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Bioengineering

La fusión de polarización de la concentración de iones entre yuxtapuestas Las membranas de intercambio iónico para bloquear la propagación de la Zona de Polarización

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

Se describe el protocolo para una plataforma novela polarización de la concentración de iones (ICP) que puede detener la propagación de la zona de ICP, independientemente de las condiciones de funcionamiento. Esta capacidad única de la plataforma se encuentra en el uso de la fusión de agotamiento de iones y el enriquecimiento, que son dos polaridades del fenómeno ICP.

Abstract

El fenómeno de polarización de la concentración de iones (ICP) es uno de los métodos más prevalecientes que preconcentrado de muestras biológicas de baja abundancia. El ICP induce una región no invasiva para biomoléculas cargadas (es decir, la zona de agotamiento de iones), y los objetivos se puede preconcentrado en esta región límite. A pesar de los altos rendimientos de preconcentración con ICP, es difícil encontrar las condiciones de operación de zonas no propagar el agotamiento de iones. Para superar esta ventana estrecha operativo, recientemente hemos desarrollado una nueva plataforma para la preconcentración espaciotemporalmente fijo. A diferencia de los métodos anteriores que sólo utilizan el agotamiento de iones, esta plataforma también usa la polaridad opuesta de la ICP (es decir, el enriquecimiento de iones) para detener la propagación de la zona de agotamiento de iones. Al confrontar la zona de enriquecimiento con la zona de agotamiento, las dos zonas se funden y se detienen. En este trabajo se describe un protocolo experimental detallado para construir este platf ICP espaciotemporalmente definidoORM y caracterizar la dinámica de preconcentración de la nueva plataforma comparándolas con las del dispositivo convencional. los perfiles de concentración de iones cualitativos y respuestas en tiempo actual capturar con éxito las diferentes dinámicas entre el PCI y el PCI fusionada autónomo. En contraste con la convencional que puede fijar la ubicación de preconcentración de sólo ~ 5 V, la nueva plataforma puede producir un tapón condensado diana en una ubicación específica en la amplia gamas de condiciones de operación: Voltaje de (0,5 a 100 V), la fuerza iónica (1-100 mM) y pH (3.7 a 10.3).

Introduction

Ion polarización de la concentración (ICP) se refiere a un fenómeno que se produce durante el enriquecimiento de iones y el agotamiento iónico en una membrana de permeabilidad selectiva, lo que resulta en una caída de potencial adicional con gradientes de concentración de iones 1, 2. Este gradiente de concentración es lineal, y se hace más pronunciada como un voltaje más alto se aplica (régimen óhmico) hasta que la concentración de iones en la membrana se acerca (régimen limitante) cero. En esta condición de difusión limitada, el gradiente (y el correspondiente flujo de iones) ha sido conocido por ser maximizada / 1 saturada. Más allá de este entendimiento convencional, cuando la tensión (o corriente) se incrementa aún más, se observa una corriente overlimiting, con zonas de agotamiento planas y gradientes de concentración muy agudos en el límite de la zona 1, 3. La zona plana tiene una concentración de iones muy baja, pero la conducción superficie, electro-osmoti flujo c (EOF), y / o inestabilidad electro-osmótico promueven el flujo de iones y inducen una overlimiting actual 3, 4, 5. Curiosamente, la zona de agotamiento plana sirve como una barrera electrostática, que filtra 6, 7, 8, 9 y / o preconcentrados dirige a 10, 11. Dado que no hay una cantidad insuficiente de iones para detectar las cargas superficiales de las partículas cargadas (por electroneutralidad satisfactorio), las partículas no pueden pasar a través de esta zona de agotamiento y por lo tanto se alinean en su límite. Este efecto no lineal ICP es un fenómeno genérico en diversos tipos de membranas 10, 11, 12, 13,> 14 y geometrías 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; esto es por qué los investigadores han sido capaces de desarrollar diversos tipos de filtración 6, 7, 8, 9 y preconcentración 10, 11 dispositivos utilizando el ICP no lineal.

