Summary
Protokollet för en roman jonkoncentration polarisation (ICP) plattform som kan stoppa spridningen av ICP zonen, oberoende av driftsförhållandena beskrivs. Denna unika förmåga hos plattformen ligger i användningen av en sammanslagning jon utarmning och anrikning, som är två polariteterna hos ICP fenomen.
Abstract
Jonkoncentrationen polarisation (ICP) fenomen är en av de mest rådande metoder för att prekon låg-abundans biologiska prover. ICP inducerar en icke-invasiv region för laddade biomolekyler (dvs jonen utarmning zon), och mål kan förkoncentreras på detta område gräns. Trots de höga förkoncentrering föreställningar med ICP, är det svårt att hitta de driftsförhållanden av icke-fortplantande jon utarmningszoner. För att övervinna denna smala drifts fönster, nyligen har vi utvecklat en ny plattform för spatiotemporally fast förkoncentrering. Till skillnad från föregående metoder som bara använder jon utarmning, denna plattform använder också den motsatta polariteten av ICP (dvs jon anrikning) för att stoppa utbredningen av jonen utarmningszonen. Genom att konfrontera anrikningszonen med utarmningszonen, de två zonerna smälter samman och sluta. I detta dokument beskriver vi en detaljerad försöksplan för att bygga detta spatiotemporally definierade ICP Platform och karakterisera förkoncentrering dynamiken i den nya plattformen genom att jämföra dem med den konventionella anordningen. Kvalitativa jon koncentrationsprofiler och aktuell tid svar lyckas fånga de olika dynamiken mellan den sammanslagna ICP och fristående ICP. I motsats till den konventionella som kan fixera förkoncentrering läge endast ~ 5 V, kan den nya plattformen producera ett mål-kondenserad plugg på en viss plats i de breda intervallen driftsförhållanden: spänning (0,5-100 V), jonstyrka (1-100 mM) och pH (3,7 till 10,3).
Introduction
Jonkoncentration polarisation (ICP) hänvisar till ett fenomen som inträffar under jon anrikning och jon utarmning på ett permselektivt membran, vilket resulterar i en ytterligare potentialfall med ion koncentrationsgradienter 1, 2. Denna koncentrationsgradient är linjär, och det blir brantare som en högre spänning appliceras (resistiv regim) tills jonkoncentrationen på membranet närmar sig noll (begränsande regim). Vid denna diffusion begränsade tillstånd, har gradienten (och motsvarande jonflöde) varit kända för att vara maximerad / mättad 1. Utöver detta konventionella förståelse, när spänningen (eller strömmen) ökar ytterligare, är en overlimiting ström observeras med platta utarmning zoner och mycket skarpa koncentrationsgradienter vid zongränsen 1, 3. Den plana zonen har en mycket låg jonkoncentration, men ytan ledning, elektro osmoti c flöde (EOF), och / eller elektro-osmotisk instabilitet främja jonflöde och inducerar ett overlimiting ström 3, 4, 5. Interestingly, tjänar den platta utarmningszonen som en elektrostatisk barriär, som filtrerar ut 6, 7, 8, 9 och / eller prekon riktar 10, 11. Eftersom det finns en otillräcklig mängd av joner för att screena ytladdningar av laddade partiklar (för tillfredsställande elektroneutralitet), kan partiklarna inte passera genom denna utarmning zon och därför ställer upp vid dess gräns. Denna ickelinjära ICP effekt är ett generiskt fenomen i olika typer av membran 10, 11, 12, 13,> 14 och geometrier 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; det är därför forskare har kunnat utveckla olika typer av filtrerings 6, 7, 8, 9 och förkoncentrering 10, 11 enheter med den olinjära ICP.
Även med en sådan hög flexibilitet och robusthet, är det fortfarande en praktisk utmaning att klargöra driftsförhållanden för de olinjära ICP-enheter. Den olinjära regim av ICP avlägsnar snabbt katjoner genom ett katjonbytarmembran, som orsakar förskjutningen av anjoner som rör sig mot anoden. Som enresultat, utbreder platt utarmningszonen snabbt, vilket påminner om chock utbredning 22. Mani et al. kallas denna dynamiska den avjonisering (eller utarmning) chock 23. Att prekon mål på en angiven sensor läge, förhindrar expansionen av jon utarmningszonen är nödvändigt, till exempel genom att tillämpa EOF eller tryckdriven strömning mot zonen expansionen 24. Zangle et al. 22 klar kriterierna för ICP-utbredning i ett en-dimensionell modell, och det starkt beror på elektroforetisk mobilitet 17, jonstyrka 18, pH 25, och så vidare. Detta tyder på att lämpliga driftsförhållanden kommer att ändras i enlighet med provförhållanden.
