Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

دمج ايون الاستقطاب التركيز بين جنبا إلى جنب التبادل الأيوني الأغشية لمنع الانتشار من منطقة الاستقطاب

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

يوصف بروتوكول لمنصة رواية تركيز أيون الاستقطاب (ICP) الذي يمكن أن يوقف انتشار في منطقة المقارنات الدولية، بغض النظر عن ظروف التشغيل. هذه القدرة الفريدة لمنصة تكمن في استخدام دمج استنفاد الأيونات والإثراء، وهما أقطاب هذه الظاهرة برنامج المقارنات الدولية.

Abstract

ظاهرة تركيز أيون الاستقطاب (ICP) هي واحدة من أكثر الوسائل السائدة لpreconcentrate العينات البيولوجية وفرة منخفضة. برنامج المقارنات الدولية يؤدي الى المنطقة موسع للالجزيئات الحيوية مشحونة (أي المنطقة نضوب أيون)، ويمكن preconcentrated أهداف في هذه المنطقة الحدود. وعلى الرغم من العروض preconcentration عالية مع برنامج المقارنات الدولية، فمن الصعب العثور على ظروف التشغيل من مناطق غير نشر استنفاد الأيونات. للتغلب على هذه النافذة التشغيل الضيق، وضعنا مؤخرا منصة جديدة لpreconcentration الثابتة spatiotemporally. على عكس السابقة الأساليب التي تستخدم فقط استنفاد الأيونات، يستخدم هذا المنبر أيضا قطبية معاكسة لبرنامج المقارنات الدولية (أي تخصيب أيون) لوقف انتشار في منطقة استنفاد الأيونات. بمواجهة منطقة تخصيب مع منطقة نضوب، دمج المنطقتين معا، وتتوقف. في هذه الورقة، ونحن تصف بروتوكول تجريبي مفصل لبناء هذا platf ICP محددة spatiotemporallyمكتب إدارة السجلات ووصف ديناميات preconcentration من منصة جديدة عن طريق مقارنتها مع تلك من الجهاز التقليدي. نوعية الشخصية تركيز أيون والاستجابات في الوقت الحالي التقاط بنجاح ديناميات مختلفة بين ICP المدمجة وICP-مستقل. وعلى النقيض من واحد التقليدية التي يمكن أن تحدد مواقع preconcentration في فقط ~ 5 فولت، ويمكن للمنصة جديدة تنتج المكونات مكثف الهدف في مكان معين في نطاقات واسعة من ظروف التشغيل: الجهد (،5-100 V)، القوة الأيونية (1-100 ملم)، ودرجة الحموضة (3،7 حتي 10،3).

Introduction

يشير أيون تركيز الاستقطاب (ICP) إلى ظاهرة تحدث خلال تخصيب أيون واستنفاد الأيونات على غشاء permselective، مما أدى إلى انخفاض محتمل إضافي مع التدرجات تركيز أيون 1 و 2. هذا التدرج تركيز غير الخطية، ويصبح أكثر حدة كما يتم تطبيق الجهد العالي (نظام أومية) حتى تركيز أيون على الغشاء النهج صفر (النظام الحد). في هذه الحالة محدودة الانتشار، وقد عرفت التدرج (وما يقابلها من تدفق أيون) ليكون الحد الأقصى / المشبعة 1. ما وراء هذا الفهم التقليدي، عند زيادة الجهد (أو الحالي) أبعد من ذلك، لوحظ حدوث overlimiting الحالية، مع مناطق نضوب مسطحة والتدرجات تركيز حاد جدا في حدود المنطقة 1 و 3. منطقة مسطحة لديه تركيز أيون منخفضة جدا، ولكن التوصيل السطح، الكهربائية osmoti تدفق ج (EOF)، و / أو عدم الاستقرار الكهربائية الاسموزي تعزيز تدفق الأيونات وتحفز على overlimiting الحالي 3 و 4 و 5. ومن المثير للاهتمام، ومنطقة استنزاف مسطحة بمثابة حاجز الكهربائي، الذي يرشح 6 و 7 و 8 و 9 و / أو preconcentrates يستهدف 10 و 11. منذ وجود كمية كافية من أيونات لفحص التهم سطح الجسيمات المشحونة (للالتعادل الكهربائي مرضية)، والجزيئات لا يمكن ان تمر من خلال هذه المنطقة نضوب، وبالتالي يصطف في محيطها. هذا التأثير غير الخطية برنامج المقارنات الدولية هو ظاهرة عامة في أنواع مختلفة من الأغشية 10، 11، 12، 13،> 14 وهندستها 6، 15، 16، 17، 18، 19، 20، 21؛ هذا هو السبب في أن تمكن الباحثون لتطوير أنواع مختلفة من الترشيح 6، 7، 8، 9 وpreconcentration 10، 11 الأجهزة التي تستخدم برنامج المقارنات الدولية غير الخطية.

