Verbesserung der Diffusion gelöster Stoffe in Mikrotröpfchen mithilfe von Mikrorotoren unter einem rotierenden Magnetfeld

Jun 29, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11169 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Bei der vertikalen Kontaktkontrolle (VCC) kommt ein Mikrotröpfchen-Array selektiv mit einem gegenüberliegenden Mikrotröpfchen-Array in Kontakt. Im Allgemeinen eignet sich VCC für den Spendermechanismus, der auf der Diffusion gelöster Stoffe zwischen Mikrotröpfchenpaaren basiert. Allerdings kann die Sedimentation aufgrund der Schwerkraft zu einer inhomogenen Verteilung der gelösten Stoffe in Mikrotröpfchen führen. Daher ist es notwendig, die Diffusion gelöster Stoffe zu verbessern, um eine genaue Abgabe einer großen Menge gelöster Stoffe entgegen der Schwerkraftrichtung zu erreichen. Hier haben wir ein rotierendes Magnetfeld an die Mikrorotoren in Mikrotröpfchen angelegt, um die Diffusion gelöster Stoffe in Mikrotröpfchen zu verbessern. Angetrieben durch Mikrorotoren kann die Rotationsströmung eine homogene Verteilung gelöster Stoffe in Mikrotröpfchen erzeugen. Wir haben die Diffusionsdynamik gelöster Stoffe mithilfe eines phänomenologischen Modells analysiert und die Ergebnisse zeigten, dass die Rotation von Mikrorotoren die Diffusionskonstante gelöster Stoffe erhöhen kann.

Biochemische Tests wie Polymerase-Kettenreaktionstests haben in letzter Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Um die gesammelten Proben in die Analysegeräte für diese Tests einzuführen, werden die Proben mit Testreagenzien auf Wellplatten verteilt. Die Dosierung erfolgt in der Regel manuell mit einer Pipette. Daher muss diese manuelle Aufbereitung, die eine große Belastung für die Bediener darstellt und große Mengen an Kunststoffabfällen erzeugt, durch einen automatischen und effektiven Prozess ersetzt werden.

Für neuartige Spendermechanismen sind Mikrotröpfchen-Arrays erwünscht1,2. Wenn wir beispielsweise eine Wasserlösung in ein Benetzungsmustersubstrat einbringen (wo kreisförmige hydrophile Bereiche auf einem hydrophoben Material strukturiert sind), kann sich spontan eine Mikrotröpfchenanordnung bilden3,4. Da Mikrotröpfchen in einer Anordnung voneinander getrennt sind, können wir sie als einzelne Vertiefungen betrachten. Mit anderen Worten: Ein Mikrotröpfchen-Array ist ein vielversprechender Kandidat für Wellplatten, die auf einem Chip integriert werden können. Bei der Methode der hängenden Tröpfchen werden biologische Zellen in Mikrotröpfchen-Arrays2,5 kultiviert.

Nach Anwendung der vertikalen Kontaktkontrolle (VCC) zwischen einem Mikrotröpfchen-Array und einem gegenüberliegenden Array verschmelzen Mikrotröpfchen paarweise6,7. Da gelöste Stoffe durch ein koaleszierendes Mikrotröpfchen wandern können, ist die VCC von Mikrotröpfchen-Arrays ein alternativer Manipulationsansatz für das Pipettieren. Durch die Integration der Elektrobenetzung in die dielektrische Technik mit VCC zur Manipulation der Form von Mikrotröpfchen können wir den Kontakt zwischen den beliebigen Mikrotröpfchenpaaren selektiv steuern8,9. In einer früheren Arbeit wurde berichtet, dass die Schwerkraft den Transport von Fluoreszenzkügelchen (als Zellen betrachtet) durch VCC8 zu den unteren Mikrotröpfchen bewirken kann.

Darüber hinaus ist es möglich, gelöste Stoffe durch Diffusion durch koaleszierende Mikrotröpfchen zu transportieren. Die zunächst in die oberen Mikrotröpfchen eingebrachten Testreagenzien können während der VCC durch koaleszierende Mikrotröpfchen diffundieren und somit können wir Testreagenzien an die unteren Mikrotröpfchen abgeben. In einer früheren Arbeit wurden zelluläre Kalziumoszillationen nach VCC zwischen den unteren und oberen Mikrotröpfchen beobachtet, zu denen Zellen bzw. Histamin gehören10. Darüber hinaus wurde berichtet, dass die Fluoreszenzreaktion durch die Histaminkonzentration gesteuert wird, die mithilfe des VCC von Mikrotröpfchen angepasst wird.

