वर्तमान प्रोटोकॉल माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में सूक्ष्म बर्फ क्रिस्टल और क्लैथरेट हाइड्रेट्स के क्रिस्टलीकरण का वर्णन करता है, जो गठित क्रिस्टल के चारों ओर तरल विनिमय को सक्षम करता है। यह अवरोधकों के क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया और बाध्यकारी तंत्र की जांच करने के लिए अद्वितीय संभावनाएं प्रदान करता है।
पानी के क्रिस्टलीकरण का एक सटीक यांत्रिक विवरण चुनौतीपूर्ण है और इसके लिए कुछ प्रमुख तत्वों की आवश्यकता होती है: एकल सूक्ष्म क्रिस्टल के गठन की अनुमति देने के लिए शानदार तापमान नियंत्रण और ठंडे चरण के साथ युग्मित एक उपयुक्त माइक्रोस्कोपी प्रणाली। यहां वर्णित विधि एक और महत्वपूर्ण विशेषता जोड़ती है जिसमें बर्फ और क्लैथरेट हाइड्रेट क्रिस्टल के आसपास समाधानों का आदान-प्रदान शामिल है। वर्णित प्रणाली में माइक्रोफ्लुइडिक्स, उच्च-रिज़ॉल्यूशन कोल्ड स्टेज और फ्लोरेसेंस माइक्रोस्कोपी सहित अद्वितीय और घर-विकसित उपकरणों का एक संयोजन शामिल है। कोल्ड स्टेज को माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के लिए डिज़ाइन किया गया था और माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों के अंदर माइक्रोन आकार के बर्फ / हाइड्रेट क्रिस्टल के गठन और उनके आसपास समाधानों के आदान-प्रदान की अनुमति देता है। ठंडे चरण का तापमान संकल्प और स्थिरता एक मिलीकेल्विन है, जो इन छोटे क्रिस्टल के विकास को नियंत्रित करने के लिए महत्वपूर्ण है। इस विविध प्रणाली का उपयोग बर्फ और हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण की विभिन्न प्रक्रियाओं और तंत्र का अध्ययन करने के लिए किया जाता है जिसके द्वारा इन क्रिस्टल की वृद्धि को रोक दिया जाता है। प्रोटोकॉल बताता है कि माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों को कैसे तैयार किया जाए, माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों में सूक्ष्म क्रिस्टल को कैसे विकसित और नियंत्रित किया जाए, और बर्फ / हाइड्रेट क्रिस्टल के आसपास तरल पदार्थों के प्रवाह का उपयोग पानी के क्रिस्टलीकरण में नई अंतर्दृष्टि कैसे प्रदान करता है।
एंटीफ्ऱीज़ प्रोटीन (एएफपी) और एंटीफ्ऱीज़ ग्लाइकोप्रोटीन (एएफजीपी) विभिन्न ठंडे-अनुकूलितजीवों को ठंढ के नुकसान से बचाते हैं। एएफपी और एएफजीपी (एएफ (जी) पीएस के रूप में सामान्यीकृत) बर्फ के क्रिस्टल के विकास को रोकते हैं, अपरिवर्तनीय रूप से उनकी सतहों पर बांधते हैं और गिब्स-थॉमसन प्रभाव 2,3,4,5 के कारण आगे के विकास को रोकते हैं। परिणामी अंतर जो पिघलने के तापमान के बीच बनता है, जो काफी हद तक अपरिवर्तित है, और नए उदास ठंड तापमान को थर्मल हिस्टैरिसीस (टीएच) कहा जाता है और एएफपी गतिविधि6 के अनुरूप एक औसत दर्जे का पैरामीटर का प्रतिनिधित्व करता है। बर्फ के विकास को रोकने के लिए एएफपी के उपयोग में दूरगामी और विविध अनुप्रयोग हैं, जो क्रायोप्रिजर्वेशन, जमे हुए खाद्य गुणवत्ता और ठंड-उजागर फसलों की सुरक्षा सहित विभिन्न क्षेत्रों में संभावित वृद्धि की पेशकश करते हैं।
छोटे कार्बनिक अणुओं की उपस्थिति में कम तापमान और उच्च दबाव पर पानी के क्रिस्टलीकरण के परिणामस्वरूप क्लैथरेट हाइड्रेट्स (या गैस हाइड्रेट्स) का निर्माण होता है, जहां सबसे प्रचुर मात्रा में हाइड्रेट मीथेन हाइड्रेट7 है। तेल प्रवाह लाइनों में मीथेन हाइड्रेट्स के क्रिस्टलीकरण से प्लग हो सकते हैं, जो गैस इग्निशन 8,9,10 के कारण विस्फोट का कारण बन सकता है। प्रवाह रेखाओं में हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण को रोकने के वर्तमान प्रयासों में थर्मोडायनामिक (अल्कोहल और ग्लाइकोल्स) और गतिज (मुख्य रूप से पॉलिमर) अवरोधक 11,12,13,14 का उपयोग करना शामिल है। एएफपी को क्लैथरेट हाइड्रेट क्रिस्टल से बांधने और उनके विकास को रोकने के लिए भी पाया गया है, जो प्लग के गठन में बाधा डालने के लिए एएफपी के संभावित उपयोग की ओर इशारा करता है, जिससे एक हरियाली समाधान प्रदान होताहै।