حتى مع هذه المرونة العالية والمتانة، فإنه لا يزال تحديا عمليا لتوضيح ظروف التشغيل للأجهزة ICP غير الخطية. النظام غير الخطية لبرنامج المقارنات الدولية بسرعة يزيل الكاتيونات عبر غشاء تبادل الأيونات الموجبة، والذي يسبب تشريد الأنيونات تتحرك نحو القطب الموجب. كنتيجة لذلك، منطقة استنزاف مسطحة تنتشر بسرعة، وهي تذكرنا صدمة نشر 22. ماني وآخرون. ودعا هذا ديناميكية في إزالة الأيونات (أو نضوب) صدمة 23. لpreconcentrate الأهداف عند موقف الاستشعار المعينة، ومنع التوسع في منطقة استنفاد الأيونات من الضروري، على سبيل المثال، عن طريق تطبيق EOF أو يحركها تدفق ضغط ضد توسيع منطقة 24. Zangle وآخرون. 22 توضيح معايير نشر برنامج المقارنات الدولية في نموذج أحادي البعد، وأنه يعتمد بشكل كبير على التنقل الكهربي 17، والقوة الأيونية 18، ودرجة الحموضة 25، وهلم جرا. هذا يدل على أن ظروف التشغيل المناسبة وسوف يتم تغيير وفقا للشروط العينة.

هنا، نقدم التصميم التفصيلي والبروتوكولات التجريبية لمنصة رواية برنامج المقارنات الدولية أن preconcentrates أهداف داخل spatiotempتعريف شفويا موقف 26. تم منع التوسع في منطقة استنفاد الأيونات من منطقة تخصيب أيون، وترك المكونات preconcentration ثابتة في موقف معين، بغض النظر عن الوقت التشغيل، والجهد تطبيقها، والقوة الأيونية، ودرجة الحموضة. ويهدف هذا البروتوكول فيديو مفصل لإظهار أبسط طريقة لدمج أغشية تبادل الأيونات الموجبة إلى الأجهزة ميكروفلويديك وللتدليل على أداء preconcentration من منصة برنامج المقارنات الدولية الجديدة مقارنة مع واحد التقليدية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. تصنيع الموجبة تبادل رقائق ميكروفلويديك غشاء دمج

