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Bioengineering

Unire Ion Concentrazione polarizzazione tra giustapposti Ion membrane a scambio di bloccare la propagazione della Zona Polarizzazione

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

Il protocollo per una nuova piattaforma concentrazione di ioni di polarizzazione (ICP) che può fermare la propagazione della zona ICP, indipendentemente dalle condizioni di funzionamento è descritta. Questa capacità unica della piattaforma risiede nell'utilizzo di fondere mancanza di ioni e l'arricchimento, che sono due polarità del fenomeno ICP.

Abstract

Il fenomeno concentrazione di ioni di polarizzazione (ICP) è uno dei metodi più prevalenti di preconcentrare campioni biologici bassa abbondanza. L'ICP induce una regione non invasivo per biomolecole cariche (cioè la zona mancanza di ioni), e bersagli può essere preconcentrato su questa regione di confine. Nonostante le prestazioni elevate preconcentrazione con ICP, è difficile trovare le condizioni operative delle zone non-moltiplicazione esaurimento di ioni. Per superare questa finestra di funzionamento stretto, abbiamo recentemente sviluppato una nuova piattaforma per preconcentrazione spatiotemporally fisso. Diversamente precedenti metodi che utilizzano solo mancanza di ioni, questa piattaforma utilizza anche la polarità opposta della ICP (cioè, arricchimento ion) per fermare la propagazione della zona di svuotamento ione. Confrontando la zona arricchimento con la zona di svuotamento, le due zone fondono e si fermano. In questo articolo, si descrive un piano sperimentale dettagliato per costruire questo piattaf ICP spatiotemporally definitoorm e caratterizzare la dinamica preconcentrazione della nuova piattaforma confrontandoli con quelli del dispositivo convenzionale. profili di concentrazione di ioni qualitative e le risposte attuali a tempo catturano con successo le diverse dinamiche tra l'ICP fusione e l'ICP stand-alone. In contrasto a quella convenzionale che può fissare la posizione preconcentrazione a soli ~ 5 V, la nuova piattaforma può produrre un plug target-condensato in un luogo specifico nelle ampie gamme di condizioni operative: tensione (0,5-100 V), forza ionica (1-100 mM) e pH (3,7-10,3).

Introduction

Ion polarizzazione di concentrazione (ICP) si riferisce a un fenomeno che si verifica durante l'arricchimento ionica e mancanza di ioni su una membrana permselective, determinando un calo potenziale supplementare con gradienti di concentrazione di ioni 1, 2. Questo gradiente di concentrazione è lineare, e diventa più pronunciata, una tensione elevata è applicata (regime ohmico) finché la concentrazione di ioni sulla membrana si avvicina a zero (regime di limitazione). In questa condizione di diffusione limitata, il gradiente (e il corrispondente flusso di ioni) è stato conosciuto per essere massimizzata / saturo 1. Oltre questa comprensione convenzionale, quando la tensione (o corrente) è ulteriormente aumentata, una corrente overlimiting si osserva, con zone deplezione piatte e gradienti di concentrazione molto netti alla zona di confine 1, 3. La zona pianeggiante ha una concentrazione molto bassa di ioni, ma la superficie di conduzione, elettro-osmoti flusso c (EOF), e / o l'instabilità elettro-osmotico promuovere flusso di ioni e inducono una overlimiting corrente 3, 4, 5. È interessante notare che la zona di svuotamento piatta serve come una barriera elettrostatica, che filtra 6, 7, 8, 9 e / o preconcentrates riguarda il 10, 11. Poiché non vi è una quantità insufficiente di ioni per schermare le cariche superficiali di particelle cariche (per elettroneutralità soddisfacente), le particelle non possono passare attraverso questa zona di svuotamento e quindi allineano al suo confine. Questo effetto non lineare ICP è un fenomeno generico in vari tipi di membrane 10, 11, 12, 13,> 14 e geometrie 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; per questo motivo i ricercatori sono stati in grado di sviluppare vari tipi di filtrazione 6, 7, 8, 9 e preconcentrazione 10, 11 dispositivi che utilizzano il non lineare ICP.