माइक्रोफ्लुइडिक्स एक प्रचलित विधि है जिसका उपयोग सूक्ष्म नमूना मात्रा (एफएल तक) पर तरल पदार्थों के गुणों का अध्ययन करने के लिए किया जाता है जो माइक्रोचैनल16 के नेटवर्क के माध्यम से प्रवाहित होते हैं। माइक्रोचैनल लिथोग्राफी17 का उपयोग करके सिलिकॉन वेफर (मोल्ड) पर बनाए गए पैटर्न का पालन करते हैं। माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों को बनाने के लिए आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली सामग्री पॉलीडिमेथिलसिलोक्सेन (पीडीएमएस) है, जो अनुसंधान प्रयोगशालाओं में काम करने के लिए सस्ती और अपेक्षाकृत सरल है। सुविधाओं (चैनलों) का डिजाइन डिवाइस के विशिष्ट उद्देश्य के संबंध में बना है; इस प्रकार, इसका उपयोग विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है, जिसमें डीएनए सेंसिंग18, चिकित्सा निदान19 और क्रिस्टलीकरणप्रक्रियाएं 3,20,21 शामिल हैं।
वर्तमान प्रोटोकॉल एएफपी और एएफजीपी सहित विभिन्न अवरोधकों के साथ माइक्रोन आकार की बर्फ और हाइड्रेट क्रिस्टल को बढ़ाने की एक अनूठी माइक्रोफ्लुइडिक विधि का वर्णन करता है। इन प्रयोगों के लिए, टेट्राहाइड्रोफ्यूरान (टीएचएफ) हाइड्रेट्स का उपयोग मीथेन गैस हाइड्रेट्स22 के गुणों की नकल करने के लिए किया गया था, जिन्हें दबाव और तापमान नियंत्रण23 के लिए विशेष उपकरणों की आवश्यकता होती है। फ्लोरोसेंटली लेबल एएफ (जी) पीएस का उपयोग क्रिस्टल सतह पर प्रोटीन के सोखना की कल्पना और विश्लेषण करने के लिए किया गया था, और फ्लोरोसेंट इमेजिंग के साथ मिलकर, माइक्रोफ्लुइडिक दृष्टिकोण ने क्रिस्टल सतहों पर इन अणुओं की बाध्यकारी प्रक्रिया की प्रमुख विशेषताओं को प्राप्त करने की अनुमति दी।
वर्तमान प्रोटोकॉल को क्रिस्टल विकास और इसके निषेध में नई अंतर्दृष्टि प्रकट करने के लिए सूक्ष्म क्रिस्टल के साथ माइक्रोफ्लुइडिक प्रवाह के संयोजन का उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। एक मिलीकेल्विन-रिज़ॉल्यूशन तापमान-नियंत्रित ठंडा चरण27 माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों के अंदर स्थित एकल सूक्ष्म क्रिस्टल के नियंत्रण को सक्षम बनाता है, जिससे उनके चारों ओर समाधानों का आदान-प्रदान होता है। जबकि माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों का निर्माण मानक है और सामान्य प्रथाओं17,18 के समान है, डिवाइस के अंदर क्रिस्टल के विकास और पिघलने पर नियंत्रण अद्वितीय और नया है। इस प्रणाली में सबसे महत्वपूर्ण घटक शानदार तापमान नियंत्रण है, जो पेल्टियर थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है, एक थर्मिस्टर से प्रतिक्रिया जो नमूने के करीब स्थित है, और एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन तापमान नियंत्रक जो प्रतिक्रिया लूप को नियंत्रित करता है।
