Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 51420105006 und 51322501) unterstützt. Wir danken Daniel für seine hilfreiche Diskussion über die hohe Viskosität-Ideen.

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Das Phase-Inversion-Co-Flow-Gerät bietet eine einfache und geradlinig vorwärts Methode Monodisperse hochviskose Tröpfchen erzeugen. Dieses Gerät hat eine ähnliche Struktur gemeinsamen Co-Flow-Geräte, wie die grundlegende Co-Flow-Struktur besteht aus einem Innenrohr, eingefügt in das mittlere Rohr, die, das Ausfahrt von denen mit Auslass-Schlauch verbunden ist. Allerdings gibt es zwei Hauptunterschiede zwischen dem Phase-Inversion Co-Flow Gerät und gemeinsamen Co-Flow-Gerät zur Erzeugung von hoher Viskosität Tröpfchen mit einer Viskosität η > 1 Pa·s.
Zunächst wird in gemeinsamen Co-Flow-Geräte, ein Innenrohr mit einer abgeschrägten Spitze verwendet, während ein gerader Schlauch in den Phase-Inversion-Co-Flow-Geräten verwendet werden kann. Die kegelförmige Spitze hat in der Regel I.D. = 20 μm und O.D = 30 μm1,8, so dass eine Pipette Puller in der Regel notwendig, um die kegelförmige Spitze ist. In der Phase-Inversion Co-Flow Gerät, eine Runde Glas-Rohr mit ID = 100-200 μm verwendet werden, direkt und ohne verjüngt wird.
Zweitens, gemeinsam wird in den Schlauch durch dünnflüssiges Fluid verkapselt werden Co-Flow-Geräte, eine hochviskose Flüssigkeit injiziert; während in Phase-Inversion-Co-Flow-Geräte, ist eine niedrigviskose Flüssigkeit in den Schlauch durch eine hochviskose Flüssigkeit, die viel einfacher zu realisieren ist verkapselt werden injiziert. Zum Beispiel, tropft wenn wir ein gemeinsames Co-Flow-Gerät verwenden, um Glycerin Tröpfchen in flüssigem Paraffin, die Flow Rate Ratio Qogenerieren /Qw sollte mindestens 25 gut kontrollierten realisieren Modus, führt zu einem Volumenanteil der Tropfen Glycerin nicht höher als 4 %. Im Gegenteil, kann in den Phase-Inversion-Co-Flow-Geräten, die Durchflussmenge Verhältnis Qo/Qw so niedrig wie 2,5 zu einen gut kontrollierten tropfenden Modus erkennen, daher einen Volumenanteil von 28 % Glycerin Tropfen realisiert werden.
In der Phase-Inversion Co-Flow Gerät wird die Phase Inversion durch die Trennung von den länglichen Öltröpfchen an der hydrophoben Ausfahrt der mittleren Röhre induziert. Daher ist die Behandlung der Oberfläche Benetzbarkeit der Ausfahrt der mittleren Röhre ein entscheidender Schritt für die Phase inversionsverfahren wo muss die Ausfahrt der mittleren Röhre behandelt von dünnflüssigen Phase, die Phase Inversion zu induzieren benetzt werden. Darüber hinaus gibt es eine kritische Durchflussrate, oberhalb, die derer die länglichen Öltröpfchen werden nicht Auseinanderbrechen und die Phase Inversion24anschließend nicht auftreten wird. Wenn die Öltröpfchen Trennung an der hydrophoben Ausfahrt nicht, senken Sie die Durchflussmengen der beiden Flüssigkeiten mit einer festen Rate Verhältnis, bis die länglichen Öltröpfchen zu brechen und Phase Inversion zu induzieren. Darüber hinaus haben die hochviskose Flüssigkeit und die niedrigviskose Flüssigkeit ähnlich Benetzbarkeit auf der behandelten Oberfläche, wäre dann die Phase inversionsverfahren ungültig.
Obwohl wir nur die Protokolle und Beispiele für die Erzeugung von wässrigen hochviskose Tröpfchen in dieser Arbeit bieten, das Phase-Inversion-Co-Flow-Gerät auch einsetzbar, hochviskose Öltröpfchen in wässrigen Lösungen dünnflüssiges23zu generieren. In einem solchen Gerät muss den vorgelagerten der mittleren Röhre behandelt werden, um von der hochviskosen Phase benetzt werden, während der Ausgang der mittleren Röhre muss behandelt werden, um von der dünnflüssigen Phase benetzt werden. Das Phase-Inversion-Co-Flow-Gerät bietet eine einfache Methode um hochviskose Flüssigkeiten gut kontrollierte Art und Weise in sich rasch entwickelnden Droplet-basierte Anwendungen zu kapseln.