Anche con tale alta flessibilità e robustezza, è ancora una sfida pratica chiarire le condizioni operative per i dispositivi non lineari ICP. Il regime non lineare del ICP rimuove rapidamente cationi attraverso una membrana a scambio cationico, che provoca lo spostamento di anioni muovono verso l'anodo. Come unDi conseguenza, la zona di impoverimento piatta propaga rapidamente, che ricorda di scosse propagazione 22. Mani et al. chiamato questa dinamica la dissalazione (o esaurimento) scioccare 23. Per preconcentrare bersagli in una posizione di rilevamento designato, impedendo l'espansione della zona di svuotamento ione è necessario, ad esempio, applicando EOF o flusso di pressione guidato contro l'espansione zona 24. Zangle et al. 22 chiarito i criteri per ICP propagazione in un modello unidimensionale, e dipende molto mobilità elettroforetica 17, forza ionica 18, pH 25, e così via. Ciò indica che le condizioni operative adeguate saranno modificati in base alle condizioni del campione.

Qui, vi presentiamo progettazione dettagliata e protocolli sperimentali per una nuova piattaforma ICP che preconcentrates obiettivi all'interno di un spatiotempper via orale posizione 26 definita. L'espansione della zona di svuotamento ione è bloccata dalla zona arricchimento ione, lasciando una spina preconcentrazione stazionaria in una posizione assegnata, indipendentemente dal tempo di funzionamento, la tensione applicata, forza ionica e pH. Questo protocollo video dettagliato destinato a mostrare il metodo più semplice per integrare membrane a scambio di cationi in dispositivi microfluidici e per dimostrare le prestazioni preconcentrazione della nuova piattaforma ICP rispetto a quella convenzionale.

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Protocol

1. Realizzazione di scambio cationico a membrana integrato chip microfluidici

  1. Preparazione di maestri di silicio
    1. Disegno due tipi di maestri silicio: una per patterning una resina a scambio cationico e l'altro per la costruzione di un microcanali con polidimetilsilossano (PDMS).
      NOTA: La geometria dettaglio verrà descritto nei passi 1.3.1 e 1.4.1.
    2. Realizzare i padroni di silicio utilizzando uno fotolitografia convenzionale o profonda ioni reattivi incisione 27.
    3. Silanizzazione maestri silicio micropatterned con triclorosilano (~ 30 mL) in un vaso vuoto per 30 min.
      ATTENZIONE: triclorosilano è un liquido piroforico che è infiammabile e ha una tossicità acuta (inalazione, ingestione orale).
  2. Preparazioni di stampi PDMS
    1. Mescolare una base di elastomero di silicone con un agente indurente in un rapporto di 10: 1 e posizionare la tazza con questo non polimerizzato PDMS(30-40 ml per replicare microstrutture su un 4-in wafer di silicio) in un vaso vuoto per 30 minuti per rimuovere le bolle.
      NOTA: La base di silicone contiene oligomeri silossanici terminanti con gruppi vinilici e di un catalizzatore a base di platino. L'agente indurente contiene reticolazione oligomeri che hanno tre legami silicio-idruro 28.
    2. Versare il PDMS TDS sui padroni di silicio, rimuovere le bolle con un ventilatore, e curare il PDMS a 80 ° C per 2 ore in un forno a convezione.
    3. Staccare i PDMS curate dai maestri silicio e correttamente modellare le PDMS con un coltello (forme squadrate, come mostrato in Figura 2a-b, iv).
