Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Слияние концентрации ионов поляризация между Сочетавший ионообменные мембраны для блокирования распространения радиоволн в поляризационных зоны

Published: February 23, 2017 doi: 10.3791/55313
Automatic Translation
1,2, 1,3, 1, 1, 1
1Center for BioMicrosystems, Korea Institute of Science and Technology, 2Department of Mechanical Engineering, Seoul National University, 3Department of Industrial Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign

Summary

Протокол к новой концентрации ионов поляризация (ICP) платформу, которая может остановить распространение зоны ICP, независимо от условий эксплуатации описана. Эта уникальная способность платформы заключается в использовании слияния ионную истощение и обогащение, которые являются двумя полярностей ПМС явления.

Abstract

Концентрация ионов поляризация (ИСП) явление является одним из наиболее преобладающих методов предконцентрат низкой плотности залегания биологических образцов. ICP индуцирует неинвазивный область для заряженных биомолекул (т.е. ион Истощение зона), и цели могут быть preconcentrated на этой области границы. Несмотря на высокие концентрирование выступления с ПМС, то трудно найти условий эксплуатации, не являющихся распространяющихся зон истощения ионов. Для преодоления этого узкого рабочего окна, недавно мы разработали новую платформу для spatiotemporally фиксированной предконцентрации. В отличие от предшествующих способов , которые используют только истощение ионов, эта платформа также использует противоположную полярность ПМС (т.е. ионов обогащения) , чтобы остановить распространение зоны истощения ионов. Противостоя зону обогащения с зоной истощения, обе зоны сливаются вместе и останавливаются. В этой статье мы описываем подробный экспериментальный протокол для построения этого spatiotemporally определенный ICP Макс.высотаОРМ и характеризуют динамику концентрирование новой платформы, сравнивая их с таковыми из обычного устройства. Качественные профили концентрации ионов и ответы текущего времени успешно захватить различную динамику между объединенном ПМС и автономных ПМС. В отличие от обычных тот, который может исправить положение концентрирование только на ~ 5 V, новая платформа может произвести целевой конденсированные пробку в определенном месте в широком диапазоне рабочих условий: напряжение (В) 0,5-100, ионной силы (1-100 мМ), и рН (3.7-10.3).

Introduction

Концентрации ионов поляризация (ИСП) относится к явлению , которое происходит в процессе обогащения ионов и истощения ионов на полупроницаемую мембрану, что приводит к дополнительному падению потенциала с градиентов концентраций ионов 1, 2. Этот градиент концентрации является линейным, и оно становится более крутым, как более высокое напряжение не приложено (омическом режиме) до концентрации ионов на мембране стремится к нулю (режим ограничения). При этом ограниченном диффузией состоянии, градиент (и соответствующий поток ионов), как известно, максимизировать / насыщенный 1. Помимо этого традиционного понимания, когда напряжение (или ток) дополнительно увеличивается, наблюдается ток сверхпредельного, с плоскими зонами истощения и очень резких градиентов концентрации на границе зоны 1, 3. Плоская зона имеет очень низкую концентрацию ионов, но с поверхностной проводимостью, электро-osmoti с потоком (EOF), и / или электро-осмотического неустойчивость способствуют ионного потока и индукции сверхпредельного ток 3, 4, 5. Интересно отметить , что плоская зона истощение служит электростатический барьер, который отфильтровывает 6, 7, 8, 9 и / или предконцентраты целей 10, 11. Поскольку существует недостаточное количество ионов для скрининга поверхностных зарядов заряженных частиц (для удовлетворения электронейтральности), частицы не могут проходить через эту зону истощения и, следовательно, выстраиваются в очередь на ее границе. Этот нелинейный эффект ПМС является общим явлением в различных типах мембран 10, 11, 12, 13,> 14 и геометрические формы 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; Именно поэтому исследователи смогли разработать различные типы фильтрации 6, 7, 8, 9 и концентрирование 10, 11 устройств с использованием нелинейного ВЧД.

Даже при такой высокой гибкостью и прочностью, он по-прежнему практической задачей для уточнения условий эксплуатации для нелинейных устройств ПМС. Нелинейный режим ПМС быстро удаляет катионы через катионообменную мембрану, что приводит к перемещению анионов, движущихся по направлению к аноду. КакРезультат, плоская зона обеднения распространяется быстрее, что напоминает о распространении 22 ударной. Мани и др. называется эта динамика деионизации (или истощение) шок 23. Для целей концентрирования в назначенном определения положения, предотвращая расширение зоны истощения ионов необходимо, например, путем применения ВФ или приводимые в действие давлением потока от зоны расширения 24. Zangle и др. 22 выяснены критерии распространения ПМС в одномерной модели, и она сильно зависит от электрофоретической подвижности 17, ионной силы 18, рН 25, и так далее. Это указывает на то, что соответствующие рабочие условия будут изменены в соответствии с условиями образца.