Die Generation der Tröpfchen wird eine Schlüsseltechnologie in einer Vielzahl von Anwendungen, z. B. Drug-Delivery, Materialsynthese, 3D Bioprinting, Zelle Assays und Food engineering1,2,3,4 , 5 , 6. Co fließen mikrofluidischen Geräte mit t-Kreuzung7,8,1,9, oder Fluss-Fokussierung10,11 Strukturen sind weit verbreitet, Monodisperse zu generieren einzigen Emulsion Tröpfchen. Auswahl von viskoser dauerphase erleichtert die Bildung von Tröpfchen12, und die Viskosität der kontinuierlichen und verteilten Flüssigkeiten sind häufig unter 0,1 Pas in Tröpfchen Mikrofluidik13. Jedoch kann in vielen Anwendungen die dispersen Phase eine Viskosität mehrere hundert Mal höher als die des Wassers, wie Glycerin14, Lösungen mit Nanopartikeln15, Proteine16oder Polymere17 haben , 18 , 19, es ist zwar schwierig, Monodisperse Tropfen direkt von hochviskosen Flüssigkeiten in einem Stall tropft Regime11 in mikrofluidischen Geräten, insbesondere für Flüssigkeiten mit einer Viskosität η > 1 Pa·s14 zu erreichen ,17,18,19. Darüber hinaus wurde berichteten13,18 , dass typische mikrofluidischen Methoden zur Tropfenbildung Flüssigkeiten mit relativ niedrigen Viskosität und moderate Grenzflächenspannung einheitliche Tröpfchen in einer stabilen tropfenden bilden erfordern Regime.
Für dispergierte Phase mit einer Viskosität etwas größer als 0,1 Pas, gibt es mehrere mögliche Ansätze zur Erleichterung der Tropfenbildung mit typischen t-Kreuzung, Co-Flow oder Flow-Fokussierung mikrofluidischen Geräte: (1) Abnahme der Viskosität der dispersen Phase in eine flüchtige Lösungsmittel11,20verdünnen; (2) verringern Sie das Verhältnis verteilt, kontinuierliche Viskosität durch die Erhöhung der Viskosität der kontinuierlichen Phase1,11; (3) verringern Sie die Durchflussmenge der dispersen Phase auf einen extrem niedrigen Wert, wobei ein hoher kontinuierlicher zerstreut Flow Rate Verhältnis 14,19. Diese Ansätze sind jedoch nicht für Flüssigkeiten mit viel höherer Viskosität, praktisch, wie sie die Produktionsrate deutlich senken werden, während dramatisch erhöhen den Verbrauch das flüchtige Lösungsmittel oder die kontinuierliche Phase. Darüber hinaus wurde berichtet, dass einige hohe Viskosität Polymerlösungen mit η > 1 Pa·s noch nicht in Tröpfchen mit17,19genannten Ansätze brechen oben.
Es gibt auch mehrere verbesserte Designs von mikrofluidischen Geräten, die eine dritte Phase der Flüssigkeit in das System einzuführen, die die Erzeugung von hoher Viskosität Tröpfchen erleichtert. Innovationen gehören: Bläschen eingeführt, um eine sprühvolumen Fadenabschneiden in Tröpfchen21, eine nicht mischbaren Geschäftsplanungen Flüssigkeit mit moderaten Viskosität, als die mittlere Phase zwischen der Dipsersed-Phase und der kontinuierlichen Phase18, eingeführt und Mikroreaktoren eingeführt, um hochviskose Tröpfchen aus zwei dünnflüssigen Vorstufen21,22,23zu generieren. Jedoch wie ein flüssiger beteiligt ist, das System wird immer komplizierter und die Geräte funktionieren in der Regel in einem viel engeren Fluss Regime als die typische Geräte zur Erzeugung von einzelnen Emulsion Tröpfchen.
Monodisperse generieren, die Tropfen direkt aus eine hochviskose Flüssigkeit mit η > 1 Pa·s, Oberfläche-kontrollierten Phase-Inversion Methoden wurden untersucht,24. Wie die Generation von dünnflüssigen Tröpfchen viel einfacher als die von hoher Viskosität Tröpfchen12, längliche dünnflüssiges Tröpfchen in einer kontinuierlichen Phase hoher Viskosität entstehen zunächst mit einer typischen Co-Flow-Struktur, und dann sind Due abgewrackt zur Veränderung der Oberfläche Benetzbarkeit flussabwärts der Co-Flow Struktur. Das freigegebene dünnflüssiges Fluid kapselt umgekehrt die nachgelagerte hochviskose Flüssigkeit in Tröpfchen so dass Phase Inversion abgeschlossen ist. Nach der Phase Inversion Mechanismus können Monodisperse hochviskose Tröpfchen erzeugt werden, basierend auf einem typischen Co-Flow-Gerät während die Ausfahrt von der Co-Flow-Gerät behandelt, um durch die niedrigviskose Flüssigkeit benetzt werden und dann mit einem größeren Rohr24 verbunden ist ,25.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>VitroTubes Glass Tubing</td>
			<td>VitroCom</td>
			<td>8240</td>
			<td>Square - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.4mm, OD=0.8mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VitroTubes Glass Tubing</td>
			<td>VitroCom</td>
			<td>CV2033</td>
			<td>Round - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.2mm, O.D.=0.33mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VitroTubes Glass Tubing</td>
			<td>VitroCom</td>
			<td>CV1017</td>
			<td>Round - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.1mm, O.D.=0.17mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VitroTubes Glass Tubing</td>
			<td>VitroCom</td>
			<td>Q14606</td>
			<td>Square - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=1.05mm+0.1/-0, OD=1.5mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Standard Glass Capillaries</td>
			<td>WPI</td>
			<td>1B100-6</td>
			<td>Round - Glass Tubing, I.D.=0.58mm, O.D.=1.00mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glycerol</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing</td>
			<td>10010618</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paraffin Liquid</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing</td>
			<td>30139828</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly(vinyl alcohol), PVA-124</td>
			<td>Sinopharm Chemical Reagent Beijing</td>
			<td>30153084</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Span 80</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>85548</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Starch</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S9765</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trichloro(octadecyl)silane</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>104817</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Toluidine Blue O</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>T3260</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Honey</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Chaste tree honey, common food product purchased from supermarket</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DEVCON 5 Minute Epoxy</td>
			<td>ITW&#160;</td>
			<td></td>
			<td>Epoxy glue</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blunt Tip Stainless Steel Dispensing Needles (Luer Lock)</td>
			<td>Suzhou Lanbo Needle, China</td>
			<td>LTA820050</td>
			<td>20G x 1/2&#34;&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tungsten/Carbide Scriber</td>
			<td>Ullman</td>
			<td>1830</td>
			<td>For cutting glass tubing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope Slides</td>
			<td>Sail Brand</td>
			<td>7101</td>
			<td>76.2 mm x 25.4 mm, Thickness 1 - 1.2 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene Tubing</td>
			<td>Scientific Commodities</td>
			<td>BB31695-PE/5</td>
			<td>I.D. = 0.86 mm, O.D. = 1.32 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe Pumps</td>
			<td>Longer Pump, China</td>
			<td>LSP01-1A</td>
			<td>3 pumps needed for the experiments</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabricating high-viscosity droplets using microfluidic capillary device with phase-inversion co-flow structure

