Method Article

بيوشيب متعددة الحليلة (MAB) بناء على أقطاب ايون انتقائية الصلبة بالكامل للدولة (ASSISE) للبحوث الفسيولوجي

DOI:

10.3791/50020

⸱

April 18th, 2013

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Agricultural and Biological Engineering, Birck-Bindley Physiological Sensing Facility, Purdue University, 2NASA Ames Research Center, 3Department of Chemistry, Pennsylvania State University Hazleton, 4Cooley LLP, 5NASA Life and Physical Sciences, Human Exploration and Operations Mission Directorate, NASA Headquarters

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أقطاب ايون انتقائية الصلبة بالكامل للدولة (ASSISEs) شيدت من موصل البوليمر (CP) محول توفير عدة أشهر من العمر وظيفية في وسائل الإعلام السائل. هنا، نحن تصف عملية تصنيع ومعايرة ASSISEs في شكل المختبر على واحد في رقاقة. وتتجلى ASSISE أنه قد حافظ على الملف الشخصي منحدر شبه Nernstian بعد التخزين لفترات طويلة في وسائل الإعلام البيولوجية المعقدة.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
تتطلب تطبيقات

Lab-on-a-chip (LOC) في البحوث البيئية والطبية الحيوية والزراعية والبيولوجية ورحلات الفضاء قطبا كهربائيا انتقائيا للأيونات (ISE) يمكنه تحمل التخزين المطول في الوسائط البيولوجية المعقدة 1-4. يعتبر القطب الكهربائي الانتقائي للأيونات ذو الحالة الصلبة بالكامل (ASSISE) جذابا بشكل خاص للتطبيقات المذكورة أعلاه. يجب أن يتمتع القطب بالخصائص المواتية التالية: سهولة البناء ، والصيانة المنخفضة ، و (الاحتمالات) للتصغير ، مما يسمح بمعالجة الدفعات. تم إنشاء مجوهر دقيق الصنع مخصص لقياس أيونات H + و Ca2+ و CO32- يونات. يتكون من طبقة قطب كهربائي معدني نبيل (أي Pt) ، وطبقة تحويل ، وطبقة غشاء انتقائي للأيونات (ISM). تعمل طبقة التحويل على تحويل الجهد الكيميائي المعتمد على التركيز للغشاء الانتقائي للأيونات إلى إشارة كهربائية قابلة للقياس.

وجد أن عمر ال asssise يعتمد على الحفاظ على الإمكانات في واجهة الطبقة الموصلة / الغشاء 5-7. لإطالة عمر عمل ASSISE وبالتالي الحفاظ على إمكانات مستقرة في الطبقات البينية ، استخدمنا البوليمر الموصل (CP) بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) (PEDOT) 7-9 بدلا من كلوريد الفضة / الفضة (Ag / AgCl) كطبقة محول الطاقة. قمنا ببناء ASSISE بتنسيق مختبر على رقاقة ، والذي أطلقنا عليه اسم الرقاقة الحيوية متعددة التحليلات (MAB) (الشكل 1). < p class = "jove_content" >أظهرت المعايرة في محاليل الاختبار أن MAB يمكنه مراقبة الأس الهيدروجيني (النطاق التشغيلي الرقم الهيدروجيني 4-9) ، ثاني أكسيد الكربون32- (النطاق المقاس 0.01 ملي مولار - 1 ملي مولار) ، والكالسيوم2+ (النطاق الخطي اللوغاريتمي 0.01 ملي مولار إلى 1 مليمتر). يوفر MAB للأس الهيدروجيني استجابة منحدر قريبة من نيرنستيان بعد ما يقرب من شهر واحد من التخزين في وسط الطحالب. تظهر الرقائق الحيوية للكربونات مظهرا قياسيا مشابها لتلك الموجودة في القطب الكهربائي الانتقائي للأيونات التقليدي. تم استخدام القياسات الفسيولوجية لمراقبة النشاط البيولوجي للنظام النموذجي ، الطحالب الدقيقة Chlorella vulgaris.