Здесь мы представляем детальное проектирование и экспериментальные протоколы для романа МСП платформы, предконцентраты цели в рамках spatiotempв устной форме определяется положение 26. Расширение зоны истощения ионов блокируется зону обогащения ионов, в результате чего стационарный концентрирование пробку в назначенное положение, независимо от времени работы, приложенного напряжения, ионной силы и рН. Этот подробный протокол видео предназначено, чтобы показать самый простой способ интеграции обмена мембран катионов в микрожидкостных устройств и продемонстрировать производительность концентрирование новой платформы МСП по сравнению с обычной.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Изготовление катионообменной мембраны интегрированных микрожидком Chips

  1. Получение кремния мастеров
    1. Дизайн два вида кремниевых мастеров: один для кучность катионообменной смолы, а другой для построения микроканале с полидиметилсилоксан (PDMS).
      Примечание: Геометрия подробно будет описано в шагах 1.3.1 и 1.4.1.
    2. Изготовить мастеров кремния, используя либо обычную фотолитографии или глубокую реактивное ионное травление 27.
    3. Silanize в micropatterned кремния мастеров с трихлорсилана (~ 30 мкл) в вакуумной баночке в течение 30 мин.
      ВНИМАНИЕ: трихлорсилана пирофорное жидкость , которая является горючим и имеет острую токсичность ( при вдыхании, перорального приема внутрь).
  2. Приготовление PDMS форм
    1. Смешайте силиконовой эластомерной основу с отвердителем в соотношении 10: 1, и поместите чашку с этим неотвержденного PDMS(30-40 мл на тиражирование микроструктур на 4-в кремниевую пластину) в вакуумной баночке в течение 30 мин, чтобы удалить пузырьки.
      Примечание: Силикон база содержит силоксановых олигомеров, заканчивающиеся с виниловыми группами и катализатор на основе платины. Отвердитель содержит сшивающий олигомеры , которые имеют три кремний-гидридных связей 28.
    2. Налейте неотвержденного PDMS на мастеров кремния, удалить пузырьки с нагнетателем, и вылечить PDMS при 80 ° С в течение 2 ч в конвекционной печи.
    3. Отделить отвержденных PDMS от мастеров кремния и правильно формировать PDMS с ножом (среднеквадратичное формы, как показано на рисунке 2а-б, IV).
  3. Паттернирования катионообменной мембраны
    1. Вырезать половина формы PDMS перпендикулярно к двум параллельным микроканалов и пробивки отверстий на концах PDMS каналов с трепанобиопсия 2,0-мм.
      ПРИМЕЧАНИЕ: PDMS пресс-форма для кучность катиона мембрану имеет два парАллель микроканалы (ширина: 100 мкм; высота: 50 мкм; Межканальная расстояние: 100 мкм; Рисунок 1a). Оригинальная форма пресс-формы можно себе представить, отражая нарезанную форму вдоль линии реза. L-образные микроканалы рекомендуются для пробивки двух отверстий без перекрытия.
    2. Очистите стекло и пресс-формы PDMS с лентой и грушей и поставить форму на предметное стекло для создания обратимое прикрепление между ними.
    3. В соответствии с технологией MicroFlow структуризации 29, выпуск ~ 10 мкл катионообменной смолы на открытом конце канала , который разрезали на этапе 1.3.1 (рисунок 1b). Установите головку шприца на перфорированных отверстий и потяните поршень (черные стрелки на рисунке 1b); нежный отрицательное давление будет тянуть катионообменной смолы, и смолу будет заполнить два канала.
      Примечание: Рекомендуется, чтобы высота микроканала больше 1581; м, потому что высокая вязкость смолы требует высокого давления, чтобы заполнить каналы. С другой стороны, это лучше, что высота не превышает 100 мкм, поскольку узорной ионоизбирательная мембрана становится толще, чем 1 мкм; такая толстая мембрана может создать зазор между мембраной и PDMS канал 13.
    4. Отделить пресс-формы PDMS, не касаясь узорчатую смолы и поместите предметное стекло на нагреватель при температуре 95 ° С в течение 5 мин для испарения растворителя в смоле.
      Примечание: Толщина узорчатого мембраны, как правило, меньше, чем <1 мкм. Форму осторожно отделяют путем шарнирного пресс - формы для открытого состава боковой (пунктирной линией и стрелкой на рисунке 1b). Лучше всего, чтобы отсоединить пресс-форму менее чем через 1 минуту после заполнения смолы. Если форма отрывается через несколько минут, более толстые мембраны могут быть получены, но они будут иметь вогнутую форму вследствие капиллярного эффекта.
    5. Снимают ненужноечасть узорчатых мембраны с бритвенным лезвием, делая две отдельные строки-шаблоны (рис 1c).
      Примечание: Обменный материал катионом используемый здесь перфторированный группы, а это означает шаблон не сильно связан со стеклом. Таким образом, простой метод облопачивание может легко удалить ненужную часть мембраны.
  4. Интеграция микроканала и мембраной с рисунком подложке
    1. Удар два отверстия на концах микроканалов и еще два отверстия, где образцы мембран будут расположены после приклеивания канала PDMS к мембране с рисунком подложке, изготовленной на этапе 1.3.
      Примечание: Микроканал ПДМС имеет один канал (ширина: 50-100 мкм; высота: 10 мкм), но она связана с концами соседнего канала (рис 1d).
    2. Бонду Микроканал PDMS к мембране с рисунком подложки сразу после плазменной обработки кислородом в течение 40 с при 100 Вт и 50 мТорр,
      ПРИМЕЧАНИЕ: Поместите узорчатую мембрану перпендикулярно к середине микроканала.

