Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Yan yana İyon Değişimi Membranlar arasında İyon Konsantrasyon Polarizasyon birleştirme Polarizasyon Bölgesi İlerlemesinin yasakla

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

ne olursa olsun çalışma koşulları, ICP bölgenin ilerlemesini durdurabilir yeni bir iyon konsantrasyon kutuplaşma (ICP) platformu için protokol açıklanmıştır. Platformun bu sağlıyor ICP olgusunun iki polarizasyona olan iyon tükenmesi ve zenginleştirme, birleştirme kullanılması yatmaktadır.

Abstract

iyonu konsantrasyonunun polarizasyon (ICP) olgu düşük bolluk biyolojik örnekler önkonsantreyi en hakim yöntemlerden biridir. ICP yüklü biyomoleküllerin (yani, iyon tükenmesi bölgesi) için bir non-invaziv bölgeyi uyarır ve hedefler bu bölge sınırında zenginlestirilerek edilebilir. ICP ile yüksek zenginleştirme performansları rağmen, non-yayılan iyon tükenmesi bölgelerinin çalışma koşullarını bulmak zordur. Bu dar çalışma penceresi üstesinden gelmek için, biz son zamanlarda spatiotemporally sabit zenginleştirilmesi için yeni bir platform geliştirdi. Sadece iyon tükenmesi kullanan yöntemleri önceki aksine, bu platformu da iyon tükenmesi bölgenin yayılmasını durdurmak için ICP (yani, iyon zenginleştirme) karşıt polaritesi kullanır. tükenmesi bölgesi ile zenginleştirme bölgesini karşı karşıya tarafından, iki bölge birbirine birleştirmek ve durdurun. Bu yazıda, bu spatiotemporally tanımlanan ICP platf inşa etmek için detaylı bir deneysel protokol tariform ve konvansiyonel cihaz olanlar ile karşılaştırarak yeni platformun zenginleştirme dinamiklerini karakterize. Nitel iyonu konsantrasyonu profilleri ve şimdiki zaman tepkiler başarıyla birleştirilmiş ICP ve tek başına ICP arasında farklı dinamiklerini. sadece ~ 5 V zenginleştirme yerini çözebilirsiniz geleneksel birinde aksine, yeni bir platform çalışma koşulları geniş aralıklar içinde belirli bir konuma bir hedef yoğunlaştırılmış fiş üretebilir: voltaj (0,5-100 V), iyonik kuvvet (1-100 mM) ve pH değeri (3,7-10,3).

Introduction

İyon konsantrasyon kutuplaşma (ICP) iyonu konsantrasyon gradyanı 1, 2 ek bir potansiyel azalma ile sonuçlanan bir seçici bir zar üzerinde iyon zenginleştirme ve iyon azalması sırasında meydana gelen bir olaydır değinmektedir. Bu konsantrasyon gradyanı, doğrusaldır ve daha yüksek bir gerilim membran iyon konsantrasyonu kadar (Ohmik rejim) olarak uygulanır dik hale gelir, sıfır (sınırlayıcı rejim) yaklaşır. Bu difüzyon ile sınırlı bir durumda da, gradyan (ve karşılık gelen iyon akışı) / ekranı 1 doymuş bilinmektedir. Gerilim (veya akım) daha fazla arttığında bu geleneksel anlayışın ötesinde, bir overlimiting geçerli bölge sınırı 1, 3 yassı tükenme bölgeleri ve çok keskin konsantrasyon geçişlerini ile görülmektedir. Düz bölge çok düşük iyon konsantrasyonuna sahiptir, ancak yüzey iletimi, elektro-osmoti Cı akışı (EOF), ve / veya elektro-ozmotik instabilite iyon akımına tanıtılması ve bir overlimiting akımı 3, 4, 5, yol açar. 6, 7, 8, 9 ve / veya prekonsantratlar filtreleyen bir elektrostatik bariyer, 10, 11 hedef olarak İlginçtir, düz tükenmesi bölge hizmet vermektedir. (Tatmin edici Elektronötralliğin için) yüklü parçacıkların yüzey yükleri taranması için bir iyon miktarı yetersiz olduğundan, parçacıklar, bu azalmanın bölümü içinden geçmek ve bu nedenle sınırda hizaya olamaz. Bu doğrusal olmayan ICP etkisi, membran 10, 11, 12, 13 çeşitli bir genel olgudur> 14 ve geometriler 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; Araştırmacılar filtrasyon 6, 7, 8 çeşitli geliştirmek mümkün olmuştur bu yüzden, 9 ve doğrusal olmayan ICP 10, 11 cihazları Zenginleştirme.