एक और महत्वपूर्ण कदम समाधान विनिमय है, क्योंकि इस प्रक्रिया के दौरान क्रिस्टल पिघल सकते हैं या बढ़ सकते हैं; इस प्रकार, विकास / पिघलने को रोकने के लिए समाधान विनिमय के दौरान तापमान को समायोजित किया जाना चाहिए। माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों में क्रिस्टल का गठन तरल प्रवाह में हस्तक्षेप करता है और इस प्रणाली की मुख्य चुनौती है; इस प्रकार, इन क्रिस्टल के विकास को नियंत्रित किया जाना चाहिए। यहां, एक आईआर लेजर (980 एनएम) उल्टे माइक्रोस्कोप पर लगाया गया था और इसका उपयोग स्थानीय रूप से अवांछित बर्फ / हाइड्रेट क्रिस्टल28 को पिघलाने के लिए किया गया था। यदि इस तरह के लेजर का उपयोग नहीं किया जा सकता है, तो माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के धातु कनेक्टर को एक अतिरिक्त पेल्टियर थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर द्वारा गर्म किया जा सकता है, जो डिवाइस के इनलेट / आउटलेट में बर्फ को पिघला देगा।
यहां वर्णित विधि में घर-विकसित उपकरण (कोल्ड स्टेज) शामिल हैं और प्रशिक्षण की आवश्यकता होती है, क्योंकि उपर्युक्त चरणों में से कुछ चुनौतीपूर्ण हैं। चूंकि प्रवाह का इरादा नहीं होने पर भी क्रिस्टल के आसपास के समाधान की एकाग्रता बदल सकती है, एक सरल अंशांकन चरण5 प्रतिदीप्ति संकेत के आधार पर एकाग्रता का एक विश्वसनीय अनुमान प्रदान कर सकता है। अवांछित प्रवाह का एक और संभावित समाधान (टीएच माप के दौरान, उदाहरण के लिए) माइक्रोफ्लुइडिक वाल्व है, जिसे संदर्भ4 में वर्णित किया गया है।
इस प्रणाली काउपयोग एच2 ओ तरल में डी2ओ बर्फ के विकास व्यवहार का पता लगाने के लिए भी किया गया था, एक अध्ययन जिसने सूक्ष्म, स्कैलप्ड बर्फ सतहोंकी एक नई घटना का खुलासा किया। इस प्रकार, माइक्रोफ्लुइडिक्स का उपयोग विभिन्न क्रिस्टलीय प्रणालियों के अध्ययन में किया जा सकता है जो तापमान परिवर्तनों के लिए अच्छी तरह से प्रतिक्रिया करते हैं।
The authors have nothing to disclose.
इस शोध के समर्थन के लिए अमेरिकन केमिकल सोसाइटी पेट्रोलियम रिसर्च फंड के दाताओं को पावती दी जाती है (अनुदान संख्या 60191-यूएनआई 5)। लेखक एंटीफ्ऱीज़ प्रोटीन और बर्फ का अध्ययन करने के लिए माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों के उपयोग का नेतृत्व करने के लिए प्रोफेसर इडो ब्रास्लावस्की को धन्यवाद देना चाहते हैं। लेखक प्रोफेसर आर्थर डेव्रीज़, प्रोफेसर कोनराड मिस्टर और प्रोफेसर पीटर डेविस के प्रति आभारी हैं कि उन्होंने एंटीफ्ऱीज़ प्रोटीन नमूने प्रदान किए।
0.22-micron filters | Fisher Scientific | ||
90-degree bent blunt needles | 18 Gauge | ||
Antifreeze proteins and antifreeze glycoproteins | A gift | See references 5 and 28 | |
Blunt needles | 18 Gauge and 20 Gauge | ||
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | ||
Cold stage | Home made | ||
Cover slips | Globe Scientific | 18 X 18 mm, 0.14 mm thickness | |
Glass syringe | |||
Infrared laser 980 nm | Opto Engine LLC | ||
Inverted microscope, Eclipse Ti – S | Nikon | ||
Invisible tape | Staples | ||
lint-free wipe | Kimwipes | ||
Newport 3040 temperature controller | Newport 3040 | ||
NIS-Elements Imaging Software | Nikon | ||
Oil vacuum pump | Harrick Plasma | ||
Plasma cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | |
Polydimethylsiloxane (Dow Corning Sylgard 184 Silicone Elastomer kit) | Dow Corning Syglard | ||
Safranine O | Sigma-Aldrich | S2255-25G | |
Sapphire disc | Ted Pella Inc | 16005-1010 | 25.4 mm diameter, 0.3 mm thickness |
sCMOS Camera, Neo 5.5 | Andor | ||
Tetrahydrofuran (THF) | Sigma-Aldrich | 401757-100ML | |
Tygon Microbore tubing for microfluidic device | Cole-Parmer | 0.020" ID, 0.060"OD, 100 ft/roll. | |
Tygon tubing for water circulation and nitrogen gas | Cole-Parmer | 1/8” ID, 3/16” OD |