Questo lavoro è stato supportato dal National Natural Science Foundation della Cina (nn. 51420105006 e 51322501). Grazie Daniel per la sua utile discussione sulle idee ad alta viscosità.

<ol>
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A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactions+in+double+emulsions+by+flow-controlled+coalescence+of+encapsulated+drops.">Reactions in double emulsions by flow-controlled coalescence of encapsulated drops.</a> Lab Chip. 11, 2312-2315 (2011).</li><li>Wang, P., Li, J., Nunes, J., Hao, S., Liu, B., Chen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+micro-reactor+for+internal+gelation+to+fabricate+ZrO2+ceramic+microspheres.">Droplet micro-reactor for internal gelation to fabricate ZrO2 ceramic microspheres.</a> J. Am. Ceram. Soc. 100, 41-48 (2017).</li><li>Chen, H., Man, J., Li, Z., Li, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+generation+of+high-viscosity+droplets+by+surface-controlled+breakup+of+segment+flow.">Microfluidic generation of high-viscosity droplets by surface-controlled breakup of segment flow.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 9, 21059-21064 (2017).</li><li>Man, J., Li, Z., Li, J., Chen, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+inversion+of+slug+flow+on+step+surface+to+form+high+viscosity+droplets+in+microchannel.">Phase inversion of slug flow on step surface to form high viscosity droplets in microchannel.</a> Appl. Phys. Lett. 110, 181601 (2017).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Il dispositivo di inversione di fase del co-flusso fornisce un metodo semplice e dritto in avanti per generare goccioline ad alta viscosità monodispersi. Questo dispositivo ha una struttura simile ai comuni dispositivi di co-flow, come la struttura di base del co-flusso è costituito da un tubo interno inserito nel tubo centrale, l'uscita di cui è collegato al tubo di uscita. Tuttavia, ci sono due principali differenze tra il dispositivo di co-flusso inversione di fase e comune co-flusso dispositivo per la generazione di goccioline ad alta viscosità con una viscosità di η > 1 PA · s.
In primo luogo, nei dispositivi comuni co-flow, viene utilizzato un tubo interno con una punta conica, mentre un tubo diritto interno può essere utilizzato nei dispositivi di co-flusso inversione di fase. La punta conica in genere ha I.D. = 20 μm e O.D. = 30 μm1,8, in modo che un estrattore di pipetta è solitamente necessario per rendere la punta conica. Nel dispositivo del co-flusso inversione di fase, un tondo tubo di vetro con diametro interno = 100-200 μm può essere utilizzato direttamente senza essere affusolato.
In secondo luogo, in comune con dispositivi di co-flow, un fluido ad alta viscosità viene iniettato nel tubo interno per essere incapsulato da un fluido a bassa viscosità; mentre in dispositivi di co-flusso inversione di fase, un liquido di bassa viscosità viene iniettato nel tubo interno per essere incapsulato da un fluido ad alta viscosità, che è molto più facile da realizzare. Ad esempio, quando usiamo un comune dispositivo di co-flow per generare goccioline di glicerolo in paraffina liquida, il rapporto della velocità di flusso Qo/Qw dovrebbe essere almeno 25 per realizzare un ben controllato stillicidio modalità, che si traduce in una frazione di volume delle goccioline di glicerolo non superiore al 4%. Al contrario, nei dispositivi di co-flusso inversione di fase, la portata nominale rapporto Qo/Qw può essere basso come 2,5 per realizzare una modalità ben controllato stillicidio, pertanto, può essere realizzata una frazione di volume del 28% delle goccioline di glicerolo.
Nel dispositivo del co-flusso inversione di fase, l'inversione di fase è indotta dal disfacimento della gocciolina dell'olio prolungati all'uscita idrofobico del tubo centrale. Pertanto, il trattamento di superficie bagnabilità dell'uscita del tubo centrale è un passo fondamentale per il metodo di inversione di fase, dove l'uscita del tubo centrale dovrà essere trattato per essere bagnata dalla fase di bassa viscosità per indurre l'inversione di fase. Inoltre, c'è un tasso di portata critica sopra la quale le goccioline dell'olio prolungati saranno non disfacimento e la fase di inversione non avverrà successivamente24. Quando le goccioline di olio non rottura all'uscita idrofobo, abbassare i tassi di flusso di entrambi i fluidi con un rapporto di tasso di flusso fisso, fino a quando le goccioline dell'olio prolungati rompono e inducono l'inversione di fase. Inoltre, se sia il fluido ad alta viscosità e bassa viscosità fluido hanno simili bagnabilità sulla superficie trattata, il metodo di inversione di fase sarebbe non valido.
Anche se forniamo solo i protocolli e gli esempi per la generazione di acquose ad alta viscosità goccioline in questo lavoro, il dispositivo di inversione di fase del co-flusso utilizzabile anche per generare goccioline d'olio ad alta viscosità in soluzioni acquose di bassa viscosità23. In un dispositivo, a Monte del tubo centrale deve essere trattata per essere bagnata dalla fase ad alta viscosità, mentre l'uscita del tubo centrale deve essere trattata per essere bagnata dalla fase di bassa viscosità. Il dispositivo di inversione di fase del co-flusso fornisce un metodo semplice per fluidi ad alta viscosità di incapsulare in modo ben controllato a sviluppare rapidamente applicazioni basate su goccia.