Hatta böyle yüksek esneklik ve sağlamlığı ile, hala doğrusal olmayan ICP cihazları için çalışma koşullarını açıklığa kavuşturmak için pratik bir sorundur. ICP doğrusal olmayan rejimi hızlı anoda doğru hareket anyonların yer değiştirmesine neden olan bir katyon değişim zarı yoluyla katyonları kaldırır. OlarakSonuç, düz tükenmesi bölgesi şok yayılma 22 olduğunu hatırlatan, hangi hızla yayılır. Mani ve ark. Bu dinamik deiyonizasyon (veya tükenmesi) 23 şok denir. İyon tükenmesi bölgesinin genişlemesini önlemek, belirli bir algılama pozisyonda hedef prekonsantratı için, örneğin, bölge genişleme 24 karşı EOF veya basınçla çalışan akışı uygulanmak suretiyle, gereklidir. Zangle ve diğ. 22, bir tek-boyutlu bir model ICP yayılma kriterlerini açıklık ve oldukça elektroforetik mobilite 17, iyonik kuvvet 18, bu nedenle pH 25 ve bağlıdır. Bu uygun çalışma koşulları örnek şartlarına göre değiştirilebilir belirtir.

Burada, bir spatiotemp içinde hedeflere prekonsantratlar yeni bir ICP platformu için detaylı tasarım ve deneysel protokolleri mevcutoral konum 26'da tanımlandığı gibidir. İyon tükenmesi bölgesinin genişlemesi, bağımsız olarak çalışma süresi, bir atanmış konumunda bir deriştirme fiş bırakarak iyon zenginleştirme bölgesinde uygulanan voltaj, iyonik kuvvet ve pH engellenir. Bu ayrıntılı video protokolü mikroakışkan cihazlara katyon değişim membranları entegre ve geleneksel bir oranla yeni ICP platformu önderiştirme performansını göstermek için basit bir yöntem göstermek için tasarlanmıştır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Katyon Değişimi 1. Fabrikasyon mikroakışkan Chips Membran entegre