2. МСП по концентрирование

  1. Подготовка к эксперименту
    1. Готовят различные тестируемые растворы, в том числе 1-100 мМ KCl, 1 мМ NaCl (рН ~ 7), смесь 1 мМ NaCl и 0,2 мМ HCl (рН ~ 3,7), смесь 1 мМ NaCl и 0,2 мМ NaOH (рН ~ 10.3), и 1x фосфатным буферным солевым раствором.
    2. Добавить отрицательно заряженного флуоресцентного красителя (~ 1,55 мкм) в тестируемых растворах.
      Примечание: Концентрация добавляемого красителя должна быть значительно ниже , чем у ионов соли (<10 мкм) , так что заряженные красители не вносят вклад в электрический ток 30, 31.
    3. Нагрузка образца раствора в одном резервуаре канала и применить отрицательное давление в другой резервуар, чтобы заполнить канал с раствором. Соедините два резервуара гидродинамически через гeleasing большую капельку , чтобы устранить градиент давления вдоль канала (рис 2а).
    4. Заполните два резервуара, которые связаны с шаблонами катионного обмена с буферными растворами (1 М KCl или 1 М NaCl) с помощью шприца или пипетки, чтобы компенсировать эффект ПМС в резервуарах.
    5. Поместите провода на водохранилищах, через два рельефных мембран (анод на левом резервуаре и катодом справа), и соединить их с измерительным блоком источника (рис 2а).
  2. Визуализация МСП явления и МСП по предконцентрации
    1. Загрузите устройство ICP на перевернутом эпифлуоресцентной микроскопом. Подайте напряжение (0,5100 V) и измерения отклика тока с измерительным блоком источника.
    2. Захват флуоресцентные изображения с камерой прибор с зарядовой связью и анализа интенсивности флуоресценции с помощью программного обеспечения визуализации 32.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Принципиальные шаги изготовления мембранного интегрированных микрожидком предконцентратор показаны на рисунке 1. Подробное описание изготовления дается в Протоколе. По своей конструкции и изображения устройства в соответствии с spatiotemporally определенной предконцентратор 26 контрастируют с теми обычного предварительного концентрирования 11 (рисунок 2). МСП явление в spatiotemporally определенной предконцентратор была исследована с точки зрения ответов вольтамперная времени и профилей интенсивности флуоресценции (рис 3-4). По аналогии с МСП явления с синглом мембраной 3 предварительного концентрирования, 11, трех различных режимах (омических, ограничивающего и сверхпредельного) наблюдались в кривой тока напряжения: 0,5-1 V (омического и ограничением) и 5 В (сверхпредельного) , Тем не менее, нетрадиционная восстановление тока былообнаружен в кривой тока времени, как обогащение ионов и истощение ионов зоны объединены. Затем ПМС концентрирование испытывали в разное время и напряжений с spatiotemporally определенным предконцентратор (рисунок 5) и стандартного одноступенчатого мембранного устройства (рисунок 6). Динамика концентрирование были количественно флуоресцентные изображения, ответы текущего времени и флуоресцентное графиков интенсивности по разные расстояния и времени. При сравнении двух платформ, новая ИСП платформа показывает преимущество в сборе всегда мишени (флуоресцентные красители) между двумя катионоселективной образцов мембран. Кроме того, было подтверждено , что концентрирование пробка остается тем же самым в различных ионных силах (1-100 мМ NaCl) и значения рН (3.7-10.3), проверив высокую доступность присоединяемого ICP предконцентратор в широких диапазонах рабочих условий (рис 7). На рисунке 8, белок preconcentr 10000 разция была также продемонстрирована.