  3. Patterning le membrane a scambio cationico
    1. Tagliare metà dello stampo PDMS perpendicolarmente ai due microcanali paralleli e perforare alle estremità dei PDMS canali con un punzone biopsia 2,0-mm.
      NOTA: Lo stampo PDMS per patterning la membrana selettiva cazione ha due parmicrocanali parallela i (larghezza: 100 m; altezza: 50 micron; tra i canali distanza: 100 micron; Figura 1a). L'originale forma dello stampo può essere immaginato rispecchiando stampo tranciato lungo la linea di taglio. microcanali a forma di L sono raccomandate per la punzonatura dei due fori senza sovrapposizioni.
    2. Pulire un vetrino e lo stampo PDMS con nastro adesivo e un ventilatore e mettere lo stampo sul vetrino per creare attaccamento reversibili tra di loro.
    3. Secondo la tecnica microflusso patterning 29, rilascio ~ 10 ml di una resina a scambio cationico in corrispondenza dell'estremità aperta del canale che è stata tagliata in fase 1.3.1 (Figura 1b). Mettere la testa della siringa sui fori e tirare lo stantuffo (frecce nere in figura 1b); una leggera pressione negativa tirerà la resina a scambio cationico, e la resina riempirà i due canali.
      NOTA: Si raccomanda che l'altezza del microcanale è maggiore di 1581; m, poiché l'elevata viscosità della resina richiede alta pressione per riempire i canali. D'altra parte, è preferibile che l'altezza non supera i 100 micron, in quanto la membrana selettiva ione modellata diventerà più spessa di 1 micron; una membrana tale spessore può creare un gap tra la membrana e il canale PDMS 13.
    4. Staccare stampo PDMS senza toccare la resina modellata e posizionare il vetrino sul riscaldatore a 95 ° C per 5 minuti per evaporare il solvente nella resina.
      NOTA: Lo spessore della membrana modellato è solitamente inferiore a <1 um. Lo stampo viene delicatamente rimosso dalla incernieramento dello stampo per il lato aperto (linea tratteggiata e freccia nella Figura 1b). E 'meglio staccare lo stampo inferiore 1 min dopo il riempimento della resina. Se lo stampo viene rimosso dopo pochi minuti, membrane più spesse possono essere ottenuti, ma avrebbero una forma concava per effetto capillare.
    5. Staccare il superfluoparte della membrana modellato con una lametta, facendo due separati formazioni pattern (figura 1c).
      NOTA: Il materiale di scambio cationico usato qui è perfluorurato gruppi, cioè il modello non è fortemente legato al vetro. Pertanto, il metodo palettatura semplice può facilmente rimuovere la parte non necessaria della membrana.
  4. Integrazione del microcanale e il substrato membrana modellato
    1. Punch due fori alle estremità dei microcanali e altri due fori in cui saranno collocati i modelli di membrana dopo l'incollaggio del canale PDMS al substrato membrana modellato fabbricato in fase 1.3.
      Nota: Il microcanali PDMS presenta un canale (larghezza: 50-100 micron; altezza: 10 micron), ma è legato alle estremità del vicino canale (Figura 1d).
    2. Obbligazionario microcanali PDMS al substrato membrana modellato immediatamente dopo il trattamento al plasma di ossigeno per 40 s a 100 W e 50 mTorr.
      NOTA: Posizionare la membrana modellato perpendicolarmente al centro della microcanali.