Die Generation der Monodisperse Tropfen mit hoher Viskosität seit jeher eine Herausforderung in Tröpfchen Mikrofluidik. Hier zeigen wir ein Phase-Inversion Co-Flow Gerät um einheitlich hoher Viskosität Tröpfchen in eine niedrigviskose Flüssigkeit zu erzeugen. Das mikrofluidischen Kapillare Gerät hat eine gemeinsame Co-Flow-Struktur mit seinen Ausgang zu einem breiteren Schlauch anschließen. Längliche Tröpfchen der niedrigviskosen Flüssigkeit werden zunächst durch die hochviskose Flüssigkeit in der Co-Flow Struktur gekapselt. Wie die länglichen dünnflüssiges Tröpfchen durch den Ausgang die behandelt wird fließen, durch die niedrigviskose Flüssigkeit benetzt werden, wird Phase Inversion dann durch die Adhäsion der niedrigen Viskosität Tropfen an der Spitze der Ausfahrt induziert die Ergebnisse in die anschließende inverse Kapselung von hochviskosen Flüssigkeiten. Die Größe der resultierenden hochviskose Tröpfchen kann durch Ändern der Preis Verhältnis der niedrigviskosen Flüssigkeit, hochviskose Flüssigkeit. Wir zeigen einige typische Beispiele für die Erzeugung von hoher Viskosität Tröpfchen mit einer Viskosität bis 11,9 Pas, wie Glycerin, Honig, Stärke und Polymer-Lösung. Die Methode bietet einen einfachen und unkomplizierten Ansatz um Monodisperse hochviskose Tröpfchen erzeugen, die in einer Vielzahl von Tröpfchen-basierten Anwendungen wie Materialsynthese, Drug-Delivery, Zelle Assay, Bioengineering und Lebensmitteln verwendet werden dürfen Technik.

