Vandig dråper som enzymatisk Microreactors og deres elektromagnetisk aktivering

Summary

Lab-i-en-slipp reaksjon systemer tillater allsidig gjennomføringen av komplekse reaksjoner i microfluidic skala. En automatisert actuation plattform som består av en 3 x 3-matrise elektromagnetisk spoler ble utviklet og brukt til å flette to 10 µL microreactors og starte dermed en enzymatisk reaksjon i resulterende flytende klinkekuler.

Abstract

For den vellykkede implementeringen av microfluidic reaksjon systemer, for eksempel PCR og geleelektroforese, er bevegelsen av små flytende volumer viktig. I konvensjonell lab-på-en-brikke-plattformer, er løsemidler og eksempler gått gjennom definerte microfluidic kanaler med komplekse flyt kontrollinstallasjoner. Slippverktøy actuation plattformen presenteres her er et lovende alternativ. Med det er det mulig å flytte en flytende dråpe (microreactor) på en plan overflate en reaksjon plattform (lab-i-en-slipp). Aktivering av microreactors på hydrofobe overflaten av plattformen er basert på bruk av magnetiske opptrer på den ytre skallet av flytende dråper som er laget av et tynt lag av superhydrophobic magnetitt partikler. Hydrofobe overflaten av plattformen er nødvendig for å unngå kontakt mellom den flytende kjernen og overflaten som tillater en jevn flyt av microreactor. På plattformen, kan ett eller flere microreactors med mengder 10 µL plassert og flyttet samtidig. Selve plattformen består av en 3 x 3-matrise elektrisk dobbel spoler som plass neodymium eller jern kjerner. Magnetfelt graderingene kontrolleres automatisk. Av variant av magnetfelt graderingene, kan microreactors’ magnetisk hydrofobe shell manipuleres automatisk for å flytte microreactor eller åpne skallet reversibel. Reaksjoner på underlag og tilsvarende enzymer kan startes ved sammenslåing av microreactors eller bringe dem i kontakt med overflaten immobilisert katalysatorer.

Introduction

Tekniske programmer med mikro reaksjoner er hovedsakelig utført i forhåndsdefinerte microchannel sjetonger. Disse systemene er etablert og grundig beskrevet i litteraturen (inter alia ^1,2,3). I 2011 utgjorde omsetningen av microfluidic technologies verdensomspennende 6.2 milliarder euro ⁴. I kontrast, var bruk fritt bevegelige mikro reaktoren rom tidligere bare undersøkt og publisert i begrenset grad. Den vanligste metoden for å flytte vandig mikro dråper er electrowetting ⁵. Andre metoder for bevegelse dråper på overflater er basert på elektrisk felt ⁶, magnetisk kraft ⁷ eller akustisk actuation ⁸. På grunn av deres ugunstige overflaten til volumkontrollen utsatt disse slippverktøy-baserte microreactor systemer for sterke fordampning effekter. Dermed er slipp bevegelse vanligvis etablert som et flytende tofaset system, der den øvre fasen har et høyt kokepunkt beskytte den vandige fasen fra fordampning. Likevel innebærer denne tilnærmingen en høy risiko for å kontaminere slippverktøyet reaksjon av ukontrollert spredning. Dette er et betydelig hinder for teknisk etableringen av de nevnte systemene.

Siste verk er opptatt med ikke-tilhenger væske-solid fase overganger. En effektiv tilnærming er bruk av superhydrophobic overflater, slik at dannelsen av sfærisk vandig dråper. En utvidelse av dette reaksjon konseptet er bruk av mikro reaksjon rom med superhydrophobic overflaten eller shell, som kan for eksempel bestå av polytetrafluoroethylene (PTFE) partikler ⁹. Deres kontakt vinkler på overflater er vanligvis i størrelsesorden 160° (avhengig av overflateruhet). Sfærisk seksjonene dermed gir minimal motstand mot bevegelse på en overflate, og gi samtidig beskyttelse mot fordampning.

Vandig drops belagt med micro størrelse PTFE partikler kan opprettholde sin sfærisk form til en diameter på rundt 2 mm. For høyere mengder, hydrofobe skallet vanligvis ikke er helt lukket lenger ¹⁰. Påvirkning av andre shell-materialer og utvidelse av bruksområde av flytende marmor til upolare ble gjennomført av Gao og McCarthy ved hjelp av ionisk væsker ¹². For dannelsen av hydrofobe partikkel-baserte skjell, har så langt partikkel diameter i størrelser på 10 nm-30 µm vært beskrevet ^11,14,16. Nye studier viste at hydrofobe nanopartikler som skall materiale er enda bedre bruk enn microparticles ¹³. Første stabilitet studier bekreftet en økning i stabilitet når partikkel størrelsen reduseres fra ca. 600 nm til ca 100 nm. Dette trolig resultater fra tettere partikkel distribusjon rundt vandig sfære ¹⁵.