  1. إعداد السيليكون سادة
    1. تصميم نوعين من السيليكون سادة: واحد للالزخرفة راتنج تبادل الأيونات الموجبة والآخر لبناء متناهية مع (PDMS) ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان.
      ملاحظة: سيتم وصف هندسة التفاصيل في الخطوات 1.3.1 و1.4.1.
    2. افتعال السيليكون سادة باستخدام إما ضوئيه التقليدية أو أيون رد الفعل العميق الحفر 27.
    3. Silanize سادة السيليكون micropatterned مع trichlorosilane (~ 30 ميكرولتر) في وعاء فراغ لمدة 30 دقيقة.
      تنبيه: Trichlorosilane هو السائل إشتعال التي هي قابلة للاشتعال ولها السمية الحادة (استنشاق، الابتلاع عن طريق الفم).
  2. إعداد قوالب PDMS
    1. مزيج قاعدة سيليكون المطاط الصناعي مع وكيل علاج في نسبة 10: 1 و ضع الكأس مع هذا PDMS غير مخمر(30-40 مل لتكرار المجهرية على 4 في ورقاقة السيليكون) في وعاء فراغ لمدة 30 دقيقة لإزالة الفقاعات.
      ملاحظة: قاعدة السيليكون تحتوي الأوليغومرات siloxane تنتهي مع مجموعة الفينيل ومحفز البلاتيني. يحتوي على وكيل علاج يشابك الأوليغومرات التي لديها ثلاثة السندات السيليكون هيدريد 28.
    2. صب PDMS غير مخمر على السيليكون سادة، وإزالة الفقاعات مع منفاخ، وعلاج PDMS في 80 درجة مئوية لمدة 2 ساعة في الفرن الحراري.
    3. فصل PDMS شفي من سادة السيليكون وصحيح تشكيل PDMS بسكين (الأشكال المربعة، كما هو مبين في الشكل 2A-ب، د).
  3. الزخرفة الأغشية تبادل الأيونات الموجبة
    1. قطع نصف القالب PDMS عموديا إلى اثنين و microchannels موازية ولكمة ثقوب في نهايات القنوات PDMS مع خزعة لكمة 2.0 ملم.
      ملاحظة: قالب PDMS لالزخرفة غشاء انتقائي الموجبة اثنين من قدم المساواةmicrochannels علال (العرض: 100 ميكرون، ارتفاع: 50 ميكرون، interchannel المسافة: 100 ميكرون، الشكل 1A). الشكل الأصلي من العفن يمكن أن يتصور بواسطة النسخ المتطابق القالب شرائح على طول خط القطع. ينصح microchannels على شكل حرف L لكمة اثنين من الثقوب دون تداخل.
    2. تنظيف شريحة زجاجية والعفن PDMS مع الشريط ومنفاخ ووضع القالب على شريحة زجاجية لإنشاء مرفق عكسها بينهما.
    3. وفقا لتقنية MicroFlow آخر الزخرفة 29، وإطلاق سراح ~ 10 ميكرولتر من راتنج تبادل الأيونات الموجبة في نهاية مفتوحة للقناة التي كانت شرائح في الخطوة 1.3.1 (الشكل 1B). وضع رئيس حقنة على ثقبا وسحب المكبس (السهام السوداء في الشكل 1B). وضغط سلبي لطيف سحب راتنج تبادل الأيونات الموجبة، وسوف الراتنج ملء القناتين.
      ملاحظة: من المستحسن أن ارتفاع متناهية أكبر من 1581؛ م، لأن اللزوجة العالية من الراتنج يتطلب الضغط العالي لملء القنوات. من ناحية أخرى، فمن الأفضل أن ارتفاع لا يتجاوز 100 ميكرون، لأن غشاء انتقائي أيون نمط سوف تصبح أكثر سمكا من 1 ميكرون. مثل هذا الغشاء السميك قد يخلق فجوة بين الغشاء وقناة PDMS 13.
    4. فصل القالب PDMS دون لمس الراتنج منقوشة ووضع شريحة زجاجية على سخان على 95 درجة مئوية لمدة 5 دقائق حتى يتبخر المذيب في الراتنج.
      ملاحظة: سمك الغشاء منقوشة عادة ما يكون أقل من <1 ميكرون. يتم فصل القالب بلطف معتمدا القالب إلى الجانب المفتوح (الخط المنقط والسهم في الشكل 1B). فمن الأفضل لفصل القالب أقل من 1 دقيقة بعد ملء الراتنج. إذا تم فصل القالب بعد بضع دقائق، ويمكن الحصول على الأغشية أكثر سمكا، ولكن سيكون لديهم شكل مقعر بسبب تأثير الشعرية.
    5. انزع لا لزوم لهاجزء من الغشاء منقوشة بشفرة حلاقة، صنع هدفين منفصلين من أنماط الخط (الشكل 1C).
      ملاحظة: المواد تبادل الأيونات الموجبة المستخدمة هنا والمشبعة بالفلور الجماعات، وهذا يعني أن نمط لا المستعبدين بقوة على الزجاج. لذلك، لا يمكن للطريقة blading بسيط بسهولة إزالة ما لا يلزم من الغشاء.
  4. دمج متناهية والركيزة نقوش الغشاء
    1. لكمة اثنين من الثقوب في نهايات microchannels واثنين من الثقوب أخرى حيث سوف يكون موجودا في أنماط غشاء بعد الترابط قناة PDMS إلى الركيزة نقوش غشاء ملفقة في الخطوة 1.3.
      ملاحظة: متناهية PDMS لها قناة واحدة (العرض: 50-100 ميكرون، ارتفاع: 10 ميكرون)، ولكن المستعبدين إلى أقاصي المجاورة قناة (1D الشكل).
    2. السندات متناهية PDMS إلى الركيزة نقوش غشاء فورا بعد العلاج الأكسجين البلازما ل40 ق 100 W و 50 mTorr.
      ملاحظة: ضع الغشاء نمط عموديا في منتصف متناهية.

