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Bioengineering

जलीय बूंदों एंजाइमी Microreactors और उनके विद्युत चुम्बकीय एक्च्यूएशन के रूप में इस्तेमाल किया

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

प्रयोगशाला में एक ड्रॉप प्रतिक्रिया प्रणाली एक microfluidic पैमाने में जटिल प्रतिक्रियाओं के बहुमुखी कार्यांवयन की अनुमति देते हैं । एक स्वचालित एक्च्यूएशन एक 3 x 3 विद्युत चुम्बकीय coils के मैट्रिक्स से मिलकर मंच विकसित किया गया था और सफलतापूर्वक २ १० µ l microreactors विलय करने के लिए इस्तेमाल किया और इस तरह जिसके परिणामस्वरूप तरल पत्थर में एक एंजाइमी प्रतिक्रिया आरंभ.

Abstract

microfluidic प्रतिक्रिया प्रणालियों के सफल कार्यांवयन के लिए, जैसे पीसीआर और ट्रो, छोटे तरल मात्रा के आंदोलन के लिए आवश्यक है । पारंपरिक प्रयोगशाला में एक चिप प्लेटफार्मों, सॉल्वैंट्स और नमूनों जटिल प्रवाह नियंत्रण प्रतिष्ठानों के साथ परिभाषित microfluidic चैनलों के माध्यम से पारित कर रहे हैं । छोटी बूंद एक्च्यूएशन मंच यहां प्रस्तुत एक आशाजनक विकल्प है । इसके साथ, यह एक प्रतिक्रिया मंच के एक planar सतह पर एक तरल ड्रॉप (microreactor) स्थानांतरित करने के लिए संभव है (प्रयोगशाला में एक ड्रॉप). मंच की hydrophobic सतह पर microreactors का एक्च्यूएशन तरल बूंदों के बाहरी कवच पर अभिनय करने वाले चुंबकीय बलों के प्रयोग पर आधारित है जो superhydrophobic मैग्नेटाइट कणों की एक पतली परत से बना है । मंच के hydrophobic सतह तरल कोर और सतह के बीच किसी भी संपर्क से बचने के लिए microreactor की एक चिकनी आंदोलन की अनुमति की जरूरत है । प्लेटफॉर्म पर, एक या एक से अधिक microreactors के संस्करणों के साथ 10 µ l को तैनात किया जा सकता है और एक साथ ले जाया गया. मंच में ही एक 3 x 3 बिजली के दोहरे कुंडलियों के मैट्रिक्स जो या तो neodymium या लौह कोर को समायोजित के होते हैं । चुंबकीय क्षेत्र ढाल स्वचालित रूप से नियंत्रित कर रहे हैं । चुंबकीय क्षेत्र ढाल की भिन्नता के द्वारा, microreactors ' चुंबकीय hydrophobic खोल microreactor ले जाने या खोल reversibly खोलने के लिए स्वचालित रूप से हेरफेर किया जा सकता है. सब्सट्रेट और इसी एंजाइमों की प्रतिक्रियाओं microreactors विलय या उन्हें सतह स्थिर उत्प्रेरक के साथ संपर्क में लाने के द्वारा शुरू किया जा सकता है ।