Die Kontrolle der Konzentration gelöster Stoffe in Mikrotröpfchen ist wichtig für die biochemische Anwendung des Spendermechanismus durch den VCC von Mikrotröpfchen. Der Dichteunterschied zwischen gelöstem Stoff und Wasser kann jedoch zu einer heterogenen Verteilung der Konzentration gelöster Stoffe in koaleszierenden Mikrotröpfchen entlang der Schwerkraftrichtung führen. Obwohl die Diffusion gelöster Stoffe die Inhomogenität teilweise reduzieren kann, würde eine homogene Konzentrationsverteilung nicht erreicht. Der Konzentrationsunterschied zwischen den gelösten Stoffen in den oberen und unteren Mikrotröpfchen nach der Trennung hängt von den Diffusionseigenschaften der gelösten Stoffe ab. Daher kann ein zusätzlicher Mechanismus zur Verbesserung der Diffusion gelöster Stoffe es uns ermöglichen, eine homogene Verteilung der Konzentration gelöster Stoffe zu erhalten, und er muss mit einer genauen Konzentrationskontrolle zur Verteilung der gelösten Stoffe von den unteren zu den oberen Mikrotröpfchen beitragen.

Die Kombination zwischen einem Magnetfeld und magnetisierten Partikeln ist als Technik zur Manipulation von Zielen in Mikrotröpfchen attraktiv. Frühere Arbeiten berichteten, dass das rotierende Magnetfeld, das auf paramagnetische Partikel in einer wässrigen Lösung auf hydrophoben Oberflächen angewendet wird, die Enzymreaktion in einzelnen Tröpfchen verstärken kann11. Darüber hinaus wurde über die Anwendung magnetischer Manipulation auf VCC von Mikrotröpfchen berichtet: Magnetische Anziehungskraft kann magnetisierte Partikel gegen die Schwerkraft transportieren12. Die Verbesserung des Materialtransports zwischen einem Mikrotröpfchenpaar durch magnetische Manipulation sollte es uns ermöglichen, die Konzentration gelöster Stoffe zu homogenisieren und dadurch eine genaue Konzentrationskontrolle zu erreichen.

Hier haben wir ein rotierendes Magnetfeld an den in den Mikrotröpfchen integrierten Mikrorotor angelegt, um die Diffusion gelöster Stoffe zu verbessern. Die aus magnetischen Materialien bestehenden Mikrorotoren zeigen eine unidirektionale Rotation unter einem rotierenden Magnetfeld. Folglich sollten sie die Strömung in Mikrotröpfchen antreiben. Wir verwendeten den Fluss als Verstärkungsmechanismus der Diffusion gelöster Stoffe in Mikrotröpfchen. Anschließend untersuchten wir die Auswirkung des Rotationsverhaltens von Mikrorotoren auf die Diffusion gelöster Stoffe und diskutierten den Mechanismus der Diffusionsverstärkung.

Wir untersuchten das Rotationsverhalten von Mikrorotoren in Mikrotröpfchen unter einem rotierenden Magnetfeld. Abbildung 1a zeigt die schematische Darstellung des Anfangszustands von VCC. Wir verwendeten Benetzungsmustersubstrate aus hydrophilen und hydrophoben Materialien. Zunächst bildeten wir 4-µL-Wassertröpfchen mit einem Radius von 1,24 mm auf kreisförmigen hydrophilen Bereichen. Wir setzen ein Paar Benetzungsmustersubstrate auf die Z-Achsen-Kontrollstufen, um sicherzustellen, dass die oberen und unteren Mikrotröpfchen einander gegenüber liegen. Im oberen Mikrotröpfchen wurde ein Mikrorotor eingebaut. Wir stellten einen Magnetrührer unter ein Bodenbenetzungsmustersubstrat und legten in Mikrotröpfchen ein rotierendes Magnetfeld an den Mikrorotor an.