La generazione di goccioline sta diventando una tecnologia chiave in una varietà di applicazioni, come ad esempio la consegna della droga, sintesi di materiali, 3D multimateriali, analisi delle cellule e cibo ingegneria1,2,3,4 , 5 , 6. dispositivi microfluidici con incrocio a t7,8, co-flusso1,9, o flusso di messa a fuoco10,11 strutture sono ampiamente usati per generare monodispersi goccioline di emulsione singola. Selezione di una fase continua più viscosa faciliterà la formazione di goccioline12, e la viscosità dei fluidi sia continui e dispersi sono comunemente sotto 0,1 Pas gocciolina microfluidica13. Tuttavia, in molte applicazioni, la fase dispersa può avere una viscosità diverse centinaia di volte superiore a quella dell'acqua, come il glicerolo14, soluzioni contenenti nanoparticelle15, proteine16o polimeri17 , 18 , 19, mentre è difficile raggiungere le goccioline monodispersi direttamente da fluidi ad alta viscosità in una stalla grondante regime11 in dispositivi microfluidici, soprattutto per fluidi con viscosità di η > 1 PA · s14 ,17,18,19. Inoltre, è stato segnalato13,18 che microfluidici tipici metodi per la formazione di goccioline richiedono fluidi con viscosità relativamente bassa e moderata tensione interfacciale per formare goccioline uniformi in un stabile gocciolante regime.
Per una fase dispersa con una viscosità leggermente maggiore di 0,1 Pas, ci sono diversi approcci possibili per facilitare la formazione della gocciolina con tipico incrocio a t, co-flow o flusso di messa a fuoco dispositivi microfluidici: (1) diminuzione della viscosità dei dispersi fase di diluirlo in un solvente volatile11,20; (2) diminuire il rapporto di viscosità dispersi-a-continuo aumentando la viscosità della fase continua1,11; (3) diminuire la portata della fase dispersa su un valore estremamente basso, mantenendo un alto flusso continuo--dispersi tasso rapporto 14,19. Tuttavia, questi approcci non sono pratici per fluidi con viscosità molto più alto, come si abbasserà significativamente il tasso di produzione, aumentando drasticamente il consumo del solvente volatile o la fase continua. In aggiunta, è stato segnalato che alcune soluzioni di polimero ad alta viscosità con η > 1 PA · s ancora non hanno rotto in goccioline con gli approcci di cui sopra17,19.
Ci sono anche parecchi disegni migliorati di dispositivi microfluidici che introducono una terza fase del fluido nel sistema, che facilita la generazione di goccioline ad alta viscosità. Le innovazioni includono: bolle introdotte per tagliare un filo di trivellazione a getto in goccioline21, un fluido chaperoning immiscibile con viscosità moderata, introdotto come la fase intermedia tra la fase di dipsersed e la fase continua18, e microreattori introdotto per generare goccioline ad alta viscosità da due precursori di bassa viscosità21,22,23. Tuttavia, come un più fluido è coinvolto nel processo, il sistema diventa più complicato e i dispositivi di solito lavorano in un regime di flusso molto più ristretto rispetto ai tipici dispositivi per la generazione di goccioline di emulsione singola.
Per generare monodispersi goccioline direttamente da un fluido ad alta viscosità con η > 1 PA · s, metodi di inversione di fase controllata di superficie sono stati studiati24. Come la generazione di goccioline di bassa viscosità è molto più facile di quello di goccioline ad alta viscosità12, allungate bassa viscosità goccioline in una fase di continua ad alta viscosità innanzitutto vengono generate utilizzando una struttura tipica co-flow e quindi sono suddivisi in due al cambiamento di bagnabilità superficiale a valle della struttura co-flow. Il fluido rilasciato di bassa viscosità inversamente incapsula il fluido ad alta viscosità a valle in goccioline affinché inversione di fase è stata completata. Secondo il meccanismo di inversione di fase, possono essere generate goccioline ad alta viscosità monodispersi basato su un dispositivo tipico co-flow, mentre l'uscita del dispositivo co-flow è trattata per essere bagnata dal liquido a bassa viscosità e quindi collegato ad un tubo più largo24 ,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