Introduction

माइक्रो प्रतिक्रियाओं के साथ तकनीकी अनुप्रयोगों को मुख्य रूप से पूर्वनिर्धारित microchannel चिप्स में किया जाता है । इन प्रणालियों व्यापक रूप से स्थापित कर रहे है और व्यापक साहित्य में वर्णित (अंय alia 1,2,3) । २०११ में, microfluidic टेक्नोलॉजीज दुनिया भर के कारोबार कुल मिलाकर ६,२००,०००,००० यूरो 4। इसके विपरीत, आज़ादी से चल सूक्ष्म रिएक्टर डिब्बों का उपयोग पहले ही जांच की और एक सीमित सीमा तक प्रकाशित किया गया । जलीय सूक्ष्म बूंदें ले जाने के लिए सबसे आम तरीका है electrowetting 5। सतहों पर बूंदों की गति के लिए अंय तरीकों बिजली के खेतों 6, चुंबकीय बल 7 या ध्वनिक एक्च्यूएशन 8पर आधारित हैं । कारण मात्रा अनुपात करने के लिए उनके प्रतिकूल सतह के लिए, इन छोटी बूंद-आधारित microreactor प्रणालियों मजबूत वाष्पीकरण प्रभाव को उजागर कर रहे हैं । इस प्रकार, ड्रॉप गति आमतौर पर एक तरल दो चरण प्रणाली है, जहां ऊपरी चरण एक उच्च उबलते वाष्पीकरण से जलीय चरण की रक्षा बिंदु है के रूप में स्थापित किया गया है । फिर भी, इस दृष्टिकोण अनियंत्रित प्रसार द्वारा प्रतिक्रिया छोटी बूंद को दूषित करने का एक उच्च जोखिम शामिल है । यह उल्लेख प्रणालियों की तकनीकी स्थापना के लिए एक महत्वपूर्ण बाधा है ।

हाल ही में काम गैर अनुयाई तरल ठोस चरण संक्रमण के साथ संबंध है । एक अत्यंत प्रभावी दृष्टिकोण superhydrophobic सतहों का उपयोग है, गोलाकार जलीय बूंदों के गठन की अनुमति । इस प्रतिक्रिया अवधारणा का विस्तार एक superhydrophobic सतह या खोल, जो उदाहरण के लिए मई polytetrafluoroethylene (PTFE) के कणों से मिलकर के साथ माइक्रो रिएक्शन डिब्बों का उपयोग है 9। सतहों पर उनके संपर्क कोणों १६० ° की सीमा में आम तौर पर कर रहे है (सतह किसी न किसी पर निर्भर करता है) । गोलाकार डिब्बों इस प्रकार एक सतह पर आंदोलन के लिए ंयूनतम प्रतिरोध प्रदान करते है और साथ ही पानी वाष्पीकरण के खिलाफ सुरक्षा प्रदान करते हैं ।

जलीय बूंदें सूक्ष्म आकार PTFE कणों के साथ लेपित अपने गोलाकार आकार बनाए रखने के लिए कर सकते है चारों ओर 2 मिमी का व्यास । उच्च मात्रा में, hydrophobic शेल आमतौर पर अब पूरी तरह से बंद नहीं है 10। अंय खोल सामग्री के प्रभाव और तरल संगमरमर के आवेदन के क्षेत्र के विस्तार के लिए ध्रुवीय सॉल्वैंट्स गाओ और McCarthy द्वारा ईओण तरल पदार्थ 12का उपयोग करके लागू किया गया था । hydrophobic कण-आधारित गोले के गठन के लिए, 10 एनएम के आकार में अब तक कण व्यास-30 µm 11,14,16बताए गए हैं । नए अध्ययनों से पता चला है कि शैल सामग्री के रूप में hydrophobic नैनोकणों microparticles 13की तुलना में भी बेहतर उपयोग के हैं । पहले स्थिरता अध्ययनों में स्थिरता में वृद्धि की पुष्टि की जब कण का आकार ca से कम है . ६०० एनएम के लिए ca. १०० एनएम । इस संभावना के साथ सघन कण वितरण से परिणाम जलीय क्षेत्रः 15।