Seitenansicht von Mikrotröpfchen mit einem Mikrorotor durch VCC. (a) Schematische Darstellung von Mikrotröpfchen vor VCC. Wir haben einen Mikrorotor in das obere Mikrotröpfchen eingeführt. Der Magnetrührer unterhalb des Bodensubstrats erzeugte ein rotierendes Magnetfeld. (b) Seitenansicht der Mikrotröpfchen durch VCC: (b1) anfängliches oberes Mikrotröpfchen, das den Mikrorotor unter einem rotierenden Magnetfeld des Magnetrührers enthält; (b2) rotierender Mikrorotor im koaleszierenden Mikrotröpfchen; und (b3) Mikrorotor im unteren Mikrotröpfchen nach der Trennung. Der Maßstabsbalken zeigt 1 mm an.

Wir haben den VCC von Mikrotröpfchen mit einem Mikrorotor von der Seite beobachtet, wie in Abb. 1b1 – b3 und Video 1 in der Zusatzinformation 1 gezeigt. Vor dem VCC drehte sich der Mikrorotor am unteren Rand des oberen Mikrotröpfchens, wie in Abb. 1b1 gezeigt , weil die Dichte des Mikrorotors größer war als die von Wasser. Wir haben das obere Benetzungsmustersubstrat mit einem rotierenden Magnetfeld abgesenkt und eine VCC für das Mikrotröpfchenpaar durchgeführt, wie in Abb. 1b2 gezeigt. Wir führten eine VCC von Mikrotröpfchen durch, während wir ein rotierendes Magnetfeld an den Mikrorotor im oberen Mikrotröpfchen anlegten. Im koaleszierenden Mikrotröpfchen kommt es zu einer Rotationsströmung. An Grenzflächen zwischen Substraten und Wasser hingegen ist die Strömungsgeschwindigkeit Null (Stick-Zustand). Da die Strömungsgeschwindigkeit im Zentrum des koaleszierenden Mikrotröpfchens maximal ist, drehte sich der Mikrorotor im Zentrum des koaleszierenden Mikrotröpfchens. Nach VCC für einen Zeitraum von ts mit einem rotierenden Magnetfeld trennten wir das koaleszierende Mikrotröpfchen in zwei halbkugelförmige Mikrotröpfchen. Bei Substraten mit Benetzungsmuster bleibt das oberste Mikrotröpfchen auch nach der Trennung erhalten. Frühere Arbeiten berichteten, dass die Morphologie koaleszierender Mikrotröpfchen unmittelbar vor der Trennung durch das Kräftegleichgewicht zwischen Schwerkraft und Oberflächenspannung bestimmt wird6. Abbildung 1b3 zeigt das Mikrotröpfchenpaar nach der Trennung. Der Mikrorotor befand sich nach VCC im unteren Mikrotröpfchen. Dann haben wir das rotierende Magnetfeld entfernt.

Als nächstes modulierten wir die Rotationsgeschwindigkeit der Mikrorotoren in den koaleszierenden Mikrotröpfchen, indem wir die Frequenz des rotierenden Magnetfelds anpassten. Um die Rotationsgeschwindigkeit quantitativ zu bewerten, beobachteten wir die rotierenden Mikrorotoren in den koaleszierenden Mikrotröpfchen von oben. Abbildung 2a–f und Video 2a–f in Zusatzinformation 1 zeigen die Draufsicht des Rotationsverhaltens der Mikrorotoren unter einem externen Magnetfeld, das in sechs Schritten moduliert wird. Mikrorotoren drehen sich immer im Uhrzeigersinn, was mit der Richtung des externen Rotationsmagnetfelds übereinstimmt. Wir haben den Rotationswinkel θ von Mikrorotoren gemessen, wie in den roten Pfeilen in Abb. 2a – f dargestellt. Abbildung 2g zeigt die zeitliche Entwicklung von θ. Nach unseren Beobachtungen hängt θ linear von t ab. Wir haben die Winkelgeschwindigkeit ω durch Anpassen der experimentellen Daten mithilfe linearer Funktionen erhalten. Dementsprechend haben wir festgestellt, dass ωs der Mikrorotoren in Abb. 2a – f 15, 21, 32, 45, 66 bzw. 98 rad s–1 beträgt.