  1. Silikon ustaların hazırlanması
    1. Tasarım silikon ustaların iki çeşit: bir katyon değiştirme reçinesi ve polidimetilsiloksan (PDMS) bir mikrokanalı oluşturmak için diğer model için.
      NOT: ayrıntılı geometrisi adımları 1.3.1 ve 1.4.1 bir şekilde tarif edilecektir.
    2. Geleneksel fotolitografi veya 27 gravür derin reaktif iyon birini kullanarak silisyum ustaları Üretiyor.
    3. 30 dakika boyunca bir vakum kavanoz trichlorosilane (~ 30 ul) ile micropatterned silikon ustaları Silanize.
      UYARI: Trichlorosilane yanıcı ve akut toksisite (inhalasyon, ağızdan yutma) sahip bir piroforik sıvıdır.
  2. PDMS kalıpların hazırlanması
    1. 10 bir sertleştirici madde ile birlikte bir silikon elastomer başlangıç ​​karışımı: 1 oranında ve vulkanize edilmemiş PDMS ile fincan yeri(30-40 mL silikon 4-in gofret mikro çoğaltılması için), 30 dakika için bir vakum kavanoz kabarcıklarını çıkarmak için.
      NOT: silikon ham vinil grupları ve bir platinyum bazlı katalizör ile sona eren siloksan oligomer içerir. Sertleştirme ajanı üç silikon-hidrür bağları 28 olan oligomer çapraz bağlantı içerir.
    2. Silikon ustaları vulkanize edilmemiş PDMS dökün bir üfleyici ile kabarcıklarını çıkarmak ve bir konveksiyon fırınında, 2 saat boyunca 80 ° C'de PDMS tedavi.
    3. Bıçakla PDMS şekil düzgün silikon ustaları tedavi PDMS ayırın ve (Şekil 2A-B'de görüldüğü gibi, kare şekiller IV).
  3. Katyon değişim membranları desenlendirme
    1. iki paralel Mikrokanallarda dik PDMS kalıp yarısı kesilmiş ve bir 2.0 mm biyopsi yumruk ile PDMS kanalları ucunda delikler.
      NOT: katyon seçici membran desenlendirme için PDMS kalıp iki par vardırallel mikrokanallar (genişlik: 100 mikron; height: 50 mikron; kanallar arası mesafe: 100 mikron; Şekil 1a). kalıbın orijinal şekil kesme hattı boyunca dilimlenmiş kalıp yansıtma hayal edilebilir. L şeklindeki mikrokanallar örtüşen olmadan iki delik delme için tavsiye edilir.
    2. Bir cam slayt ve bant ile PDMS kalıp ve bir körük temizleyin ve aralarında geri dönüşümlü eki oluşturmak için cam slayt üzerine kalıp koydu.
    3. Microflow model verme tekniği 29 göre, basamak dilimlenmiş kanalın açık ucunda bir katyon değiştirme reçinesinin 1.3.1 salma ~ 10 uL (Şekil 1b). Delikli delikleri şırınga başını yerleştirin ve pistonu (Şekil 1b siyah oklar) çekin; hafif bir negatif basınç katyon değişim reçinesi çeker ve reçine iki kanalı dolduracaktır.
      NOT: Mikrokanallı yüksekliği daha fazla 15 olması tavsiye edilir81 m, reçinenin viskozitesi yüksek kanallarını doldurmak için yüksek basınç gerektirir. Öte yandan, desenli iyon seçici membran daha kalın 1 um hale gelmesi nedeniyle, boy, 100 um'den daha fazla olmayan daha iyi olduğu; Böyle kalın bir zar membran ve PDMS kanal 13 arasında bir boşluk yaratabilir.
    4. desenli reçine dokunmadan PDMS kalıp ayırın ve reçine içinde çözücünün buharlaştırılması için 5 dakika boyunca 95 ° C 'de ısıtma cam slayt yerleştirin.
      NOT: Desenli zarının kalınlığı <1 mikron genellikle daha azdır. Kalıp hafifçe açık uçlu tarafı için kalıp hinging ile müstakil (noktalı çizgi ve şekil 1b ok gibi). Bu reçine doldurduktan sonra kalıba az 1 dakika ayırmak en iyisidir. Kalıp bir kaç dakika sonra ayrılmış ise, kalın zarlar elde edilebilir, ancak bunlar kılcal etki içbükey bir şekle sahip olacaktır.
    5. Gereksiz soyunbir jiletle desenli membran kısmı, iki ayrılmış hattı-desen (Şekil 1c) adrestir.
      Not: Burada kullanılan katyon değişimli malzeme kuvvetli cama bağlı değildir desen anlamına grupları perfluorinatlı sahiptir. Bu nedenle, basit bileme yöntemi kolayca membranın gereksiz kısmını kaldırabilirsiniz.
  4. Mikrokanallı ve membran desenli substrat Entegrasyonu
    1. mikro uçlarında iki delik ve membran desen adım 1.3 imal membran desenli alt tabaka PDMS kanalı bağlandıktan sonra yer alacak bir iki delikler.
      Not: PDMS mikro bir kanal vardır (: 50-100 mikron; height: genişlik 10 mm), ancak komşu kanal (Şekil 1d) uçlarına bağlanır.
    2. W 100 ve 50 mTor 40 s için hemen oksijen plazma tedavi sonrası membran desenli alt tabaka PDMS mikrokanalı Bond.
      NOT: Mikrokanallı ortasında dik desenli membran yerleştirin.