एक hydrophobic खोल और तरल पत्थर के रूप में उनके पदनाम से जलीय प्रतिक्रिया डिब्बों के संरक्षण पहले २००१ में Aussillous एट अल और महादेवन एट अल द्वारा वर्णित किया गया था । 17 , 18. तब से, इन परिभाषित प्रतिक्रिया डिब्बों के कुछ अनुप्रयोगों का वर्णन किया गया है । उदाहरण के लिए, एक गैस सेंसर तरल संगमरमर पर आधारित 19 और जल संदूषण के लिए एक ऑप्टिकली गुणात्मक आधार पर आधारित का पता लगाने की विधि 20विकसित किया गया है । लेखकों उच्च प्रतिक्रिया दरों के लाभ और उनके सूक्ष्म प्रतिक्रिया प्रणाली के रसायनों की कम खपत भेद । पीएच संवेदनशील तरल संगमरमर के उत्पादन के साथ हाल के प्रकाशनों सौदा 16 या अलग कार्यशीलता के दो अलग कोटिंग्स के साथ ' जानुस् कणों ' का प्रतिनिधित्व । उदाहरण के लिए, Bormashenko एट अल. Teflon और semiconducting कार्बन ब्लैक के बने गोले के साथ एक microreactor संश्लेषित सकता है 21। इसके अलावा यह प्रदर्शन किया गया है कि microreactors कुशलतापूर्वक और सुविधाजनक संश्लेषित कर सकते है पारगंय गैस तरल इंटरफेस 24के माध्यम से comonomer के रूप में बाह्य ऑक्सीजन को अवशोषित द्वारा polyperoxides । एक और दृष्टिकोण में सिलिका के खोल-कण आधारित तरल संगमरमर के लिए प्रतिक्रियाशील सब्सट्रेट सतहों शास्त्रीय रजत दर्पण प्रतिक्रिया 26को विनियमित करने के लिए प्रदान करते हैं । हाइड्रोफिलिक-कोर-hydrophobic-शैल बूंदों के क्षेत्र में अनुसंधान और विकास के लिए वर्तमान समस्याओं कण आकार समायोजन, monodisperse बूंदों के प्रतिलिपि उत्पादन, सतहों की गीलाता और एक दूसरे के प्रभाव हैं माइक्रो रिएक्शन डिब्बों पर हाइड्रोफिलिक शैल 22, साथ ही छोटी बूंद पथ का एक बेहतर नियंत्रण, सतत microPCR के विकास के लिए उदा -सिस्टम 4.

इन microreactors का एक चुंबकीय एक्च्यूएशन अपेक्षाकृत उच्च आंदोलन पर्वतमाला और जैव रासायनिक प्रणालियों में काम करते समय बल का एक अच्छा selectivity का लाभ प्रदान करता है । जब hydrophobic मैग्नेटाइट कणों का उपयोग कर, वे microreactors के आंदोलन के लिए चुंबकीय बल संचरण के दोनों समारोह को पूरा करने, साथ ही एक hydrophobic खोल के समारोह । एक छोटी बूंद के अंदर चुंबकीय कणों के साथ बूंदों के चुंबकीय आंदोलन लेहमेन एट अल द्वारा २००६ में पहली बार के लिए माने था । 23 और Shikida एट अल । 25, जो मैन्युअल रूप से इस्तेमाल किया स्थायी मैग्नेट एक एकल छोटी बूंद के जुड़ाव के लिए प्रेरक के रूप में स्थानांतरित कर दिया. एक अंय दृष्टिकोण तरल की एक छोटी राशि ले जाने के लिए Zhao एट अल, जो चुंबकीय खोल के रूप में hydrophobic Fe3हे4 कणों का इस्तेमाल किया द्वारा महसूस किया गया । चुंबकीय तरल संगमरमर के खोल एक ऊर्ध्वाधर रिवर्स चुंबकीय क्षेत्र 27द्वारा ड्रॉप के ऊपरी हिस्से पर खोला गया था । इस अवधारणा के आधार पर, Xue एट अल कण जो २०.१ डाइन cm− 1 28की सतह तनाव के साथ एक microreactor फार्म विकसित करने में सक्षम थे । Lin et al. गढ़े उपंयास फाइबर आधारित माइक्रो/नैनो पदानुक्रमित दोनों superparamagnetism और superhydrophobicity जो चुंबकीय तरल छोटी बूंद परिवहन और हेरफेर 31के लिए भगवान स्थिरता प्रदान के साथ क्षेत्रों । यह अब तक केवल एक सबूत के सिद्धांत के अध्ययन के रूप में जारी किया गया था और किसी भी आवेदन के लिए इस्तेमाल नहीं । तरल पत्थर के चुंबकीय और विद्युत नियंत्रण वर्तमान में पहले दृष्टिकोण में आगे बढ़ रहा है । Zhao एट अल में २०१० 15 और झांग एट अल. २०१२ 29 मैनुअल (हाथ से एक छोटी बूंद हेरफेर विकसित करने में सक्षम थे) कोर-शैल बूंदों के नीचे एक स्थाई चुंबक के आंदोलन को संचालित । Bormashenko एट अल. 11 एक neodymium चुंबक आ द्वारा 25 सेमी एस-1 की गति के लिए एक ferromagnetic तरल संगमरमर का त्वरण हासिल किया । उपर्युक्त सिद्धांत अध्ययन विशेष रूप से एक छोटे से स्थाई चुंबक के मैनुअल आंदोलन द्वारा किए गए । एक अगले विकास कदम के रूप में, Zhao एट अल. हाल ही में एक स्थाई चुंबक 30की दूरी अलग से चुंबकीय तरल संगमरमर के आंदोलन के लिए आवश्यक चुंबकीय प्रवाह घनत्व का अनुमान कर रहे थे । एक प्रतिक्रिया के लिए आम लैब की तुलना में नियंत्रण के लिए-पर एक चिप सिस्टम, यह असतत तरल वी के स्वचालित नियंत्रण के साधन प्रदान अपरिहार्य लगता हैolumes । इस जरूरत को पूरा करने के लिए, हम एक नया नियंत्रण प्रणाली चर क्षेत्र ढाल पर आधारित करने के लिए निर्धारण, चाल और चुंबकीय microreactors खोलने विकसित की है ।