2. برنامج المقارنات الدولية Preconcentration

  1. استعدادا للتجربة
    1. إعداد حلول الاختبار المختلفة، بما في ذلك 1-100 ملم بوكل، 1 مم كلوريد الصوديوم (الرقم الهيدروجيني = 7)، وخليط من 1 ملي مول كلوريد الصوديوم و 0.2 ملي حمض الهيدروكلوريك (الرقم الهيدروجيني ~ 3.7)، وخليط من 1 ملي مول كلوريد الصوديوم و 0.2 ملي هيدروكسيد الصوديوم (الرقم الهيدروجيني ~ 10.3)، و1X الفوسفات مخزنة المالحة.
    2. إضافة صبغة الفلورسنت ذات الشحنة السالبة (~ 1.55 ميكرومتر) إلى حلول الاختبار.
      ملاحظة: إن تركيز الصبغة وأضاف يجب أن يكون أقل من ذلك بكثير من أيونات الملح (<10 ميكرومتر) بحيث الأصباغ لا تهمه تساهم في التيار الكهربائي 30 و 31.
    3. تحميل محلول العينة في خزان واحد من القناة والضغط السلبي إلى خزان آخر لملء القناة مع الحل. ربط الخزانات اثنين hydrodynamically التي كتبها releasing قطرات كبيرة للقضاء على التدرج الضغط على قناة (الشكل 2A).
    4. ملء الخزانات اثنين، والتي ترتبط إلى أنماط تبادل الأيونات الموجبة، مع المحاليل (1 م بوكل أو 1 M كلوريد الصوديوم) باستخدام حقنة أو الماصة للتعويض عن أثر برنامج المقارنات الدولية في الخزانات.
    5. وضع الأسلاك في الخزانات، عبر اثنين من الأغشية منقوشة (الأنود على خزان الأيسر والكاثود على اليمين)، وربطها مع وحدة قياس المصدر (الشكل 2A).
  2. تصور هذه الظاهرة برنامج المقارنات الدولية وبرنامج المقارنات الدولية preconcentration
    1. تحميل جهاز ICP على مجهر epifluorescence مقلوب. تطبيق الجهد (0.5100 V) وقياس الاستجابة الحالية مع وحدة قياس المصدر.
    2. التقاط الصور الفلورسنت مع كاميرا الجهاز المسؤول عن جانب وتحليل كثافة الفلورسنت باستخدام برامج التصوير (32).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وتظهر الخطوات تلفيق التخطيطي لpreconcentrator ميكروفلويديك متكاملة الغشاء في الشكل 1. ويرد وصف تفصيلي للتصنيع في البروتوكول. ويتناقض التصاميم والصور جهاز للpreconcentrator محددة spatiotemporally 26 مع تلك من التقليدية preconcentrator 11 (الشكل 2). وكان التحقيق في ظاهرة برنامج المقارنات الدولية في preconcentrator محددة spatiotemporally من حيث الردود الجهد في الوقت الحالي وملامح كثافة الفلورسنت (الشكل 3-4). على غرار ظاهرة ICP مع ثلاثة أنظمة احدة غشاء preconcentrator 3 و 11 و مختلفة (أومية، والحد، وoverlimiting) لوحظت في منحنى الجهد الحالي: 0.5-1 V (أومية والحد) و 5 V (overlimiting) . ومع ذلك، كان الانتعاش الحالي غير التقليديةالكشف في منحنى الوقت الحالي كما إثراء أيون والمناطق استنزاف ايون اندمجت. بعد ذلك، تم اختبار preconcentration برنامج المقارنات الدولية في أوقات مختلفة والفولتية مع preconcentrator محددة spatiotemporally (الشكل 5) والتقليدي جهاز غشاء واحد (الشكل 6). وتم قياس كمية ديناميات preconcentration من الصور مضان، والاستجابات في الوقت الحالي، والرسوم البيانية كثافة الفلورسنت لمسافات وأوقات مختلفة. عند المقارنة بين الأنظمة الأساسية اثنين، تظهر منصة برنامج المقارنات الدولية الجديدة ميزة في جمع دائما الأهداف (الأصباغ الفلورية) بين اثنين الموجبة أنماط غشاء انتقائي. وبالإضافة إلى ذلك، تم التأكيد على أن المكونات preconcentration لا يزال هو نفسه في مختلف جوانب القوة الأيونية (1-100 ملم كلوريد الصوديوم) وقيم الرقم الهيدروجيني (3،7 حتي 10،3)، والتحقق من توافر عالية من دمج preconcentrator برنامج المقارنات الدولية في نطاقات واسعة من ظروف التشغيل (الشكل 7). في الشكل 8، وهو بروتين preconcentr 10،000 أضعافوقد تجلى أيضا أوجه.