Incluso con tan alta flexibilidad y robustez, que sigue siendo un desafío práctico para aclarar las condiciones de funcionamiento de los dispositivos PCI no lineales. El régimen no lineal de la ICP elimina rápidamente cationes a través de una membrana de intercambio catiónico, lo que provoca el desplazamiento de aniones se mueven hacia el ánodo. Como unEn consecuencia, la zona de agotamiento plana se propaga rápidamente, lo que es una reminiscencia de la propagación de choque 22. Mani et al. denominado a esta dinámica la desionización (o agotamiento) 23 golpes. Para preconcentrar objetivos a una posición de detección designado, la prevención de la expansión de la zona de agotamiento de iones es necesario, por ejemplo, mediante la aplicación de EOF o flujo impulsado por presión contra la expansión zona 24. Zangle et al. 22 aclaró los criterios para la propagación de ICP en un modelo unidimensional, y depende en gran medida la movilidad electroforética 17, la fuerza iónica 18, pH 25, y así sucesivamente. Esto indica que las condiciones de funcionamiento adecuadas serán alterados de acuerdo con las condiciones de la muestra.

A continuación, presentamos el diseño detallado y los protocolos experimentales para una plataforma novedosa que ICP concentrados previos objetivos dentro de un spatiotemporalmente posición 26 definida. La expansión de la zona de agotamiento de iones es bloqueado por la zona de enriquecimiento de iones, dejando un tapón de preconcentración estacionaria en una posición asignada, independientemente del tiempo de funcionamiento, el voltaje aplicado, la fuerza iónica y pH. Este protocolo de vídeo detallada pretende mostrar el método más simple para integrar membranas de intercambio catiónico en los dispositivos de microfluidos y para demostrar el rendimiento de preconcentración de la nueva plataforma de ICP en comparación con la convencional.

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Protocol

1. La fabricación de intercambio de cationes chips de microfluidos de membrana-integrado

  1. Preparación de maestros de silicio
    1. Diseño dos tipos de maestros de silicio: uno para el patrón de una resina de intercambio catiónico y el otro para la construcción de un microcanal con polidimetilsiloxano (PDMS).
      NOTA: La geometría detalle se describirá en los pasos 1.3.1 y 1.4.1.
    2. Fabricar los maestros de silicio usando fotolitografía ya sea convencional o profunda grabado iónico reactivo 27.
    3. Silaniza los maestros de silicio micropatterned con triclorosilano (~ 30 l) en un frasco de vacío durante 30 minutos.
      PRECAUCIÓN: El triclorosilano es un líquido pirofórico que es inflamable y tiene una toxicidad aguda (inhalación, ingestión oral).
  2. Preparación de moldes de PDMS
    1. Mezclar una base de elastómero de silicona con un agente de curado en una relación de 10: 1 y colocar la taza con este no curado PDMS(30 a 40 ml para la replicación de microestructuras sobre una oblea de 4-en silicio) en un frasco de vacío durante 30 min para eliminar las burbujas.
      Nota: La base de silicona contiene oligómeros de siloxano que terminan con grupos vinilo y un catalizador basado en platino. El agente de curado contiene oligómeros que tienen tres enlaces silicio-hidruro 28 reticulación.
    2. Verter el PDMS sin curar en los amos de silicio, eliminar las burbujas con un soplador, y curar el PDMS a 80 ° C durante 2 h en un horno de convección.
    3. Separar los PDMS curado de los maestros de silicio y adecuadamente forma a los PDMS con un cuchillo (formas cuadradas, como se muestra en la figura 2a-b, iv).
  3. Patrón de las membranas de intercambio de cationes
    1. Cortar la mitad del molde de PDMS perpendicularmente a los dos microcanales paralelos y perforar agujeros en los extremos de los canales de PDMS con un punzón de biopsia de 2.0 mm.
      NOTA: El molde de PDMS para el patrón de la membrana selectiva de cationes tiene dos parmicrocanales parale- (anchura: 100 m; altura: 50 m; entre canales distancia: 100 m; Figura 1a). La forma original del molde puede ser imaginado por el reflejo del molde en rodajas a lo largo de la línea de corte. Se recomiendan microcanales en forma de L para la perforación de los dos orificios sin superponerse.
    2. Limpiar un portaobjetos de vidrio y el molde de PDMS con cinta adhesiva y un soplador y poner el molde sobre el portaobjetos de vidrio para crear unión reversible entre ellos.
    3. De acuerdo con la técnica de microflujo patrón 29, la liberación de ~ 10 l de una resina de intercambio catiónico en el extremo abierto del canal que fue cortada en el paso 1.3.1 (Figura 1b). Coloque el cabezal de la jeringa en los agujeros perforados y tire del émbolo (flechas negras en la figura 1b); una presión negativa suave tirará de la resina de intercambio catiónico, y la resina llenará los dos canales.
      NOTA: Se recomienda que la altura del microcanal es mayor que 1581; m, porque la alta viscosidad de la resina requiere alta presión para llenar los canales. Por otro lado, es mejor que la altura no sea superior a 100 micras, debido a que la membrana selectiva de iones modelado será más grueso que 1 m; una membrana tal grueso puede crear un hueco entre la membrana y el canal de PDMS 13.
    4. Separar el molde de PDMS sin tocar la resina modelada y colocar el portaobjetos de vidrio en el calentador a 95 ° C durante 5 min para evaporar el disolvente en la resina.
      NOTA: El espesor de la membrana con dibujos es por lo general menos de <1 m. El molde se separa suavemente con la articulación del molde para el lado abierto (línea de puntos y la flecha en la figura 1b). Lo mejor es separar el molde de menos de 1 min después de llenar la resina. Si el molde se separa unos minutos más tarde, las membranas más gruesas pueden ser obtenidos, pero tendrían una forma cóncava debido al efecto capilar.
    5. Despegue la innecesariaparte de la membrana modelada con una hoja de afeitar, haciendo dos alineaciones patrones separados (Figura 1c).
      NOTA: El material de intercambio catiónico utilizado aquí ha perfluorado grupos, es decir, el patrón no está fuertemente unido al vidrio. Por lo tanto, el método de perfilado simple puede quitar fácilmente la parte innecesaria de la membrana.
  4. Integración del microcanal y el sustrato de membrana con dibujos
    1. Haga dos agujeros en los extremos de microcanales y otros dos agujeros donde se ubicarán los patrones de membrana después de la unión del canal de PDMS al sustrato de membrana fabricada con estampado en el paso 1.3.
      Nota: El microcanal PDMS tiene un canal (anchura: 50 a 100 micras; altura: 10 m), pero está unido a los extremos del canal vecino (Figura 1d).
    2. Unir el microcanal PDMS al sustrato de membrana con estampado inmediatamente después del tratamiento con plasma de oxígeno durante 40 s a 100 W y 50 mTorr.
      NOTA: Colocar la membrana modelado perpendicularmente en el centro del microcanal.