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Protocol

< p class = "jove_title" > 1. चुंबकीय नैनोकणों के Hydrophobization

  1. के संश्लेषण के लिए hydrophobic चुंबकीय कणों, ०.८५ g FeCl 3 hexahydrate (३.१४ mmol) और ०.३० ग्राम FeCl 2 टेट्राहाइड्रेट (१.५१ mmol) को २०० मिलीलीटर जोड़ें पानी/इथेनॉल समाधान (4:1 v/
    2. इस मिश्रण के लिए
  2. , एक चुंबकीय सरगर्मी (५०० rpm) द्वारा जोरदार सरगर्मी के साथ ०.२० एमएल, एक, 2H, 2H-Perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) (५.२३ mmol) जोड़ें । मैग्नेटाइट कणों के माध्यमिक ऑक्सीकरण को रोकने के क्रम में एक काग के साथ एक गोल नीचे कुप्पी का उपयोग करके एक निष्क्रिय गैस वातावरण (एन 2 ) में संश्लेषण बाहर ले.
  3. समाधान ड्रॉप बुद्धिमान एक अमोनियम हीड्राकसीड समाधान (१.५ मीटर) के साथ 8 के पीएच को समायोजित (पीएच एक पीएच मीटर द्वारा निर्धारित) । एक चुंबकीय सरगर्मी का उपयोग करके 24 घंटे के लिए समाधान हिलाओ ।
  4. एक बार चुंबक (neodymium घनाभ चुंबक ४० x 20 x 10 मिमी, चिपकने वाला बल 25 किलो) पर कुप्पी रखकर समाधान से चुंबकीय कणों अलग । जबकि कुप्पी के नीचे से जुड़ी चुंबक रखते हुए समाधान बाहर डालो.
  5. १.४ में वर्णित के रूप में एक बार चुंबक का उपयोग करते हुए पानी/इथेनॉल समाधान के साथ कणों तीन बार धो लें । कण शुष्क ६० & #176; ग फॉर 24 ज (यील्ड ca. ०.४३ g).
    6. कणों का विश्लेषण करने के लिए
  6. , निर्माता & #39 के अनुसार एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करें; s निर्देश.
< p class = "jove_title" > 2. Microreactors