شكل 1
الشكل 1. خطوات تصنيع شريحة ميكروفلويديك متكاملة غشاء تبادل الأيونات الموجبة. بعد شغل في قالب PDMS مع راتنج تبادل الأيونات الموجبة باستخدام تقنية MicroFlow آخر الزخرفة (أ - ج) 29، والمستعبدين الركيزة الزجاج المزخرف الغشاء مع متناهية PDMS عن طريق العلاج الأكسجين البلازما (د). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. الخطط من preconcentrator محددة spatiotemporally (أ) و preconcentrator التقليدية (ب). (أ) في اله منصة جديدة، بين نمطين غشاء (ط)، واستنزاف أيون / يتم تطوير المناطق التخصيب واندمجت مع الخطية (أومية والحد من النظام؛ ب) أو غير الخطية (overlimiting النظام؛ الثالث) لمحات من التركيز. في جميع الأنظمة الثلاثة الحالية، لبنات منطقة تخصيب أيون نشر من منطقة الاستنزاف والأهداف (دوائر جوفاء، وأنا) وpreconcentrated في واجهة من المناطق استنفاد الأيونات وتخصيب (المنحني، خط منقط، وأنا). واتهم جدار قناة PDMS سلبا، وهذا يولد تدفق الكهربائية الاسموزي (EOF) بين اثنين من الأغشية تبادل الأيونات الموجبة تحت حقل كهربائي. وEOF يسلم باستمرار الأهداف نحو واجهة من المناطق استنزاف والإثراء. (ب) في منصة التقليدية، يتم تطوير سوى منطقة استنزاف ايون بالقرب من الغشاء مع الخطية (أومية ويحد من النظام؛ ب) وغير الخطية (overlimiting النظام؛ الثالث) التدرجات تركيز. مثل EOF يسلم الأهداف، آل preconcentrationيحدث ذلك في حدود المنطقة نضوب، ولكن هذه المنطقة (والمكونات preconcentrated) يتحرك بعيدا عن غشاء تبادل الأيونات الموجبة (السهم الأسود، وأنا). وتجدر الإشارة إلى أنه لا توجد زيادة في تركيز أيون هنا دون منطقة تخصيب أيون (ب-ج). في (أ ب)، وتظهر الصور جهاز في (رابعا). C 0 يمثل تركيز أيون الأولي. V + G وتشير إلى القطب الموجب والقطب السالب، على التوالي. نقلا عن 26T المرجعي بإذن من الجمعية الكيميائية الأمريكية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. مدموجة ظاهرة ICP بين اثنين من أغشية تبادل الأيونات الموجبة. (أ) يوضح منحنى الجهد الحالي ثلاثة الانظمه متميزوفاق (أومية، تحد، وoverlimiting). يتم قياس الاستجابة الحالية من خلال زيادة الجهد على فترات منفصلة من 0.25 V كل 40 ثانية، والتي تتكرر ثلاث مرات. يشير شريط خطأ الانحراف المعياري من الاستجابات الحالية. (ب، ج) في الأنظمة الثلاثة، تم الحصول على الصور مضان (ب) وملامح كثافة على طول AA 'في منتصف القناة (ج). الصفراء، وصناديق المنقطة تشير إلى مواقع الأغشية الانتقائية الموجبة. وقد استخدم 1 الحل ملي بوكل مع 1.55 ميكرومتر (1 ميكروغرام / مل) سالبة الشحنة صبغة الفلورسنت. نقلا عن المرجع 26 بإذن من الجمعية الكيميائية الأمريكية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل (4). (أ، ب) في الأنظمة أومية-الحد، التدرجات تركيز الخطية تنمو (<1 ق) من غشاء تبادل الأيونات الموجبة ثم تتداخل معا (> 1 ق). (ج) في النظام overlimiting، يتم دمج المناطق ICP اثنين بسرعة أكبر (<0.6 s) مع الصدمة نضوب (السهم الأسود في 0.2 ثانية). (د - و) في الوقت الحالي تشير الردود أن التيار انخفضت في البداية نظرا لنمو منطقة استنفاد تركيز منخفض، والتي تتطابق مع التوصيل الكهربائي المنخفض. ثم يتم استرداد الهبوط الحالي نتيجة لنقل الحمل الحراري من الدوامات محصورة بين اثنين من الأغشية. نقلا عن مرجعي 26 بإذن من الجمعية الكيميائية الأمريكية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