Рисунок 1
Рисунок 1. Fabrication этапы катионообменной мембраной интегрированной микрожидком чипа. После того, как ПДМС пресс - форма заполнена катионообменной смолой , с использованием техники MicroFlow паттерна (а - с) 29, мембрана с рисунком стеклянная подложка скреплено с микроканале PDMS плазменной обработкой кислородом (г). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

фигура 2
Рисунок 2. Схематическое изображение в spatiotemporally определенной предконцентратор (а) и обычных предконцентратор (б). (А) В ее новая платформа, между двумя мембранными узорами (I), истощение ионов / зоны обогащения разработаны и объединены вместе с линейными (омических и ограничения режима; II) или нелинейный (сверхпредельного режим; III) профилей концентрации. Во всех трех существующих режимов, зона блоков обогащения ионов при распространении зоны и целей истощения (полые кругов; я) являются preconcentrated на границе раздела ионного обеднения и обогащения зон (изогнутая, пунктирная линия, я). Стенка канала PDMS имеет отрицательный заряд, и это создает электроосмотического потока (ЭОП), между двумя катионообменных мембран под действием электрического поля. EOF непрерывно поставляет цели к границе раздела обеднения и обогащения зон. (Б) В традиционной платформе, только обеднение зона ионов развивается вблизи мембраны с линейной (омических и ограничения режима; II) и нелинейный (сверхпредельного режим; III) градиенты концентрации. По мере того как EOF поставляет цели, то концентрирование альтак происходит на границе зоны обеднения, но эта зона (и preconcentrated вилка) отходит от катионообменной мембраны (черная стрелка; я). Следует отметить, что не существует никакого увеличения концентрации ионов здесь без зоны обогащения ионом (II-III). В (АВ), изображения устройства показаны в (IV). С 0 представляет собой исходную концентрацию ионов. V + и G указывают на анод и катод, соответственно. Перепечатано из ссылочного 26t с разрешения Американского химического общества. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3. Merged ICP явление между двумя катионообменных мембран. (А) ВАХ показывает три отдельных regimэс (омический, ограничивая и сверхпредельного). Отклик тока измеряется наращивают напряжение на дискретных интервалах 0,25 В каждые 40 с, что повторяется три раза. Ошибок указывает стандартное отклонение текущих ответов. (б, в) в трех режимах, были получены флуоресцентных изображений (б) и профили интенсивности вдоль АА 'в середине канала (с). Желтые, пунктирные коробки указывают расположение катиона селективные мембраны. использовали 1 мМ KCl, раствор с 1,55 мкМ (1 мкг / мл) отрицательно зар женным флуоресцентным красителем. Перепечатано из ссылки 26 с разрешения Американского химического общества. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4. (А, б) в омической-предельных режимах, линейные градиенты концентрации растут (<1 сек) с катионообменной мембраной , а затем перекрываются друг с другом (> 1 с). (С) В сверхпредельного режиме, две зоны МСП объединены более быстро (<0,6 с) с истощением шока (черная стрелка на 0,2 с). (Г - е) текущего времени реакции показывают , что ток сначала упала из - за роста обедненной зоны низкой концентрации, что соответствует низкой электропроводностью. В настоящее время падение затем извлекают из-за конвективного переноса вихрями, заключенной между двумя мембранами. Перепечатано из ИНДЕКСИРОВАНА 26 с разрешения Американского химического общества. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