  1. के निर्माण सभी सूखे कणों को थोड़ा एक गिलास मूसल का प्रयोग करके पीस लें और बाद में उन सभी को सीधे एक वजनी पैन में रखें (४६ & #215; ४६ & #215; 8 mm, polystyrene).
  2. पिपेट 10 & #181; l प्रतिक्रिया समाधान (संरचना के रूप में ५.१ में वर्णित) सभी कणों पर और वजन एक परिपत्र रास्ते में थोड़ा सा ले जाने के लिए लगभग 10 s (कण मास के लिए एक 10 & #181; l microreactor: कै. ३.२ x 10 -7 kg < सुप class = "xref" > 33 ). शेष कणों की दुकान (कणों जो आत्म प्रतिक्रिया समाधान के आसपास इकट्ठा नहीं किया है) आगे अनुप्रयोगों के लिए कमरे के तापमान पर ।
    3. microreactor के संपर्क कोण को मापने के लिए
  3. , एक 5 & #181 का निर्माण; L microreactor के रूप में २.२ में वर्णित पानी के साथ), इसे एक teflon फिल्म पर रखें और निर्माता के अनुसार एक ऑप्टिकल संपर्क कोण माप डिवाइस का उपयोग करके संपर्क कोण का विश्लेषण करें & #39; s निद.
< p class = "jove_title" > 3.3d कुंडल शव की छपाई

  1. डिजाइन डबल कुंडल निकायों की ऊंचाई के साथ 16 मिमी (एक चैंबर), 10 मिमी का व्यास और ca. 4 मिमी के एक सीएडी सॉफ्टवेयर का उपयोग करके के अनुसार एक निर्माता & #39; s निद.
  2. एक 3 डी प्रिंटर के साथ कुंडल निकायों मुद्रित निर्माता के अनुसार & #39; s निर्देश polylactide रेशा जैसे पदार्थों का उपयोग करके । एक ०.०८ mm तांबे के तार के साथ शरीर लपेटें के लिए एक कंप्यूटर का उपयोग करके ४,५०० windings प्राप्त मशीन घुमावदार नियंत्रित ।
< p class = "jove_title" > 4. एक्च्यूएशन मंच के निर्माण

  1. एक मैट्रिक्स में डबल कुंडल व्यवस्था ( उदा 3 एक्स 3 मैट्रिक्स) के नीचे एक Peltier तत्व के साथ एक बिजली के बोर्ड पर, डबल कुंडल पर पेंच और उंहें रिबन केबल के माध्यम से एक नियंत्रण से कनेक्ट ( < सबल वर्ग = "xfig" > चित्रा ३ ).
  2. वांछित आवेदन पर निर्भर करता है, एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र हासिल करने के लिए कुंडल शरीर के लिए एक लोहे के कोर (३२ मिमी ऊंचाई, 4 मिमी व्यास) या एक neodymium चुंबक (१२.५ मिमी ऊंचाई, 4 मिमी व्यास, १,०३५ kA m -1 ) जोड़ें.
  3. के लिए मंच जगह एक थाली खत्म करने के लिए, अधिमानतः क्वार्ट्ज ग्लास, कुंडल मैट्रिक्स पर 1 मिमी की अधिकतम ऊंचाई के साथ ।
  4. एक microreactor को प्लेटफार्म की सतह पर रखें ।
  5. प्रतिक्रिया समाधान से ऊपरी कणों को वापस लेने के लिए और इस तरह एक microreactor खुला ४.१ में वर्णित नियंत्रण का उपयोग करके अंदर एक neodymium चुंबक के साथ एक तार को सक्रिय) । microreactor बंद करने के लिए फिर से कुंडल निष्क्रिय ।
  6. दो microreactors जो शुरू में ca. 10 मिमी के अलावा ४.२ में वर्णित के रूप में neodymium मैग्नेट का उपयोग कर रहे है विलय करने के लिए) । ca. 25 के लिए कुंडलियों को सक्रिय करके आवश्यक कुंडल निकायों में चुंबक ऊपर उठाएं एक microreactor खोलने के लिए (microreactor और चुंबक के बीच की आवश्यकता दूरी के बारे में 12 मिमी झूठ) और मंच पर एक ही स्थिति के लिए एक दूसरे को स्थानांतरित करने के लिए.
  7. नीचे मंच की सतह पर microreactor में प्रतिक्रिया समाधान शांत करने के लिए और Peltier तत्व के रूप में ४.१ में वर्णित कुंडल मैट्रिक्स के नीचे तैनात पर कुंडल तापमान स्विच कम करने के लिए).
< p class = "jove_title" > 5. एंजाइमी रिएक्शन मर्ज करके Microreactors