Eine mikrofluidischen Kapillare Gerät mit einer Phase-Inversion, Co-Flow Struktur wurde entwickelt, um Monodisperse wässrigen hochviskose Tröpfchen, erzeugen, wie in Figur 1Adargestellt. In Abbildung 1, war die hochviskosen wässrige Phase Glycerin hat eine Viskosität ηw = 1,4 Pas; dünnflüssiges Öl-Phase wurde flüssiges Paraffin, hat eine Viskosität ηo = 0,029 Pas; die Oberflächenspannung zwischen den beiden Phasen war γ = 27,7 mN/m. In der mittleren Röhre können längliche Öltröpfchen von Glycerin in einem gut kontrollierten tropfenden Modus9,13, gekapselt werden weil die Viskosität von Glycerin viel höher als die von flüssigem Paraffin und die Kapillaren Zahlen, Ca ist , der beiden Phasen sind so niedrig wie 10-4- 10-2, wo Ca = ηU/γ, U = Q/A ist die durchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit, und A ist die Fläche des Kreuzes Abschnitt des Kanals. Als die längliche Öltröpfchen aus der Ausfahrt der mittleren Röhre in einen breiteren Außenrohr floss, wie in Abbildung 1 bgezeigt, die Öltröpfchen brach an der hydrophoben Spitze der mittleren Röhre und umgekehrt gekapselt nachgelagerte GAP von Glycerin, so dass hoher Viskosität Glycerin Tropfen wurden erhalten, wie in Abbildung 1dargestellt. Solange die Tropfengröße und die Distanz zwischen jeden zwei angrenzenden Öltröpfchen unverändert gehalten werden, werden die gebildeten Glycerins Tröpfchen Monodisperse24,25. Die Bilder in Abbildung 1 b-C wurden mit dem Gerät von Schritt 1 und folgende experimentelle Protokoll Schritt 4 erhalten. Die Glycerin-Tröpfchen erzeugt bei Qo = 30 uL/min und Qw = 10 uL/min sind in Abbildung 1, wobei die Tropfen hatte einen Durchmesser von 521 μm und den Variationskoeffizienten (CV) dargestellt, der die Tropfengröße, definiert als die Standardabweichung dividiert durch die durchschnittliche Tröpfchengröße war CV = 0,9 %, was darauf hindeutet, die Tröpfchen waren monodispers.
Die Größe der Tröpfchen hoher Viskosität kann durch Veränderung der Flow Rate Verhältnisse Qo/Qw mit einem festen Qw. Eine Reihe von typischen experimentellen Ergebnisse aus den Experimenten nach Protokoll Schritt 5 mit dem Gerät des Protokolls Schritt 2, ist in Abbildung 2dargestellt. Als Qwurdew behoben, die Tropfengröße sank mit der Zunahme der Qo. Weitere Erhöhung des Flow Rate Verhältnisses kann Ertrag kleinere Tröpfchen, aber der Volumenanteil der Tröpfchen entsprechend und es gesunken wäre hätte einen dramatischen Anstieg der gesamtgegenkraft und inneren Druck im Inneren der Geräte. Daher war die Tropfengröße innerhalb des Bereichs der Flow Rate Ratio in Abbildung 2, vergleichbar mit der Innendurchmesser der mittleren Röhre.
Die Tropfengröße kann weiter verringert werden, wenn ein Gerät mit kleineren Röhren verwendet wird. Die typischen experimentellen Ergebnisse nach Protokoll Schritt 4 mit dem Gerät von Protokoll Schritt 3, sind in Abbildung 3, wo das mittlere Rohr eine I.D hatte gezeigt = 200 μm.
Das gleiche Gerät aus Protokoll Schritt 2 kann monodispersen Tropfen aus verschiedenen hochviskose Flüssigkeiten zu generieren die Viskositäten höher als Glycerin verwendet werden. Typische Ergebnisse von monodispersen Tropfen Honig (11 Pas), Stärkelösung (8,5 Pas) und Polymerlösung (2,5 Pas) sind in Abbildung 4dargestellt. Die Vorbereitung der Flüssigkeiten in Abbildung 4 wird im Protokoll Schritt 6 beschrieben.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57313/57313fig1.jpg"> Abbildung 1: Generation hochviskose Glycerin Tropfen in dünnflüssigen Paraffinöl mit Phase-Inversion Co-Flow Gerät. (A) schematische Darstellung der Phase-Inversion-Co-Flow-Geräte. (B) die Beobachtung der Generation der Glycerin Tropfen von Öl-in-Glycerin Slug fließen in das mittlere Rohr, die einzelne Glycerin-in-Öl-Emulsion im äußeren Rohr. (C) Zeit Sequenz Bilder des Phase-Inversion-Prozesses. (D) die monodispersen Glycerin Tropfen und die Größenverteilung der Tropfen. Der mittlere Durchmesser der Tröpfchen ist 521 μm und CV = 0,9 %. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Der Maßstabsbalken sind 500 μm. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57313/57313fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57313/57313fig2.jpg"> Abbildung 2: Variation von der Tröpfchengröße mit der Änderung der Flow Rate Ratio QO/QW zwar QW = 2 μl/min Für jeden Datenpunkt 30 Tropfen werden gemessen, und der mittlere Durchmesser wird berichtet. Da die Fehlerbalken der Standardabweichung kleiner als das Symbol in der Handlung sind, werden sie hier nicht angezeigt. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57313/57313fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57313/57313fig3.jpg"> Abbildung 3: kleinere Glycerin Tröpfchen erzeugt aus dem Gerät mit dem mittleren Rohr I.D. = 200 µm. (A) die Beobachtung der Generation von Glycerin Tröpfchen in die äußere Röhre des Geräts. (B) die resultierende Monodisperse Glycerin Tröpfchen mit einem mittleren Durchmesser von 212 μm und CV = 1,9 %. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Der Maßstabsbalken sind 200 μm. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57313/57313fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57313/57313fig4.jpg"> Abbildung 4: typische Beispiele für hochviskose Tröpfchen aus verschiedenen Lösungen generiert. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. (A) Honig Tröpfchen mit einem mittleren Durchmesser von 612 μm und CV = 0,7 %. (B) Stärke Tröpfchen mit einem mittleren Durchmesser von 600 μm und CV = 0,9 %, (C) PVA-124 Polymer Tröpfchen mit einem mittleren Durchmesser von 773 μm und CV = 0,7 %. Alle Maßstabsleisten sind 1,0 mm. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57313/57313fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