<р класс = "jove_content" ВОК: Keep-together.within-странице = "1"> Рисунок 5
Рисунок 5. Spatiotemporally фиксированной на 5 концентрирования, 10 и 20 В. (а - с) Флуоресцентные изображения присоединяемых ПМС и текущего времени реакции (г - е) с течением времени (0-100 с). Желтые, пунктирные линии указывают расположение катионообменные мембраны. (Ж) ЗАМЕДЛЕННАЯ профили интенсивности флуоресценции нанесены вдоль микроканалов (АА '). Интенсивность пиков увеличиваться с течением времени, с фиксированными местах. (Ч) Пик складка интенсивность (то есть, сколько раз больше начальной интенсивности флуоресценции). При более высоких напряжений, тем быстрее EOF обеспечивает цели по отношению к границе раздела ионного истощения и обогащения зон, поэтому скорость увеличивается концентрирование. Шип при 20 V индуцируется обедненного шок ( фиг.4С, на 0,8 с, пик был шире , чем это было на 0,4 с. Это, вероятно , потому что левая сторона левого рисунка Nafion (рис 2а) был электрически плавали и накопленные красители могли распространяться. Перепечатано из ссылки 26 с разрешения Американского химического общества. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6
Рисунок 6. МСП явление в традиционной ПМС предконцентратор на 5, 10, и 20 В, (A - c) Флуоресцентные изображения зоны истощения ионов и текущего времени отклика (d - е) с течением времени (0-100 с). Распространение зоны истощения и концентрирования вилки четко визуализируется в изображениях флуоресценции. Соответственно, вихри не ограничены, так что текущее восстановление не происходит, даже в сверхпредельного режиме. Желтые, пунктирные линии обозначают расположение катионообменные мембраны. (Ж) ЗАМЕДЛЕННАЯ профили интенсивности флуоресценции нанесены вдоль микроканалов (АА '). Интенсивность пиков увеличиваться с течением времени, но расположение отходит от мембраны. (Ч) пиковая интенсивность складка обычного ИСП устройства. В отличие от слитого ICP устройства (Рисунок 5Н), нет интенсивность спайка без удержания зон ПМС, так как интенсивность флуоресценции возрастает по мере роста краситель preconcentrated. Увеличение тон достигнет своего пика интенсивности складка похожа на присоединяемых ICP устройства одновременно (при заданном напряжении). Это указывает на то, что продолжительность времени, что preconcentrated вилка удерживается на месте имеет решающее значение для выполнения предварительного концентрирования. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 7
Рисунок 7. Spatiotemporally определяется концентрирование при различных ионных силах (1-100 мМ NaCl) и значения рН (3.7-10.3). (А) Флуоресцентные изображения , полученные после 100 с работы при 50 В. Как можно видеть, расположения этих концентрирование пробок все еще между двумя катионообменных мембран (желтый, пунктирными линиями), хотя интенсивность ослабляется при высокой ионной прочность и в сильной кислой или основнойрешение. (B, c) расположение пиковой интенсивности и его интенсивность раза (то есть., Сколько раз больше начальной интенсивности), отображенной в возрасте до 10, 20, 50 и 100 В. Для одного условия (1, 10, 100 мМ и / или рН 3,7, 7 и 10), имеются четыре точки данных, соответствующие четырем условиям напряжения. При более высоких напряжениях, существует более высокий пик интенсифицировать раз во всех случаях. 100 В не был опробован в 1 мМ NaCl (рН 7), так как интенсивность пика уже затрагивали самые высокие значения (из-за насыщения камеры) при 50 V. Из профиля интенсивности пика, пик область также идентифицируется, с 1 % ниже пиковой интенсивности, которое представлено погрешностями (B, C). Более высокое напряжение и более сильный EOF сдвиг местоположение максимума вправо, с более высокой интенсивностью сгиба и острее предварительного концентрирования заглушкой. Серые ячейки указывают расположение катионообменные мембраны. 0 расстояние (а) представляет собой происхождение оси х (б, в), которая являетсяна правом краю обменной мембраны левого катионов. Происхождение расстояния правый край левой мембраны. Перепечатано из ссылки 26 с разрешения Американского химического общества. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 8
Рисунок 8. Демонстрация spatiotemporally фиксированного предконцентрации белка. использовали FITC-альбумин (1 мкг / мл) в 1х фосфатно-солевом буферном растворе. 0,1% твин-20 был также добавлен, чтобы предотвратить неспецифическое связывание. Так как концентрирование почти не достигается при более высокой ионной силе (рисунок 7), мы в два раза ширину узора Nafion (200 мкм) и использовали более узкий канал PDMS (50 мкм). Таким образом, производительность ПМС предконцентрации была увеличенарасширение ионного пути и уменьшение абсолютного количества ионов в канале. При приложенном напряжении 100 В, пиковое и усредненной интенсивности флуоресцентного прослеживались в белом, пунктирная коробку, которая представляет собой область между двумя катионообменные мембраны. В течение 10 минут работы, после чего белки preconcentrated до 10 мг / мл (пик) и ~ 0,1 мг / мл (в среднем), что указывает на 10,000- и в 100 раз preconcentrations, соответственно. Флуоресцентные изображения углубленные были получены при 0, 10, и 20 мин. В этой работе, операция 20-мин было достаточно, чтобы концентрирования молекул-мишеней, таким образом, мы не охватывали больше время срабатывания. Перепечатано из ссылки 26 с разрешения Американского химического общества. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Мы описали протокол изготовление и рабочие характеристики spatiotemporally определенной предконцентратор в диапазоне от приложенного напряжения (V) 0,5-100, ионная сила (1-100 мМ) и рН (3.7-10.3), достигая в 10000 раз концентрирование красителей и белка в течение 10 мин. Как как и предыдущие устройства ICP, производительность концентрирование становится лучше при более высоком напряжении и при более низкой ионной силы. Еще один параметр, который мы можем рассмотреть здесь является расстояние между двумя катионообменные мембраны. Если увеличить расстояние между мембранами, электрическое поле уменьшается при той же приложенного напряжения, что приводит к уменьшению скорости 26 предварительного концентрирования.

