微流控系统中动态质子-氘交换的观察

对化学物质在微尺度上混合和反应的动态演变进行可视化的需求正在增加。这种可视化有各种各样的应用;从控制药物在微流通道中的合成到监测活细胞实验中药物的摄取。

来自Daylight Solutions公司的Spero显微镜是一种独一无二的显微镜，能够以高空间分辨率和实时视频速率监控大区域的微尺度化学流动。

Spero显微镜

这Spero显微镜采用可调谐激光技术作为光源。它将窄波段的红外激光照射到样品上。光的频率可以在指纹中红外光谱范围内进行调整，以匹配目标化合物的分子吸收峰，在检测器上生成特定官能团的化学对比图像。

用户可以完全控制这种照明的激发频率，并且可以在同一视场内以视频帧率同时成像各种化学物质。全红外光谱可以通过在感兴趣的频率范围内调节激光源得到。

其他红外方法，如傅里叶变换红外(FTIR)微光谱，在动态过程监测方面还没有取得很大成功。此外，这些方法在空间分辨率和动态响应方面受到高度限制。

Spero显微镜是唯一一种能够实时提供动态和空间化学数据的红外成像方法。Spero显微镜是第一个也是唯一一个使用量子级联激光器(QCL)的红外显微镜。

QCL源比FTIR仪器通常使用的Globar源亮5个数量级，比同步加速器源亮3个数量级。它有能力使用大格式，非冷却微辐射热计阵列探测器和更高的灵敏度。该探测器提供了更好的线性动态范围的中红外检测，像素密度为480 x 480，读取速率为30 fps。他们是高度可靠的，不需要任何冷却时间或低温。

Spero非常适合实时测量;其中确定官能团和化学数据的空间分布取自动态过程。应用包括反应监测，熔化，扩散研究，液液相互作用，微流体，流动化学和结晶和研究。还可以进行各种应用，例如亲和研究和活细胞中药物反应的观察。

可视化化学和流动在微流体系统

利用Spero显微镜观察了氧化氘与微流控电池内的水流进行氘/质子交换过程中HOD物种的形成和分布。

Spero卓越的实时成像能力有助于在用户首选的红外频率下，以1.4µm /像素的分辨率，以30 fps的完整视频观察扩散、流动动力学、平流和反应产物。任何像素的吸收时间历史都可以从视频帧中提取出来。最后，可以测量完整的数据立方体，并可以提取每个光谱进行分析。

实验的程序

Spero显微镜的标准配置，带有12.5 x 0.7 NA物镜，视野为650µm x 650µm，用于成像。数据立方体是在传输模式下收集的，范围从1800厘米到900厘米^{- 1}．

采用离散频率照明在1640,1442和1200厘米^－1，记录视频，该视频分别对应于H-O-H，H-O-D和D-O-D的近似吸光度最大值。该视频记录在灰度和各种高对比度调色板中，可在化工软件内提供。

由于在4cm的分辨率下记录高光谱图像立方体，因此收购时间仅为5分钟^－1横跨1800至900cm的光谱范围^－1．一个3毫米厚的咖啡馆₂窗口作为图像和数据立方体的背景参考。使用了带有“+”结的定制微流池，提供层流和屏蔽流的配置，或最多三个直角集成流。两个CaF之间的聚四氟乙烯间隔层厚度为20µm，通道宽度约为100µm₂窗户

使用注射器泵，控制流量;（新时代，型号NE-400）配有5毫升塑料桶注射器。如注射器泵报道，数据立方体的流速和相应的视频是每小时约20μl。氧化氘，（剑桥同位素实验室Inc.）和去离子水在室温下使用。细胞的温度没有控制。

仪器控制、数据立方体和视频采集是可能的ChemVision^TM值那Daylight解决方案软件．MATLAB(MathWorks)和ImageLab (Epina GmbH)用于后处理。

结果与讨论

图1说明了H的相互作用₂o与D.₂O，流速约为250µL/min。在D-OD和H-OH最大吸光度对应的频率下获得图像。每个图像代表650µm × 650µm的面积，由230,400个独立像素组成。