ينقل MAB ميزة في الحجم وتعدد الاستخدامات وقدرة استشعار التحليل المتعدد ، مما يجعله قابلا للتطبيق على العديد من حالات المراقبة الضيقة ، على الأرض أو في الفضاء. فئة

تصميم الرقائق الحيوية والطرق التجريبية < p class = "jove_content" > تبلغ أبعاد الرقاقة الحيوية 10 × 11 مم ولها 9 أقطاب كهربائية عاملة (WEs) و 5 أقطاب مرجعية Ag / AgCl (REs). يبلغ قطر كل قطب كهربائي يعمل (WE) 240 ميكرومتر ويتباعد بالتساوي عند 1.4 مم من الطاقة المتجددة ، والتي يبلغ قطرها 480 ميكرومتر. يتم توصيل هذه الأقطاب الكهربائية بوسادات التلامس الكهربائية بأبعاد 0.5 مم × 0.5 مم. يظهر التخطيطي في الشكل 2. < p class = "jove_content" > يتم استخدام طرق القياس الفولتاميلي الدوري (CV) والترسيب الجلفانوسيكي للبلمرة الكهربائية لأغشية PEDOT باستخدام حامل خلية Bioanalytical Systems Inc. (BASI) C3 (الشكل 3). تم تصميم الأيون المضاد لفيلم PEDOT ليناسب أيون التحليل محل الاهتمام. يتم استخدام PEDOT مع أيون مضاد بولي (ستايرينسولفونات) (PEDOT / PSS) ل H + و CO32- ، بينما يتم استخدام واحد يحتوي على كبريتات (يضاف إلى المحلول باسم CaSO4) ل Ca2+. يتم تحليل الخصائص الكهروكيميائية ل WE المطلي ب PEDOT باستخدام السير الذاتية في محلول نشط للأكسدة والاختزال (أي 2 ملي مولار فيريسيانيد البوتاسيوم (K3Fe (CN) 6)). بناء على ملف تعريف السيرة الذاتية ، تم استخدام تحليل Randles-Sevcik لتحديد مساحة السطح الفعالة 10. يتم استخدام طلاء الدوران عند 1,500 دورة في الدقيقة لصب أغشية انتقائية للأيونات بسمك ~ 2 ميكرومتر (ISMs) على أقطاب عمل MAB (WEs). < p class = "jove_content" > يوجد MAB في غرفة خلية تدفق ميكروفيليديك مملوءة بحجم 150 ميكرولتر من وسط الطحالب ؛ يتم توصيل وسادات التلامس كهربائيا بنظام BASI (الشكل 4). تتم مراقبة نشاط التمثيل الضوئي ل Chlorella vulgaris في ظروف الإضاءة المحيطة والظلام.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. إعداد بولي (3،4-ethylenedioxythiophene): بولي (الصوديوم 4-styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) الحل Electropolymerization لH + وCO 3 2 - الأيونات

  1. إضافة 70 ملغ بولي (الصوديوم 4-styrenesulfonate) (نا + PSS -) إلى 10 مل منزوع الأيونات (DI) المياه ودوامة حتى فرقت تماما (حوالي 10 ثانية).
  2. إضافة 10.7 ميكرولتر 3،4-ethlyenedioxythiophene (EDOT) إلى حل في 1.1 ودوامة حتى يتم خلط حل تماما.

2. إعداد بولي (3،4-ethylenedioxythiophene): كبريتات الكالسيوم (PEDOT: كاسو 4) الحل Electropolymerization لكا 2 + الأيونات

  1. إضافة 136 ملغ كبريتات الكالسيوم (كاسو 4) إلى 10 مل من الماء DI ودوامة؛ فإن الحل لا تفريق تماما، ويبدو درب التبانة.
  2. إضافة 10.7 ميكرولتر EDOT إلى حل في 2.1 ودوامة حتى تمتزج تماما.