La generazione di monodisperse goccioline ad alta viscosità è sempre stata una sfida in gocciolina microfluidica. Qui, dimostriamo un dispositivo di co-flusso di inversione di fase per generare goccioline ad alta viscosità uniforme in un fluido a bassa viscosità. Il dispositivo capillare di microfluidica ha una struttura comune di co-flow con relativa uscita di collegamento ad un tubo più largo. Allungata goccioline del liquido a bassa viscosità vengono incapsulate in primo luogo dal fluido ad alta viscosità nella struttura del co flusso. Le goccioline di bassa viscosità allungate scorrono attraverso l'uscita, che è trattata per essere bagnata dal liquido a bassa viscosità, inversione di fase quindi è indotta dall'adesione delle goccioline bassa viscosità fino alla punta dell'uscita, che si traduce nell'inverso successiva incapsulamento del fluido ad alta viscosità. La dimensione delle goccioline ad alta viscosità risultante può essere regolata modificando il rapporto di tasso di flusso del fluido bassa viscosità al fluido ad alta viscosità. Dimostriamo diversi esempi tipici della generazione di goccioline ad alta viscosità con viscosità fino a 11,9 Pas, come soluzione di glicerolo, miele, amido e polimero. Il metodo fornisce un approccio semplice e diretto per generare goccioline ad alta viscosità monodispersi, che possono essere utilizzate in una varietà di applicazioni basate su goccia, come sintesi dei materiali, consegna della droga, l'analisi delle cellule, Bioingegneria e cibo Ingegneria.

Un dispositivo di microfluidica capillare con un'inversione di fase, struttura del co-flusso è stato progettato per generare monodispersi acquoso goccioline ad alta viscosità, come mostrato in Figura 1A. Nella Figura 1, la fase acquosa ad alta viscosità è stato il glicerolo, che ha una viscosità di ηw = 1,4 Pas; la fase di olio a bassa viscosità era paraffina liquida, che ha una viscosità di ηo = 0,029 Pas; la tensione superficiale tra le due fasi è γ = 27,7 mN/m. Nel tubo centrale, le goccioline dell'olio prolungati possono essere incapsulate di glicerolo in un ben controllato stillicidio modalità9,13, perché la viscosità del glicerolo è molto superiore a quello di paraffina liquida e i numeri di capillari, Ca , di entrambe le fasi sono basso quanto 10-4- 10-2, dove Ca = ηU/γ, U = Q/A è la velocità media del fluido, e A è l'area della Croce sezione del canale. Come le goccioline dell'olio prolungati scorrevano fuori l'uscita del tubo centrale in un più ampio tubo esterno, come mostrato in Figura 1B, le goccioline di olio si è rotto all'estremità idrofoba del tubo centrale e inversamente incapsulato il tappo a valle del glicerolo, affinché le goccioline ad alta viscosità glicerolo sono state ottenute, come mostrato in Figura 1. Fintanto che la dimensione delle gocce e la distanza tra qualsiasi due gocce d'olio adiacenti sono mantenuti invariati, le goccioline di glicerolo formato sarà monodispersi24,25. Le immagini in Figura 1B-C sono state ottenute utilizzando il dispositivo di passaggio 1 e il seguente protocollo sperimentale passaggio 4. Le goccioline di glicerolo generate in Qo = 30 uL/min e Qw = 10 uL/min sono mostrati in Figura 1, in cui le goccioline avevano un diametro medio di 521 μm e il coefficiente di variazione (CV) del dimensione delle gocce, definita come la deviazione standard divisa per la dimensione delle gocce medio, era CV = 0,9%, che indica le goccioline sono stati monodispersi.
La dimensione delle goccioline ad alta viscosità può essere registrata modificando il tasso di flusso rapporti Qo/Qw con un fisso Qw. Una serie di tipici risultati sperimentali, ottenuti dagli esperimenti seguendo il protocollo passo 5 con il dispositivo di passaggio protocollo 2, è illustrata nella Figura 2. Come Qw è stato risolto, la dimensione delle gocce è diminuita con l'aumento di Qo. Aumentando ulteriormente il rapporto della velocità di flusso potrebbe essere resa più piccole goccioline, tuttavia la frazione di volume delle gocce sarebbe diminuito di conseguenza e non ci sarebbe stato un drammatico aumento della resistenza totale e pressione interna all'interno dei dispositivi. Di conseguenza, all'interno della gamma di rapporto di tasso di flusso in Figura 2, la dimensione delle gocce era paragonabile al diametro interno del tubo centrale.
La dimensione delle gocce può essere ulteriormente diminuita quando viene utilizzato un dispositivo con tubi più piccoli. I risultati sperimentali tipici, seguendo il protocollo passo 4 con il dispositivo dal passaggio del protocollo 3, sono mostrati in Figura 3, dove il tubo centrale aveva un'identita ' = 200 μm.
Lo stesso dispositivo dal passaggio di protocollo 2 può essere utilizzato per generare monodispersi goccioline da vari fluidi ad alta viscosità, che hanno viscosità superiori a glicerolo. I risultati tipici di monodisperse gocce di miele (11 Pas), soluzione di amido (8,5 Pas) e soluzione di polimero (2,5 Pas) sono mostrati in Figura 4. La preparazione dei fluidi nella Figura 4 è dettagliata nel passaggio di protocollo 6.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57313/57313fig1.jpg"> Figura 1: generazione di goccioline di glicerolo ad alta viscosità a bassa viscosità paraffina liquida utilizzando il dispositivo di inversione di fase co-flusso. Schema (A) i dispositivi di co-flusso inversione di fase. (B), l'osservazione della generazione delle goccioline glicerolo da olio-in-glicerolo flusso slug nel tubo centrale per l'emulsione singola di glicerolo in olio nel tubo esterno. (C) tempo immagini di sequenza del processo di inversione di fase. (D) le goccioline di glicerolo monodisperse e la distribuzione di dimensione delle goccioline. Il diametro medio delle goccioline è 521 μm e CV = 0,9%. Ristampato con il permesso da [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Le barre di scala sono 500 μm. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57313/57313fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57313/57313fig2.jpg"> Figura 2: variazione della dimensione delle gocce con il cambiamento del rapporto di tasso di flusso QO/QW mentre QW = 2 μL/min Per ogni punto di dati, 30 gocce sono misurati, e il diametro medio è segnalato. Come le barre di errore della deviazione standard sono più piccole del simbolo utilizzato nella trama, non sono illustrate qui. Ristampato con il permesso da [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57313/57313fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57313/57313fig3.jpg"> Figura 3: più piccole goccioline di glicerolo generate dal dispositivo con il tubo centrale di I.D. = 200 μm. (A) l'osservazione della generazione di goccioline di glicerolo nel tubo esterno del dispositivo. (B), il glicerolo risultante monodispersi goccioline con un diametro medio di 212 μm e CV = 1,9%. Ristampato con il permesso da [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Le barre di scala sono 200 μm. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57313/57313fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57313/57313fig4.jpg"> Figura 4: esempi tipici di goccioline ad alta viscosità generate da diverse soluzioni. Ristampato con il permesso da [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. (A) miele goccioline con un diametro medio di 612 CV e μm = 0,7%. (B) amido goccioline con un diametro medio di 600 μm e CV = 0,9%, (C) PVA-124 goccioline di polimero con un diametro medio di 773 μm e CV = 0,7%. Tutte le barre di scala sono 1,0 mm. <a href="https://cloudflare-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/57313/57313fig4large.jpg" target="_blank">per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