Här presenterar vi detaljprojektering och experimentella protokoll för en ny ICP plattform som prekon mål inom en spatiotemporalt definierad position 26. Utbyggnaden av jonen utarmningszonen blockeras av jon anrikningszonen, vilket ger en stationär förkoncentrering plugg i ett tilldelat läge, oberoende av drifttiden, pålagd spänning, jonstyrka och pH. Denna detaljerade video protokollet är avsett att visa det enklaste sättet att integrera katjonbytarmembran i mikroflödessystem enheter och för att demonstrera förkoncentrering prestanda nya ICP-plattformen jämfört med den konventionella.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Tillverkning av katjonbytarmembran-integrerad Mikroflödes Chips
- Framställning av kisel masters
- Utformning två typer av kisel masters: en för mönstring av ett katjonbytarharts och den andra för att bygga en mikrokanal med polydimetylsiloxan (PDMS).
OBS: Den detaljerade geometri kommer att beskrivas i steg 1.3.1 och 1.4.1. - Tillverka kisel mästare med hjälp av antingen konventionell fotolitografi eller djup reaktiv jonetsning 27.
- Silaniseras micropatterned kisel mästare med triklorsilan (~ 30 | il) i en vakuum burk i 30 min.
VARNING: triklorsilan är en pyrofor vätska som är brandfarlig och har en akut toxicitet (inandning, oralt intag).
- Utformning två typer av kisel masters: en för mönstring av ett katjonbytarharts och den andra för att bygga en mikrokanal med polydimetylsiloxan (PDMS).
- Framställning av PDMS formar
- Blanda en silikonelastomer bas med ett härdningsmedel vid en 10: 1-förhållande och placera koppen med detta ohärdade PDMS(30-40 ml för replikering mikrostrukturer på en 4-i kiselskivan) i en vakuum burk under 30 min för att avlägsna bubblorna.
OBS: Silikonbasen innehåller siloxan oligomerer som slutar med vinylgrupper och en platinabaserad katalysator. Härdaren innehåller tvärbindnings oligomerer som har tre kisel-hydrid obligationer 28. - Häll ohärdade PDMS på kisel mästare, ta bort bubblor med en fläkt, och bota PDMS vid 80 ° C under 2 timmar i en varmluftsugn.
- Lösgöra de härdade PDMS från kisel mästare och korrekt forma de PDMS med en kniv (kvadrerade former, såsom visas i fig 2a-b, iv).
- Blanda en silikonelastomer bas med ett härdningsmedel vid en 10: 1-förhållande och placera koppen med detta ohärdade PDMS(30-40 ml för replikering mikrostrukturer på en 4-i kiselskivan) i en vakuum burk under 30 min för att avlägsna bubblorna.
- Mönstring av katjonbytarmembran
- Skär hälften av PDMS mögel vinkelrätt mot de två parallella mikro och slå hål på ändarna av PDMS kanaler med en 2,0-mm biopsistans.
OBS! PDMS mögel för mönstring av katjonselektiva membranet har två parallel mikro (bredd: 100 m; höjd: 50 pm; Interchannel avstånd: 100 m; Figur 1a). Den ursprungliga formen hos formen kan föreställa sig genom att spegla den skivade gjutformen längs skärlinjen. L-formade mikro rekommenderas för att stansa två hål utan överlappning. - Rengör en glasskiva och PDMS formen med tejp och en fläkt och sätta formen på glasskivan för att skapa reversibel bindning mellan dem.
- I enlighet med den mikroflödesmönstringstekniken 29, frigör ~ 10 mikroliter av ett katjonbytarharts vid den öppna änden av kanalen som var skivas i steg 1.3.1 (figur 1b). Placera sprutan huvudet på de stansade hålen och dra kolven (svarta pilar i figur 1b); en mild negativt tryck kommer att dra katjonbytarhartset, och hartset kommer att fylla de två kanalerna.
OBS: Det rekommenderas att höjden av mikrokanalen är större än 1581; m, eftersom den höga viskositeten för harts kräver högt tryck för att fylla kanalerna. Å andra sidan, är det bättre att höjden inte överstiger 100 | im, eftersom den mönstrade jonselektiva membranet blir tjockare än 1 | j, m; sådan tjock membranet kan skapa ett mellanrum mellan membranet och PDMS-kanalen 13. - Lösgöra PDMS formen utan att vidröra det mönstrade hartset och placera objektglaset på värmaren vid 95 ° C under 5 min för att förånga lösningsmedlet i hartset.
OBS: Tjockleken på det mönstrade membranet är vanligtvis mindre än <1 | j, m. Formen försiktigt loss genom gångjärns formen till den öppna sidan (streckad linje och pil i fig 1b). Det är bäst att lösgöra formen mindre än 1 min efter fyllning av harts. Om formen lösgörs några minuter senare, kunde tjockare membran erhållas, men de skulle ha en konkav form på grund av kapilläreffekten. - Dra av onödigaen del av det mönstrade membran med ett rakblad, vilket gör två separerade line-mönster (figur 1c).
OBS: katjonbytarmaterialet som används här har perfluorerade grupper, vilket innebär att mönstret inte är starkt bunden till glaset. Därför kan den enkla skridskoåkning metoden enkelt ta bort den onödiga delen av membranet.
- Skär hälften av PDMS mögel vinkelrätt mot de två parallella mikro och slå hål på ändarna av PDMS kanaler med en 2,0-mm biopsistans.
- Integrering av mikrokanalen och membranet mönstrad substrat
- Stansa två hål i ändarna av mikrokanaler och ytterligare två hål där membranmönster kommer att placeras efter bondning av PDMS kanalen till den membran mönstrade substratet tillverkas i steg 1,3.
Obs: PDMS mikrokanalen har en kanal (bredd: 50 till 100 | j, m; höjd: 10 ^ m), men den är bunden till ändarna av den angränsande kanalen (figur 1d). - Binda PDMS mikro till membran mönstrade substrat omedelbart efter syre plasmabehandling under 40 s vid 100 W och 50 mTorr.
OBS: Placera mönstrade membranet vinkelrätt mot mitten av mikro.
- Stansa två hål i ändarna av mikrokanaler och ytterligare två hål där membranmönster kommer att placeras efter bondning av PDMS kanalen till den membran mönstrade substratet tillverkas i steg 1,3.
2. ICP förkoncentrering
- Förberedelse för experimentet
- Framställa olika testlösningar, inklusive 1-100 mM KCl, 1 mM NaCl (pH ~ 7), blandningen av 1 mM NaCl och 0,2 mM HCl (pH ~ 3,7), blandningen av 1 mM NaCl och 0,2 mM NaOH (pH ~ 10,3), och 1 x fosfatbuffrad saltlösning.
- Lägg till en negativt laddad fluorescerande färgämne (~ 1,55 M) till testlösningarna.
OBS: Koncentrationen av det tillsatta färgämnet bör vara mycket lägre än den hos saltjoner (<10 | iM), så att de laddade färgämnen inte bidrar till en elektrisk ström 30, 31. - Ladda provlösningen i en reservoar av kanalen och applicera negativt tryck till den andra behållaren för att fylla kanalen med lösningen. Anslut de två reservoarerna hydrodynamiskt med releasing en stor droppe att eliminera tryckgradienten längs kanalen (figur 2a).
- Fyll de båda reservoarerna, vilka är anslutna till de katjonbytarhartser mönster, med buffertlösningar (1 M KCl eller 1 M NaCl) med hjälp av en spruta eller en pipett för att kompensera för ICP effekt i reservoarerna.
- Placera ledningar vid reservoarerna, över de två mönstrade membran (anod till vänster reservoaren och katod till höger) och koppla ihop dem med en källa mätenhet (figur 2a).
- Visualisering av ICP fenomen och ICP förkoncentrering
- Ladda ICP-enheten på ett inverterat epifluorescensmikroskop. Applicera en spänning (0,5100 V) och mäta strömresponsen med en källa mätenhet.
- Fånga fluorescerande bilder med en charge-coupled device kamera och analysera fluorescensintensiteten med hjälp av bildbehandlingsprogram 32.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De schematiska tillverkningssteg av en membranintegrerade mikroflödes förkoncentratom visas i figur 1. En detaljerad beskrivning av tillverkningen ges i protokollet. De mönster och enhets bilder av spatiotemporally definierade förkoncentratom 26 kontrasteras med de hos en konventionell förkoncentrator 11 (Figur 2). ICP fenomen i spatiotemporally definierade förkoncentratom undersöktes i termer av strömspänningstidssvar och fluorescerande intensitetsprofiler (Figur 3-4). I likhet med ICP fenomenet med en enkelmembran förkoncentratom 3, 11, tre olika system (resistiva, begränsa och overlimiting) observerades i strömspänningskurvan: 0,5-1 V (resistiv och begränsa) och 5 V (overlimiting) . Det var en icke-konventionell nuvarande återhämtningenupptäckts i aktuell tid kurva som jon anrikning och jon utarmningszonerna samman. Därefter ICP förkoncentrering testas vid olika tidpunkter och spänningar med spatiotemporally definierade förkoncentratom (Figur 5) och den konventionella ett-membrananordning (figur 6). De förkoncentrering dynamik kvantifierades genom fluorescens bilder, aktuell tid svar, och fluorescerande intensitet grafer över olika avstånd och tider. Vid en jämförelse mellan de två plattformarna, visar den nya ICP-plattformen en fördel i att alltid samla mål (fluorescerande färgämnen) mellan de två katjonselektiva membran mönster. Dessutom bekräftades det att förkoncentrering kontakten förblir densamma i olika jonstyrkor (1-100 mM NaCl) och pH-värden (3.7-10.3), verifiering av hög tillgänglighet i det överlåtande ICP förkoncentratom i breda sortiment av driftsförhållanden (Figur 7). I figur 8, en 10000-faldig protein preconcentration visades också.
Figur 1. Fabrication stegen av ett katjonbytarmembran integrerade mikroflödeschip. Efter en PDMS formen fylles med ett katjonbytarharts med användning av mikroflödesmönstringstekniken (a - c) 29 är membranet mönstrade glassubstrat bundna med en PDMS mikrokanal genom syreplasma-behandling (d). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Schema för spatiotemporally definierade förkoncentrator (a) och konventionell förkoncentratom (b). (A) I the ny plattform, mellan två membranmönster (i), jon utarmning / anrikningszoner utvecklas och slås ihop med linjär (resistiv och begränsa regim, ii) eller icke-linjära (overlimiting regim, iii) koncentrationsprofiler. I alla tre nuvarande systemen, de jon anrikning zonen blockerar förökning av utarmningszonen och mål (ihåliga cirklar, i) förkoncentreras vid gränsytan mellan de jon utarmning och anrikningszoner (krökt, streckad linje, i). Väggen av PDMS-kanalen är negativt laddad, och detta genererar elektroosmotiskt flöde (EOF) mellan de två katjonbytarmembran enligt ett elektriskt fält. EOF levererar kontinuerligt mål mot gränsytan mellan utarmnings och anrikningszoner. (B) I den konventionella plattformen är endast jon utarmningszonen utvecklats nära membranet med linjär (ohmsk och begränsa regim, ii) och icke-linjär (overlimiting regim, iii) koncentrationsgradienter. Som EOF levererar målen, den förkoncentrering alså sker vid utarmnings zongränsen, men denna zon (och förkoncentrerade pluggen) rör sig bort från katjonbytarmembranet (svart pil, i). Det bör noteras att det inte finns någon ökning av jonkoncentrationen här utan jon anrikningszonen (II-III). I (ab) är anordningsbilderna visas i (iv). C 0 representerar den initiala jonkoncentrationen. V + och G indikerar anoden och katoden, respektive. Utdrag ur referens 26T med tillstånd från The American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Sammanslagen ICP fenomen mellan två katjonbytarmembran. (A) strömspänningskurvan visar tre distinkta regimes (resistiva, begränsa och overlimiting). Det nuvarande svaret mäts genom ramping upp spänningen vid diskreta intervall om 0,25 V var 40 s, som upprepas tre gånger. Felet stapel anger standardavvikelsen för de aktuella svaren. (b, c) I de tre systemen, fluorescensbilder (b) och intensitetsprofiler längs AA 'i mitten av kanalen (C) erhölls. Gul, streckade rutorna anger placeringen av katjonselektiva membran. 1 mM KCl-lösning med en 1,55 ^ M (1 ^ g / ml) negativt laddade fluorescerande färg användes. Utdrag ur Referens 26 med tillstånd från The American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4.
Figur 5. Spatiotemporally fast förkoncentrering vid 5, 10 och 20 V. (a - c) fluorescensbilder av den sammanslagna ICP och aktuell tid svar (d - f) över tid (0-100 s). De gula, prickade linjerna anger lokaliseringen av de katjonbytarmembran. (G) Time-lapse fluorescerande intensitetsprofiler plottas längs mikro (AA). Toppintensitet öka allteftersom tiden går, med fasta lägen. (H) Den toppintensiteten faldigt (dvs hur många gånger större än den ursprungliga fluorescensintensiteten). Vid högre spänningar, desto snabbare EOF levererar mål mot gränssnittet av de jon utarmnings och anrikningszonerna, så de förkoncentrering hastigheten ökar. En spik vid 20 V induceras av utarmnings chock (
Figur 6. ICP fenomen i konventionell ICP förkoncentratom på 5, 10 och 20 V. (A - c) fluorescens bilder av jon utarmningszonen och aktuell tid respons (d - f) över tid (0-100 s). Spridning av utarmningszonen och förkoncentrering kontakten är tydligt visualiseras i fluorescensbilder. Följaktligen är virvlarna inte bara, så den nuvarande återhämtningen inte sker, även i overlimiting regimen. Gult, prickade linjer markera platsen för de katjonbytarmembran. (G) Time-lapse fluorescerande intensitetsprofiler plottas längs mikro (AA). Toppintensitet öka allteftersom tiden går, men platsen rör sig bort från membranet. (H) Peak intensitet lucka konventionell ICP-enheten. I motsats till den sammanslagna ICP anordningen (fig 5h), finns det ingen intensitet spik utan inneslutning av ICP zoner, eftersom fluorescensintensiteten ökade när färgämnet förkoncentreras. Ökningen av than toppintensiteten fold är liknande till det av det fusionerade ICP anordningen på samma gång (vid en given spänning). Detta tyder på att den tid som det förkoncentrerade pluggen hålls på plats är avgörande för förkoncentrering prestanda. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7. Spatiotemporally definierade förkoncentrering vid olika jonstyrkor (1-100 mM NaCl) och pH-värden (3,7-10,3). (A) fluorescensbilder erhållna efter 100 s i drift vid 50 V. Såsom kan ses, var de olika förkoncentrering pluggar är fortfarande mellan de två katjonbytarmembran (gul, streckade linjer), även om intensiteten försvagas under hög jonisk styrka och i en stark sur eller basisklösning. (B, c) platsen för toppintensiteten och dess intensitet faldigt (dvs., Hur många gånger större än den ursprungliga intensitet), mappas under 10, 20, 50, och 100 V. För en enda villkoret (1, 10, 100 mM och / eller pH 3,7, 7 och 10) finns det fyra datapunkter som motsvarar de fyra spänningsförhållanden. Vid högre spänningar, det finns en högre topp intensifiera faldigt i samtliga fall. 100 V testades inte i en mM NaCl (pH 7) på grund av att toppintensiteten redan berört de högsta värdena (på grund av mättnad av kameran) på 50 V. Från toppen intensitetsprofilen är toppen regionen också identifierats, med en % under toppintensiteten, vilken representeras av felstaplar (B, C). En högre spänning och en starkare EOF flytta topp plats till höger, med en högre intensitet veck och en skarpare förkoncentrering plugg. Grå rutor anger placeringen av katjonbytarmembran. Den 0 avståndet (a) representerar ursprunget för x-axeln (b, c), som ärpå den högra kanten av den vänstra katjonbytarmembran. Ursprunget av avståndet är den högra kanten av den vänstra membranet. Utdrag ur Referens 26 med tillstånd från The American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8. Demonstration av spatiotemporally fast protein förkoncentrering. FITC-albumin (1 ^ g / ml) i 1 x fosfatbuffrad saltlösning användes. 0,1% Tween 20 tillsattes också för att förhindra ospecifik bindning. Eftersom förkoncentrering knappast uppnås vid en högre jonstyrka (Figur 7), fördubblade vi bredden på Nafion mönstret (200 | j, m) och använde en smalare PDMS-kanal (50 | j, m). På detta sätt, var resultatet för ICP förkoncentrering förbättras genombredda jon-vägen och minska den absoluta mängden av joner i kanalen. Vid en pålagd spänning av 100 V, topp och medelvärdes fluorescensintensiteter spårades i den vita, prickad box, som är regionen mellan de två katjonbytarmembran. Inom 10 minuter av drift, var proteinerna förkoncentreras upp till 10 mg / ml (topp) och ~ 0,1 mg / ml (medelvärde), vilket tyder på 10.000 och 100-faldiga preconcentrations respektive. De infällda fluorescens bilder erhölls vid 0, 10, och 20 min. I detta arbete, en 20-minuters drift var tillräckligt för att prekon målmolekylerna, så att vi inte täcker längre driftstider. Utdrag ur Referens 26 med tillstånd från The American Chemical Society. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har beskrivit framställningen protokollet och prestanda för en spatiotemporally definierad förkoncentrator i ett område av den pålagda spänningen (0,5-100 V), jonstyrka (1-100 mM) och pH (3,7-10,3), uppnå en 10.000-faldig förkoncentrering av färgämnen och protein inom 10 minuter. Som liksom tidigare ICP-enheter blir förkoncentrering bättre prestanda vid högre spänning och lägre jonstyrka. En ytterligare parameter kan vi tänka på här är avståndet mellan två katjonbytarmembran. Om vi ökar mellan membran avstånd, minskar det elektriska fältet under samma pålagda spänning, vilket resulterar i minskning av förkoncentrering hastighet 26.
Den mikroflödesmönsterteknik 29 används i detta arbete är en robust metod för mönstring katjonbytarhartser, så det har varit en av de guldstandardmetoder för att integrera jonbytarmaterial i mikroflödessystem. Nevertheless, är det nödvändigt att tillverka två intill varandra placerade katjonbytarmembran med en kort intermembrane avstånd (mindre än några få hundra mikrometer). I stegen 1.3.3-1.3.4, är katjonbytarhartset i en vätskefas. Därför kan hartset i de två mikrokanaler fällas ihop, och den återstående hartsdroppe vid den öppna änden av kanalerna kan också översvämma under formlösgör (steg 1.3.4.). Att bygga två katjonbytarmembran med hög mönster trohet, använde vi harts med en relativt hög viskositet (20% av katjonbytar material i lösningsmedlen) och försiktigt lossnar processen med en utsedd lösgör riktning.
Trots den höga arbets flexibiliteten i denna plattform visades, kan läsaren vara oroliga att bestämma optimala förhållanden från det breda utbudet inom driftsfönstret. Ett representativt avvägning är mellan förkoncentrering hastighet och stabiliteten i ICP effekt. såsom kanframgår av fig 5 i Kwak et al. 26, en hög pålagd spänning (> 50 V) kan kondensera mål snabbt; men detta inducerar också starka virvlar i utarmningszonen (1 mM / pH 7 i figur 7a), vilket minskar stabiliteten hos provet förkoncentrering. Följaktligen blir förkoncentrering hastighet svårt att förutsäga 33. I nuvarande skede rekommenderar vi experimentella förhållanden med en relativt låg spänning (<30 V) och jonstyrka (<10 mm) för en stabil, förutsägbar och spatiotemporally fast förkoncentrering. Denna avvägning mellan förkoncentrering hastighet och stabiliteten i det förkoncentrerade pluggen är också relaterad till källorna till ickelinjära ICP (surface conduction, EOF, och elektroosmotisk instabilitet). Den främsta källan till den olinjära ICP vid en relativt liten spänning (<50 V) är EOF, skapa en sammanhängande virvel par i utarmningszonen (figur 3b), som leannonser till en stabil förkoncentrering. Vid en relativt hög spänning (> 50 V), är den huvudsakliga källan till den olinjära ICP ändrats till elektroosmotisk instabilitet, vilket kaotiska flera virvlar, som minskar stabiliteten i förkoncentrering.
På senare tid har pappersbaserade ICP plattformar utvecklats av Phan et al. 34, Gong et al. 19, och Han et al. 21. Dessa pappers enheter med mikroporösa strukturer kan undertrycka elektroosmotisk instabilitet 4, 35 och lindra stabilitetsfrågan. Emellertid i storleken på de papperskanalerna är i allmänhet ca 0,5-5 mm, som är mycket större än en konventionell mikroflödeskanal. Detta bredare papper kanal med slumpmässiga fibernät orsakar oregelbundna rörelser i förkoncentrerade pluggar. Detta har varit oundviklig i pappersbaserade ICP preconcentrators, eftersom minsta karaktäristiskstorlek vax mönstring och papper skär (dvs. tillverkningsmetoder för att bygga pappers kanaler) handlar om några hundra mikrometer.
ICP förkoncentratom har använts i ett brett spektrum av biomicrofluidic plattformar för preconcentrating olika biologiska medel; förstärka signalerna av olika analyser; och detektering av mål, såsom terapeutiska proteiner 36, peptider 37, aptamerer 17, och enzymer 38. Dessa tidigare arbeten riktade fluorescensmärkta biomolekyler. Detta beror på att vi inte kan ange exakta driftsförhållanden (det vill säga, spänning och flödeshastighet) för att upprätthålla förkoncentrering webbplats, så måste vi först hitta rätt förutsättningar för förkoncentrator mål. Avgår från tidigare arbete, ger det sammanslagna ICP fenomenet oss att alltid fastställa förkoncentrerade pluggar på ett brett spektrum av driftsförhållanden samtidigt som den höga flexibiliteten hosICP-enheter. Till exempel kan vi modulera samman ICP-systemet med en tangentiellt vätskeflöde, och använda den i kontinuerligt flöde läge 39. Detta tyder på att vi nu kan utöka tillämpningar av ICP preconcentrators att märka fria detektionstekniker utan att använda visualiserings instrument och spårämnen. Denna unika fördel av Spatiotemporal styrbarhet ger en stark kommersiell möjlighet att integrera ICP enheten med generiska stationär plattformar, såsom Polymerase Chain Reaction maskiner och masspektrometrar.
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 |
References
- Probstein, R. F. Physicochemical Hydrodynamics: An Introduction. , Wiley-Interscience. New York. (2003).
- Strathmann, H. Ion-Exchange Membrane Separation Processes. , Elsevier. Amsterdam. (2004).
- Dydek, E. V., et al.
- 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).
- Rubinstein, I., Zaltzman, B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane. Phys. Rev. E. 62 (2), 2238-2251 (2000).
- Kwak, R., Kim, S., Han, J. Continuous-flow biomolecule and cell concentrator by ion concentration polarization. Anal. Chem. 83 (19), 7348-7355 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schoch, R. B., Han, J. Y., Renaud, P. Transport phenomena in nanofluidics. Rev.Mod. Phys. 80 (3), 839-883 (2008).
- 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).
- 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).
- Kim, B., et al. Tunable ionic transport for a triangular nanochannel in a polymeric nanofludic system. ACS Nano. 7 (1), 740-747 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ko, S. H., et al. Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization. Lab Chip. 12 (21), 4472-4482 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mani, A., Bazant, M. Z.
- Slouka, Z., Senapati, S., Chang, H. C. Microfluidic systems with ion-selective membranes. Annu. Rev.Anal. Chem. 7, 317-335 (2014).
- 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).
- Kwak, R., Kang, J. Y., Kim, T. S. Spatiotemporally defining biomolecule preconcentration by merging ion concentration polarization. Anal. Chem. 88 (1), 988-996 (2016).
- 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).
- Campbell, D. J., et al. Replication and compression of surface structures with polydimethylsiloxane elastomer. J. Chem. Educ. 76 (4), 537-541 (1999).
- 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).
- Kwak, R., Guan, G., Peng, W. K., Han, J. Microscale electrodialysis: concentration profiling and vortex visualization. Desalination. 308, 138-146 (2013).
- Chambers, R. D., Santiago, J. G. Imaging and quantification of isotachophoresis zones using nonfocusing fluorescent tracers. Anal. Chem. 81, 3022-3028 (2009).
- Rasband, W. S. ImageJ. U.S. National Institutes of Health. , Bethesda, Maryland, USA. Available from: http://imagej.nih.gov/ij (2016).
- Minerick, A. R., Ostafin, A. E., Chang, H. C. Electrokinetic transport of red blood cells in microcapillaries. Electrophoresis. 23 (14), 2165-2173 (2002).
- 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).
- Rubinstein, S. M. Direct observation of a nonequilibrium electro-osmotic instability. Phys. Rev. Lett. 101, 236101 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