3. Electropolymerization المستندة إلى PEDOTبوليمر موصل

  1. A Bioanalytical سيستمز (BASI) موقف الخلية C3 (الشكل 3)، والمفوضية الأوروبية إبسيلون potentiostat / galvanostat تستخدم لتشكيل خلية كهروكيميائية لelectropolymerization. وضع EDOT: حل electropolymerization PSS في الخلية الكهروكيميائية وفقاعة النيتروجين لمدة 20 دقيقة لإزالة الأكسجين الذائب.
  2. الآن مقطع من البلاتين الشاش في موقف القطب المضاد للخلية كهروكيميائية. ثم مقطع MAB في موقف القطب عمل خلية كهروكيميائية مع أقطاب العمل التي تواجه البلاتين الشاش. ضبط عمق MAB بحيث فقط الأقطاب دائرية وغرقت في PEDOT: حل electropolymerization PSS. تجنب الاتصال مع حل مربع منصات الاتصال الكهربائية.
  3. وضع BASI مشبعة الفضة / كلوريد الفضة (حج / أجكل) القطب في موقف القطب مرجع الخلية الكهروكيميائية. تأكد من أن الإلكترود المرجعي ليس في ما بين العمل ومواجهة الاثارأقطاب ص.
  4. لPEDOT: PSS ترسب: فقاعة الخلية الكهروكيميائية لمدة 20 دقيقة، واستخدام EC إبسيلون potentiostat / galvanostat لتشغيل voltammogram دوري واحد من 0V - 1.1V مع معدل المسح من 20 بالسيارات / ثانية على نطاق ± 100 أمبير.
  5. لPEDOT: كاسو 4 ترسب: فقاعة الخلية الكهروكيميائية لمدة 20 دقيقة، واستخدام EC إبسيلون potentiostat / galvanostat لتشغيل chronopotentiometry في 814 غ لمدة 30 دقيقة.

4. Voltammetry دوري من يصرف البوليمر المستندة إلى PEDOT في K 3 الحديد (CN) 6

  1. تنفيذ الخطوات 3،1-3،3 أعلاه.
  2. استخدام EC إبسيلون potentiostat / galvanostat لتشغيل voltammograms دوري واحد من -653 بالسيارات إلى 853 بالسيارات مع تفاوت معدلات المسح الضوئي من (25، 50، 75، 100، L25، 150، 175، 200) بالسيارات / ثانية على ± 10 أمبير نطاق .

5. بروتوكول سطح Functionalization

  1. إيداع موصل البوليمر المكورات محددة للأيونات من الفائدة كما في الخطوة 3.
  2. تطبيق غشاء ايون انتقائية كما في الخطوة 6.

6. تطبيق غشاء ايون انتقائية

  1. مركز MAB على فراغ الدوار تشاك.
  2. إيداع 100 ميكرولتر على الغشاء وسط MAB والتشغيل.
  3. تدور معطف غشاء ايون انتقائية مع المغطي تدور في 1،500 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية مع 5 ثوانى المنحدر صعودا وهبوطا.
  4. فراغ MAB تدور المغلفة لمدة 30 دقيقة وخبز رقاقة في الفرن على 70 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة.

7. معايرة PEDOT-PSS موصل بوليمر المتقارنة مع درجة الحموضة والكربونات (CO 3 2 -) غشاء ايون انتقائية