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Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure

Herstellung von hoher Viskosität Tröpfchen mit mikrofluidischen Kapillare Gerät mit Phase-Inversion Co-Flow Struktur

Eine Phase-Inversion-Co-Flow-Gerät zeigt um Monodisperse hochviskose Tröpfchen über 1 Pas zu erzeugen, die schwierig, in Tröpfchen Mikrofluidik zu verwirklichen ist.

The generation of monodisperse droplets with high viscosity has always been a challenge in droplet microfluidics. Here, we demonstrate a phase-inversion ...

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10.2K Aufrufe.  University of Science and Technology Beijing. Eine Phase-Inversion-Co-Flow-Gerät zeigt um Monodisperse hochviskose Tröpfchen über 1 Pas zu erzeugen, die schwierig, in Tröpfchen Mikrofluidik zu verwirklichen ist.

Serie: Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure

Fabricating Nanogaps by Nanoskiving

There are several methods of fabricating nanogaps with controlled spacings, but the precise control over the sub-nanometer spacing between two electrodes-and generating them in practical quantities-is still challenging. The preparation of nanogap electrodes using nanoskiving, which is a form of edge lithography, is a fast, simple and powerful technique. This method is an entirely mechanical process which does not include any photo- or electron-beam lithographic steps and does not require any special equipment or infrastructure such as clean rooms. Nanoskiving is used to fabricate electrically addressable nanogaps with control over all three dimensions; the smallest dimension of these structures is defined by the thickness of the sacrificial layer (Al or Ag) or self-assembled monolayers. These wires can be manually positioned by transporting them on drops of water and are directly electrically-addressable; no further lithography is required to connect them to an electrometer.

The fabrication of electrically addressable, high-aspect-ratio (> 1000:1) metal nanowires separated by gaps of single nanometers using either sacrificial layers of aluminum and silver or self-assembled monolayers as templates is described. These nanogap structures are fabricated without a clean room or any photo- or electron-beam lithographic processes by a form of edge lithography known as nanoskiving.

Fabricating Nanogaps durch Nanoskiving

There are several methods of fabricating nanogaps with controlled spacings, but the precise control over the sub-nanometer spacing between two ...

Forschung

Chemie

Structure and Coordination Determination of Peptide-metal Complexes Using 1D and 2D 1H NMR

Copper (I) binding by metallochaperone transport proteins prevents copper oxidation and release of the toxic ions that may participate in harmful redox reactions. The Cu (I) complex of the peptide model of a Cu (I) binding metallochaperone protein, which includes the sequence MTCSGCSRPG (underlined is conserved), was determined in solution under inert conditions by NMR spectroscopy.
NMR is a widely accepted technique for the determination of solution structures of proteins and peptides. Due to difficulty in crystallization to provide single crystals suitable for X-ray crystallography, the NMR technique is extremely valuable, especially as it provides information on the solution state rather than the solid state. Herein we describe all steps that are required for full three-dimensional structure determinations by NMR. The protocol includes sample preparation in an NMR tube, 1D and 2D data collection and processing, peak assignment and integration, molecular mechanics calculations, and structure analysis. Importantly, the analysis was first conducted without any preset metal-ligand bonds, to assure a reliable structure determination in an unbiased manner.

Structure and Coordination Determination of Peptide-metal Complexes Using 1D and 2D 1H NMR

The NMR-solution structure of a metallochaperone model peptide with Cu (I) was determined, and a detailed protocol from sample preparation and 1D and 2D data collection to a three-dimensional structure is described.

Copper (I) binding by metallochaperone transport proteins prevents copper oxidation and release of the toxic ions that may participate in harmful redox ...