  1. भंग सहिजन peroxidase की एकाग्रता पर ०.१ & #181; जी एमएल -1 में पोटेशियम फॉस्फेट बफर (०.१ मीटर, पीएच ६.५). सब्सट्रेट, 10-एसिटाइल-3, 7-dihydroxyphenoxazine (dimethylsulfoxide (DMSO) में 10 मिमी) पोटेशियम फॉस्फेट बफर के साथ पतला (०.१ मीटर, पीएच ६.५) की एकाग्रता के लिए २०० & #181; M.
  2. का उपयोग करें 10 & #181; २.२ में वर्णित के रूप में दो microreactors बनाने के लिए इन समाधानों में से प्रत्येक का L) । दो microreactors को चुंबकीय बलों के माध्य से मर्ज करें (neodymium बेलन चुंबक: १२.५ mm x 4 mm, १,०३५ kA m -1 ) जैसा ४.६ में बताया गया है) 25 & #176; C.
  3. एक प्रतिदीप्ति जांच स्थिति द्वारा प्रतिक्रिया का पता लगाने (उत्तेजना तरंग दैर्ध्य: ५७० एनएम, उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य: ५८५ एनएम) ca. 10 मिमी सीधे एक खोला microreactor से पहले के ऊपर मर्ज.

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Representative Results

शैल कणों के आसपास ६४० एनएम का एक व्यास है । इस fluorosilane शैल कणों में संलग्न magnetizable नैनोकणों 22 एनएम और ३७ एनएम के बीच एक सीमा में व्यास है । एक तरल कोर के रूप में पानी के साथ एक 5 µ एल microreactor लगभग १६० डिग्री के एक संपर्क कोण था ।

बल एक 10 µ एल microreactor के रूप में ऊपर वर्णित कदम की जरूरत १.३४ ± ०.०८ µN है । चित्रा 1 तांबे के तार के ४,५०० windings के साथ एक कुंडल के विद्युत चुम्बकीय बल और एक आंतरिक लौह कोर ५८ mA के साथ संचालित से पता चलता है. बल वितरण एक परिमित तत्वों मॉडल (फेम) के लिए आवश्यक कुंडल गुण निर्धारित करने के लिए एक microreactor ले जाने का अनुमान है । के रूप में चित्रा 1में देखा जा सकता है, चुंबकीय बल वर्णित कुंडल द्वारा आयोजित काफी मजबूत करने के लिए एक दूरी से दूर 10 मिमी कुंडल केंद्र से एक microreactor कदम है ।

चुंबकीय बल एक microreactor के बराबर है ०.८५ ± ०.०५ mN जो छोटी बूंद को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक बल की तुलना में बहुत अधिक है खोलने के लिए । चुंबकीय बल के भीतर लोहे की कोर के साथ कुंडल द्वारा प्रेरित के रूप में (चित्रा 1) एक microreactor खोलने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं है, एक neodymium चुंबक कुंडलियों में इस्तेमाल किया गया था. वर्तमान प्रवाह दिशाओं बारी में डबल कुंडल शक्ति से, स्थायी चुंबक की ओर या मंच से दूर ले जाया जा सकता है. इस प्रकार, microreactor खोला जा सकता है या चुंबकीय बंद कर दिया । यदि एक पूरी तरह से बरकरार खोल के साथ दो microreactors पक्ष की ओर से वे विलय नहीं के रूप में सतह तनाव उनके फ्यूजन रोकता है झूठ । इसलिए कम से एक खोला जाना चाहिए ।