2. ICP preconcentrazione

  1. Preparazione per l'esperimento
    1. Preparare varie soluzioni di prova, compresi 1-100 mM KCl, 1 mM NaCl (pH ~ 7), la miscela di 1 mM NaCl e 0,2 mM HCl (pH ~ 3.7), la miscela di 1 mM NaCl e 0,2 mM NaOH (pH ~ 10.3), e 1x PBS.
    2. Aggiungere un colorante fluorescente carica negativa (~ 1,55 micron) per le soluzioni di prova.
      NOTA: La concentrazione del colorante aggiunto deve essere molto inferiore a quello degli ioni di sale (<10 micron) in modo che i coloranti applicati non contribuiscono ad una corrente elettrica 30, 31.
    3. Caricare la soluzione campione in un serbatoio del canale e applicare una pressione negativa al altro serbatoio per riempire il canale con la soluzione. Collegare i due serbatoi idrodinamico con releasing una grande goccia per eliminare il gradiente di pressione lungo il canale (Figura 2a).
    4. Riempire i due serbatoi, che sono collegati ai modelli di scambio di cationi, con soluzioni tampone (1 M KCl oppure 1 M NaCl) utilizzando una siringa o una pipetta per compensare l'effetto ICP nei serbatoi.
    5. Posizionare i fili ai serbatoi, attraverso le due membrane modellata (anodo sul serbatoio sinistro e catodo a destra), e collegarli in un'unità di misura sorgente (Figura 2a).
  2. Visualizzazione del fenomeno ICP e ICP preconcentrazione
    1. Caricare il dispositivo ICP su un microscopio a epifluorescenza invertito. Applicare una tensione (0,5100 V) e misurare la risposta corrente in un'unità di misura fonte.
    2. Catturare immagini a fluorescenza con una fotocamera del dispositivo ad accoppiamento di carica e analizzare l'intensità di fluorescenza utilizzando software di imaging 32.

