相图表征使用磁珠用作液体载体

摘要

Here, we present a protocol to investigate multi-component phase diagrams using externally controlled magnetic beads as liquid carriers in a lab-in-tube approach. This approach can aid in applications that seek to gather further information on phase change in complex liquid systems.

摘要

磁珠〜1.9微米的平均直径分别用于输送的连续液段之间的液体微升体积用管为调查这些液体段的相变的目的。磁珠用磁铁，允许珠弥合相邻液体段之间的空气阀是从外部进行控制。疏水性涂层施加到管的内表面上，以提高两液体段之间的分离。施加的磁场形成的磁性珠粒的聚集体簇，即称为结转体积群集内捕获了一定量的液体。将荧光染料加到一种液体段，后面是一系列的液体转移，然后改变的荧光强度在邻近液体一段。基于测得的荧光强度变化的数值分析，每磁珠质量的结转量已经发现为〜2至3微升/毫克。允许使用几百微升比较小的液体段的这种少量的液体，提高了装置的可行性实验室中筒的方法。施加小的组成变化在液体体积的这种技术被用于分析水和表面活性剂C12E5（五乙二醇单十二烷基醚）之间的二元相图，导致更快的分析更小的样品体积比常规方法。

引言

为1微米的直径的数量级上的磁珠（MBS）已用于^1,2-经常在微流体为基础的应用，尤其是用于生物医学装置。在这些设备中，宏模块都提供了功能，例如细胞和核酸分离，造影剂，和药物递送，仅举几例。外部（磁场）控制墨滴为基础的微流控相结合，使^3个控制使用小体积（<100 NL）免疫测定。中型企业也表明承诺用于液体处理⁴时。这种方法使用的MB对的管通过空气阀隔开内输送液体段之间的生物分子。这种方法是不一样强大其它更复杂的实验片上的设备出现在过去，但它是更简单，确实提供了一种处理液体微升尺寸的卷的能力。类似的方法最近有报道⁵通过哈塞尔顿小组，并应用于生物医学检测。

一个这种装置的最重要的方面是由表面张力控制用空气阀所提供的液体段的分离。的液体微升体积连接到MB被通过使用外部施加的磁场的液体段之间这个空气间隙传送。微粒的MB（从〜直径0.4-7微米，平均1.9微米）下的外部磁场的影响创建内捕获液体中的微多孔群集。这种液体截留的强度足以从一个储到下运送的MB时承受表面张力的力。通常情况下，这种效果是不希望的，因为大多数的方法只需要包含在液体⁶中的特定分子（例如生物标志物）的传输。然而，如在我们的工作中可以看出，这种效果可以用于成为该装置的一个有利的方面。

我们已经利用这种"实验中筒"方法， 在图1中示意性地示出，用于分析相图中的二进制材料系统。该表面活性剂C12E5已被选作鉴定的主要焦点，因为它被广泛用于工业应用，如药品，食品，化妆品等。特别地，在_H 2 O / C12E5二元体系进行了研究，因为它提供了一个丰富组阶段的探索。我们的重点是该化学品混合物，即一定浓度^7-9下转变为液晶相的一个具体方面。这种转变是很容易地在我们的设备通过将在光学显微镜研究偏振器以突出相边界处观察到。

能够映射相图是研究以了解涉及相转变¹⁰的动力学的非常重要的领域。精确地确定表面活性剂的用溶剂的相互作用的能力第二其它组分是至关重要的，因为它们的复杂性和许多不同的阶段^11。许多其它技术先前已经用于表征相变。传统方法涉及制备许多样品，每个包括不同浓度的，并允许他们平衡，这需要冗长的处理时间和高量的样品体积的。然后，样品典型地通过光学方法如扩散界面传输（DIT），它提供了高分辨率的这样的表面活性剂组合物^12,13进行分析。类似于我们已经利用的方法中，在DIT方法使用偏振光图像上不同的相的边界。