Rotationsverhalten von Mikrorotoren in den koaleszierenden Mikrotröpfchen. Die oberen Bilder zeigen rotierende Mikrorotoren mit Winkelgeschwindigkeiten von (a) 15 rad s–1, (b) 21 rad s–1, (c) 32 rad s–1, (d) 45 rad s–1, (e) 66 rad s–1 und (f) 98 rad s–1. Diese Schnappschüsse wurden alle 33 ms erstellt. Die Maßstabsbalken zeigen 1 mm an. (g) Die zeitliche Entwicklung des Drehwinkels θ von Mikrorotoren in den koaleszierenden Mikrotröpfchen. Die gestrichelten Linien sind die am besten angepassten Linien unter Verwendung der linearen Funktionen in Bezug auf t.

Anschließend untersuchten wir den Einfluss rotierender Mikrorotoren auf die Diffusionsphänomene in den Mikrotröpfchen. Wie in Abb. 3a gezeigt, haben wir zunächst den Mikrorotor und den roten Farbstoff in die oberen bzw. unteren Mikrotröpfchen eingearbeitet. Daher waren die Farben der oberen und unteren Mikrotröpfchen transparent bzw. rot. Anschließend legten wir ein rotierendes Magnetfeld an, um die kontinuierliche Drehung des Mikrorotors zu ermöglichen. Hier haben wir uns auf die Diffusion des roten Farbstoffs von der Unterseite zur Oberseite der Mikrotröpfchen konzentriert, also in der entgegengesetzten Richtung der Schwerkraft.

Auswirkung der Rotation von Mikrorotoren auf die Diffusion von Farbstoff im koaleszierenden Mikrotröpfchen (Video 2 Zusatzinformationen). (a) Seitenansicht der anfänglichen Mikrotröpfchen. Wir haben einen Mikrorotor und roten Farbstoff in die oberen bzw. unteren Mikrotröpfchen eingebaut. Der Mikrorotor drehte sich kontinuierlich mit einer Winkelgeschwindigkeit von 15 rad s–1 unter einem rotierenden Magnetfeld. (b) Seitenansicht des koaleszierenden Mikrotröpfchens. Wir hielten den Kontakt zwischen den Mikrotröpfchen t s lang aufrecht. (c) Seitenansicht der abgetrennten Mikrotröpfchen nach VCC. Der Maßstabsbalken zeigt 1 mm an. Die Grenzflächen zwischen den Mikrotröpfchen und Luft/Substraten werden durch weiße gestrichelte Linien hervorgehoben.

Nach der anfänglichen Bildung der Mikrotröpfchen senkten wir das obere Mikrotröpfchen ab und führten die VCC für ein Mikrotröpfchenpaar durch, wie in Abb. 3b gezeigt. Das Mikrotröpfchenpaar berührte sich bei der Drehung des Mikrorotors für einen Zeitraum von ts. Die Farbe des koaleszierenden Mikrotröpfchens verteilte sich im Laufe der Zeit homogen, was darauf hindeutet, dass der rote Farbstoff durch VCC in das koaleszierende Mikrotröpfchen diffundieren kann. Abbildung 3c zeigt die abgetrennten Mikrotröpfchen nach dem VCC. Die rote Farbe des oberen Mikrotröpfchens deutete darauf hin, dass der rote Farbstoff durch Diffusion entgegen der Schwerkraft transportiert wurde.

Nach dem VCC haben wir die Konzentration des roten Farbstoffs in den Mikrotröpfchen gemessen. Wir haben die getrennten Mikrotröpfchen, wie in Abb. 3c gezeigt, durch Pipettieren gesammelt und sie dann in ein Mikrovolumen-UV-Vis-Spektrophotometer gegeben. Wir haben die Absorption bei 350 nm gemessen und die Konzentration des roten Farbstoffs gemäß dem Beer-Lambert-Gesetz (Ergänzende Informationen 1)13,14 ermittelt. Abbildung 4 zeigt die Konzentration des roten Farbstoffs als Funktion der Kontaktzeit t. Wir definieren die Konzentration des roten Farbstoffs in den oberen und unteren Mikrotröpfchen als Ct bzw. Cb. w/B und w/o B geben die Konzentrationen mit bzw. ohne rotierendes Magnetfeld an.