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Representative Results

Le fasi di fabbricazione schematiche di una preconcentratore microfluidica membrana integrato sono mostrati in Figura 1. Una descrizione dettagliata della fabbricazione è dato nel protocollo. I disegni e le immagini di dispositivo della preconcentratore spatiotemporally definito 26 sono contrapposte a quelle di un convenzionale preconcentratore 11 (Figura 2). Il fenomeno ICP nel preconcentratore spatiotemporally definito è stato studiato in termini di risposte corrente-tensione-time e profili di intensità fluorescenti (Figura 3-4). Simile al fenomeno ICP con una sola membrana preconcentratore 3, 11, tre diversi regimi (ohmico, limitando, e overlimiting) sono stati osservati nella curva corrente-tensione: 0.5-1 V (ohmico e limitante) e 5 V (overlimiting) . Tuttavia, una ripresa in atto non convenzionale erarilevato nella curva del tempo corrente come l'arricchimento di ioni e le zone povertà di ioni fuse. Successivamente, la preconcentrazione ICP stato testato in tempi e tensioni diverse con il preconcentratore spatiotemporally definito (figura 5) e il dispositivo di una membrana convenzionale (Figura 6). La dinamica preconcentrazione sono stati quantificati da immagini di fluorescenza, le risposte corrente-tempo, e grafici di intensità fluorescenti oltre diverse distanze e tempi. Confrontando le due piattaforme, la nuova piattaforma ICP mostra un vantaggio nel raccogliere sempre bersagli (coloranti fluorescenti) tra i modelli membrana selettiva due cationi. Inoltre, è stato confermato che la spina preconcentrazione rimane la stessa in diversi punti di forza ionica (1-100 mM NaCl) e valori di pH (3.7-10.3), verificando l'alta disponibilità della fusione ICP preconcentratore nelle gamme gamma di condizioni operative (Figura 7). In figura 8, una proteina preconcentr 10.000 voltezione è stato anche dimostrato.

Figura 1
Figura 1. fasi di fabbricazione di un chip microfluidico scambio cationico membrana integrato. Dopo uno stampo PDMS è riempita con una resina a scambio cationico utilizzando la tecnica microflusso patterning (a - c) 29, il substrato di vetro membrana modellato è legato con un microcanale PDMS mediante trattamento al plasma di ossigeno (d). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2. Schema del preconcentratore spatiotemporally definita (a) e preconcentratore convenzionale (b). (A) In the nuova piattaforma, tra due modelli di membrana (i), l'esaurimento di ioni / zone di arricchimento sono sviluppati e fuse insieme lineare (ohmico e limitando il regime; ii) o non lineare (overlimiting regime; iii) profili di concentrazione. In tutti e tre i regimi attuali, i blocchi di zona di arricchimento di ioni la propagazione della zona di esaurimento e obiettivi (cerchi vuoti; i) sono preconcentrato all'interfaccia delle zone di esaurimento di ioni e di arricchimento (curva, linea tratteggiata; i). La parete del canale PDMS è caricato negativamente, e questo genera flusso elettro-osmotico (EOF) tra le due membrane a scambio cationico sotto un campo elettrico. Il EOF fornisce continuamente obiettivi verso l'interfaccia delle zone esaurimento e di arricchimento. (B) Nella piattaforma convenzionale, solo la zona mancanza di ioni è sviluppato in prossimità della membrana con lineare (ohmico e limitando regime; ii) e non lineari (overlimiting regime; iii) gradienti di concentrazione. Come il EOF fornisce gli obiettivi, la preconcentrazione alcosì si verifica al confine zona di svuotamento, ma questa zona (e la spina preconcentrato) si allontana dalla membrana a scambio cationico (freccia nera; i). Si fa notare che non vi è alcun aumento della concentrazione di ioni qui senza zona arricchimento ion (ii-iii). In (ab), le immagini del dispositivo sono mostrati in (iv). C 0 rappresenta la concentrazione di ioni iniziale. V + e G indicano l'anodo e il catodo, rispettivamente. Ristampato da riferimento 26t con il permesso della American Chemical Society. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3. uniti fenomeno ICP tra due membrane a scambio cationico. (A) La curva corrente-tensione indica tre distinti regimES (ohmico, limitando, e overlimiting). La risposta di corrente viene misurata dalla rampa la tensione ad intervalli discreti di 0,25 V ogni 40 s, che viene ripetuta tre volte. La barra di errore indica la deviazione standard delle risposte attuali. (b, c) Nei tre regimi, sono stati ottenuti immagini di fluorescenza (b) e profili di intensità lungo AA 'al centro del canale (c). Giallo, riquadri tratteggiati indicano le posizioni delle membrane selettive di cationi. 1 soluzione mM KCl con 1,55 micron (1 mg / ml) colorante fluorescente carica negativa è stato utilizzato. Ristampato da Reference 26 con il permesso della American Chemical Society. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4. (A, b) Nei regimi ohmico limitativi, i gradienti di concentrazione lineari crescere (<1 s) dalla membrana a scambio cationico e quindi si sovrappongono insieme (> 1 s). (C) Nel regime overlimiting, le due zone ICP sono fusi in modo più rapido (<0,6 s) con lo shock esaurimento (freccia nera a 0.2 s). (D - f) Il tempo corrente risposte mostrano che la corrente è inizialmente sceso a causa della crescita della zona di svuotamento a bassa concentrazione, che corrisponde alla bassa conducibilità elettrica. La caduta di corrente viene quindi recuperato a causa di un trasporto convettivo da vortici ristretti tra due membrane. Ristampato da riferimenti a 26 con il permesso della American Chemical Society. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