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研究方案

在设备1.准备一次性使用的材料

1. 管的制备
   1. 切管分为15厘米的段。管具有1.6毫米内径和3.2毫米的外径。
   2. 杭管段垂直使用磁带。将纸巾筒下方，以收集多余的含氟聚合物溶液。
   3. 注入100微升含氟聚合物溶液到使用注射器，使得其将与在内壁全周接触每个管段的顶部开口。
   4. 允许管段代替悬挂1小时以除去含氟聚合物溶液过量。
   5. 清理出从管未滴出的底面侧的含氟聚合物溶液。从悬挂位置拆下油管和处置纸巾。
   6. 地方管道段到烘箱中在100℃下进行1小时退火该氟聚合物涂覆层。
   7. 从烤箱中取出管段。使用镊子，作为管赛格将会进行热。
2. 稀释磁珠溶液的制备
   1. 计算以获得所需的结转量，如通过结转量和MB 图2质量所示之间的关系来确定所需的磁珠浓度。
      注:原MB的溶液具有1克在50毫升溶液MB的。考虑20微升的测试腔容积，稀释用蒸馏水原始MB的溶液至6:4的比例（MB溶液:水）精制，得到的〜0.4微升结转量。调整时，不同的结转量所需的稀释比例。
   2. 放置20ml的样品瓶到微平衡。零平衡。
   3. 搅动磁珠溶液的容器中，然后用微量移液器撤回0.6毫升
   4. 分装移液溶液进入资产负债样品瓶。
   5. 分配0.4毫升蒸馏水放入样品瓶。
3. 荧光染料升iquid准备
   1. 通过涡旋将溶液1分钟溶解染料入DI水中的2重量％。

2.准备荧光实验实验装置

1. 制备管设备。
   1. 插入阴路厄锁定连接器在管线上的一端。
   2. 将管放入一个路厄锁注射器，其具有3 ml的体积和0.1ml毕业。
   3. 将注射器插入注射器泵，并设置进料速率为2毫升/小时。
   4. 为准确地插入的液体进入管道，使用注射泵撤回包含磁性珠和荧光染料的溶液。
   5. 刀片20微升磁珠溶液进入管中，使用注射泵撤出。这种液体段被称为测试室（试验室容积可以根据实验而变化）。涡容器与磁珠溶液1分钟，然后用手在搅动停药周期形成均匀MB分散体。
   6. 后测试室液体的插入结束后，撤回6微升的空气进入管。空气的这种量将在后面形成在两液体段之间的阀。
   7. 后空气间隙插入完成，开始撤出180微升液体与荧光染料。这种液体段被称为储。储集器容积可以根据实验而变化。更大的容器体积是有利的，以减少染料浓度的变化。
   8. 放置一个第二阴鲁尔锁连接器到管的另一端。
   9. 从注射器取下管装置。
   10. 放置鲁尔锁帽上的装置的两端。
2. 光学设置的荧光实验
   1. 打开连接于倒置显微镜的所有组件。
   2. 打开电脑，打开显微镜成像软件。

对于荧光实验"> 3。实验步骤

1. 以试验室和水库的初始荧光强度测量使用倒置显微镜。当分析样品的荧光，确保该焦点是在中心位置（在x和y方向上）的管内的液体一段。在数据表格中记录测量。
2. 放置设备通过立方体磁铁，使得磁珠所有分离到一个区域中的测试室的顶部。通过移动设备在磁铁（〜10秒）的顶部传送珠到储存器。 1英寸的钕磁铁的立方体是等级N48与45.6公斤拉力。
3. 一旦磁珠簇通过空气间隙并进入储存器传送，通过将装置在磁铁的顶部和旋转，以释放群集内被捕获的液体搅动磁珠。继续的磁珠搅拌直至贮存的同质化已经完成（〜30-45秒）。
4. 放置设备上的磁铁，使得磁珠在水库所有分离到一个区域的顶部。传送磁珠簇回测试室中。
5. 一旦簇到达测试室，通过将装置在磁铁的顶部和旋转以释放内被困荧光液体搅动磁珠。继续的磁珠搅拌直至试验室的均化已完成（〜30-45秒）。
6. 取这两个测试室和储存器的荧光强度测量使用倒置显微镜。在数据表格中记录测量。
7. 步骤3.2-3.6重复直到两个液体段收敛到类似的荧光强度（〜100个循环）。

荧光数据的4数值分析

1. 与荧光强度数据存储到电子表格中，使用MATLAB进行数值分析。
2. DERIVë方程来计算在这两个贮存器和测试室荧光强度的理论值。包括下列方程化为一个MATLAB脚本文件:
   其中I是荧光强度（AU），V是体积（微升）中，n是转移的数目，R为水库，T是测试室，和C是结转。
3. 使用MATLAB，生成图表和分析，以确定结转量在所有实验。使用这个数据，以产生图2。

5.准备表面活性剂实验实验装置

1. 制备管设备。
   1. 插入阴鲁尔锁到管的一端。
   2. 将管放入一个路厄锁注射器。
   3. 将注射器插入注射器泵，并设置进料速率为2毫升/小时。
   4. 为了准确地插入液体进入管道，使用注射泵撤回含有磁珠和苏解rfactant。
   5. 将20微升磁珠解决方案为使用注射泵抽取管。这种液体段被称为测试室（试验室容积可以根据实验而变化）。搅动容器中撤出周期用手磁珠溶液中以形成均匀的MB的分散体。
   6. 后测试室液体的插入结束后，撤回6微升的空气进入管。空气的这种体积将在后面被称作气隙。
   7. 经过空气间隙插入完成，开始180微升纯C12E5表面活性剂撤出。这将在后面被称作储存器。
2. 光学设置为表面活性剂的实验。
   1. 移动注射器泵与管装置，使得测试腔室与磁珠在焦点与立体显微镜。
   2. 放置偏振膜的片材上的LED光源的上方。滑动LED光源附着到管下方注射泵。
   3. 附加另一个偏光片用胶带立体显微镜的镜头。可以肯定的，这两个偏振膜具有90度彼此偏移。
   4. 安装的CCD（电荷耦合器件）照相机的立体显微镜。将相机连接到电脑，并打开图像处理软件。

为表面活性剂实验6.实验步骤

1. 广场旁边的试验室立方体磁铁在磁铁安装在支架上。
2. 一旦磁珠形成集群，开始以2毫升/小时的进料速率，使得磁珠群集从测试室移动，穿过气隙，并进入表面活性剂的储存室中的管泵送液体。
3. 一旦磁珠组达到该储存室的中点，停止对注射器泵泵送。
4. 移动立方体磁铁远离管，允许磁珠以分离次减少被困在磁珠簇的液体的扩散时间。
5. 观看电脑屏幕，通过不同阶段来观察_H 2 O / C12E5混合周期。
6. 一旦液体的扩散和相变完成时，将磁铁回其原目的地由储所以磁珠组建成群集。
7. 使用注射泵，使得磁珠簇被从表面活性剂贮器传送，穿过气隙，并撤销所述的液体返回到_H 2 O的测试室。
8. 一旦磁珠组达到该试验室的中点，停止对注射器泵泵送。
9. 移动立方体磁铁远离管。这将允许磁珠来分离和将有助于减少被困在磁珠簇的液体的扩散时间。
10. 观看电脑屏幕，通过不同阶段来观察_H 2 O / C12E5混合周期。
11. 一旦液体的扩散和相变完成时，将磁铁回到其由试验室前目的地，以便所述磁珠组建成群集。
12. 重复步骤6.2-6.11，直到试验室显示的相变。

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结果

使用实验室中管的方法用于输送液体微升容积量与磁珠一起MATLAB进行数值分析，平均液体结转卷，磁珠质量的函数，被发现（图2）。更高质量的磁珠提供在2-3微升/毫克的速率更高的结转量。实验设置（图1）被用来观察_的 H 2 O / C12E5二元体系内的相变。由于_H 2 O / C12E5系统是公知的，有许多不同的阶段，它可以在图3B中可以看出，它作为参考的?...

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讨论

在对于相图调查最常用的技术，具有不同组成和比率多个样品需要准备和必须达到热力学平衡，导致一个冗长的过程，并一个显著量的材料。有些挑战可以通过DIT使用平面毛细管和红外分析方法来解决（扩散界面运输）的方法，但没有人可以解决与低成本的投资都提出了挑战。

使用磁珠用作液体载体在此微流控"实验室中管"方法的可行性证实为使用检测相邻液体段之间的相变...

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
AccuBead	Bioneer Inc.	TS-1010-1	Magnetic beads
C12E5 Surfactant	Sigma-Aldrich	76437
Thermo Scientific Nalgene 890	Fisher Scientific	14176178
Cube Magnet	Apex Magnets	M1CU
Polarizer Film	Edmund Optics	38-493
Teflon AF	Dupont	400s1-100-1	Fluoropolymer solution
Keyacid Red Dye	Keystone	601-001-49	Fluorescent dye
Luer-Lock	Cole-Parmer	T-45502-12	Female
Luer-Lock	Cole-Parmer	T-45502-56	Male
Syringe	Fisher Scientific	14-823-435	3 ml
Syringe Pump	Stoelting	53130
Stereo Microscope	Nikon	SMZ-2T
Inverted Microscope	Nikon	Eclipse Ti-U	The filter cube used had an excitation wavelength range from 540-580 nm and a dichroic mirror at 585 nm, allowing for photoemission ranging from 593-668 nm.
Balance	Denver Instruments	PI-225D
Microscope-Mounted Camera	Motic	5000