MicroFlow методика формирования рисунка 29 используется в данной работе является надежным методом для обмена смол структурирование катионов, так что он был одним из золотым стандартом методов интегрирования ионообменных материалов в микрожидкостных системах. Nevertheless, необходимо изготовить два наложенных друг на друга катионообменные мембраны с коротким межмембранном расстоянием (менее нескольких сотен микрометров). На этапах 1.3.3-1.3.4, катионообменной смолы находится в жидкой фазе. Таким образом, смола в двух микроканалов могут быть свернуты, а оставшиеся капли смолы на открытом конце каналов могут также заливать в процессе отрыва формы (этап 1.3.4.). Для того, чтобы построить два катионообменных мембран с высокой точностью рисунка, мы использовали смолу с относительно высокой вязкостью (20% катионообменной материала в растворителях) и тщательно установить отряд процесс с назначенным направлением отсоединении.

Даже несмотря на то, высокая эксплуатационная гибкость этой платформы была продемонстрирована, читатель может быть обеспокоены определения оптимальных условий из широкого диапазона в рабочем окне. Один из представителей компромисс между скоростью и концентрирования стабильности эффекта ПМС. Сканированиевидно на рисунке 5 в Квак и др. 26, высокое приложенное напряжение (> 50 В) могут конденсироваться цели быстро; Тем не менее, это также вызывает сильные вихри в обедненной зоне (1 мМ / рН 7 на рисунке 7а), что снижает стабильность образца концентрированием. Соответственно, скорость концентрирование становится трудно предсказать 33. На данном этапе, мы рекомендуем экспериментальные условия с относительно низким напряжением (<30 В) и ионной силы (<10 мм) для стабильной, предсказуемой и spatiotemporally фиксированной предконцентрации. Этот компромисс между скоростью и концентрирования стабильности preconcentrated пробки также связана с источниками нелинейного ICP (поверхностной проводимости, EOF, и электро-осмотического неустойчивости). Основным источником нелинейной ПМС при относительно небольшом напряжении (<50 В) EOF, создавая целостную вихревой пары в зоне истощения (рис 3b), который леобъявления к стабильной. предконцентрации При относительно высоком напряжении (> 50 В), основным источником нелинейного ПМС изменяется на электроосмотического нестабильность, в результате чего хаотические множественные завихрения, снижающие устойчивость концентрированием.

В последнее время на бумажной основе МСП платформы были разработаны Phan и др. 34, Гонг и др. 19, и Хан и др. 21. Эти бумажные устройства с микропористой структуры могут подавлять электро-осмотического неустойчивость 4, 35 и облегчить проблему стабильности. Тем не менее, размеры бумаги каналов, как правило, около 0,5-5 мм, что значительно больше, чем у обычного микрожидком канала. Этот более широкий канал бумаги со случайными волоконно-оптических сетей вызывает нерегулярных движений в preconcentrated пробками. Это было неизбежно в бумажной основе ПМС preconcentrators, поскольку минимальная функцияразмер воска кучность и резки бумаги (т.е. методов изготовления для создания бумажных каналов) составляет около нескольких сотен микрометров.

