水滴作为酶促微反应器及其电磁驱动

该装置的总体目标是提供一种新的微流控平台技术，实现在微小水相液滴中自动进行级联反应。该方法通过重现微生物利用酶催化复杂反应序列的过程并筛选新型催化剂，有望解答合成生物学领域的一些关键问题。我们这种“液滴实验室”方法的主要优势在于其高度的适应性。

与基于通道的微流控芯片不同，该方法的唯一前提是具有亲水性反应环境。尽管该方法可用于研究酶促反应，但也适用于其他体系，例如无机催化剂或配体串联反应。当我尝试设计一种集成了产物分离功能但无需复杂阀门和分离系统的微流控装置时，首次提出了这一方法的构想。

通过以液滴形式移动反应溶液，反应控制变得非常简单。首先，使用3D打印技术设计线圈骨架。然后，使用绕线机将每个骨架用0.08毫米的铜线各缠绕4500次。

将帕尔贴元件放置在电路板上。将第一层线圈拧到帕尔贴元件上，形成一个正方形。然后，使用3D打印的塑料框架或其他非导电材料将第二层线圈固定在上方。

使用带状电缆将电路板连接至磁体控制器。将钕磁铁插入线圈中。在线圈阵列上方放置一片厚度为一毫米的石英玻璃或塑料板。

用螺丝固定盖子，完成驱动平台的组装。在惰性气氛下开始纳米颗粒合成时，首先将85克六水合三氯化铁和3克四水合二氯化铁溶于200毫升体积比为4:1的水-乙醇溶液中。然后加入0.2毫升PFOTES，并用磁力搅拌子以500 RPM的速度搅拌混合物。

加入1.5摩尔的氢氧化铵至混合物中，调节pH至8.0。然后继续搅拌溶液24小时，以获得疏水性磁性纳米颗粒。将一个吸附力为25千克的条形磁铁固定在反应烧瓶底部。

倒掉溶液，用四份水与一份乙醇的混合溶液洗涤颗粒三次。移除磁铁，将颗粒在60摄氏度下干燥24小时。采用扫描电子显微镜对颗粒进行表征。

在含有10毫摩尔过氧化氢的0.1摩尔pH 6.5磷酸钾缓冲液中配制0.1微克/毫升辣根过氧化物酶溶液。然后，在磷酸钾缓冲液中配制20微摩尔荧光探针10-乙酰基-3,7-二羟基吩噁嗪溶液。接着，使用玻璃研钵和研杵轻轻研磨干燥的纳米颗粒。

将颗粒转移至聚苯乙烯称量盘中，加入10 µL过氧化物酶溶液。轻轻摇动称量盘约10秒，使纳米颗粒在过氧化物酶溶液周围自组装。将该微反应器转移至驱动平台。

使用 10 微升荧光探针溶液重复此过程，并将第二个微反应器放置在平台上。将剩余的颗粒在室温下保存。使用帕尔帖元件将微反应器中的反应溶液保持在 25 摄氏度。

将荧光显微镜安装在微反应器上方约10毫米处，并将显微镜连接至计算机。通过磁控装置启动磁体，并旋转以将含有荧光探针溶液的微反应器置于显微镜下。打开激发光源。

升起线圈磁铁以打开微反应器，并开始记录荧光显微镜图像。2到5秒后，降下磁铁以关闭微反应器。然后，使用磁铁控制器将过氧化物酶微反应器移动至荧光微反应器附近。

打开荧光探针微反应器。将过氧化物酶微反应器拉入探针微反应器中并开启，以启动反应。根据需要通过荧光显微镜观察反应，并打开或关闭合并的微反应器。

通过使用疏水性铁纳米颗粒对溶液液滴进行编码，构建了微反应器。通过操控驱动平台下方的钕磁铁，可实现对这些微反应器的移动、开启、关闭和融合。驱动平台的线圈本体中也可加入铁芯进行构建。

这提供的磁力足以使微反应器移动超过10毫米，但不足以打开微反应器。因此，必须使用钕磁铁在小体积溶液中进行反应。本研究进行了一项过氧化物酶与荧光标记物之间的代表性酶促反应，并通过荧光显微镜进行监测。

反应过程中观察到的米氏动力学与文献值吻合良好，表明微反应器装置不会影响反应进程。观看本视频后，您应能够充分理解如何合成疏水性微粒，并利用这些微粒生成水相微滴。该平台技术可通过液滴合并实现自动化反应控制。

此外，可将装有底物的单个微反应器移动到固定化酶的小面积区域上方。利用含有不同酶的多个固定化区域，可实现具有可转移且即时产物的连续反应级联。该原型开发仅是开端。

目前，我们正在反应平台上方构建一套自动化分配系统，以将固定化酶沉积至任意位置。线圈矩阵将扩展至10乘10个位置。该技术可为计算机控制的生化反应序列设计与执行奠定基础。