2. ICP Önderiştirme

  1. Deney hazırlığı
    1. 1-100 mM KCI, 1 mM NaCI içeren, çeşitli test solüsyonları hazırlayın (pH 7), 1 mM NaCI ve 0.2 mM HCI (pH ~ 3.7), 1 mM NaCI ve 0.2 mM NaOH (pH karışımının karışımı, ~ 10.3), ve 1 x fosfat tamponlu tuzlu su.
    2. test çözeltileri için negatif yüklü floresan boya (~ 1.55 uM) ekleyin.
      NOT: Bu yüklü boyaları bir elektrik akımı 30, 31 katkı böylece ilave boya konsantrasyonu tuzu iyonları (<10 uM) çok daha düşük olması gerekir.
    3. Kanalın bir rezervuar örnek çözümü yükleyin ve çözümü ile kanal doldurmak için diğer rezervuar negatif basınç uygulayın. r tarafından hidrodinamik iki rezervuar bağlayınbüyük damlacık eleasing kanalı (Şekil 2a) boyunca basınç farkı ortadan kaldırmak için.
    4. rezervuar ICP etkisi telafi için bir şırınga ya da bir pipet kullanılarak tampon çözeltileri (1 M KCI ve 1 M NaCI) ile katyon değiştirme modelleri bağlı iki rezervuar, doldurun.
    5. İki desenli membranların (sağda solda rezervuar ve katot üzerinde anot) karşısında, rezervuarlar de tellerini yerleştirin ve kaynak ölçüm ünitesi (Şekil 2a) ile bağlayın.
  2. ICP olgusu ve ICP önderiştirme görselleştirme
    1. bir ters Epifloresans mikroskop ICP cihazı yükleyin. bir gerilim (0,5100 V) uygulayın ve bir kaynak ölçüm birimi ile cari tepkisini ölçmek.
    2. Bir şarj çiftli aygıt kamera ile floresan görüntüler yakalayın ve görüntüleme yazılımını 32 kullanılarak floresan yoğunluğu analiz.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bir zar ile tümleşik mikroakışkan ön yoğunlaştıncı şematik üretim adımları, Şekil 1 'de gösterilmiştir. imalat ayrıntılı bir tarif protokolü verilmiştir. Tasarımları ve spatiotemporally tanımlanan ön yoğunlaştıncı 26 cihaz görüntüleri geleneksel bir ön yoğunlaştıncı 11 (Şekil 2) olanlar ile tezat vardır. Spatiotemporally tanımlanan ön yoğunlaştıncı ICP fenomen akım-gerilim-zaman yanıtları ve floresan yoğunluğu profilleri (Şekil 3-4) yönünden araştırıldı. ICP tek zar ön yoğunlaştıncı 3, 11, üç farklı rejimlerle fenomen (Ohmic, sınırlama ve overlimiting) akım-gerilim eğrisinin gözlendi benzer: 0.5-1 V (omik ve sınırlayıcı) ve 5 V (overlimiting) . Ancak, konvansiyonel olmayan akım kurtarma olduiyon zenginleştirme ve iyon tükenmesi bölgeleri birleşti güncel-zaman eğrisi tespit. Daha sonra, ICP zenginleştirme spatiotemporally tanımlanan ön yoğunlaştıncı (Şekil 5) ve geleneksel bir membran cihazı (Şekil 6) ile birlikte farklı zamanlarda ve gerilimler test edilmiştir. zenginleştirme dinamikleri floresan görüntüler, şimdiki zaman yanıtları ve farklı mesafelerde ve kere floresan yoğunluğu grafiklerle ölçüldü. iki platform karşılaştırırken, yeni ICP platformu her zaman iki katyon seçici membran modelleri arasında hedefler (floresan boyalar) toplama bir avantaj gösterir. Buna ek olarak, bu deriştirme fişi çalışma koşulları geniş aralıklar (Şekil birleştirilmesi ICP ön yoğunlaştıncı yüksek kullanılabilirlik doğrulanması farklı iyonik güçlü (1-100 mM NaCI) ve pH değerleri (3,7-10,3) aynı kaldığı teyit edilmiştir 7). Şekil 8'de, 10.000 kat proteini preconcentrtirme de gösterilmiştir.