  1. بشرط ان MAB بين عشية وضحاها في 10 ميكرومتر بيكربونات الصوديوم (NaHCO 3) و 5 ملي كلوريد البوتاسيوم (بوكل) في وسائل الإعلام الطحالب.
  2. إدراج MAB في حامل رقاقة تدفق خلية ميكروفلويديك.
  3. حقن 5 مل محلول الاختبار مع قيمة الرقم الهيدروجيني الأولي أو تركيز (مثل درجة الحموضة 4 أو 10 ميكرومتر لCO 3 2 -). إزالة صغيري BLES من صاحب رقاقة تدفق الخلايا.
  4. ضع حامل رقاقة تدفق الخلايا على المباراة الكهربائية تدفق الخلايا.
  5. فتح البرنامج إبسيلون EC ودخول في وضع إمكانات الدائرة المفتوحة (OP). ضبط الوقت إلى 300 دقيقة، وحجم الجهد ل± 1V، وتردد قطع إلى 10 كيلو هرتز، وتسجيل قيمة كل 2 ثانية.
  6. السماح للاستقرار MAB (ابحث عن خط شقة) قبل متابعة عملية المعايرة.
  7. بمجرد استقرار MAB، تدفق خلية تدفق مع حل الاختبار وحقن تركيز المقبل ليتم معايرة (الرقم الهيدروجيني 5 أو 25 ميكرومتر CO 3 2 -). تأكد من أن يسمح عدم وجود فقاعات لدخول الخلية التدفق. كرر الخطوات من 7.5 و 7.6 درجة الحموضة ل6، 7، 8، و 9 أو CO 3 2 - تركيزات 50، 75، 100، 250، 500، 750، و 1،000 ميكرومتر.
  8. بعد تشغيل تركيز الماضي، وإزالة MAB والجافة مع الهواء النيتروجين.
  9. وضع MAB مرة أخرى إلى حل الطازجة تكييف حتى استخدام المقبل.

"jove_title"> 8. معايرة PEDOT: كاسو 4 موصل بوليمر المتقارنة في 2 و CaCl

  1. بشرط ان MAB بين عشية وضحاها في 7 مل من 0.1 M و CaCl 2 و 10 ميكرومتر نانو 3.
  2. اتبع خطوات مماثلة ل7،2-7،10. في الخطوة 8.3، تحل محل كربونات محلول الاختبار مع تركيز أولي من 0.01 مم CaCl 2. كرر لتركيزات محلول الاختبار من 0.05، 0.1، 0.5، 1 و 10 ملم.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وتظهر PSS وذروته الكاثودية المناظرة الحالية (ط ف) مقابل معدل المسح (V 1/2) في أرقام 5A و 5B على التوالي: مثال على voltammogram دوري (CV) نتيجة PEDOT. PEDOT: كاسو 4 على مختلف معدلات المسح الضوئي والذروة الحالية الكاثودية لا تظهر. تم العثور على كاسو 4 بدون غشاء ايون انتقائية لتكون 4.4 × 10 -11 سم 2 و 5.8 × 10 -11 سم 2، على التوالي: استخدام Randl...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وMAB بيوشيب يتكون من ASSISEs التي يتم بناؤها من ISM على قمة CP طبقة تنبيغ المكورات المستندة إلى PEDOT على القطب حزب العمال، فإن الجمع بين الذي transduces تركيز الأيونية من الفائدة إلى إشارة كهربائية يمكن قياسها. ويعرف إمكانات القطب مستقرة من قبل كل طبقة وطبقة CP ISM. كل من طبقات أيضا تحديد مدة العمل من MAB ونوعية (الضوضاء، والانحراف) للإشارة الكهربائية المقاسة.

PEDOT هو جاذبية خاصة كطبقة بسبب تنبيغ إلى كل خصائصه ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدينا شيء في الكشف عنها.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ونود أن نشكر ناسا البيولوجيا الفلكية العلوم وتنمية الصك التكنولوجيا (ASTID) برنامج لدعم التمويل (أرقام المنح و103498 103692)، غيل لوكوود من مركز Birck Nantechnology في جامعة بوردو لwirebonding من الأجهزة MAB، وجون هيونغ بارك لل CAD الرسم للغرفة تدفق خلية.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفينسيجما ألدريتش483028
بولي (الصوديوم 4-ستايرينسولفونات)سيجما ألدريتش243051
EC إبسيلون جلفانوستات / بوتينتيوستاتأنظمة التحليل الحيوي Inc.e2P
المشبع Ag / AgCl القطب المرجعيأنظمة التحليل الحيوي Inc.MF-2052
Pt شاشAlfa Aesar10283
فيريسيانيد البوتاسيومSigma-AldrichP-8131
نترات البوتاسيومJT Baker3190-01
بيكربونات الصوديومMallinckrodt / Macron7412-12
كربونات الصوديومSigma-AldrichS-7127
كلوريد الكالسيومجي تي بيكر1311-01
كلوريد البوتاسيومسيجما ألدريتشP9541
كبريتات الكالسيومسيجما ألدريتش237132
C3 حامل الخلاياأنظمة التحليل الحيويحامل
مخصص ، بإذن من ناسا Amesالجدول 2.
شركة رقاقة خلية التدفق EF-1085 Flow-cell الكهربائية Custom ، بإذن من ناسا أميس كواشف ومعدات محددة.< / قوي>