Beskyttelse av vandig reaksjon avdelinger av en hydrofobe skall og betegnelsen flytende klinkekuler ble først beskrevet i 2001 av Aussillous et al. og Mahadevan et al. ^{17 , 18}. siden da noen anvendelser av definerte reaksjon seksjonene er beskrevet. For eksempel et gass-sensor basert på flytende klinkekuler ¹⁹ og en gjenkjennings-metoden for vannforurensning basert på optisk kvalitativ basis har vært utviklet ²⁰. Forfatterne skille fordelene av høy reaksjon og lavt forbruk av kjemikalier av systemene mikro reaksjon. Siste publikasjoner omhandler produksjonen av pH-sensitive flytende klinkekuler ¹⁶ eller representasjon av “Janus partikler” med to forskjellige belegg av forskjellig funksjonalitet. For eksempel kan Bormashenko et al. syntetisere en microreactor med skall laget av Teflon og semiconducting sot ²¹. Videre ble det vist at microreactors kan effektivt og praktisk syntetisere polyperoxides ved å absorbere eksterne oksygen som comonomer gjennom permeable gass-væske grensesnitt ²⁴. I en annen tilnærming gir skallet av silika-partikkel-baserte flytende klinkekuler reaktive substrat overflater å regulere klassisk sølv speil reaksjon ²⁶. Problemene for forskning og utvikling innen til hydrofile-core-hydrofobe-shell dråper er partikkel størrelse justering, reproduserbare produksjonen av monodisperse dråper, wettability flater og effekten av et sekund hydrofile shell på mikro reaksjon rom ²², i tillegg til en bedre styring av slippverktøy baner, f.eks for utvikling av kontinuerlig microPCR-systemer ⁴.

En magnetisk aktivering av disse microreactors tilbyr fordelen med relativt høy bevegelse områder og en god selektivitet av kraften når du arbeider i biokjemiske systemer. Når du bruker hydrofobe magnetitt partikler, oppfylle de både funksjonen til magnetisk kraft overføring til bevegelsen av microreactors, samt funksjonen av en hydrofobe skall. Magnetisk bevegelsen av dråper med magnetiske partikler i en dråpe ble satt opp for første gang i 2006 av Lehmann et al. ²³ og Shikida et al. ²⁵, som brukte manuelt flyttet permanente magneter som aktuatorer for mobilisering av en enkelt dråpe. En annen tilnærming til å flytte en liten mengde væske ble realisert ved Zhao et al., som brukte hydrofobe Fe₃O₄ partikler som magnetiske skall. Skallet av magnetiske flytende marmor ble åpnet på oversiden av drop av en loddrett omvendt magnetfelt ²⁷. Basert på dette konseptet, kunne Xue et al. utvikle partikler som former en microreactor med en overflatespenning 20,1 Dyn cm^{−1 28}. Lin et al. fabrikkert romanen cellulose-baserte mikro/nano hierarkisk kuler med både superparamagnetism og superhydrophobicity som gir god stabilitet for magnetisk flytende slippverktøy transport og manipulasjon ³¹. Dette var så langt bare ut et bevis-av-prinsipp studere og ikke brukt for alle programmer. Magnetisk og elektrisk kontroll av flytende klinkekulene foregår for tiden i første tilnærminger. Zhao et al. i 2010 ¹⁵ og Zhang et al. 2012 ²⁹ kunne utvikle en dråpe manipulasjon manuell (hånd-opererte) bevegelsen til en permanent magnet under core-shell dråper. Bormashenko et al. ¹¹ oppnådd akselerasjonen av en ferromagnetisk flytende marmor til en hastighet på 25 cm s^-1 ved en neodymmagnet. Ovennevnte prinsippet studier ble utført utelukkende av manuell flytting av en liten permanent magnet. Som et neste utvikling skritt var Zhao et al. sist kan du beregne nødvendig magnetisk fluks tettheten for flytting av magnetiske flytende marmor av varierende avstand av permanent magnet ³⁰. For en reaksjon kontroll sammenlignes med vanlige lab-on-a-chip systemer synes det uunngåelig hatt mulighet for automatisk kontroll av diskrete flytende volumes. For å tilfredsstille dette behovet, utviklet vi et nytt kontrollsystem basert på variabelen feltet graderinger fixate, flytte og åpne den magnetiske microreactors.

Protocol

1. Hydrophobization av magnetiske nanopartikler For syntese av hydrofobe magnetiske partikler, legge 0,85 g FeCl 3 hexahydrate (3.14 mmol) og 0,30 g FeCl 2 tetrahydrate (1.51 mmol) til 200 mL vann/etanol løsning (4:1 v/v). Denne blandingen, legge til 0,20 mL 1H, 1 T, 2 H, 2H-Perfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES) (5.23 mmol) med energisk omrøring med en magnetisk rørestang (500 rpm). Utføre syntese i en inert gass atmosfære (N 2) ved hjelp av en runde bunn kolbe …

Representative Results

Shell partikler har en diameter på rundt 640 nm. De magnetizable nanopartikler i denne fluorosilane shell partikler har diameter mellom 22 nm og 37 nm. En 5 µL microreactor med vann som en flytende kjerne hadde en kontakt vinkel på rundt 160°. Kraften som er nødvendig å flytte en 10 µL microreactor som beskrevet ovenfor er 1.34 ± 0,08 µN. figur 1 viser den elektromagnetiske kraften av en co…

Discussion

For vellykket bruk av microfluidic teknologi er det viktig å flytte reaksjon volumet tilsvarer kravene bioteknologisk syntese og analyser. Aktivering plattformen presenteres her gjør det mulig å flytte microfluidic dråper av magnetisk kraft. Bevegelsen kan utføres fritt i to dimensjoner på en plan overflate en reaksjon plattform ved å omslutte flytende slippe med en magnetisk superhydrophobic skall. Dermed er en alternativ systemet til forhåndsdefinerte microfluidic kanaler med komplekse flyt kontrollinstallasjon…

Materials

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