<الطبقة ص = "jove_content" FO: المحافظة على together.within الصفحات = "1"> الرقم 5
الرقم 5. الثابتة Spatiotemporally preconcentration في 5 و 10 و 20 خامسا (أ - ج) وصور الإسفار لبرنامج المقارنات الدولية اندمجت والردود في الوقت الحالي (د - و) على مر الزمن (0-100 ق). و، خطوط منقط الصفراء تدل على مكان والأغشية تبادل الأيونات الموجبة. يتم رسم (ز) لمحات من شدة الفلورسنت الوقت الفاصل على طول متناهية (AA). زيادة شدة ذروة مع مرور الوقت، مع مواقع ثابتة. (ح) كثافة أضعاف الذروة (أي كم مرة أكبر من كثافة الفلورسنت الأولية). في ارتفاع الفولتية، وأسرع EOF يسلم الأهداف نحو واجهة من المناطق استنفاد الأيونات والإثراء، وبالتالي فإن زيادة سرعة preconcentration. هو فعل اي ارتفاع بنسبة 20 V بالصدمة نضوب ( الشكل 4C، في 0.8 ثانية، وكانت ذروة أوسع مما كان عليه في 0.4 ثانية. وربما هذا هو لأن الجانب الأيسر من نمط Nafion اليسار (الشكل 2A) تم طرح كهربائيا، والأصباغ المتراكمة قد انتشرت. نقلا عن المرجع 26 بإذن من الجمعية الكيميائية الأمريكية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الشكل 6. ظاهرة برنامج المقارنات الدولية في preconcentrator ICP التقليدية في 5 و 10، و 20 V. (أ - ج) وصور الإسفار المنطقة استنفاد الأيونات والاستجابة في الوقت الحالي (د - و) على مر الزمن (0-100 ق). هو تصور انتشار منطقة الاستنزاف والمكونات preconcentration بشكل واضح في الصور مضان. وفقا لذلك، لا تقتصر على الدوامات، بحيث لا يحدث الانتعاش الحالي، وحتى في النظام overlimiting. الأصفر، الخطوط المنقطة تشير إلى موقع الأغشية تبادل الأيونات الموجبة. يتم رسم (ز) لمحات من شدة الفلورسنت الوقت الفاصل على طول متناهية (AA). زيادة شدة ذروة مع مرور الوقت، ولكن الموقع يتحرك بعيدا عن غشاء. (ح) ذروة كثافة حظيرة جهاز ICP التقليدية. وعلى النقيض من جهاز ICP المدمجة (الشكل 5H)، لا يوجد ارتفاع كثافة دون الحبس مناطق برنامج المقارنات الدولية، وذلك لأن كثافة الفلورسنت زادت كما كان preconcentrated الصبغة. زيادة رانه ذروة كثافة أضعاف مماثلة لتلك التي من الجهاز ICP اندمجت في نفس الوقت (في الجهد معين). هذا يدل على أن طول الفترة الزمنية التي يقام المكونات preconcentrated في مكان أمر حاسم لأداء preconcentration. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
الرقم 7. preconcentration محددة Spatiotemporally على مختلف نقاط القوة الأيونية (1-100 ملم كلوريد الصوديوم) وقيم الرقم الهيدروجيني (3،7 حتي 10،3). (أ) وصور الإسفار تم الحصول عليها بعد 100 الصورة من العملية في 50 V. كما يمكن أن ينظر إليه، مواقع المقابس preconcentration لا تزال بين اثنين من الأغشية تبادل الأيونات الموجبة (الأصفر، الخطوط المنقطة)، على الرغم من ضعف كثافة تحت عالية الأيونية قوة وفي حمضية قوية أو الأساسيةحل. (ب، ج) موقع الذروة شدة وضعفا شدته (أي، كم مرة أكبر من كثافة الأولية)، المعين تحت 10، 20، 50، و 100 خامسا بالنسبة لحالة واحدة (1، 10، 100 ملي و / أو درجة الحموضة 3.7 و 7 و 10)، وهناك أربع نقاط البيانات المطابقة للشروط الجهد الأربعة. في ارتفاع الفولتية، هناك قمة أعلى تكثيف أضعاف في جميع الحالات. 