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Migdalski, J., Bas, B., Blaz, T., Golimowski, J., Lewenstam, A. A Miniaturized and Integrated Galvanic Cell for the Potentiometric Measurement of Ions in Biological Liquids. J. Solid State Electrochem. 13, 149-155 (2009).
  2. Designing a Water-quality Monitor with Ion-selective-electrodes. Buehler, M. G., Kounaves, S. P., Martin, D. P. Proceedings of the IEEE Aerospace Conference, 1, 331-338 (2001).
  3. Adamchuk, V. I., Lund, E. D., Sethuramasamyraja, B., Morgan, M. T., Doberman, A., Marx, D. B. Direct Measurement of Soil Chemical Properties on-the-go using Ion-selective-electrodes. Journal Computers and Electronics in Agriculture. 48 (3), 272-294 (2005).
  4. Oelβner, W., Hermann, S., Kaden, H. Electrochemical Sensors and Sensor Module for Studying Biological Systems in Space Vehicles. Aerospace Science and Technology. 1, 291-296 (1997).
  5. Bobacka, J. Conducting Polymer-based Solid-state Ion-selective Electrodes. Electroanalysis. 18 (1), 7-18 (2006).
  6. Buck, R. Ion Selective Electrodes in Analytical Chemistry. , Plenum Press. New York. (1980).
  7. Nam, H., Cha, G. S. Chapter 18. Biosensors and their Applications. Yang, V. C., Ngo, T. T. , Kluwer Academic/Plenum Publishers. N.Y. (2000).
  8. Anatova-Ivanova, S., Mattinen, U., Radu, A., Bobacka, J., Lewenstem, A., Migdalski, J., Danielewski, M., Diamond, D. Development of Miniature All-solid-state Potentiometric Sensing System. Sensors and Actuators B. 146, 199-205 (2010).
  9. Michalska, A., Galuszkiewicz, A., Ogonowska, M., Ocypa, M., Maksymiuk, K. PEDOT Films: Multifunctional Membranes for Electrochemical Ion sensing. J. Solid State Electrochem. 8, 381-389 (2004).
  10. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. ed, 2nd , 2nd ed, Wiley. New York. (2000).
  11. Claussen, J. C., Artiles, M. S., McLamore, E. S., Mohanty, S., Shi, J., Rickus, J., Fisher, T. S., Porterfield, D. M. Electrochemical Glutamate Biosensing with Naanocube and Nanosphere Augmented Single-walled Carbon Nanotube Networks: A Comparative Study. J. Mater. Chem. 21, 11224-11231 (2011).
  12. Bobacka, J. Potential Stability of All-solid-state Ion-selective Electrodes using Conducting Polymers as Ion-to-electron Transducers. Anal. Chem. 71, 4932-4937 (1999).
  13. Lee, J. H., Yoon, I. J., Yoo, C. L., Pyun, H. J., Cha, G. S., Nam, H. Potentiometric Evaluation of Solvent Polymeric Carbonate-selective Membranes based on Molecular Tweezer-type Neutral Carriers. Anal. Chem. 72, 4694-4699 (2000).
  14. Song, F., Ha, J., Park, B., Kwak, T. H., Kim, I. T., Nam, H., Cha, G. S. All-solid-state Carbonate Selective Electrode based on a Molecular Tweezer-type Neutral Carrier with Solvent-soluble Conducting Polymer Solid Contact. Talanta. 57, 263-270 (2002).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

All solid state Ion selective ElectrodesMulti analyte BiochipIon selective MembranePEDOT Transducer LayerCyclic VoltammetrySpin coatingMicrofluidic Flow cellPhysiological ResearchChlorella vulgarisIon Activity Monitoring

Related Articles