<p class = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> Figura 5
Figura 5. Spatiotemporally fissato preconcentrazione a 5, 10, e 20 V. (a - c) immagini di fluorescenza della ICP fuse e le risposte attuali a tempo (d - f) nel corso del tempo (0-100 s). Il giallo, linee punteggiate indicano la posizione delle membrane a scambio cationico. (G) i profili di intensità fluorescenti time-lapse sono tracciati lungo il microcanali (AA '). Le intensità di picco aumentano col passare del tempo, con postazioni fisse. (H) L'intensità di piegatura di picco (cioè, quante volte maggiore della intensità di fluorescenza iniziale). A tensioni superiori, più veloce EOF batte obiettivi verso l'interfaccia delle zone deplezione di ioni e di arricchimento, quindi la velocità aumenta preconcentrazione. Un picco a 20 V è indotta dallo shock esaurimento ( figura 4c, a 0.8 s, il picco è più larga che era a 0.4 s. Questo è probabilmente perché il lato sinistro del modello di Nafion sinistra (figura 2a) è elettricamente galleggiare, ed i coloranti accumulati potrebbe diffondersi fuori. Ristampato da Reference 26 con il permesso della American Chemical Society. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura 6. fenomeno ICP nel convenzionale preconcentratore ICP a 5, 10, e 20 V. (A - c) le immagini di fluorescenza della zona mancanza di ioni e la risposta corrente-tempo (d - f) nel tempo (0-100 s). La propagazione della zona di svuotamento e la spina preconcentrazione è chiaramente visualizzate nelle immagini di fluorescenza. Di conseguenza, i vortici non sono limitati, in modo che il recupero corrente non si verifica, anche in regime overlimiting. Giallo, linee tratteggiate segnano la posizione delle membrane a scambio cationico. (G) i profili di intensità fluorescenti time-lapse sono tracciati lungo il microcanali (AA '). Le intensità di picco aumentano col passare del tempo, ma la posizione si allontana dalla membrana. Intensità volte (h) Picco del dispositivo ICP convenzionale. In contrasto con il dispositivo ICP unito (figura 5h), non vi è alcun picco intensità senza il confinamento di zone ICP, perché l'intensità fluorescente aumentato come il colorante è stato preconcentrato. L'aumento di tegli massimo di intensità piega è simile a quella del dispositivo ICP fusa allo stesso tempo (ad una data tensione). Ciò indica che il periodo di tempo che la spina preconcentrato è tenuto in posizione è fondamentale per le prestazioni preconcentrazione. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 7
Figura 7. preconcentrazione Spatiotemporally definito in vari punti di forza ionica (1-100 mM NaCl) e valori di pH (3,7-10,3). (A) immagini di fluorescenza ottenute dopo 100 s di funzionamento a 50 V. Come si può notare, le posizioni dei tappi preconcentrazione ancora tra le due membrane a scambio cationico (giallo, linee tratteggiate), anche se l'intensità è indebolita sotto alta ionica forza e di una forte acido o basicosoluzione. (B, c) L'dell'intensità di picco e la sua intensità volte (es., Quante volte maggiore l'intensità iniziale), mappato in 10, 20, 50, e 100 V. Per una singola condizione (1, 10, 100 mM e / o pH 3,7, 7 e 10), ci sono quattro punti di dati corrispondenti alle quattro condizioni di tensione. Con tensioni più elevate, vi è un picco più elevato intensificare volte in tutti i casi. 100 V non è stato testato in 1 mM NaCl (pH 7) perché l'intensità di picco già toccato i valori più elevati (dovuti alla saturazione della telecamera) a 50 V. Dal profilo di intensità di picco, la regione picco è anche identificato, con 1 % inferiore all'intensità di picco, che è rappresentato da barre di errore (B, C). Una maggiore tensione ed un forte EOF spostare la posizione di picco a destra, con una maggiore intensità e piega una spina preconcentrazione nitida. caselle grigie indicano le posizioni delle membrane a scambio cationico. Il 0 distanza (a) rappresenta l'origine del x-asse (b, c), che èsul bordo destro della membrana a scambio cationico sinistra. L'origine della distanza è il bordo destro della membrana sinistra. Ristampato da Reference 26 con il permesso della American Chemical Society. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 8
Figura 8. Dimostrazione di preconcentrazione proteine spatiotemporally fisso. FITC-albumina (1 mg / ml) in soluzione salina tamponata con fosfato 1x stato utilizzato. 0,1% Tween 20 è stato aggiunto anche per evitare legami non specifici. Poiché la preconcentrazione è difficilmente ottenuta ad un maggiore forza ionica (Figura 7), abbiamo raddoppiato la larghezza del modello di Nafion (200 micron) e usato un canale stretto PDMS (50 micron). In questo modo, le prestazioni di ICP preconcentrazione stata migliorataampliando la via ionica e ridurre la quantità assoluta di ioni nel canale. Ad una tensione applicata di 100 V, il picco e media intensità di fluorescenza sono state tracciate in bianco, casella tratteggiata, che è la regione tra le due membrane a scambio cationico. Entro 10 minuti di funzionamento, le proteine ​​sono state preconcentrato fino a 10 mg / mL (picco) e ~ 0,1 mg / ml (in media), indicando 10,000 e preconcentrations 100 volte, rispettivamente. Le immagini di fluorescenza incasso sono state ottenute a 0, 10, e 20 min. In questo lavoro, un funzionamento di 20 minuti è stato sufficiente a preconcentrare le molecole target, quindi non abbiamo coprire tempi di funzionamento più a lungo. Ristampato da Reference 26 con il permesso della American Chemical Society. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Abbiamo descritto il protocollo di fabbricazione e le prestazioni di un preconcentratore spatiotemporally definita in un intervallo di tensione applicata (0,5-100 V), forza ionica (1-100 mM) e pH (3,7-10,3), ottenendo un 10.000 volte preconcentrazione di coloranti e proteine ​​entro 10 minuti. Come come dispositivi ICP precedenti, le prestazioni preconcentrazione diventa meglio a tensione più alta e in basso a forza ionica. Un ulteriore parametro che possiamo considerare qui è la distanza tra due membrane a scambio cationico. Se si aumenta la distanza inter-membrana, il campo elettrico diminuisce sotto la stessa tensione applicata, con conseguente diminuzione della velocità preconcentrazione 26.