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

Fabbricando goccioline ad alta viscosità mediante capillare dispositivo microfluidico con struttura di co-flusso di inversione di fase

Un dispositivo di co-flusso di inversione di fase è dimostrato per generare goccioline ad alta viscosità monodispersi sopra 1 Pas, che è difficile da realizzare in gocciolina microfluidica.

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 Views.  University of Science and Technology Beijing. Un dispositivo di co-flusso di inversione di fase è dimostrato per generare goccioline ad alta viscosità monodispersi sopra 1 Pas, che è difficile da realizzare in gocciolina microfluidica.

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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.

Realizzazione nanogap da Nanoskiving

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

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Chimica

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.

Elettroforesi capillare per monitorare Peptide innesto su Chitosano film in tempo reale

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.

Usando elettroforesi capillare per quantificare Acidi organici da tessuti vegetali: un banco di prova d&#39;esame<em&gt; Coffea arabica</em&gt; Semi

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.

Monitoraggio degli effetti di illuminazione sulla struttura del gel di polimeri coniugati utilizzando lo Scattering di neutroni

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.

Preparazione di Cave particelle di polistirene e microcapsule tramite polimerizzazione radicale di goccioline di Janus composto da idrocarburi e oli Fluorocarbon

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.

La struttura e la dinamica di acqua interfaccia con Tunneling di microscopia e spettroscopia di sondaggio

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.

Sintesi e determinazione della struttura di µ-conotossina PIIIA isomeri con bisolfuro diverse connettività

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.

Proteomica di Top-down su larga scala usando la spettrometria totale in Tandem elettroforesi capillare zona

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.

Sorveglianza dei medicinali ad alta produttività e completa usando la spettrometria totale multisegmento elettroforesi di iniezione-capillare

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