ICP устройство предварительного концентрирования используется в широком диапазоне biomicrofluidic платформ для различных концентрирования био-агентов; амплификации сигналов различных анализов; и обнаружение целей, таких как терапевтические белки, пептиды 36 37, аптамеры 17, и 38 ферментов. Эти предыдущие работы целевых флуоресцентных-меченых биомолекул. Это потому , что мы не можем указать точные условия эксплуатации (то есть, напряжение и скорость потока) для поддержания сайта концентрирование, поэтому мы в первую очередь необходимо найти надлежащие условия для целей предконцентратор. Исходя из предыдущей работы, объединенное явление ICP позволяет нам всегда фиксировать preconcentrated пробки в широком диапазоне условий эксплуатации при сохранении высокой гибкостиICP устройства. Например, мы можем модулировать слиты систему ICP с тангенциальным потоком жидкости, и эксплуатировать его в режиме 39 непрерывного потока. Это указывает на то, что теперь мы можем расширить применение МСП preconcentrators для обозначения свободных от методов обнаружения без использования инструментов и визуализации радиофармпрепаратов. Это уникальное преимущество пространственно-временной управляемостью обеспечивает прочную коммерческую возможность интегрировать ПМС устройство с родовыми настольных платформ, таких как реакционных машин полимеразной цепной и масс-спектрометров.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sylgard 184 Silicone Elastomer kit Dow Corning
Trichlorosilane Sigma Aldrich 175552 Highly toxic
Nafion perfluorinated resin, 20 wt% Sigma Aldrich 527122
Sodium chloride Sigma Aldrich 71394
Potassium chloride Sigma Aldrich 60121
Alexa Fluor 488 carboxylic acid, succinimidyl ester Invitrogen A20000
Isothiocyanate-conjugated albumin Sigma Aldrich A9771
Phosphate buffer saline, 1x Wengene LB004-02
Tween 20 Sigma Aldrich P1379
Epifluorescence microscope Olympus IX-71
Charged-coupled device camera Hamamtsu Co. ImageEM X2
Source measurement unit Keithley Instruments 2635A
Covance-MP Femto Science