Il patterning tecnica microflusso 29 utilizzato in questo lavoro è un metodo robusto per resine a scambio di cationi patterning, così è stato uno dei metodi oro standard per integrare i materiali a scambio ionico in sistemi microfluidici. Nuttavia, è necessario realizzare due membrane a scambio cationico giustapposti con una breve distanza intermembrane (inferiori a qualche centinaio di micrometri). Nei passi 1.3.3-1.3.4, la resina a scambio cationico è in una fase liquida. Pertanto, la resina nei due microcanali può essere compresso, e il restante goccia di resina in corrispondenza dell'estremità aperta dei canali può anche inondare durante il distacco dello stampo (fase 1.3.4.). Per costruire due membrane a scambio cationico con alta fedeltà modello, abbiamo utilizzato la resina con una viscosità relativamente alta (20% del materiale di scambio cationico nelle solventi) e impostare accuratamente il processo di distacco con una direzione distacco designato.

Anche se è stata dimostrata l'elevata flessibilità operativa di questa piattaforma, il lettore potrebbe essere preoccupato determinare le condizioni ottimali tra la vasta gamma all'interno della finestra operativa. Un rappresentante trade-off è tra la velocità preconcentrazione e la stabilità dell'effetto ICP. come puòvisibile in figura 5 in Kwak et al. 26, una elevata tensione applicata (> 50 V) può condensare obiettivi rapidamente; tuttavia, questo induce anche forti vortici nella zona di svuotamento (1 mM / pH 7 in figura 7a), che diminuisce la stabilità della preconcentrazione campione. Di conseguenza, la velocità di preconcentrazione diventa difficile prevedere 33. Nella fase attuale, si consiglia di condizioni sperimentali con una tensione relativamente bassa (<30 V) e forza ionica (<10 mm) per una preconcentrazione stabile, prevedibile e spatiotemporally fisso. Questo compromesso tra la velocità di preconcentrazione e la stabilità del tappo preconcentrato è anche legato alle fonti della non lineare ICP (conduzione di superficie, EOF, e l'instabilità elettro-osmotica). La fonte principale della ICP non lineare ad una relativamente piccola tensione (<50 V) è EOF, creando una coppia vortice coerente nella zona di svuotamento (Figura 3b), che leannunci a un preconcentrazione stabile. Ad una tensione relativamente elevata (> 50 V), la fonte principale del lineare ICP viene modificato elettro-osmotico instabilità, risultante caotiche multipli vortici, che diminuiscono la stabilità del preconcentrazione.

Recentemente, le piattaforme ICP cartacei sono stati sviluppati da Phan et al. 34, Gong et al. 19, e Han et al. 21. Questi dispositivi di carta con le strutture microporosa possono sopprimere elettro-osmotico instabilità 4, 35 e alleviare il problema di stabilità. Tuttavia, le dimensioni dei canali di carta sono generalmente di circa 0,5-5 mm, che è molto più grande di un canale microfluidico convenzionale. Questo canale di carta più ampio con le reti in fibra casuali provoca movimenti irregolari i tappi preconcentrato. Questo è stato inevitabile in preconcentrators ICP cartacei, poiché la funzione minimadimensione di cera patterning e taglio di carta (ad esempio, metodi di fabbricazione di costruire canali di carta) è di circa qualche centinaio di micrometri.

Il preconcentratore ICP è stato utilizzato in una vasta gamma di piattaforme biomicrofluidic per preconcentrating vari agenti biologici; amplificare i segnali di vari saggi; e gli obiettivi di rilevamento, come le proteine terapeutiche 36, peptidi 37, aptameri 17, ed enzimi 38. Queste opere precedenti mirati biomolecole fluorescenza-etichettato. Questo perché non siamo in grado di specificare le condizioni di funzionamento precise (ad esempio, la tensione e la portata) per mantenere il sito preconcentrazione, così abbiamo prima bisogno di trovare le condizioni adeguate per gli obiettivi preconcentratore. Partendo dal lavoro precedente, il fenomeno ICP fusione ci permette di ripariamo sempre le spine preconcentrato ad una vasta gamma di condizioni operative, pur mantenendo l'elevata flessibilità deldispositivi ICP. Ad esempio, si può modulare il sistema ICP fusa con un flusso di fluido tangenziale, ed operare in modalità a flusso continuo 39. Ciò indica che ora possiamo estendere le applicazioni di preconcentrators ICP di etichettare-free tecniche di rilevamento, senza l'utilizzo di strumenti di visualizzazione e traccianti. Questo unico vantaggio della controllabilità spazio-temporale fornisce una grossa opportunità commerciale per integrare il dispositivo ICP con le piattaforme da banco generici, come ad esempio le macchine di reazione a catena della polimerasi e spettrometri di massa.

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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

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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).
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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).

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