चित्रा 2 Michaelis-मेनटेन कैनेटीक्स एक 10 µ l microreactor युक्त peroxidase एक और 10 µ एल microreactor के साथ इसी सब्सट्रेट (n = 3) युक्त विलय से उत्पन्न से पता चलता है. Lineweaver-Burk linearization द्वारा microreactor के भीतर प्रतिक्रिया के लिए परिकलित Km मान ८६.८५ µ m ± १०.९५ µ मी है, वीमैक्स वैल्यू ३७८.८ nmol एल-1 एस-1 ± ११५.६ nmol एल-1 एस-1पर निहित है । के रूप में कश्मीरएम मूल्य साहित्य में दिया है कि के साथ अच्छे पत्राचार में है, ८१ ± 3 µ एम ३२, यह माना जा सकता है कि hydrophobic शैल सामग्री के साथ छोटे पैमाने पर microreactor के भीतर एंजाइमी प्रतिक्रिया के संबंध में प्रभावित नहीं है अपनत्व.

Figure 1
चित्र 1: ५८ mA और ४,५०० के साथ एक कुंडल के विद्युत चुम्बकीय बल सिमुलेशन microreactor की दूरी की निर्भरता में तांबे के तार की हवा का तार फेम द्वारा निर्धारित केंद्र के लिए. कुंडल व्यास है 10 मिमी, लौह कोर का व्यास 4 मिमी है. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: Michaelis-मेनटेन कैनेटीक्स का विलय कर peroxidase मापी के २ १० µ l microreactors . तापमान 25 डिग्री सेल्सियस है और इस्तेमाल किया बफर ६.५ के एक पीएच के साथ पोटेशियम फॉस्फेट (०.१ मीटर) है । तीन पुनरावृत्तियां की गई ।

Figure 3
चित्र 3: एक्च्यूएशन प्लेटफ़ॉर्म. एक्च्यूएशन मंच डबल कुंडल के एक 3 एक्स 3 मैट्रिक्स के होते हैं । एक कुंडल ४,५०० windings, 16 मिमी की एक ऊंचाई (एक चैंबर), 10 मिमी का व्यास और एक भीतरी व्यास है ca. 4 मिमी । कुंडल की ऊंचाई प्रयुक्त neodymium सिलेंडर चुंबक की ऊंचाई से पूर्वनिर्धारित है । व्यास चुना गया था क्योंकि पिछले अध्ययनों से पता चला है कि यह चुंबक के इस तरह के साथ एक microreactor चलती के लिए एक उचित दूरी है । windings और वर्तमान की संख्या फेम द्वारा निर्धारित किया गया था । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