Capillary Electrophoresis to Monitor Peptide Grafting onto Chitosan Films in Real Time

Free-solution capillary electrophoresis (CE) separates analytes, generally charged compounds in solution through the application of an electric field. Compared to other analytical separation techniques, such as chromatography, CE is cheap, robust and effectively requires no sample preparation (for a number of complex natural matrices or polymeric samples). CE is fast and can be used to follow the evolution of mixtures in real time (e.g., chemical reaction kinetics), as the signals observed for the separated compounds are directly proportional to their quantity in solution.
Here, the efficiency of CE is demonstrated for monitoring the covalent grafting of peptides onto chitosan films for subsequent biomedical applications. Chitosan&#39;s antimicrobial and biocompatible properties make it an attractive material for biomedical applications such as cell growth substrates. Covalently grafting the peptide RGDS (arginine - glycine - aspartic acid - serine) onto the surface of chitosan films aims at improving cell attachment. Historically, chromatography and amino acid analysis have been used to provide a direct measurement of the amount of grafted peptide. However, the fast separation and absence of sample preparation provided by CE enables equally accurate yet real-time monitoring of the peptide grafting process. CE is able to separate and quantify the different components of the reaction mixture: the (non-grafted) peptide and the chemical coupling agents. In this way the use of CE results in improved films for downstream applications.
The chitosan films were characterized through solid-state NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy. This technique is more time-consuming and cannot be applied in real time, but yields a direct measurement of the peptide and thus validates the CE technique.

Free solution capillary electrophoresis is a fast, cheap and robust analytical method that enables the quantitative monitoring of chemical reactions in real time. Its utility for rapid, convenient and precise analysis is demonstrated here through analysis of covalent peptide grafting onto chitosan films for improved cell adhesion.

Kapillarelektrophorese zum Monitor Peptid Verpflanzen auf Chitosanfilme in Echtzeit

Free-solution capillary electrophoresis (CE) separates analytes, generally charged compounds in solution through the application of an electric field. ...

Using Capillary Electrophoresis to Quantify Organic Acids from Plant Tissue: A Test Case Examining Coffea arabica Seeds

Carboxylic acids are organic acids containing one or more terminal carboxyl (COOH) functional groups. Short chain carboxylic acids (SCCAs; carboxylic acids containing three to six carbons), such as malate and citrate, are critical to the proper functioning of many biological systems, where they function in cellular respiration and can serve as indicators of cell health. In foods, organic acid content can have significant impact on taste, with increased SCCA levels resulting in a sour or &#34;acid&#34; taste. Because of this, methods for the rapid analysis of organic acid levels are of particular interest to the food and beverage industries. Unfortunately, however, most methods used for SCCA quantification are dependent on time-consuming protocols requiring the derivatization of samples with hazardous reagents, followed by costly chromatographic and/or mass spectrometric analyses. This method details an alternate method for the detection and quantification of organic acids from plant material and food samples using free zonal capillary electrophoresis (CZE), sometimes simply referred to as capillary electrophoresis (CE). CZE provides a cost-effective method for measuring SCCAs with a low limit of detection (0.005 mg/ml). This article details the extraction and quantification of SCCAs from plant samples. While the method provided focuses on measurement of SCCAs from coffee beans, the method provided can be applied to multiple plant-based food materials.

Using Capillary Electrophoresis to Quantify Organic Acids from Plant Tissue: A Test Case Examining Coffea arabica Seeds

This article presents a method for the detection and quantification of organic acids from plant material using free zonal capillary electrophoresis. An example of the potential application of this method, determining the effects of a secondary fermentation on organic acid levels in coffee seeds, is provided.

Mit Hilfe der Kapillarelektrophorese organischen Säuren aus Pflanzengewebe zu beziffern: ein Test Untersuchen<em&gt; Coffea arabica</em&gt; Saatgut

Carboxylic acids are organic acids containing one or more terminal carboxyl (COOH) functional groups. Short chain carboxylic acids (SCCAs; carboxylic ...

Monitoring the Effects of Illumination on the Structure of Conjugated Polymer Gels Using Neutron Scattering

We demonstrate a protocol to effectively monitor the gelation process of a high concentration solution of conjugated polymer both in the presence and absence of white light exposure. By instituting a controlled temperature ramp, the gelation of these materials can be precisely monitored as they proceed through this structural evolution, which effectively mirrors the conditions experienced during the solution deposition phase of organic electronic device fabrication. Using small angle neutron scattering (SANS) and ultra-small angle neutron scattering (USANS) along with appropriate fitting protocols we quantify the evolution of select structural parameters throughout this process. Thorough analysis indicates that continued light exposure throughout the gelation process significantly alters the structure of the ultimately formed gel. Specifically, the aggregation process of poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) nano-scale aggregates is negatively affected by the presence of illumination, ultimately resulting in the retardation of growth in conjugated polymer microstructures and the formation of smaller scale macro-aggregate clusters.

A protocol for the analysis of gels formed from the optoelectronic conjugated polymer poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) using small and ultra-small angle neutron scattering in both the presence and absence of illumination is presented.

Überwachung der Auswirkungen der Beleuchtung auf die Struktur des konjugierten Polymer-Gel mit Neutronenstreuung

We demonstrate a protocol to effectively monitor the gelation process of a high concentration solution of conjugated polymer both in the presence and ...