图1。H的离散频率图像₂o和D.₂在特征吸光度下微流体通道内流动。视频记录在1640厘米^－1显示传输图像，其中H₂O是黑色的，D是₂O是白色的。

ChemViSion软件图像可以在灰度或许多颜色方案中获得以改善对比度。每个像素是透射率值，与先前测量的背景比率。在这些图像中，h₂O在两个通道中以与侵入的D成直角的角度流入细胞₂o流。图像揭示了入侵区的形状和两个液体的清晰描绘。PTFE细胞间隔物具有与D重合的吸光度带₂o吸收（1200厘米最大），因此在图像中看起来很暗。

图2中的图像仍然是从H录制的视频片段中拍摄的帧₂O D₂O和HOD的吸光度最大，流速为20µL/h。

在这个流速下，限制阻止了水从较低的渠道流动。光照1640厘米^－1结果表明，在界面处存在层流现象₂o和D.₂O流。将频率修改为HOD在1442 cm处的最大吸光度^－1，质子/氘核交换发生的区域及其分布羽流明显可见。

如在较早的图中，可以使用鼠标和图像内的左键打开每个频率的视频。为了展示流动的动态性质，泵经常脉冲，这扰乱了流动来表示运动。

图2。H的离散频率视频₂o和D.₂O界面与质子氘交换区在1442 cm处清晰可见^－1

图1和2是使用的Spero的实时化学成像模式．很明显，通过选择合适的官能团频率可以获得空间化学数据。

下一步是收集完整的超光谱图像立方体。在该模式中，测量整个IR频率，导致X-Y轴上的样品的2D空间图像，并且在Z轴上的IR吸光度。在这种模式下，可以在230,400像素中的任何一个中提取完整的完全比的IR光谱。

可以以多种方式从实验中获得动力学数据。从图像立方体拍摄的光谱可以连接到光标位置。只需单击鼠标左键，页面上的图像将为光标设置动画并显示连接的光谱。所使用的颜色托盘取决于记录的吸光度强度，从低（蓝色）到高（红色），并匹配HOD浓度。

HOD的羽流是明显可见的，跨越流动界面的浓度梯度也是如此。提取通过该界面的一条像素线的光谱，并用于构建归一化净面积与像素数的图，如图4所示。在这一点上，积分面积归一化到单位从特征吸光度带为H₂O D₂O，并且HOD绘制了相对于像素的位置。

该图显示最高浓度的HOD，对于产品比例为1：1反应物，对其的反应物₂o和D.₂o集成净吸光度相交。通过校准，该吸光度图可以直接与浓度相关联。可以在使用许多对比度增强的频率下示出图像，例如双变量或单变量峰值高度或面积比，到高级多变量化学计量算法。

图3显示了HOD物种(1442 cm)对应的红外频率下的细胞^{- 1}．

右边面板中的频谱与左边面板上的光标位置相匹配。这个谱可以与时间有关，如果流量是精确已知的，使用距离时间计算。如图2所示，可以使用离散频率成像，其中在反应期间记录30帧每秒的视频。视频帧中的每个像素都有一个完全比值的吸光度(或透光率)值，可以提取并绘制与帧数计算的时间的比值。

图3。ImageLab显示D的图像立方体₂O / H₂O流显示在1442厘米处的吸光度图像^－1对应于HOD的吸收。红色表示高吸光度。右边的链接光谱对应光标位置。

图4。D的归一化面积与像素的直方图₂O H₂O, d HOD

图像立方体中的光谱数据可以以多种形式显示，从简单的光谱与像素位置的瀑布图(如图5所示)到流道内零件的复杂3D插图。图6为H浓度的三维示意图₂O(蓝色)，HOD(红色)和D₂流体通道内的O（绿色）。

图5。H瀑布图₂O D₂o和hod spectra穿过h₂O D₂O接口。

图6。基于H浓度的三维表示₂O(蓝色)，HOD(红色)和D₂流体通道内的O（绿色）。

总结

红外光谱是一种重要的工具，可以识别、测量和趋势反应成分随时间的变化。Spero利用这一能力在大范围内量化化学成分，并实时可视化它们的交互和分布。

Spero提供了微流体和流体化学实验中的对反应物，产品和中间体的空间分布，例如反应物，产品和中间体的空间分布，流动动力学扩散/分区，平流和运输，浓度和动力学的新颖性。

此信息已从Daylight Solutions Inc.提供的材料中获取、审查和改编。欧洲杯足球竞彩

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