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Discussion

microfluidic प्रौद्योगिकियों के सफल प्रयोग के लिए, यह प्रतिक्रिया मात्रा के लिए इसी प्रौद्योगिकी संश्लेषण और विश्लेषण की आवश्यकताओं को इसी कदम महत्वपूर्ण है । यहाँ प्रस्तुत एक्च्यूएशन मंच चुंबकीय बल द्वारा microfluidic बूंदों को ले जाना संभव बनाता है । आंदोलन एक चुंबकीय superhydrophobic खोल के साथ तरल ड्रॉप परिबद्ध द्वारा एक प्रतिक्रिया मंच के एक planar सतह पर दो आयामों में स्वतंत्र रूप से प्रदर्शन किया जा सकता है । इस प्रकार जटिल प्रवाह नियंत्रण प्रतिष्ठानों के साथ पूर्वनिर्धारित microfluidic चैनलों के लिए एक वैकल्पिक प्रणाली, पारंपरिक microfluidic प्रणालियों में इस्तेमाल के रूप में, सॉल्वैंट्स और नमूनों पारित करने के लिए शुरू की है । छोटे रिएक्शन बूंदों की स्वचालित एक्च्यूएशन इस प्रकार ज्ञात लैब-ऑन-ए-चिप प्लेटफार्मों का एक महत्वपूर्ण सरलीकरण है । इसके अलावा, मंच यह संभव reversibly जोड़ने के लिए एक microreactor खोलने के लिए और प्रतिक्रिया के नमूने को दूर करता है । एक मशीन प्रणाली के साथ संयोजन में, यह स्वचालित प्रतिक्रिया नियंत्रण के एक उच्च स्तर में परिणाम कर सकते है और एक आभासी प्रयोगशाला में silico डिजाइन microreactions में एक बूंद में के लिए पहला कदम है । इस तकनीक की मुख्य सीमा है कि microreactors केवल छोटी मात्रा के साथ बनाया जा सकता है ( ca. 30 µ एल) । प्रोटोकॉल में एक महत्वपूर्ण कदम microreactors के अंदर एंजाइमी प्रतिक्रिया का पता लगाने है क्योंकि प्रतिदीप्ति जांच के लिए ठीक से समायोजित किया जाना है । एक आगे का पता लगाने की संभावना यूवी/स्पेक्ट्रोस्कोपी हो सकता है ।

मंच के विकास की प्रक्रिया से पता चला कि 10 मिमी के व्यास के साथ एक विद्युत चुम्बकीय तार छोटी बूंद आंदोलन के लिए पर्याप्त है । दूसरी ओर, एक डबल हवा या एक लोहे के कोर से भरा कुंडल सक्षम चुंबकीय शक्ति है जो एक microreactor खोल खोलने की जरूरत है प्रेरित नहीं है । इसलिए, इस कार्य को करने के लिए कुंडलियों में neodymium कोर चुना गया था । परिणामस्वरूप चुंबकीय क्षेत्र ढाल फिर से प्रतिक्रिया मंच करने के लिए चुंबक ऊर्ध्वाधर के विद्युत चुंबकीय आंदोलन के द्वारा अलग किया जा सकता है । मंच की पिच का आकार केवल नियंत्रण द्वारा सीमित है । पहले से ही मौजूदा नियंत्रण और सॉफ्टवेयर डिजाइन और एक 10 x 10 मैट्रिक्स के लिए उपयोग करने के लिए तैयार है । Peltier तत्व वर्णित अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक नहीं है, लेकिन जब microreactor एक लंबे समय के लिए तय हो गया है और यह मंच की सतह के ऊपर प्रतिक्रिया मिश्रण शांत करने की अनुमति देगा जरूरी हो सकता है ।

भविष्य में, तरल संगमरमर के साथ एक्च्यूएशन मंच के संयोजन में लचीला प्रयोगशाला के रूप में कार्य कर सकते हैं-एक ड्रॉप प्रणालियों के कार्यांवयन के लिए, तेजी से ऑप्टिकल विश्लेषण और जटिल एंजाइम झरना प्रतिक्रियाओं के साथ बहुत छोटे प्रतिक्रिया संस्करणों । इसके अलावा, मंच (बायो) के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है रासायनिक विश्लेषण जैसे पीसीआर, ट्रो या एलिसा । इसके अलावा, नए, औद्योगिक प्रासंगिक एंजाइमों और aptamer प्रवर्धन की स्क्रीनिंग संभावनाएं आशाजनक हैं ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखकों के समर्थन के लिए DFG को स्वीकार करना चाहते हैं ।

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).

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इंजीनियरिंग अंक १२६ Microfluidics लैब-इन-ए-ड्रॉप चुंबकीय superhydrophobic नैनोकणों तरल मार्बल्स एक्च्यूएशन प्लेटफार्म एंजाइमी microreactions
जलीय बूंदों एंजाइमी Microreactors और उनके विद्युत चुम्बकीय एक्च्यूएशन के रूप में इस्तेमाल किया
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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).

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