Şekil 1
Şekil bir katyon değişim zarı entegre mikroakışkan çip 1. Fabrikasyon adımları. 29, zar buzlu cam alt-tabaka oksijen plazma işlem (d) ile PDMS mikrokanal ile yapıştırılmış - bir PDMS kalıp Microflow model verme tekniği (c) ile bir katyon değiştirme reçinesi ile doldurulduktan sonra. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

şekil 2
Şekil spatiotemporally tanımlanan ön yoğunlaştıncı (a) ve klasik ön yoğunlaştıncı 2. Şemalar (B). (A) the yeni platform, iki zar desenleri (i), iyon tükenmesi arasında / zenginleştirme bölgeleri geliştirilen ve doğrusal birleştirilmiş (omik ve rejimi sınırlandırılması; ii) veya doğrusal olmayan (rejimi overlimiting iii) konsantrasyonu profilleri. Her üç akım rejimlerde ise, iyon zenginleştirme bölge blokları tükenme bölgesi ve hedeflerin yayılımı (boş daireler; i) iyon tükenmesi ve zenginleştirme bölgelerinin (; i kavisli, noktalı çizgi) ara yüzünde zenginlestirilerek edilmektedir. PDMS kanalının duvarı, negatif yüklü ve bu bir elektrik alanı altında, iki katyon değiştirme membranları arasındaki elektro-ozmotik akış (EOF) oluşturur. EOF sürekli tükenmesi ve zenginleştirme bölgelerinin arayüzü doğru hedefler sunar. (B) geleneksel platformda, sadece iyon tükenmesi bölge lineer membranın yakın geliştirilen (omik ve rejimi sınırlandırılması; ii) ve doğrusal olmayan (rejiminin overlimiting iii) konsantrasyonu gradyanlar. EOF hedeflerini teslim olarak, önderişiklendirme alböylece tükenmesi bölge sınırında oluşur, ancak bu bölge (ve zenginlestirilerek fiş) (siyah ok i) uzak katyon değişim zarı hareket eder. Iyon zenginleştirme bölgesinde olmadan burada iyon konsantrasyonunda artış olduğunu kaydetti (ii-iii). (Ab), cihaz ve görüntüler (iv) 'da gösterilmiştir. C 0 ilk iyon konsantrasyonunu temsil eder. V + ve G, sırasıyla anot ve katot göstermektedir. Amerikan Kimya Derneği izniyle Referans 26T yayımlanmaktadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3. İki katyon değişim zarlarının arasında ICP fenomeni Birleştirilmiş. (A) akım-gerilim eğrisi üç farklı regim gösterires (Ohmic, sınırlama ve overlimiting). Geçerli yanıt üç kez tekrarlanır 0,25 V her 40 s, ayrık aralıklarla gerilim edinmiş ölçülür. hata çubuğu mevcut yanıtların standart sapmasını gösterir. (b, c) ile üç rejimlerde, floresans görüntüleri (b) ve kanal (C), ortasında 'AA boyunca yoğunluğu profilleri elde edilmiştir. Sarı noktalı kutular katyon seçici membran konumlarını gösterir. 1.55 uM (1 ug / mL), negatif yüklü floresan boya ile 1 mM KCI çözeltisi kullanılmıştır. Amerikan Kimya Derneği izniyle Referans 26 yayımlanmaktadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Şekil 4. (A, b) Ohmik sınırlayıcı rejimlerde, lineer konsantrasyon gradyanları (<1 saniye) katyon değişim membranından (1 S ve daha sonra bir araya üst üste)> büyür. Overlimiting rejimi (c), iki ICP bölgeleri daha hızlı (0.2 sn'de siyah ok) azalması şok (<0.6 ler) birleştirilir. (D - f) yanıtları akım başlangıçta düşük olması nedeniyle elektriksel iletkenlik karşılık düşük konsantrasyon azalması bölgenin büyümesi, düştü olduğunu gösteriyor geçerli zaman. Geçerli damla sonra nedeniyle iki zarların arasında sınırlı girdaplarıdır bir konvektif taşıma kurtarılır. Amerikan Kimya Derneği izni ile başvurulan 26 yayımlanmaktadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