2. ICP preconcentración

  1. Preparación para el experimento
    1. Preparar varias soluciones de ensayo, incluyendo KCl mM 1-100, NaCl 1 mM (pH ~ 7), la mezcla de NaCl 1 mM y 0,2 mM HCl (pH ~ 3,7), la mezcla de NaCl 1 mM y 0,2 mM NaOH (pH ~ 10.3), y 1x solución salina tamponada con fosfato.
    2. Añadir un colorante fluorescente con carga negativa (~ 1,55 M) a las soluciones de ensayo.
      NOTA: La concentración del colorante añadido debe ser mucho menor que la de los iones de sal (<10 micras), de modo que los colorantes cargados no contribuyen a una corriente eléctrica 30, 31.
    3. Cargar la solución de muestra en un depósito de la canal y aplicar presión negativa al otro depósito para llenar el canal con la solución. Conectar los dos depósitos hidrodinámicamente por releasing una gran gota para eliminar el gradiente de presión a lo largo del canal (Figura 2a).
    4. Llenar los dos depósitos, que están conectados a los patrones de intercambio de cationes, con soluciones tampón (1 M de KCl o NaCl 1 M) utilizando una jeringa o una pipeta para compensar el efecto de ICP en los depósitos.
    5. Coloque los cables en los embalses, a través de las dos membranas estampadas (ánodo en el depósito izquierdo y el cátodo a la derecha), y conectarlos con una unidad de medida de origen (Figura 2a).
  2. Visualización del fenómeno PCI y PCI preconcentración
    1. Cargar el aparato de ICP en un microscopio de epifluorescencia invertida. Aplicar una tensión (0,5100 V) y medir la respuesta de corriente con una unidad de medida de origen.
    2. Capturar imágenes fluorescentes con una cámara de dispositivo de carga acoplada y analizar la intensidad de fluorescencia utilizando software de imagen 32.

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Representative Results

Las etapas de fabricación esquemáticas de un preconcentrador microfluidos membrana integrado se muestran en la Figura 1. Una descripción detallada de la fabricación se da en el Protocolo. Los diseños y las imágenes del dispositivo de la preconcentrador espaciotemporalmente definido 26 se contrastan con los de un convencional preconcentrador 11 (Figura 2). El fenómeno de la PIC en el preconcentrador espaciotemporalmente definido se investigó en cuanto a las respuestas de tensión-corriente-tiempo y los perfiles de intensidad de fluorescencia (Figura 3-4). Similar al fenómeno ICP con una sola membrana preconcentrador 3, 11, tres regímenes diferentes (óhmica, lo que limita, y overlimiting) se observaron en la curva corriente-voltaje: 0,5 a 1 V (óhmico y la limitación) y 5 V (overlimiting) . Sin embargo, una recuperación actual no convencional eradetectado en la curva de tiempo actual como el enriquecimiento de iones y las zonas de agotamiento de iones se fusionaron. A continuación, la preconcentración ICP se ensayó a diferentes tiempos y voltajes con la preconcentrador espaciotemporalmente definido (Figura 5) y el dispositivo de una membrana convencional (Figura 6). La dinámica de preconcentración se cuantificaron por imágenes de fluorescencia, respuestas en tiempo actual, y gráficos de intensidad de fluorescencia más de diferentes distancias y tiempos. Al comparar las dos plataformas, la nueva plataforma ICP muestra una ventaja en la recogida siempre objetivos (tintes fluorescentes) entre los patrones de membrana selectiva de cationes dos. Además, se confirmó que el tapón de preconcentración sigue siendo el mismo en diferentes fuerzas iónicas (NaCl 1-100 mM) y valores de pH (3.7-10.3), la verificación de la alta disponibilidad de la fusión de preconcentrador ICP en amplios rangos de condiciones de funcionamiento (figura 7). En la Figura 8, una proteína preconcentr 10.000 vecesación también se demostró.

Figura 1
Figura 1. Fabricación pasos de un chip microfluídico integrado de membrana de intercambio de cationes. Después de un molde de PDMS se llena con una resina de intercambio catiónico utilizando la técnica de microflujo patrón (a - c) 29, el sustrato de vidrio de la membrana con un patrón está unido con un microcanal PDMS mediante tratamiento con plasma de oxígeno (d). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. Esquema de la preconcentrador espaciotemporalmente definido (a) y preconcentrador convencional (b). (A) En THe nueva plataforma, entre dos patrones de membrana (i), el agotamiento de iones / zonas de enriquecimiento se desarrollan y se combinó junto con lineal (óhmico y la limitación de régimen; ii) o no lineal (régimen overlimiting; iii) perfiles de concentración. En los tres regímenes actuales, los bloques de la zona de enriquecimiento de iones de la Propagación de la zona de agotamiento y objetivos (círculos huecos; i) se preconcentrado en la interfase de las zonas de agotamiento de iones y de enriquecimiento (curvo, líneas de puntos; i). La pared del canal de PDMS está cargado negativamente, y esto genera un flujo electro-osmótico (EOF) entre las dos membranas de intercambio catiónico en un campo eléctrico. El EOF suministra continuamente objetivos hacia la interfaz de las zonas de agotamiento y de enriquecimiento. (B) En la plataforma convencional, sólo la zona de agotamiento de iones se desarrolla cerca de la membrana con lineal (óhmico y la limitación de régimen, ii) y no lineal (overlimiting régimen; iii) gradientes de concentración. A medida que el EOF entrega los objetivos, la col preconcentraciónasí se produce en el límite de la zona de agotamiento, pero esta zona (y el tapón de preconcentrado) se mueve fuera de la membrana de intercambio de cationes (flecha negro; i). Se observa que no hay un aumento en la concentración de iones aquí sin la zona de enriquecimiento de iones (ii-iii). En (ab), las imágenes de dispositivos se muestran en (iv). C 0 representa la concentración de iones inicial. V + y G indican el ánodo y el cátodo, respectivamente. Reimpresión de 26t de referencia con el permiso de la American Chemical Society. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3. combinados fenómeno ICP entre dos membranas de intercambio catiónico. (A) La curva de corriente-voltaje muestra tres Regim distintaES (óhmico, lo que limita, y overlimiting). La respuesta de corriente se mide por el aumento gradual de la tensión en intervalos discretos de 0,25 V cada 40 s, que se repite tres veces. La barra de error indica la desviación estándar de las respuestas de corriente. (b, c) En los tres regímenes, se obtuvieron imágenes de fluorescencia (B) y perfiles de intensidad a lo largo de AA 'en el centro del canal (C). , cajas punteadas amarillas indican las ubicaciones de las membranas selectivas de cationes. se utilizó 1 mM solución KCl con un 1,55 M (1 mg / mL) colorante fluorescente cargado negativamente. Reproducido de la referencia 26 con permiso de la American Chemical Society. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4. (A, b) En los regímenes óhmico limitantes, los gradientes de concentración lineal creciendo (<1 s) de la membrana de intercambio catiónico y luego se superponen entre sí (> 1 s). (C) En el régimen overlimiting, las dos zonas de ICP se fusionan más rápidamente (<0,6 s) con el choque agotamiento (flecha negro a 0.2 s). (D - f) La corriente-tiempo respuestas muestran que la corriente se redujo inicialmente debido al crecimiento de la zona de agotamiento de baja concentración, que corresponde a baja conductividad eléctrica. La caída de corriente se recupera debido a un transporte convectivo por vórtices confinados entre dos membranas. Reimpresión de la referenciada 26 con permiso de la American Chemical Society. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

<p class = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> Figura 5
Figura 5. fija espaciotemporalmente preconcentración a los 5, 10, y 20 V. (a - c) Las imágenes de fluorescencia del ICP fusionado y las respuestas en tiempo actual (D - F) a través del tiempo (0-100 s). Las líneas de puntos, amarillas indican la ubicación de las membranas de intercambio catiónico. (G) los perfiles de intensidad de fluorescencia con lapso de tiempo se representan a lo largo del microcanal (AA '). Las intensidades de los picos aumentan a medida que pasa el tiempo, con una ubicación fija. (H) El pliegue intensidad máxima (es decir, cuántas veces mayor que la intensidad de fluorescencia inicial). A voltajes más altos, más rápido EOF entrega objetivos hacia la interfaz de las zonas de agotamiento de iones y de enriquecimiento, de modo que aumenta la velocidad de preconcentración. Un pico a 20 V es inducida por el choque de agotamiento ( Figura 4c, en 0,8 s, el pico era más amplio de lo que era en 0,4 s. Esto es probablemente debido a que el lado izquierdo del patrón de Nafion izquierda (Figura 2a) se dejó flotar eléctricamente, y los colorantes acumulados podría extenderse. Reproducido de la referencia 26 con permiso de la American Chemical Society. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6. fenómeno ICP en el preconcentrador ICP convencional a 5, 10, y 20 V. (A - c) Las imágenes de fluorescencia de la zona de agotamiento de iones y la respuesta de tiempo actual (D - F) con el tiempo (0-100 s). La propagación de la zona de agotamiento y el tapón de preconcentración se visualiza claramente en las imágenes de fluorescencia. En consecuencia, los vórtices no se limitan, por lo que no se produce la recuperación actual, incluso en el régimen overlimiting. , líneas de puntos amarillos marcan la ubicación de las membranas de intercambio catiónico. (G) los perfiles de intensidad de fluorescencia con lapso de tiempo se representan a lo largo del microcanal (AA '). Las intensidades de pico se incrementan a medida que pasa el tiempo, pero la ubicación se aleja de la membrana. La intensidad de plegado (h) Pico del dispositivo PCI convencional. En contraste con el dispositivo de ICP fusionada (Figura 5H), no hay ningún pico de intensidad sin el confinamiento de las zonas de ICP, debido a que la intensidad de fluorescencia aumentó a medida que el colorante se preconcentra. El incremento de tél pico pliegue intensidad es similar a la del dispositivo de ICP fusionado al mismo tiempo (a una tensión dada). Esto indica que la longitud de tiempo que el tapón de preconcentrado se mantiene en su lugar es crucial para el rendimiento de preconcentración. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7
Figura 7. preconcentración espaciotemporalmente definido en diversas fuerzas iónicas (NaCl 1-100 mM) y valores de pH (3.7 a 10.3). (A) Las imágenes de fluorescencia obtenidas después de 100 s de funcionamiento a 50 V. Como se puede ver, las ubicaciones de los tapones de preconcentración son todavía entre las dos membranas de intercambio catiónico (amarillo, líneas de puntos), a pesar de que la intensidad se debilita bajo alta iónica fuerza y ​​en un fuerte ácido o básicosolución. (B, c) La ubicación de la intensidad del pico y su pliegue intensidad (es decir., ¿Cuántas veces mayor que la intensidad inicial), asignada bajo 10, 20, 50, y 100 V. Para un solo estado (1, 10, 100 mM y / o pH 3,7, 7, y 10), hay cuatro puntos de datos correspondientes a las cuatro condiciones de voltaje. A voltajes más altos, hay un pico más alto intensificar veces en todos los casos. 100 V no ha sido probado en NaCl 1 mM (pH 7), porque la intensidad del pico ya tocó los valores más altos (debido a la saturación de la cámara) en 50 V. Desde el perfil de intensidad de pico, también se identifica la región de pico, con 1 % por debajo de la intensidad del pico, que está representado por las barras de error (B, C). A mayor voltaje y un fuerte EOF cambiar la ubicación del pico a la derecha, con una mayor intensidad de plegado y un enchufe de preconcentración más nítida. cajas grises indican las posiciones de las membranas de intercambio catiónico. El 0 distancia (a) representa el origen del eje x (b, c), que esen el borde derecho de la membrana de intercambio catiónico izquierda. El origen de la distancia del borde derecho de la membrana de la izquierda. Reproducido de la referencia 26 con permiso de la American Chemical Society. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8
Figura 8. Demostración de preconcentración proteína espaciotemporalmente fijo. Se usó FITC-albúmina (1 mg / ml) en solución salina tamponada con fosfato 1x. 0,1% de Tween 20 se añadió también a evitar la unión no específica. Desde la preconcentración apenas se logra a una fuerza iónica superior (Figura 7), hemos duplicado la anchura del patrón de Nafion (200 micras) y se utiliza un canal de PDMS más estrecho (50 micras). De esta manera, el rendimiento de ICP preconcentración fue reforzada porla ampliación de la vía de iones y la reducción de la cantidad absoluta de iones en el canal. A una tensión aplicada de 100 V, el pico y promedio de intensidades fluorescentes fueron rastreadas en el, cuadro punteado blanco, que es la región entre las dos membranas de intercambio catiónico. Dentro de 10 min de la operación, las proteínas se preconcentra hasta 10 mg / ml (pico) y ~ 0,1 mg / ml (promedio), lo que indica 10.000 y preconcentraciones 100 veces, respectivamente. Las imágenes de fluorescencia inserción se obtuvieron a 0, 10, y 20 min. En este trabajo, una operación de 20 minutos fue suficiente para preconcentrar las moléculas diana, por lo que no cubría veces más largo que operan. Reproducido de la referencia 26 con permiso de la American Chemical Society. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Hemos descrito el protocolo de fabricación y el rendimiento de un preconcentrador espaciotemporalmente definido en una gama de la tensión aplicada (0,5 a 100 V), la fuerza iónica (1-100 mM) y pH (03/07 a 10/03), el logro de un 10.000 veces preconcentración de colorantes y proteínas dentro de 10 min. Como al igual que los dispositivos PCI anteriores, el rendimiento de preconcentración se hace mejor en un voltaje más alto y al menor fuerza iónica. Un parámetro adicional que podemos considerar aquí es la distancia entre dos membranas de intercambio catiónico. Si aumentamos la distancia inter-membrana, el campo eléctrico disminuye bajo el mismo voltaje aplicado, lo que resulta en la disminución de la velocidad de preconcentración 26.

La técnica de modelado microflujo 29 utilizado en este trabajo es un método robusto para resinas de intercambio de cationes patrón, por lo que ha sido uno de los métodos estándar de oro para la integración de los materiales de intercambio iónico en los sistemas de microfluidos. norteo obstante, es necesario fabricar dos membranas de intercambio catiónico yuxtapuestas con una distancia intermembrana corto (más pequeñas que unos pocos cientos de micrómetros). En los pasos 1.3.3-1.3.4, la resina de intercambio catiónico está en una fase líquida. Por lo tanto, la resina en los dos microcanales puede plegarse, y la caída de resina restante en el extremo abierto de los canales también puede inundar durante el desprendimiento de molde (etapa 1.3.4.). Para la construcción de dos membranas de intercambio catiónico con alta fidelidad patrón, se utilizó la resina con una viscosidad relativamente alta (20% del material de intercambio catiónico en los disolventes) y ajustar cuidadosamente el proceso de desprendimiento con una dirección separar designado.

A pesar de la gran flexibilidad de funcionamiento de esta plataforma se ha demostrado, el lector podría estar preocupado por la determinación de las condiciones óptimas de la amplia gama dentro de la ventana de operación. Una compensación representativo es entre la velocidad de preconcentración y de la estabilidad del efecto ICP. como puedeverse en la Figura 5 en Kwak et al. 26, un alto voltaje aplicado (> 50 V) se puede condensar objetivos de forma rápida; sin embargo, esto también induce fuertes vórtices en la zona de agotamiento (1 mM / pH 7 en la figura 7a), lo que disminuye la estabilidad de la preconcentración de la muestra. De acuerdo con ello, la velocidad de preconcentración se vuelve difícil de predecir 33. En la etapa actual, recomendamos condiciones experimentales con una tensión relativamente baja (<30 V) y la fuerza iónica (<10 mM) durante una preconcentración estable, predecible y espaciotemporalmente fijo. Este compromiso entre la velocidad de preconcentración y de la estabilidad de la clavija preconcentrado también está relacionada con las fuentes de la no lineal ICP (conducción superficie, EOF, y la inestabilidad electro-osmótica). La fuente principal de la ICP no lineal en una parte relativamente pequeña de tensión (<50 V) es EOF, creando un par de vórtices coherente en la zona de agotamiento (figura 3b), que leanuncio en una preconcentración estable. En una tensión relativamente alta (> 50 V), la principal fuente de la no lineal ICP se cambia a electro-osmótico inestabilidad, dando como resultado múltiples vórtices caóticas, que disminuyen la estabilidad de la preconcentración.

Recientemente, plataformas PCI basados en papel han sido desarrollados por Phan et al. 34, Gong et al. 19, y Han et al. 21. Estos dispositivos de papel con estructuras microporosas pueden suprimir electro-osmótico inestabilidad 4, 35 y paliar el problema de estabilidad. Sin embargo, los tamaños de los canales de papel son generalmente de aproximadamente 0,5 a 5 mm, que es mucho más grande que un canal microfluídico convencional. Este canal de papel más amplio con las redes de fibra al azar provoca movimientos irregulares en los enchufes preconcentrado. Este ha sido inevitable en preconcentrators ICP basados ​​en papel, porque la característica mínimotamaño de de modelado de cera y de corte de papel (es decir, métodos de fabricación para construir canales de papel) es de aproximadamente unos pocos cientos de micrómetros.

El preconcentrador ICP se ha utilizado en una amplia gama de plataformas biomicrofluidic para preconcentrating diversos agentes biológicos; amplificar las señales de diversos ensayos; y los objetivos de detección, tales como proteínas terapéuticas 36, 37 péptidos, aptámeros 17, 38 y enzimas. Estos trabajos anteriores dirigidos biomoléculas marcadas con fluorescencia. Esto se debe a que no podemos especificar las condiciones exactas (es decir, el voltaje y la velocidad de flujo) para mantener el sitio de preconcentración, por lo que primero tiene que encontrar las condiciones adecuadas para los objetivos preconcentrador. Partiendo de trabajos anteriores, el fenómeno resultante de la fusión ICP nos permite fijar siempre los tapones preconcentrado en una amplia gama de condiciones de funcionamiento mientras se mantiene la alta flexibilidad de ladispositivos PCI. Por ejemplo, podemos modular el sistema ICP fusionado con un flujo de fluido tangencial, y operar en el modo de flujo continuo 39. Esto indica que ahora podemos extender las aplicaciones de preconcentrators ICP para etiquetar libres técnicas de detección sin necesidad de utilizar instrumentos de visualización y trazadores. Esta ventaja única de la capacidad de control espacio-temporal brinda una buena oportunidad comercial para integrar el dispositivo PCI con las plataformas de sobremesa genéricos, tales como máquinas de reacción en cadena de la polimerasa y espectrómetros de masas.

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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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Probstein, R. F. Physicochemical Hydrodynamics: An Introduction. , Wiley-Interscience. New York. (2003).
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Bioingeniería No. 120 polarización de la concentración de iones preconcentración membrana de intercambio iónico overlimiting el flujo electro-osmótico la inestabilidad actual electro-osmótico
La fusión de polarización de la concentración de iones entre yuxtapuestas Las membranas de intercambio iónico para bloquear la propagación de la Zona de Polarización
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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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