100 فولت لم يختبر في 1 ملي مول كلوريد الصوديوم (الرقم الهيدروجيني 7) لأن كثافة الذروة مست بالفعل أعلى القيم (بسبب تشبع من الكاميرا) في 50 خامسا من البيانات الشخصية كثافة الذروة، وحدد أيضا منطقة الذروة، مع 1 ٪ أقل من كثافة الذروة، التي يمثلها أشرطة الخطأ (ب، ج). والجهد العالي وأقوى EOF تحويل الذروة الموقع إلى الحق، مع ارتفاع أضعاف كثافة وحدة المكونات preconcentration. مربعات رمادية تشير إلى مواقع الأغشية تبادل الأيونات الموجبة. المسافة 0 (أ) تمثل أصل محور س (ب، ج)، وهوعلى الحافة اليمنى من غشاء تبادل الأيونات الموجبة الأيسر. أصل المسافة هي الحافة اليمنى من غشاء نقاط. نقلا عن المرجع 26 بإذن من الجمعية الكيميائية الأمريكية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 8
الرقم 8. مظاهرة من preconcentration بروتين ثابت spatiotemporally. وقد استخدم FITC الألبومين (1 ميكروغرام / مل) في 1X الحل الفوسفات مخزنة المالحة. تمت إضافة 0.1٪ توين 20 أيضا لمنع ملزمة انوعي. منذ أن يتحقق preconcentration بالكاد في ارتفاع القوة الأيونية (الشكل 7)، ونحن تضاعف عرض نمط Nafion (200 ميكرون)، واستخدمت قناة PDMS أضيق (50 ميكرون). وبهذه الطريقة، تم تعزيز أداء برنامج المقارنات الدولية preconcentration بواسطةتوسيع مسار أيون وتقليل كمية المطلق للأيونات في القناة. في الجهد المطبق من 100 فولت، والذروة وبلغ متوسط ​​كثافة الفلورسنت كانت تتبع في أبيض، مربع منقط، وهي المنطقة بين اثنين من الأغشية تبادل الأيونات الموجبة. في غضون 10 دقيقة من العملية، تم preconcentrated البروتينات تصل إلى 10 ملغ / مل (الذروة) و ~ 0.1 ملغ / مل (المتوسط)، مشيرا إلى 10،000- وpreconcentrations 100 مرة على التوالي. تم الحصول على الصور مضان أقحم في 0، 10، و 20 دقيقة. في هذا العمل، وكانت عملية 20 دقيقة كافية لpreconcentrate الجزيئات المستهدفة، لذلك نحن لا تغطي أوقات أطول التشغيل. نقلا عن المرجع 26 بإذن من الجمعية الكيميائية الأمريكية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وصفناها بروتوكول تصنيع وأداء preconcentrator محددة spatiotemporally في مجموعة من الجهد التطبيقية (،5-100 V)، القوة الأيونية (1-100 ملم)، ودرجة الحموضة (3،7 حتي 10،3)، تحقيق أضعاف 10000 preconcentration الأصباغ والبروتين في غضون 10 دقيقة. كما مثل أجهزة ICP السابقة، وأداء preconcentration يصبح أفضل في الجهد العالي وفي انخفاض القوة الأيونية. واحد المعلمة إضافية يمكن أن نعتبر هنا هي المسافة بين اثنين من أغشية تبادل الأيونات الموجبة. إذا كان لنا أن زيادة المسافة بين غشاء، يقلل من الحقل الكهربائي تحت نفس الجهد التطبيقية، مما أدى إلى انخفاض سرعة preconcentration 26.