<keep-together.within sayfa = "1">: fo p class = "jove_content" Şekil 5,
Şekil 5. Spatiotemporally 5, 10, önderiştirme sabit ve 20 V (a - c) birleşti ICP Floresan görüntüleri ve şimdiki zaman tepkiler (d - f) zaman (0-100 ler) üzerinde. san, noktalı çizgiler katyon değiştirme membranları konumunu göstermektedir. (G) Time-lapse floresan yoğunluğu profilleri ( 'AA) mikrokanal boyunca çizilmiştir. pik şiddetleri zaman sabit yerleri ile, geçerken artar. (H) en yüksek yoğunluğu kat (yani, ilk floresan yoğunluğu daha kaç kez daha büyük). yüksek gerilimlerde, hızlı EOF iyon tükenmesi ve zenginleştirme bölgelerinin arayüzü yönelik hedeflerini sunar, böylece önderiştirme hızı artar. 20 V A başak tükenmesi şok indüklenir ( Şekil 4c'de görülebileceği gibi, 0.8 s, zirve 0,4 s olduğundan daha geniş olduğu. Sol Nafion desen (Şekil 2a) sol tarafı elektriksel süzülüyor edildi ve birikmiş boyalar yayılmış olabilir çünkü bu muhtemelen. Amerikan Kimya Derneği izniyle Referans 26 yayımlanmaktadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6,
5, 10, ve 20 V konvansiyonel ICP ön yoğunlaştıncı Şekil 6. ICP fenomen. (A - c) iyon tükenmesi bölgenin Floresan görüntüleri ve şimdiki zamanlı tepki (d - e) zamanla (0-100 ler). tükenme bölgesi ve önderiştirme fiş yayılması açıkça floresan görüntüleri görüntülenmiştir. Geçerli kurtarma bile overlimiting rejiminde, oluşmaz, böylece Buna göre, girdaplar, sınırlı değildir. Sarı, noktalı çizgiler katyon değişim zarlarının yeri işaretlemek. (G) Time-lapse floresan yoğunluğu profilleri ( 'AA) mikrokanal boyunca çizilmiştir. Zaman geçtikçe pik şiddetleri artırmak, ancak konum zarından uzaklaşır. ICP cihazının (h) Tepe yoğunluğu kat. Boya zenginlestirilerek gibi floresan yoğunluğu artmış, çünkü birleştirilmiş ICP cihazı (Şekil 5h) aksine, ICP bölgelerinin hapsi olmadan yoğunluk başak yoktur. t artışO yoğunluğu kat (belirli bir voltajda), aynı zamanda birleştirilmiş ICP cihazının benzerdir tepe. Bu zenginlestirilerek eklenti yerinde tutulur süre deriştirme performansı için çok önemli olduğunu gösterir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 7,
Çeşitli iyonik güçlü de Şekil 7. Spatiotemporally tanımlanan zenginleştirme (1-100 mM NaCl) ve pH değerleri (3,7-10,3). (A) 50 V. As operasyonda 100 saniye sonra elde edilen Floresan görüntüleri görülebilir, zenginleştirme fişleri yerleri yoğunluğu iyonik yüksek altında zayıflamış olsa bile, iki katyon değişim zarlarının (sarı, noktalı çizgiler) arasında hala gücü ve güçlü bir asidik veya bazik içindeçözüm. (B, c) tepe yoğunluğu konumu ve yoğunluğu kat (yani., Kaç kat daha başlangıç yoğunluğu daha az) bir tek koşulu (1, 10 için 20, 10 yaşın altındaki eşlenen 50, ve 100 V, 100 mM ve / veya pH 3.7, 7 ve 10), dört gerilim koşullarına karşılık gelen dört veri noktaları vardır. yüksek gerilimlerde, daha yüksek bir pik her durumda kat yoğunlaştırılması bulunmaktadır. 