Preparation of Hollow Polystyrene Particles and Microcapsules by Radical Polymerization of Janus Droplets Consisting of Hydrocarbon and Fluorocarbon Oils

In this article, we have demonstrated a method for producing hollow particles and microcapsules using oil droplets consisting of hydrocarbon oil (styrene) and fluorocarbon oil (perfluoro-n-octane, PFO) in aqueous surfactant (sodium dodecylsulfate, SDS) solutions. Since fluorocarbon oils are immiscible with hydrocarbon oils, the two oils are separated. Emulsions are prepared by stirring styrene/PFO/aqueous SDS solution mixtures at 80 &#176;C. The type of emulsions and the morphology of droplets in the emulsions are observed by light microscope and scanning confocal fluorescence microscope. It is found that oil droplets with Janus-type morphologies consisting of mutually immiscible styrene and PFO are formed in aqueous SDS solutions. Polystyrene particles are fabricated by radical polymerization of the ternary mixtures of styrene/PFO/aqueous SDS solution at 80 &#176;C. The morphologies of the polystyrene are confirmed by scanning electron microscopy and scanning transmission electron microscopy observations. These observations show the preparation of hollow polystyrene particles with a single hole on the surface. To our knowledge, this method is a novel strategy using the immiscibility of hydrocarbon and fluorocarbon oils. The hollow particles can also be applied to the preparation of microcapsules.

A protocol for the fabrication of hollow polymer particles and microcapsules by radical polymerization using emulsions consisting of styrene, perfluoro-n-octane, and aqueous SDS (sodium dodecylsulfate) solution is presented.

Vorbereitung der hohlen Polystyrol Partikel und Mikrokapseln durch radikalische Polymerisation von Janus Tröpfchen bestehend aus Kohlenwasserstoff und Fluorcarbon-Öle

In this article, we have demonstrated a method for producing hollow particles and microcapsules using oil droplets consisting of hydrocarbon oil (styrene) ...

Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal structure and probing the hydrogen-bond (H-bond) dynamics of the water molecules adsorbed on solid surfaces are fundamental issues of water science, which remains a great challenge owing to the light mass and small size of hydrogen. Scanning tunneling microscopy (STM) is a promising tool for attacking these problems, thanks to its capabilities of sub-&#197;ngstr&#246;m spatial resolution, single-bond vibrational sensitivity, and atomic/molecular manipulation. The designed experimental system consists of a Cl-terminated tip and a sample fabricated by dosing water molecules in situ onto the Au(111)-supported NaCl(001) surfaces. The insulating NaCl films electronically decouple the water from the metal substrates, so the intrinsic frontier orbitals of water molecules are preserved. The Cl-tip facilitates the manipulation of the single water molecules, as well as gating the orbitals of water to the proximity of Fermi level (EF) via tip-water coupling. This paper outlines the detailed methods of submolecular resolution imaging, molecular/atomic manipulation, and single-bond vibrational spectroscopy of interfacial water. These studies open up a new route for investigating the H-bonded systems at the atomic scale.

Here, we present a protocol to investigate the structure and dynamics of interfacial water at the atomic scale, in terms of submolecular resolution imaging, molecular manipulation, and single-bond vibrational spectroscopy.

Erforschung der Struktur und Dynamik von Grenzflächen Wasser mit Scanning Tunneling-Mikroskopie und Spektroskopie

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal ...

Synthesis and Structure Determination of &#181;-Conotoxin PIIIA Isomers with Different Disulfide Connectivities

Peptides with a high number of cysteines are usually influenced regarding the three-dimensional structure by their disulfide connectivity. It is thus highly important to avoid undesired disulfide bond formation during peptide synthesis, because it may result in a completely different peptide structure, and consequently altered bioactivity. However, the correct formation of multiple disulfide bonds in a peptide is difficult to obtain by using standard self-folding methods such as conventional buffer oxidation protocols, because several disulfide connectivities can be formed. This protocol represents an advanced strategy required for the targeted synthesis of multiple disulfide-bridged peptides which cannot be synthesized via buffer oxidation in high quality and quantity. The study demonstrates the application of a distinct protecting group strategy for the synthesis of all possible 3-disulfide-bonded peptide isomers of &#181;-conotoxin PIIIA in a targeted way. The peptides are prepared by Fmoc-based solid phase peptide synthesis using a protecting group strategy for defined disulfide bond formation. The respective pairs of cysteines are protected with trityl (Trt), acetamidomethyl (Acm), and tert-butyl (tBu) protecting groups to make sure that during every oxidation step only the required cysteines are deprotected and linked. In addition to the targeted synthesis, a combination of several analytical methods is used to clarify the correct folding and generation of the desired peptide structures. The comparison of the different 3-disulfide-bonded isomers indicates the importance of accurate determination and knowledge of the disulfide connectivity for the calculation of the three-dimensional structure and for interpretation of the biological activity of the peptide isomers. The analytical characterization includes the exact disulfide bond elucidation via tandem mass spectrometry (MS/MS) analysis which is performed with partially reduced and alkylated derivatives of the intact peptide isomer produced by an adapted protocol. Furthermore, the peptide structures are determined using 2D nuclear magnetic resonance (NMR) experiments and the knowledge obtained from MS/MS analysis.

Cysteine-rich peptides fold into distinct three-dimensional structures depending on their disulfide connectivity. Targeted synthesis of individual disulfide isomers is required when buffer oxidation does not lead to the desired disulfide connectivity. The protocol deals with the selective synthesis of 3-disulfide-bonded peptides and their structural analysis using NMR and MS/MS studies.

Synthese und Strukturaufklärung von µ-vor PIIIA Isomere mit verschiedenen Disulfid Verschaltungen

Peptides with a high number of cysteines are usually influenced regarding the three-dimensional structure by their disulfide connectivity. It is thus ...

Large-scale Top-down Proteomics Using Capillary Zone Electrophoresis Tandem Mass Spectrometry

Capillary zone electrophoresis-electrospray ionization-tandem mass spectrometry (CZE-ESI-MS/MS) has been recognized as a useful tool for top-down proteomics that aims to characterize proteoforms in complex proteomes. However, the application of CZE-MS/MS for large-scale top-down proteomics has been impeded by the low sample-loading capacity and narrow separation window of CZE. Here, a protocol is described using CZE-MS/MS with a microliter-scale sample-loading volume and a 90-min separation window for large-scale top-down proteomics. The CZE-MS/MS platform is based on a linear polyacrylamide (LPA)-coated separation capillary with extremely low electroosmotic flow, a dynamic pH-junction-based online sample concentration method with a high efficiency for protein stacking, an electro-kinetically pumped sheath flow CE-MS interface with extremely high sensitivity, and an ion trap mass spectrometer with high mass resolution and scan speed. The platform can be used for the high-resolution characterization of simple intact protein samples and the large-scale characterization of proteoforms in various complex proteomes. As an example, a highly efficient separation of a standard protein mixture and a highly sensitive detection of many impurities using the platform is demonstrated. As another example, this platform can produce over 500 proteoform and 190 protein identifications from an Escherichia coli proteome in a single CZE-MS/MS run.

A detailed protocol is described for the separation, identification, and characterization of proteoforms in protein samples using capillary zone electrophoresis-electrospray ionization-tandem mass spectrometry (CZE-ESI-MS/MS). The protocol can be used for the high-resolution characterization of proteoforms in simple protein samples and the large-scale identification of proteoforms in complex proteome samples.

Groß angelegte Top-Down-Proteomik mit Kapillare Zone Elektrophorese Tandem-Massenspektrometrie

Capillary zone electrophoresis-electrospray ionization-tandem mass spectrometry (CZE-ESI-MS/MS) has been recognized as a useful tool for top-down ...

High-throughput and Comprehensive Drug Surveillance Using Multisegment Injection-Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry

New analytical methods are urgently needed to enable high-throughput, yet comprehensive drug screening, given an alarming opioid and prescription drug crisis in public health. Conventional urine drug testing based on a two-tier immunoassay screen followed by a gas chromatography-tandem mass spectrometry (GC-MS/MS) or liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) method are expensive and prone to bias while being limited to targeted panels of known drugs of abuse (DoA). Herein, we outline an improved method for drug surveillance that allows for the resolution and detection of an expanded panel of DoA and their metabolites when using multisegment injection-capillary electrophoresis-mass spectrometry (MSI-CE-MS). Multiplexed separations of ten urine samples with a quality control by CE (&lt; 3 min/sample) in conjunction with full-scan data acquisition using a time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS) under positive ion mode detection allows for the identification and quantification of DoA above recommended cut-off levels. An excellent resolution of drug isomers and isobars, including background interferences, are achieved when using MSI-CE-MS with an electrokinetic spacer between sample segments, where accurate mass/molecular formula together with the comigration of a matching deuterated internal standard and the detection of one or more bio-transformed metabolites facilitate DoA identification over a wider detection window. Additionally, urine samples can be analyzed directly without enzyme deconjugation for the rapid screening without complicated sample workup. MSI-CE-MS enables the surveillance of a broad spectrum of DoA that is required for the treatment monitoring of high-risk patients, including confirming prescribed drug adherence, revealing illicit drug use/substitution, and evaluating optimal dosage regimes as required for new advances in precision medicine.

Here we describe a high-throughput method for comprehensive drug surveillance that allows for the improved resolution and detection of large panels of drugs of abuse and their metabolites, with quality control based on multisegment injection-capillary electrophoresis-mass spectrometry.

High-Throughput und umfassende Droge-Überwachung mittels Massenspektrometrie Multisegment-Injektion-Kapillar-Elektrophorese

New analytical methods are urgently needed to enable high-throughput, yet comprehensive drug screening, given an alarming opioid and prescription drug ...