تقنية الزخرفة MicroFlow آخر 29 المستخدمة في هذا العمل هو وسيلة قوية للراتنجات التبادل الزخرفة الموجبة، لذلك فقد كان واحدا من الأساليب الذهب القياسية لدمج مواد التبادل الأيوني في نظم ميكروفلويديك. Nevertheless، فمن الضروري لصنع اثنين الأغشية تبادل الأيونات الموجبة جنبا إلى جنب مع مسافة intermembrane قصيرة (أقل من بضع مئات من ميكرومتر). في خطوات 1.3.3-1.3.4، راتنج تبادل الأيونات الموجبة في مرحلة السائلة. ولذلك، فإن الراتنج في و microchannels اثنين يمكن انهار، وانخفاض راتنج المتبقية في نهاية مفتوحة من القنوات يمكن أيضا أن الفيضانات خلال القالب مفرزة (الخطوة 1.3.4). لبناء اثنين من الأغشية تبادل الأيونات الموجبة مع ارتفاع نمط الإخلاص، استخدمنا راتنج مع اللزوجة العالية نسبيا (20٪ من المواد تبادل الأيونات الموجبة في المذيبات) وتعيين دقيق لعملية مفرزة مع اتجاه فصل المعينة.

على الرغم من وأظهرت مرونة تشغيلية عالية من هذا المنبر، قد يكون القارئ يشعر بالقلق حول تحديد الظروف المثلى من مجموعة واسعة ضمن إطار التشغيل. واحد تمثيلي المقايضة بين سرعة preconcentration واستقرار تأثير برنامج المقارنات الدولية. مسحأن ينظر في الشكل 5 في كواك وآخرون. 26 عاما، وهو الجهد التطبيقي عالية (> 50 V) يمكن أن تتكثف الأهداف بسرعة. ومع ذلك، فإن هذا يدفع أيضا الدوامات قوية في منطقة الاستنزاف (1 ملم / درجة الحموضة 7 في الشكل 7A)، مما يقلل من استقرار preconcentration العينة. وفقا لذلك، تصبح سرعة preconcentration يصعب التنبؤ 33. في المرحلة الحالية، ونحن نوصي ظروف تجريبية مع الجهد المنخفض نسبيا (<30 V) والقوة الأيونية (<10 مم) لpreconcentration مستقر ويمكن التنبؤ به، وثابت spatiotemporally. ويرتبط هذا المفاضلة بين السرعة preconcentration والاستقرار من المكونات preconcentrated أيضا إلى مصادر لبرنامج المقارنات الدولية غير الخطية (التوصيل السطح، EOF، وعدم الاستقرار الكهربائية الاسموزي). المصدر الرئيسي لبرنامج المقارنات الدولية غير الخطية في الجهد صغيرة نسبيا (<50 V) هو EOF، وخلق الزوج دوامة متماسك في منطقة نضوب (الشكل 3B)، التي لوإعلانات لpreconcentration مستقر. في الجهد العالي نسبيا (> 50 V)، يتم تغيير المصدر الرئيسي لبرنامج المقارنات الدولية غير الخطية إلى electro-ناضح عدم الاستقرار، مما أدى دوامات متعددة الفوضى، التي تقلل من استقرار preconcentration.

في الآونة الأخيرة، وقد وضعت منصات ICP-الورقية التي كتبها فان وآخرون. 34، غونغ وآخرون. 19، وهان وآخرون. 21. هذه الأجهزة ورقة مع الهياكل الصغيرة التي يسهل اختراقها يمكن قمع الكهربائية الاسموزي عدم الاستقرار 4 و 35 و تخفف من مشكلة استقرار. ومع ذلك، فإن أحجام قنوات الورقة هي عادة حوالي 0،5-5 ملم، والتي هي أكبر بكثير من مجرد قناة ميكروفلويديك التقليدية. هذه القناة ورقة على نطاق أوسع مع شبكات الألياف عشوائية تسبب حركات غير منتظمة في المقابس preconcentrated. وقد كان هذا لا مفر منه في preconcentrators ICP-الورقية، لأن الحد الأدنى من ميزةحجم الزخرفة الشمع وقطع الورق (أي أساليب التصنيع لبناء قنوات ورقة) حوالي بضع مئات من ميكرومتر.

وقد استخدم preconcentrator برنامج المقارنات الدولية في مجموعة واسعة من المنصات biomicrofluidic لpreconcentrating مختلف وكلاء الحيوي. تضخيم الإشارات من مختلف المقايسات. وكشف الأهداف، مثل البروتينات العلاجية 36، الببتيدات 37، الأبتامرات 17، والانزيمات 38. هذه الأعمال السابقة استهدفت الجزيئات الحيوية مضان المسمى. هذا هو لأننا لا نستطيع تحديد ظروف التشغيل بالضبط (أي الجهد ومعدل التدفق) للحفاظ على الموقع preconcentration، لذلك نحن بحاجة أولا إلى إيجاد الظروف المناسبة للأهداف preconcentrator. المغادرين من الأعمال السابقة، وهذه الظاهرة ICP المدمجة تسمح لنا لإصلاح دائما المقابس preconcentrated في مجموعة واسعة من ظروف التشغيل مع المحافظة على المرونة العالية للأجهزة ICP. على سبيل المثال، فإننا يمكن أن تعدل النظام ICP اندمجت مع تدفق السوائل عرضية، وتشغيلها في وضع الدفق المستمر 39. هذا يشير إلى أننا يمكن الآن توسيع تطبيقات preconcentrators برنامج المقارنات الدولية لتسمية خالية تقنيات الكشف دون استخدام أدوات التصور واستشفاف. هذه ميزة فريدة من نوعها من التحكم الزمانية المكانية يوفر فرصة تجارية قوية لدمج جهاز ICP مع منصات الفوق العامة، مثل آلات تفاعل البلمرة المتسلسل والطيف الشامل.

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

الهندسة الحيوية، العدد 120، تركيز أيون الاستقطاب، preconcentration، غشاء التبادل الأيوني، overlimiting الحالي، وتدفق الكهربائية ناضح، وعدم الاستقرار الكهربائية الاسموزي
دمج ايون الاستقطاب التركيز بين جنبا إلى جنب التبادل الأيوني الأغشية لمنع الانتشار من منطقة الاستقطاب
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