Farbstoffkonzentration in Mikrotröpfchen als Funktion der Kontaktzeit t nach VCC. Ct und Cb sind die Konzentrationen in den oberen bzw. unteren Mikrotröpfchen; w/B und w/o B bezeichnen die Konzentrationen mit bzw. ohne rotierendes Magnetfeld. Die Winkelgeschwindigkeit des Mikrorotors betrug 15 rad s–1. Die gestrichelten Linien stellen die besten Anpassungen dar, die mit einfachen Exponentialfunktionen erhalten wurden.

Ohne das Magnetfeld (ohne B) konvergierten Cb und Ct im stationären Zustand auf 9 × 10–2 bzw. 2 × 10–2 Gew.-%. Wir definieren den Konzentrationsunterschied als ∆C = Cb − Ct und ∆C (ohne B) beträgt 7,2 × 10–2 Gew.-%. Das positive ∆C entspricht der durch die Sedimentation des Farbstoffs verursachten inhomogenen Verteilung, die aus dem Dichteunterschied zwischen Farbstoff und Wasser resultiert.

Kurz nach dem VCC bewegte sich auch der Mikrorotor vom oberen zum unteren Mikrotröpfchen. Kurz nach der VCC-verstärkten Diffusion trat ein vorübergehender Fluss auf, und daher war ∆C bei t < 10 s kleiner als im stationären Zustand. Da die transiente Strömung im stationären Zustand verschwinden würde, nähert sich ∆C dem konstanten Wert an, der durch die Dichtedifferenz bestimmt wird.

Ohne das rotierende Magnetfeld (ohne B) nahmen Cb und Ct monoton ab bzw. zu. Nach 20 s wurde Cb gleich Ct (~ 5 × 10–2 Gew.-%). Dieses Ergebnis zeigte, dass eine verstärkte Farbstoffdiffusion durch einen Mikrorotor unter einem rotierenden Magnetfeld eine homogene Konzentrationsverteilung erreichte. Mit anderen Worten: Der Einbau von Mikrorotoren ermöglichte es uns, gelöste Stoffe homogen entgegen der Schwerkraft zu transportieren.

Um die Auswirkung der Rotation von Mikrorotoren auf die Farbstoffdiffusion aufzudecken, untersuchten wir die Dynamik der Farbstoffdiffusion in den koaleszierenden Mikrotröpfchen. Abbildung 5 zeigt die zeitliche Entwicklung von ∆C. Unter dem Rotationsmagnetfeld konvergierte ∆C unter unseren Versuchsbedingungen auf ~ 0 Gew.-%, was darauf hindeutet, dass die Verwendung von Mikrorotoren es uns ermöglichte, eine homogene Verteilung der Farbstoffkonzentration in Mikrotröpfchen zu erreichen.

Zeitliche Entwicklung von ∆C = Cb − Ct. Die gestrichelten Linien sind die am besten angepassten Kurven, die mit der einfachen Exponentialfunktion, Gl., erhalten wurden. (1). Die erhaltenen τs betragen 6,4 ± 0,7, 4,1 ± 0,5, 3,4 ± 0,4 und 1,0 ± 0,3 s für Winkelgeschwindigkeiten von 15, 21, 32 bzw. 66 rad s–1.

Die Relaxationszeit von ∆C nahm mit zunehmendem ω ab. Wir haben die experimentellen Daten mit einzelnen Exponentialfunktionen angepasst, um die Relaxationszeit τ zu erhalten.

wobei C0 die Anfangskonzentration ist. Es wurde festgestellt, dass die einzelnen Exponentialfunktionen mit den experimentellen Daten übereinstimmen.

Wir fassen das angepasste τ in Abb. 6 zusammen. Hier definieren wir die Rotationsperiode von Mikrorotoren als 2π/ω. Wir fanden heraus, dass τ mit abnehmendem 2π/ω monoton abnimmt.

Relaxationszeit τ von Mikrorotoren als Funktion der Rotationsperiode (2π/ω). Die gestrichelte Linie ist die am besten angepasste Kurve, die mit der Lorentz-Funktion, Gl., erhalten wurde. (6). Aus den Anpassungsergebnissen ergeben sich für d0 und d2 (1,1 ± 0,3) × 10−1 bzw. (9,3 ± 1,1) × 10−3 s.

Der Einfluss rotierender Mikrorotoren auf die Diffusionsdynamik wurde anhand eines phänomenologischen Modells diskutiert. Die Anwendung eines externen Magnetfelds treibt die Rotation von Mikrorotoren an, wodurch eine Strömung im koaleszierenden Mikrotröpfchen entsteht. Durch die viskose Dissipation wird die kinetische Energie des rotierenden Mikrorotors sowohl in Wärme als auch in die Mischungsentropie der gelösten Stoffe umgewandelt, was die Diffusion der gelösten Stoffe fördert. Um ein phänomenologisches Modell zu erstellen, normalisieren wir den Effekt der Verstärkung des Mikrorotors in eine Diffusionskonstante.

Die Diffusionsgleichung des roten Farbstoffs in den koaleszierenden Mikrotröpfchen lautet:

wobei D die Diffusionskonstante ist. Wir gingen davon aus, dass sich die Verteilung der Farbstoffkonzentration mit der charakteristischen Wellenzahl k (~ 1/λ, wobei λ eine charakteristische Längenskala ist) ändert. Dann ist die Diffusionsgleichung von ∆C ungefähr gegeben als 15,16

Ersetzen von Gl. (1) In (3) erhalten wir die Relaxationszeit wie folgt:

Um den Effekt der Rotation der Mikrorotoren in unser Modell einzubeziehen, haben wir die ω-Abhängigkeit der Diffusionskonstante D berücksichtigt. Die Spiegelsymmetrie erfordert, dass D unabhängig von der Umkehrung der Rotationsrichtung ist (ω → – ω). Somit stellen wir phänomenologisch die ω-Abhängigkeit von D dar als

wobei D0 und D2 die Koeffizienten nullter bzw. zweiter Ordnung von ω sind. Einsetzen von D(ω) in Gl. (5) in (4) erhalten wir die ω-Abhängigkeit von τ wie folgt.

Hier verwenden wir die normalisierten Parameter d0 = D0/λ2 und d2 = D2/λ2. Dies legt nahe, dass τ die Lorentz-Funktion von ω ist.

Um die theoretischen und experimentellen Ergebnisse zu vergleichen, haben wir die experimentellen Ergebnisse mithilfe von Gleichung angepasst. (6), wie in der gestrichelten Linie in Abb. 6 dargestellt. Unsere theoretische Vorhersage stimmte mit den experimentellen Ergebnissen überein, die darauf hindeuteten, dass die Rotation von Mikrorotoren die Diffusion gelöster Stoffe verstärkte.

Zuvor gelang es uns, mithilfe von VCC aus Mikrotröpfchen chemische Reagenzien in Zellen zu injizieren. Um diese Technik auf biochemische Tests anzuwenden, ist der Transport gelöster Stoffe gegen die Schwerkraft unerlässlich. Unsere Ergebnisse erreichen eine gleichmäßige Verteilung der Konzentration gelöster Stoffe und eine Beschleunigung der Diffusion. Abbildung 7 zeigt das Konzept der Anwendung mit Mikrorotoren unter einem rotierenden Magnetfeld. Zunächst werden Testreagenzien und Zellen in Mikrotröpfchen oben und unten sowie in einen Mikrorotor eingebracht. Testreagenzien diffundieren während VCC. Anschließend wird das koaleszierende Mikrotröpfchen abgetrennt, um die Injektion der Testreagenzien abzuschließen. Die Inhomogenität der Testreagenzien aufgrund der Schwerkraft verhindert, dass wir die Konzentration im Voraus quantitativ vorhersagen können. Andererseits sorgt der Einsatz von Mikrorotoren für eine gleichmäßige Verteilung der Konzentration gelöster Stoffe und damit für eine genaue Konzentrationskontrolle, bei der die Konzentration der Hälfte der Anfangskonzentration entsprechen muss. Daher müssen unsere Erkenntnisse zu einer genauen Konzentrationskontrolle in biochemischen Tests beitragen.

Schematische Darstellung der Anwendung von Mikrorotoren unter rotierendem Magnetfeld für biochemische Tests. (a) Anfangszustand des VCC von Mikrotröpfchen. Testreagenzien und ein Mikrorotor wurden in das obere Mikrotröpfchen eingeführt. Andererseits wurden Tagets wie Zellen in die unteren Mikrotröpfchen eingebracht. (b) Verbesserung der Diffusion gelöster Stoffe in einem koaleszierenden Mikrotröpfchen mithilfe eines Mikrorotors. (c) Mikrotröpfchen nach der Trennung. Der Mikrorotor unter rotierendem Magnetfeld erreicht eine gleichmäßige Konzentration des Testreagenzes.

In dieser Studie ist es uns gelungen, die Diffusion gelöster Stoffe in Mikrotröpfchen mithilfe von Mikrorotoren unter einem rotierenden Magnetfeld zu verbessern. Hier untersuchten wir die Diffusionsdynamik gelöster Stoffe und konzentrierten uns dabei auf die Rotationsgeschwindigkeit. Außerdem muss die Größe des Mikrorotors die Diffusion gelöster Stoffe beeinflussen. Beispielsweise sollte die Miniaturisierung von Mikrorotoren den Effekt der Verbesserung der Diffusion gelöster Stoffe verringern. Der Einfluss der Größe des Mikrorotors sollte in Zukunft untersucht werden.

Wir haben hydrophiles TiO2 und hydrophobes CYTOP™ auf Glassubstraten strukturiert. Wir haben Benetzungsmustersubstrate nach dem in einer früheren Studie beschriebenen Verfahren hergestellt6. Wir haben reines Wasser auf die oberen Benetzungsmustersubstrate pipettiert und zunächst Mikrotröpfchen gebildet. Eine wässrige Lösung mit einem roten Farbstoff (New Coccine, FUJIFILM Wako Pure Chemical Co.) von 1,0 × 10–1 Gew.-% wurde pipettiert, um Mikrotröpfchen auf den Benetzungsmustersubstraten zu bilden. Wir haben das Anfangsvolumen der Mikrotröpfchen V und den Radius der kreisförmigen hydrophilen Bereiche R auf 4 μL bzw. 1,24 mm ausgelegt. Da V = 2π/3 R3, bildeten sich zunächst halbkugelförmige Mikrotröpfchen auf den Benetzungsmustersubstraten mit einem Kontaktwinkel von 90°.

Um die Mikrorotoren zu erhalten, haben wir 71,4 Gew.-% Polydimethylsiloxan (PDMS, DuPont Toray Specialty Materials KK) und 28,6 Gew.-% Fe3O4 (NAKARAI TESQUE, INC.) gemischt (Abb. 8a). Wir haben die Mischung (mit einer Dicke von 1,5 mm) 60 Minuten lang bei 100 °C wärmegehärtet (Abb. 8b). Wir haben die zylindrischen Mikrorotoren (Durchmesser ϕ = 1,0 mm und Länge d = 1,5 mm) aus der wärmegehärteten Mischung mit der Form geformt (Abb. 8c), wobei wir eine Hautbiopsiestanze (KAI INDUSTRIES CO., LTD.) verwendeten. Um die hydrophile Oberfläche von PDMS zu erhalten, haben wir die zylindrischen Mikrorotoren in 5 Gew.-% einer wässrigen Gelatinelösung (NAKARAI TESQUE, INC.) getaucht und dann die Mikrorotoren getrocknet (Abb. 8d). In dieser Arbeit lag der Schwerpunkt auf dem Nachweis des Konzepts der Diffusionsverstärkung, weshalb die Optimierung des Designs von Mikrorotoren nicht berücksichtigt wurde. Die Mikrorotoren wurden einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt, das von einem Magnetrührer (SRS116AA, KENIS Ltd.) erzeugt wurde.

Herstellungsprozess von Mikrorotoren. (a) Mischung aus PDMS und Fe3O4. (b) Wärmehärtungsprozess der Mischung bei 100 °C. (c) Formgebungsprozess des Mikrorotors mithilfe einer Form. (d) Oberflächenbehandlung des Mikrorotors mit wässriger Gelatinelösung.

Ein Mikrovolumen-UV-Vis-Spektrophotometer (NanoDrop One, Thermo Fisher Scientific Inc.) wurde verwendet, um die Farbstoffkonzentration in Mikrotröpfchen abzuschätzen. In unserem Experiment sollte die Konzentration in Mikrotröpfchen geringer sein als die anfängliche Farbstoffkonzentration (~ 1,0 × 10–1 Gew.-%). Anschließend führten wir eine Kalibrierung durch und bestätigten, dass die Absorption bei 350 nm proportional zur Konzentration unter unseren Versuchsbedingungen war (Ergänzende Informationen 1).

Hier haben wir die Farbstoffdiffusion in Mikrotröpfchen mithilfe von Mikrorotoren unter einem rotierenden Magnetfeld verbessert und innerhalb weniger Sekunden eine homogene Durchmischung erreicht. Die stabile und kontinuierliche Rotation von Mikrorotoren in Mikrotröpfchen wurde durch das rotierende Magnetfeld angetrieben. Wir untersuchten die Diffusionsphänomene gelöster Stoffe von den unteren zu den oberen Mikrotröpfchen durch VCC. Da die Dichte der gelösten Stoffe größer war als die von Wasser, war die Konzentration der gelösten Stoffe in den unteren Mikrotröpfchen höher als in den oberen Mikrotröpfchen nach VCC. Unterdessen ermöglichten uns die Mikrorotoren unter einem rotierenden Magnetfeld, eine homogene Verteilung der Konzentration gelöster Stoffe zu erreichen. Daher ist mit unserem Mischmechanismus eine Verbesserung der Diffusion gelöster Stoffe entgegen der Schwerkraftrichtung erreichbar.

Der Konzentrationsunterschied zwischen den oberen und unteren Mikrotröpfchen nahm exponentiell mit der Kontaktzeit ab. Die Relaxationszeit des homogenen Mischens beschleunigte sich monoton mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit der Mikrorotoren. Zur quantitativen Abschätzung analysierten wir die experimentellen Ergebnisse mithilfe eines phänomenologischen Modells, bei dem die Winkelgeschwindigkeit in der Diffusionskonstante normiert wird. Dieses einfache Modell sagt voraus, dass die Relaxationszeit durch die Lorentz-Funktion der Winkelgeschwindigkeit gegeben ist, was mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Im Allgemeinen kann die Rotation von Mikrorotoren die Diffusionskonstante der gelösten Stoffe erhöhen, um die Diffusion gelöster Stoffe zu verbessern. Unser neuartiger Mechanismus zur Diffusionsverstärkung kann dazu beitragen, eine genaue Konzentrationskontrolle in biochemischen Tests mit Mikrotröpfchen zu erreichen.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wird teilweise von der Ritsumeikan Advanced Research Academy und der Ritsumeikan Global Innovation Research Organization (R-GIRO) der Ritsumeikan University unterstützt.

Forschungsorganisation für Wissenschaft und Technologie, Ritsumeikan-Universität, Kusatsu, 525-8577, Japan

Shinji Bono und Satoshi Konishi

Ritsumeikan Advanced Research Academy, Kyoto, 604-8502, Japan

Shinji Bono und Satoshi Konishi

Ritsumeikan Global Innovation Research Organization, Ritsumeikan University, Kusatsu, 525-8577, Japan

Shinji Bono und Satoshi Konishi

Fakultät für Maschinenbau, Hochschule für Wissenschaft und Technik, Ritsumeikan-Universität, Kusatsu, 525-8577, Japan

Kota Sakai und Satoshi Konishi

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SB und KS führten die Experimente durch. SB und SK diskutierten die Richtung der Forschung und des Experiments, analysierten die Daten und verfassten das Manuskript. Alle Autoren stimmten dem endgültigen Manuskript zu.

Korrespondenz mit Shinji Bono.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Zusatzvideo 1.

Zusatzvideo 2.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Bono, S., Sakai, K. & Konishi, S. Verbesserung der Diffusion gelöster Stoffe in Mikrotröpfchen mithilfe von Mikrorotoren unter einem rotierenden Magnetfeld. Sci Rep 13, 11169 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38299-z

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Eingegangen: 28. April 2023

Angenommen: 06. Juli 2023

Veröffentlicht: 10. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38299-z

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