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Probstein, R. F. Physicochemical Hydrodynamics: An Introduction. , Wiley-Interscience. New York. (2003).
  2. Strathmann, H. Ion-Exchange Membrane Separation Processes. , Elsevier. Amsterdam. (2004).
  3. Dydek, E. V., et al. Overlimiting Current in a Microchannel. Phys. Rev. Lett. 107 (11), 118301 (2011).
  4. Kwak, R., Pham, V. S., Lim, K. M., Han, J. Y. Shear flow of an electrically charged fluid by ion concentration polarization: scaling laws for electroconvective vortices. Phys. Rev. Lett. 110 (11), 114501 (2013).
  5. Rubinstein, I., Zaltzman, B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane. Phys. Rev. E. 62 (2), 2238-2251 (2000).
  6. Kwak, R., Kim, S., Han, J. Continuous-flow biomolecule and cell concentrator by ion concentration polarization. Anal. Chem. 83 (19), 7348-7355 (2011).
  7. Jeon, H., Lee, H., Kang, K. H., Lim, G. Ion concentration polarization-based continuous separation device using electrical repulsion in the depletion region. Sci.Rep. 3, 3483 (2013).
  8. Kim, S. J., Ko, S. H., Kang, K. H., Han, J. Direct seawater desalination by ion concentration polarization. Nat. Nanotechnol. 5 (4), 297-301 (2010).
  9. MacDonald, B. D., Gong, M. M., Zhang, P., Sinton, D. Out-of-plane ion concentration polarizationfor scalable water desalination. Lab Chip. 14 (4), 681-685 (2014).
  10. Schoch, R. B., Han, J. Y., Renaud, P. Transport phenomena in nanofluidics. Rev.Mod. Phys. 80 (3), 839-883 (2008).
  11. Kim, S. J., Song, Y. A., Han, J. Nanofluidic concentration devices for biomolecules utilizing ion concentration polarization: theory, fabrication, and applications. Chem. Soc. Rev. 39 (3), 912-922 (2010).
  12. Mai, J. Y., Miller, H., Hatch, A. V. Spatiotemporal mapping of concentration polarization Induced pH changes at nanoconstrictions. ACS Nano. 6 (11), 10206-10215 (2012).
  13. Kim, B., et al. Tunable ionic transport for a triangular nanochannel in a polymeric nanofludic system. ACS Nano. 7 (1), 740-747 (2013).
  14. Mangano Syed, A., Mao, L., Han J, P., Song, Y. -A. Creating sub-50 nm nanofluidic junctions in a PDMS microchip via self-assembly process of colloidal silica beads for electrokinetic concentration of biomolecules. Lab Chip. 14, 4455-4460 (2014).
  15. Wang, Y. C., Stevens, A. L., Han, J. Y. Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter. Anal. Chem. 77 (14), 4293-4299 (2005).
  16. Lee, J. H., Cosgrove, B. D., Lauffenburger, D. A., Han, J. Microfludic concentration-enhanced cellular kinase activity assay. J. Am. Chem. Soc. 131 (30), 10340-10341 (2009).
  17. Cheow, L. F., Han, J. Y. Continuous signal enhancement for sensitive aptamer affinity probe electrophoresis assay using electrokinetic concentration. Anal. Chem. 83 (18), 7086-7093 (2011).
  18. Ko, S. H., et al. Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization. Lab Chip. 12 (21), 4472-4482 (2012).
  19. Gong, M. M., Nosrati, R., Gabriel, M. C. S., Zini, M., Sinton, D. Direct DNA analysis with paper-based ion concentration polarization. J. Am. Chem. Soc. 137 (43), 13913-13919 (2015).
  20. Hong, S., Kwak, R., Kim, W. Paper-based flow fractionation system applicable to preconcentration and field-flow separation. Anal. Chem. 88 (3), 1682-1687 (2016).
  21. Han, S. I., Hwang, K. S., Kwak, R., Lee, J. H. Microfluidic paper-based biomolecule preconcentrator based on ion concentration polarization. Lab Chip. 16, 2219-2227 (2016).
  22. Zangle, T. A., Mani, A., Santiago, J. G. Theory and experiments of concentration polarization and ion focusing at microchannel and nanochannel interfaces. Chem. Soc. Rev. 39 (3), 1014-1035 (2010).
  23. Mani, A., Bazant, M. Z. Deionization shocks in microstructures. Phys. Rev. E. 84, 061504 (2011).
  24. Slouka, Z., Senapati, S., Chang, H. C. Microfluidic systems with ion-selective membranes. Annu. Rev.Anal. Chem. 7, 317-335 (2014).
  25. Kirby, B. J., Hasselbrink, E. F. Zeta potential of microfluidic substrates: 1. Theory, experimental techniques, and effects on separations. Electrophoresis. 25 (2), 187-202 (2004).
  26. Kwak, R., Kang, J. Y., Kim, T. S. Spatiotemporally defining biomolecule preconcentration by merging ion concentration polarization. Anal. Chem. 88 (1), 988-996 (2016).
  27. Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane). Anal. Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).
  28. Campbell, D. J., et al. Replication and compression of surface structures with polydimethylsiloxane elastomer. J. Chem. Educ. 76 (4), 537-541 (1999).
  29. Lee, J. H., Song, Y. A., Han, J. Y. Multiplexed proteomic sample preconcentration device using surface-patterned ion-selective membrane. Lab Chip. 8 (4), 596-601 (2008).
  30. Kwak, R., Guan, G., Peng, W. K., Han, J. Microscale electrodialysis: concentration profiling and vortex visualization. Desalination. 308, 138-146 (2013).
  31. Chambers, R. D., Santiago, J. G. Imaging and quantification of isotachophoresis zones using nonfocusing fluorescent tracers. Anal. Chem. 81, 3022-3028 (2009).
  32. Rasband, W. S. ImageJ. U.S. National Institutes of Health. , Bethesda, Maryland, USA. Available from: http://imagej.nih.gov/ij (2016).
  33. Minerick, A. R., Ostafin, A. E., Chang, H. C. Electrokinetic transport of red blood cells in microcapillaries. Electrophoresis. 23 (14), 2165-2173 (2002).
  34. Phan, D. -T., Shaegh, S. A. M., Yang, C., Nguyen, N. -T. Sample concentration in a microfluidic paper-based analytical device using ion concentration polarization. Sens. Actuators B. 222, 735-740 (2016).
  35. Rubinstein, S. M. Direct observation of a nonequilibrium electro-osmotic instability. Phys. Rev. Lett. 101, 236101 (2008).
  36. Ouyang, W., et al. Microfluidic platform for assessment of therapeutic proteins using molecular charge modulation enhanced electrokinetic concentration assays. Anal. Chem. 88, 9669-9677 (2016).
  37. Cheow, L. F., Sarkar, A., Kolitz, S., Lauffenburger, D., Han, J. Detecting kinase activities from single cell lysate using concentration-enhanced mobility shift assay. Anal. Chem. 86, 7455-7462 (2014).
  38. Chen, C. -H., et al. Enhancing protease activity assay in droplet-based microfluidics using a biomolecule concentrator. J. Am. Chem. Soc. 133, 10368-10371 (2011).
  39. Kwak, R., Pham, V. S., Kim, B., Lan, C., Han, J. Enhanced salt removal by unipolar ion conduction in ion concentration polarization desalination. Sci. Rep. 6, 25349 (2016).

Tags

Биоинженерия выпуск 120 концентрация ионов поляризация концентрирование ионообменная мембрана сверхпредельного тока электро-осмотического потока электро-осмотического нестабильность
Слияние концентрации ионов поляризация между Сочетавший ионообменные мембраны для блокирования распространения радиоволн в поляризационных зоны
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, M., Rhee, H., Kang, J. Y., Kim, … More

Kim, M., Rhee, H., Kang, J. Y., Kim, T. S., Kwak, R. Merging Ion Concentration Polarization between Juxtaposed Ion Exchange Membranes to Block the Propagation of the Polarization Zone. J. Vis. Exp. (120), e55313, doi:10.3791/55313 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter