Faz Diyagramı Karakterizasyonu Sıvı Taşıyıcılar Manyetik Boncuk Kullanarak

Özet

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.

Özet

1,9 um ortalama çap ~ manyetik boncuk bu sıvı segmentlerinin faz değişimi araştırmak amacıyla bir tüp ile bitişik segmentler arasında bir sıvı sıvıların mikrolitre hacimleri taşımak için kullanılmıştır. Manyetik boncuk boncuk dışarıdan bitişik sıvı segmentleri arasındaki hava valfini köprü için izin, bir mıknatıs kullanarak kontrol edildi. Bir hidrofobik kaplama iki sıvı kesimleri arasındaki mesafeyi artırmak için borunun iç yüzeyine uygulanmıştır. Uygulanan manyetik alan carry-over hacim olarak ifade edilir, küme içinde belirli bir sıvı miktarının yakalama, manyetik boncuklar bir toplam küme oluşturmuştur. Bir flüoresan boya daha sonra komşu sıvı segmentinde floresan yoğunluğu değiştirildi, sıvı transferleri, bir dizi, ardından bir sıvı segmentine ilave edildi. Ölçülen floresan yoğunluğu değişim sayısal analizi göre, manyetik boncuk kütlesi başına carry-over hacmi bulunmuştur~ 2 ila 3 ul / mg. Bu sıvı, az miktarda bir laboratuar içinde boru yaklaşım, cihazın uygulanabilirliğini arttırmak birkaç yüz mikrolitrelik nispeten az sıvı bölmeleri kullanımı izin vermektedir. Bir sıvı hacmi içinde küçük bir kompozisyon değişik uygulama, bu teknik su ve yüzey aktif C12E5 (pentaetilen glikol monododesil eter) arasında ikili faz diyagramını analiz alışılmış metotlardakinden daha küçük örnek hacimlerinin ile daha hızlı analiz yol uygulanmıştır.

Giriş

Çapı 1 mikrometrenin mertebesinde manyetik boncuk (MBS), özellikle biyomedikal cihazların, mikroakışkan-tabanlı uygulamalarda oldukça sık ^1,2 kullanılmıştır. Bu cihazlarda, MBs birkaç isim gibi hücre ve nükleik asit ayrılması, kontrast maddeler ve ilaç dağıtım gibi yetenekleri teklifinde bulundular. Harici (manyetik alan) kontrol ve damlacık tabanlı Mikroakiskan kombinasyonu küçük hacimli (<100 nl) ile immün ³ kontrolünü sağladı. Sıvı ⁴ taşıma için kullanılan MBS, aynı zamanda söz göstermiştir. Bu yaklaşım bir hava valfi ile ayrılmış bir tüp içinde sıvı segmentler arasındaki biyomoleküllerin taşımak için MBs kullanır. Bu yöntem, geçmişte görülen diğer daha karmaşık laboratuvar çip üzerinde aygıtları kadar güçlü değildir, fakat çok daha basit olan ve sıvının mikrolitre boyutlu hacimli taşıma kapasitesi sunmaktadır etmez. Benzer bir yaklaşım son zamanlarda Haselton grubu tarafından bildirilen ⁵ ve biyomedikal uygulanmıştırtahlilleri.

Bu cihazın en önemli yönü biri yüzey gerilimi kontrollü hava valfi tarafından sunulan sıvı bölüm ayrılıktır. MBs bağlı sıvının mikrolitrelik bir hacim, bir dıştan uygulanan manyetik bir alanı kullanarak sıvı kesimleri arasında, bu hava boşluğu yoluyla taşınmaktadır. Harici manyetik alanın etkisi altında (1,9 um ortalama çapı ~ 0.4-7 um ila) mikropartikül MBs içindeki sıvı yakalar, mikro gözenekli bir küme oluşturmak. Bu sıvı hapsedilmesi gücü sonraki bir hazneden MBs taşırken yüzey gerilimi kuvvetlerini dayanmak için yeterli olmaktadır. En yaklaşımlarının sıvılar ⁶ içinde bulunan (örneğin, biyo-gibi) özel moleküllerin taşınmasını istediğiniz Tipik olarak, bu etki, istenmeyen bir durumdur. Bununla birlikte, çalışmalarımızda görülebileceği gibi, bu etki cihazının pozitif yönü olmak için kullanılabilir.

Biz bu 'laboratuvarı-in-tüp kullanmış olmasıİkili malzeme sistemlerde faz diyagramlarını analiz etmek için, Şekil 1 'de şematik olarak gösterilen' yaklaşımı,. O zengin sağladığından yaygın vb Özellikle ilaç, gıda ürünleri, kozmetik gibi endüstriyel uygulamalarda kullanıldığı gibi yüzey C12E5, karakterizasyonu ana odak noktası olarak seçildi, _H 2 O / C12E5 ikili sistem araştırıldı fazların kümesi keşfetmek için. Bu kimyasal karışımı, belirli konsantrasyonlarda ^7-9 altında sıvı kristal fazına yani geçişler belirli bir yönü üzerinde odaklanmıştır. Bu geçiş kolaylıkla faz sınırları vurgulamak amacıyla optik mikroskop çalışmalarında polarıcıları dahil ederek cihazda görülmektedir.

Faz diyagramlarını harita edememek faz geçişi ¹⁰ ile ilgili kinetik anlamak için çalışmanın çok önemli bir alandır. Tam çözücüler a sahip yüzey aktif madde etkileşimi belirlemek için yeteneğind diğer bileşenler nedeniyle karmaşıklığı ve birçok farklı aşamadan ¹¹ için çok önemlidir. Diğer birçok teknikleri, daha önce faz değişimini karakterize etmek için kullanılmaktadır. Geleneksel yaklaşım her farklı konsantrasyonlarda oluşan ve onları uzun işlem süreleri ve örnek hacimlerinin yüksek miktarda gerektiren, dengeye sağlayan birçok örnekleri yapmayı da içerir. Daha sonra, numuneler, tipik haliyle, yüzey aktif madde bileşimlerinin ^12,13 yüksek çözünürlüğe sahip pasif ara yüzey taşıma (DIT), optik yöntemler ile analiz edilir. Kullandığımız olan yönteme benzer şekilde, DIt yöntemi görüntü farklı bir faz sınırları polarize ışık kullanır.

Protokol

Aygıt Bir Zaman Kullanım Malzemelerin hazırlanması 1.

1. Borunun hazırlanması
   1. 15 cm parça halinde tüp kesti. Boru 1,6 mm iç çap ve 3,2 mm dış çapa sahiptir.
   2. Asmak tüp parçaları dikey bant kullanarak. Aşırı florpolimer çözümü toplamak için tüpler altına kağıt havlu yerleştirin.
   3. Bu iç duvara bütün çevresi ile temas edecek şekilde, şırınga kullanarak her bir boru kesitinin üst açıklığı içine floropolimer çözeltisi 100 ul enjekte edilir.
   4. Tüp segmentleri florpolimer çözümün aşırı miktarda kaldırmak için 1 saat süreyle yerinde asmak için izin verin.
   5. Dışarı damla vermedi tüpün alt tarafında herhangi bir florpolimer çözüm temizleyin. Pozisyon asılı tüpünü çıkarın ve kağıt havlu atmayın.
   6. 1 saat süre ile 100 ° C'de fırına yer boru parçalarının floropolimer kaplama tabakasını tavlanması için.
   7. Fırından tüp segmentleri çıkarın. Tüp seg olarak, cımbız kullanınments sıcak olacaktır.
2. Seyreltilmiş manyetik boncuk çözeltisi hazırlanması
   1. Carry-over hacmi ve MB kütle, Şekil 2'de gösterilen arasındaki ilişki tarafından tespit edildiği üzere, arzu edilen carry-over hacmi elde etmek için gerekli manyetik tane konsantrasyonu hesaplanır.
      Not: Orijinal MB çözelti, çözeltinin 50 ml MB olarak 1 g sahiptir. ~ 0.4 ul bir şekilde bir hacim elde etmek üzere 4 (su MB çözeltisi:) 20 ul test odasının hacmi göz önüne alındığında, 6 oranında damıtılmış su, orijinal MB seyreltilir. Farklı carry-over hacmi istendiğinde seyreltme oranını ayarlayın.
   2. Bir mikro-dengesi üzerine 20 ml'lik numune şişesine koyun. Denge sıfır.
   3. Bir mikro pipet ile 0.6 ml geri sonra manyetik boncuk çözeltisi kabı çalkalayın.
   4. Dengesine örnek şişesine Pipetlenen çözüm dağıtın.
   5. Örnek şişesine damıtılmış su, 0.4 ml koyun.
3. Floresan boya lJK hazırlık
   1. 1 dakika boyunca çözelti vorteks DI suya boya 2 wt.% Çözülür.

Floresan Deney için deneysel Kur 2. Hazırlık

1. Boru cihazının hazırlanması.
   1. Hortumun bir ucuna bir dişi Luer kilit bağlantısını takın.
   2. 3 ml hacmi ve 0.1 ml mezuniyet sahip bir Luer-lock şırınga içine tüp yerleştirin.
   3. Şırınga pompası içine şırınga yerleştirin ve / saat 2 ml besleme hızını ayarlamak.
   4. Boru içine sıvıların doğru yerleştirilmesi için, manyetik boncuklar ve floresan boya içeren bir solüsyon geri çekme şırınga pompası kullanımı.
   5. Şırınga pompası çekilmesini kullanarak tüp içine manyetik boncuk solüsyonu 20 ul ekleyin. Bu sıvı kademeli bir test odası (test odasının hacmi deneye bağlı olarak değişebilir) olarak ifade edilir. 1 dakika boyunca manyetik boncuk çözeltisi ile konteyner vorteks ve ardından esnasında elle ajite çekilme döngüsü üniforma MB dispersiyonlarını oluşturmak için.
   6. Test odası sıvı ekleme varılmıştır sonra, tüpün içine hava 6 ul çıkarın. Hava Bu hacim, daha sonra iki sıvı kesimleri arasında bir vana oluşturacaktır.
   7. Hava boşluğu, ekleme işlemi tamamlandıktan sonra, floresan boya ile para çekme sıvısı 180 ul başlar. Bu sıvı kademeli bir rezervuar olarak adlandırılır. Hazne hacminin deneye bağlı olarak değişebilir. Büyük rezervuar hacmi boya konsantrasyonunun değişimi en aza indirmek için faydalıdır.
   8. Tüpün diğer ucu üzerine ikinci bir dişi Luer kilit bağlantısını yerleştirin.
   9. Şırınga tüp aygıtı kaldırın.
   10. Cihazın her iki ucunda Luer-kilit kapaklar yerleştirin.
2. Floresan deneyler için Optik kurulum
   1. Inverted mikroskop bağlı tüm bileşenleri açın.
   2. Bilgisayarı açın ve mikroskop görüntüleme yazılımını açın.

Floresan Deneylerin için "> 3. Deney Prosedürü

1. Ters bir mikroskop kullanılarak test odasının ve rezervuarın ilk floresan yoğunluğu ölçüm alın. Numunenin floresan analiz ederken, odak tüp içinde sıvı segmentinin (x ve y yönlerinde) orta konumda olduğundan emin olun. Veri elektronik tablonun rekor ölçümleri.
2. Manyetik boncuk tüm test odasının bir alana ayırmak böyle küp mıknatıs üstünden cihazı yerleştirin. Mıknatıs (~ 10 sn) üstünden cihazı hareket ettirerek rezervuara boncuk aktarın. 1 inç Neodimyum mıknatıs küp 45.6 kg çekme kuvveti ile sınıf N48 olduğunu.
3. Manyetik boncuk kümesi hava boşluğu boyunca ve kap içine transfer edildikten sonra, mıknatısın üst üzerinde cihazı yerleştirerek ve küme içinde hapsolmuş olan sıvının serbest bırakmak için döner manyetik boncuk çalkalayın. Rezervuarın homojenizasyon olmuştur kadar manyetik boncuk ajitasyon devamtamamlanmış (~ 30-45 sn).
4. Mıknatıs rezervuar manyetik boncuk tek bir bölgeye ayırmak böyle üstünden cihazı yerleştirin. Test odasına geri manyetik boncuk küme aktarın.
5. Küme testi odasına ulaştığında, mıknatısın üstünden cihazı yerleştirerek ve içinde hapsolmuş floresan sıvı serbest dönen manyetik boncuk çalkalayın. Test bölmesinin homojenizasyon (~ 30-45 sn) tamamlanana kadar manyetik boncuk ajitasyon devam edin.
6. Ters bir mikroskop kullanılarak test odasının ve rezervuar hem floresan yoğunluğu ölçümleri alın. Veri elektronik tablonun rekor ölçümleri.
7. Her iki sıvı segmentleri benzer floresan yoğunlukları (~ 100 devir) yakınsama kadar Adımları 3,2-3,6 tekrarlanır.

Floresan Verilerin 4. Sayısal Analizi

1. Floresan yoğunluğu verileri bir elektronik içine saklanan sayesinde, MATLAB kullanarak sayısal analizi gerçekleştirmek.
2. Derive denklemleri rezervuar ve test odasına hem de floresan yoğunluğu teorik değerini hesaplamak için. MATLAB komut dosyasına aşağıdaki denklemler birleştirme:
   I florasan yoğunluğu (AU), V hacmi (il) 'dir, n, transferlerin sayısı, RT test odası, ve Cı-taşıyan üzerinde, deposudur.
3. MATLAB, araziler oluşturmak ve tüm deneyler için carry-over hacmini belirlemek için analiz kullanma. Şekil 2 üretmek için bu verileri kullanın.

Surfaktan Deneyler için deneysel Kur 5. Hazırlık

1. Boru cihazının hazırlanması.
   1. Hortumun bir ucu üzerine bir dişi Luer-Kilidi takın.
   2. Bir Luer-lock şırınga içine tüp yerleştirin.
   3. Şırınga pompası içine şırınga yerleştirin ve / saat 2 ml besleme hızını ayarlamak.
   4. Boru içine sıvıların doğru yerleştirilmesi için, manyetik boncuk ve SU içeren solüsyon çekmek için şırınga pompası kullanmakrfactant.
   5. Şırınga pompası çekilmesini kullanarak tüp içine 20 ul manyetik boncuk çözüm yerleştirin. Bu sıvı kademeli bir test odası (test odasının hacmi deneye bağlı olarak değişebilir) olarak ifade edilir. Üniforma MB dağılımların oluşturmak için çekilme döngüsü sırasında elle manyetik boncuk çözeltisi ile konteyner çalkalayın.
   6. Test odası sıvı ekleme varılmıştır sonra, tüpün içine hava 6 ul çıkarın. Hava Bu hacim daha sonra hava boşluğu ifade edilecektir.
   7. Hava boşluğu, ekleme işlemi tamamlandıktan sonra, geri çekilme, saf C12E5 yüzey 180 ul başlar. Bu, daha sonra rezervuar olarak ifade edilecektir.
2. Yüzey deneyler için Optik kurulumu.
   1. Manyetik boncuklar ile test odasının stereo mikroskop ile odak içinde olduğu şekilde boru donanımı cihazı ile şırınga pompası hareket ettirin.
   2. Bir LED ışık kaynağının üstünde polarize film bir yaprak yerleştirin. Bağlı tüp altında LED ışık kaynağı kaydırınŞırınga pompası.
   3. Bant kullanarak stereo mikroskop merceği başka polarize filmini takın. İki polarizer filmleri birbirinden mahsup 90 derecesine sahip olduğundan emin olun.
   4. Stereo mikroskop bir CCD (şarj bağlı cihaz) kamera monte. Fotoğraf makinesini bilgisayara bağlayın ve görüntüleme yazılımı açın.

Yüzey aktif Deneyler 6. Deney Prosedürü

1. Mıknatıs bir stand üzerine monte ederken test odasına yanındaki küp mıknatıs yerleştirin.
2. Manyetik boncukları, bir küme oluşturmak sonra, manyetik boncuk kümesi, hava boşluğu boyunca ve yüzey aktif madde depolama haznesine, test bölmesinden hareket edecek şekilde 2 ml / st bir besleme hızında bir tüp içinde sıvı pompalama başlar.
3. Manyetik boncuk küme hazne odasının orta noktasını ulaştığında, şırınga pompası pompalama durdurun.
4. Manyetik boncuk bir ayırmak için için izin, tüpten uzak küp mıknatıs taşınd manyetik boncuk küme içinde toplanan sıvı difüzyon süresini azaltır.
5. Farklı aşamalarında _H 2 O / C12E5 karışım döngüsünü gözlemlemek için bilgisayar ekranı izleyin.
6. Sıvının yayılması ve faz değişim tamamlandıktan sonra manyetik boncuk bir küme içine oluşturacak, böylece, rezervuar geri eski hedefe mıknatıs yerleştirin.
7. Şırınga pompası kullanılarak, manyetik boncuk küme hava boşluğu karşısında, yüzey rezervuar transfer edilir ve öyle ki sıvıları çekme geri H _{2 O} test odasına.
8. Manyetik boncuk küme test odasının orta noktasını ulaştığında, şırınga pompası pompalama durdurun.
9. Uzak tüpten küp mıknatıs taşıyın. Bu manyetik boncuk ayrılması için izin verecek ve manyetik boncuk küme içinde sıkışıp sıvının difüzyon süresini azaltmaya yardımcı olacaktır.
10. Farklı aşamalarında _H 2 O / C12E5 karışım döngüsünü gözlemlemek için bilgisayar ekranı izleyin.
11. Sıvının yayılması ve faz değişim tamamlandıktan sonra manyetik boncuk bir küme içine oluşturacak, böylece test odası tarafından eski hedefe geri mıknatıs yerleştirin.
12. Test odası, bir faz değişikliği görüntüler kadar tekrarlayın 6.2-6.11 adımları.

Sonuçlar

Manyetik boncuk kütlesinin bir fonksiyonu olarak, sayısal analiz, ortalama sıvı taşınmasını hacimler için MATLAB ile birlikte, manyetik boncuklar ile sıvı ul hacimli miktarlarının taşınması için Lab-in-Tube yaklaşımı kullanarak, (Şekil 2) belirlenmiştir. Manyetik boncuk yüksek kütle 2-3 ul / mg oranında daha yüksek carry-over hacmini sağlar. Deney düzeneği (Şekil 1) _H2O / C12E5 ikili sistem içinde faz değişikliği gözlemek için kullanıldı....

Tartışmalar

Faz diyagramı inceleme için en yaygın teknikler, farklı bileşimlere ve oranları ile çoklu numuneler hazırlanmış ve uzun bir işlem malzemenin önemli bir miktarını neden termodinamik dengeye ulaşmak zorunda olması gerekir. Bazı zorluklar düz kılcal ve kızılötesi analiz yöntemini kullanarak (pasif arayüz taşıma) yöntemi DIT ile çözülebilir, ancak bunların hiçbiri düşük maliyetli yatırım ile tüm zorlukları çözebilirsiniz.

Bu mikro-akışkan "laboratu...

Malzemeler

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