100 V tepe yoğunluğu daha önce en yüksek yoğunluk profili kaynaktan 50 V (nedeniyle kameranın doygunluk) yüksek değerleri dokunduğu için 1 mM NaCI (pH 7) test edilmediğini, zirve bölgesi aynı zamanda 1, tanımlanır hata çubukları (B, C) ile temsil edilen en yüksek yoğunluğu, aşağıdaki%. Yüksek gerilim ve güçlü bir EOF yüksek yoğunluk kat ve bir keskin önderiştirme fişi ile, sağa zirve konumunu kaydırır. Gri kutular katyon değiştirme membranları konumlarını gösterir. 0 mesafe (a) X-ekseni kökeni (B, C), ki buSol katyon değişim zarı sağ kenarında. mesafe kökeni sol membran sağ kenarı olduğunu. Amerikan Kimya Derneği izniyle Referans 26 yayımlanmaktadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 8,
Spatiotemporally sabit protein önderiştirme 8. Gösteri Şekil. 1x fosfat tamponlu tuzlu su çözeltisi içinde FITC albümini (1 ug / mL) kullanılmıştır. % 0.1 Tween 20, aynı zamanda spesifik olmayan bağlanmayı önlemek için ilave edildi. Zenginleştirme pek yüksek bir iyon gücü (Şekil 7) elde edilir, biz Nafion desen (200 um) genişliğine katına ve daha dar bir PDMS kanal (50 um) kullanılır. Bu şekilde, ICP önderiştirme performansı tarafından geliştirilmiş olduiyon yolu genişletilmesi ve kanaldaki iyonların mutlak miktarını azaltarak. 100 V, tepe ve floresan şiddetlerini ortalama bir uygulanan voltaj iki katyon değişim zarlarının arasındaki bölge beyaz noktalı kutusunda, takip edildi. işlem 10 dakika içinde, proteinler, sırasıyla, 10,000 ve 100-kat preconcentrations gösteren, 10 mg / ml (tepe noktası) ve • 0.1 mg / mL (ortalaması) 'ye kadar zenginlestirilerek edildi. ilave Fluoresans görüntüleri, 0, 10 ve 20. dakikada elde edilmiştir. Bu çalışmada, 20 dakika çalışma, hedef molekülleri prekonsantresi için yeterli oldu, yani biz daha uzun çalışma süreleri kapağı yoktu. Amerikan Kimya Derneği izniyle Referans 26 yayımlanmaktadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bir 10.000 kat elde, imalat protokolü ve uygulanan voltajı (0.5-100 V), iyonik kuvvet (1-100 mM) aralığında bir spatiotemporally tanımlanan ön yoğunlaştıncı performansını ve pH (3,7-10,3) tanımlamışlardır 10 dakika içinde boyalar ve protein zenginleştirme. Bir önceki ICP cihazlar gibi, zenginleştirme performansı yüksek gerilimde daha iyi ve daha düşük iyonik güçte olur. Burada düşünebilirsiniz ek bir parametre iki katyon değişim zarlarının arasındaki mesafedir. Biz arası zar mesafe arttırmak için, elektrik alan zenginleştirme hızı 26 azalma ile sonuçlanan, aynı uygulanan gerilim altında azalır.

Bu çalışmada kullanılan Mikrosirkülasyon desenlendirme tekniği 29 desenlendirme katyon değişim reçineleri için sağlam bir yöntemdir, bu yüzden mikroakışkan sistemlerine iyon değişimli malzemeler entegre etmek için altın standart yöntem olmuştur. Nevertheless, kısa zarlar arası mesafe (daha küçük birkaç yüz mikrometre) olan iki yan yana katyon değiştirme zarların imalatı için gereklidir. adımda 1.3.3-1.3.4, katyon değişim reçinesi, bir sıvı faz içinde olduğu. Bu nedenle, iki mikro reçine daraltılmış ve kanalların açık ucunda kalan reçine düşüşü de kalıp ayrılması sırasında sel (aşama 1.3.4.). Yüksek desen aslına iki katyon değiştirme membranları oluşturmak için, nispeten yüksek bir viskoziteye (çözücüler içinde katyon değişimli malzeme% 20) reçine olarak dikkatlice belirlenmiş ayırma yönü ile ayrılması işlemi.

Bu platformun yüksek çalışma esnekliği göstermiştir olsa da, okuyucu işletim penceresi içinde geniş optimal koşulların belirlenmesi endişe olabilir. Bir temsilci trade-off önderiştirme hızı ve ICP etkisi istikrar arasındadır. can olarakKwak ve diğerleri, Şekil 5'te görüldüğü. 26, yüksek uygulanan gerilim (> 50 V) hızlı hedefleri sıkıştırabilirsiniz; Bununla birlikte, bu örnek zenginleştirme stabilitesini azaltır inceltme bölgesinde (1 mm / Şekil 7a'da pH 7) içinde, güçlü bir girdapları neden olur. Bu duruma göre, deriştirme hızı 33 tahmin etmek zor olur. Gelinen aşamada, biz istikrarlı, öngörülebilir ve spatiotemporally sabit zenginleştirilmesi için nispeten düşük gerilim (<30 V) ve iyonik kuvvet (<10 mM) ile deneysel koşullar öneriyoruz. önderiştirme hızı ve zenginlestirilerek fiş istikrar arasındaki bu ticaret-off da doğrusal olmayan ICP kaynaklardan (yüzey iletimi, EOF ve elektro-ozmotik istikrarsızlık) ile ilgilidir. Nispeten küçük bir gerilime (<50 V) de doğrusal olmayan ICP ana kaynağı tükenmesi bölgesinde tutarlı bir girdap çifti oluşturarak, EOF (Şekil 3b), hangi leistikrarlı bir önderiştirme için reklamlar. nispeten yüksek bir voltaj (> 50 V) 'de, doğrusal olmayan ICP ana kaynağı elektro-ozmotik istikrarsızlık, zenginleştirme stabilitesini azaltır kaotik birden girdapları, elde edilen değiştirilir.

Son zamanlarda, kağıt bazlı ICP platformları Phan ve arkadaşları tarafından geliştirilmiştir. 34, Gong ve arkadaşları. 19 ve Han ve ark. 21. Mikro gözenekli yapılarıyla Bu kağıt cihazlar elektro-ozmotik istikrarsızlık 4, 35 bastırmak ve istikrar sorunu hafifletmek olabilir. Bununla birlikte, kağıt kanallarının boyutları genellikle geleneksel bir mikroakışkan kanal daha büyük, yaklaşık 0.5-5 mm, bulunmaktadır. rasgele fiber ağları ile bu geniş kağıt kanal zenginlestirilerek fişler düzensiz hareketleri neden olur. Bu, kağıt tabanlı ICP preconcentrators kaçınılmaz olmuştur asgari özellik nedeniyle(kağıt kanallar inşa etmek, yani fabrikasyon yöntemleri) balmumu desenlendirme ve kağıt kesme boyutu birkaç yüz mikrometre ile ilgili.

ICP ön yoğunlaştıncı çeşitli biyo-ajanlar zenginleştirildikten için biomicrofluidic platformlarda geniş bir yelpazede kullanılmaktadır; Çeşitli testlerin sinyallerinin yükseltilmesi; ve bu tür terapötik protein 36, peptidler 37 olarak tespit hedefler, 17 aptamerler ve 38 enzimleri. Bunlar önceki çalışmalar floresan etiketli biyomoleküllerin hedef aldı. Biz tam çalışma koşullarını belirlemek (yani, voltaj ve debi) önderiştirme sitesini korumak için, bu yüzden ilk ön yoğunlaştıncı hedefler için uygun koşulları bulmak gerekir çünkü bu olduğunu. önceki çalışma hareketle, birleştirilmiş ICP fenomen yüksek esnekliği korurken bize her zaman çalışma koşulları geniş bir yelpazede de zenginlestirilerek fişler düzeltmek için izin verirICP cihazları. Örneğin, bir teğet sıvı akışı ile birleşti ICP sistemini modüle edebilir ve sürekli akış modunda 39 işletmek. Bu şimdi görselleştirme araçları ve izleyiciler kullanmadan algılama teknikleri serbest etiketlemek için ICP preconcentrators uygulamaları uzatabilirsiniz gösterir. Spatiotemporal kontrol edilebilirlik, bu benzersiz bir avantaj gibi polimeraz zincir reaksiyonu makineleri ve kitle spektrometre gibi genel benchtop platformları ile ICP cihazı entegre güçlü bir ticari fırsat sunuyor.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Biyomühendislik Sayı 120 iyon konsantrasyon polarizasyon zenginleştirme iyon değişim membranlı akım elektro-ozmotik akış elektro-ozmotik istikrarsızlık overlimiting
Yan yana İyon Değişimi Membranlar arasında İyon Konsantrasyon Polarizasyon birleştirme Polarizasyon Bölgesi İlerlemesinin yasakla
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter