לבצע משימה זו. השדה המגנטי שנוצר מעברי הצבע שוב יכולים להיות מגוונים על-ידי התנועה electromagnetical של המגנט אנכי פלטפורמת התגובה. גודל המגרש של פלטפורמת מוגבל רק על-ידי הפקד. קיימת בקרה ותוכנה הוא מעוצב ומוכן לשימוש עבור מטריצה 10 x 10. הרכיב Peltier לא נחוצה עבור היישומים המתוארים, אך עשוי להיות נחוץ כאשר microreactor חייב להיות קבוע למשך זמן ארוך יותר, זה יאפשר כדי לקרר את תערובת התגובה מעל פני השטח פלטפורמה.

בעתיד, השילוב של פלטפורמת הופעה עם גולות נוזלי יכול לשמש גמיש מעבדה-ב--ירידה-מערכות ליישום של הקרנות, ניתוחים מהר אופטי, קומפלקס אנזים תגובות בהתאם להירארכיית הקשרים עם אמצעי אחסון קטן מאוד התגובה. בנוסף, הפלטפורמה יכול לשמש עבור (ביו-) בדיקות כימיות כגון PCR, אלקטרופורזה או אליסה. יתר על כן, ההקרנה של אנזימים רלוונטי חדש, תעשייתי, aptamer amplifications הן מבטיחות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים רוצה להכיר את DFG על התמיכה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D-printer FelixPrinters Pro1
10-acetyl-3,7-dihydroxyphenoxazine (Amplex Red) Life Technologies A12222
Ammonium hydroxide TU-KL 1072
CAD software Siemens Soled edge
Contact angle measuring device Dataphysics OCA 20
Cylinder magnet Webcraft GmbH S-04-13-N https://www.supermagnete.de/stabmagnete-neodym-rund/stabmagnet-durchmesser-4mm-hoehe-12.5mm-neodym-n42-vernickelt_S-04-13-N
Dipotassium phosphate Bernd Kraft 7758-11
Drying oven Binder FD 115
Ethanol Sigma-Aldrich 68-17-5
FeCl2 tetrahydrate TU-KL 1625
FeCl3 hexahydrate TU-KL 1622
Fluorescence probe PerkinElmer LS 55
Horseradish peroxidase Carl Roth 9003-99-0
Hydrogen peroxide Th.Geyer GmbH & Co 7722-84-1
Monopotassium phosphate Bernd Kraft 7778-77-0
Peltier element Conrad  193569
Perfluoroctyltriethoxysilane Sigma-Aldrich 51851-37-7
Scanning Electron Microscope FEI Helios NanoLab 650 DualBeam
Separation bar magnet Webcraft GmbH Q-40-20-10-N
Winding machine IWT GmbH FW122

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

בביו-הנדסה גיליון 126 מיקרופלואידיקה lab-ב--שחרור מגנטי superhydrophobic חלקיקים גולות נוזלי הופעה פלטפורמה microreactions אנזימטיות
טיפות מימית משמש Microreactors אנזימטיות, הופעה אלקטרומגנטית שלהם
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Al-Kaidy, H., Kuthan, K., Hering,… More

Al-Kaidy, H., Kuthan, K., Hering, T., Tippkötter, N. Aqueous Droplets Used as Enzymatic Microreactors and Their Electromagnetic Actuation. J. Vis. Exp. (126), e54643, doi:10.3791/54643 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter