本文描述了一种新型离子浓度极化（ICP）平台的实验方案，该平台能够在任意操作条件下阻止ICP区域的扩散。该平台的独特能力源于同时利用了离子耗尽和富集这两个ICP现象的相反极性过程。
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本文内容
摘要
摘要
离子浓度极化（ICP）现象是富集低丰度生物样本的最主要方法之一。ICP可诱导形成一个对带电生物分子无损的区域即， 离子耗尽区），目标物可在此区域边界处预先浓缩。尽管基于离子耗尽效应（ICP）的方法具有优异的预浓缩性能，但难以实现非传播性离子耗尽区的稳定操作条件。为克服这一狭窄的操作窗口，我们近期开发了一种新型时空固定预浓缩平台。与以往仅利用离子耗尽效应的方法不同，该平台同时利用了ICP的相反极性（即， 离子富集）以阻止离子耗尽区的扩展。通过使富集区与耗尽区相对，两个区域合并并停止移动。本文详细描述了一种构建这种时空可控离子浓差极化（ICP）平台的实验方案，并通过与传统装置的对比，表征了新平台的预浓缩动力学行为。定性的离子浓度分布和电流-时间响应成功捕捉到了合并型ICP与独立型ICP之间的不同动力学特征。与传统装置仅能在约5 V时固定预浓缩位置不同，新平台可在较宽的操作条件范围内（电压：0.5–100 V，离子强度：1–100 mM，pH：3.7–10.3）在特定位置形成目标浓缩区。
引言
离子浓度极化（ICP）是指在选择性渗透膜上发生离子富集和离子耗尽时产生的一种现象，导致因离子浓度梯度而出现额外的电势降1,2。该浓度梯度呈线性，随着施加电压的升高而变得更加陡峭（欧姆区），直至膜表面的离子浓度趋近于零（极限区）。在此扩散受限条件下，已知该梯度（及相应的离子通量）达到最大值/饱和状态1。超越这一传统认知，当电压（或电流）进一步升高时，会出现超极限电流，表现为平坦的耗尽区以及在区域边界处非常陡峭的浓度梯度1,3。该平坦区域的离子浓度极低，但表面电导、电渗流（EOF）和/或电渗不稳定性促进了离子通量，从而诱导产生超极限电流3,4,5。有趣的是，这种平坦的耗尽区可作为静电屏障，能够过滤6,7,8,9 和/或....
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方案
1. 阳离子交换膜集成微流控芯片的制备
- 硅胶母版的制备
- 设计两种硅胶母版：一种用于阳离子交换树脂的图案化，另一种用于聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道的构建。
注意：具体几何结构将在步骤 1.3.1 和 1.4.1 中详细描述。 - 采用常规光刻或深反应离子刻蚀技术制备硅胶母版27。
- 在真空罐中使用三氯硅烷（约 30 μL）对微图案化硅胶母版进行硅烷化处理，持续 30 分钟。
注意：三氯硅烷为自燃性液体，易燃，且具有急性毒性（吸入、口服）。
- 设计两种硅胶母版：一种用于阳离子交换树脂的图案化，另一种用于聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道的构建。
- PDMS 模具的制备
- 按 10:1 的比例混合硅弹性体基础液与固化剂，并将混合液（复制 4 英寸硅片上的微结构需 30–40 mL 未固化 PDMS）置于真空罐中 30 分钟以去除气泡。
注意：硅胶基础液包含末端为乙烯基的硅氧烷低聚物及铂基催化剂；固化剂包含具有三个硅氢键的交联低聚物28。 - 将未固化的 PDMS 倒入硅胶母版上，用吹风机去除气泡，随后在对流烘箱中 80 °C 下固化 2 小时。
- 将固化的 PDMS 从硅胶母版上剥离，并用刀具将其修整成合适....
- 按 10:1 的比例混合硅弹性体基础液与固化剂，并将混合液（复制 4 英寸硅片上的微结构需 30–40 mL 未固化 PDMS）置于真空罐中 30 分钟以去除气泡。
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结果
膜集成微流控预浓缩器的示意图制作步骤如图1所示。制作过程的详细描述见实验方案部分。时空定义预浓缩器26的设计与装置图像与传统预浓缩器11进行了对比（图2）。对时空定义预浓缩器中的离子浓度极化（ICP）现象，通过电流-电压-时间响应和荧光强度分布进行了研究（图3-4）。与单膜预浓缩器中的ICP现象类似3,11，在电流-电压曲线中观察到三种不同的区域（欧姆区、极限区和超极限区）：0.5–1 V（欧姆区和极限区）和5 V（超极限区）。然而，在电流-时间曲线中检测到一种非常规的电流恢复现象，这是由于离子富集区与离子耗尽区发生合并所致。接下来，使用时空定义预浓缩器（图5）和传统的单膜装置（图6）在不同时间.......
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讨论
我们描述了一种时空定义预浓缩器的制备方法及其在施加电压（0.5–100 V）、离子强度（1–100 mM）和pH值（3.7–10.3）范围内的性能表现，可在10分钟内实现染料和蛋白质高达10,000倍的预浓缩。与此前的ICP装置类似，预浓缩性能随电压升高而提升，并在较低离子强度下表现更优。另一个需要考虑的参数是两个阳离子交换膜之间的距离。若增大膜间距离，在相同施加电压下电场强度会降低，从而导致预浓缩速度下降26。
本研究中采用的微流控图案化技术29是一种用于图案化阳离子交换树脂的可靠方法，因此已成为将离子交换材料集成到微流控系统中的标准方法之一。然而，有必要制备两个相邻的阳离子交换膜，并使其膜间距离较短（小于数百微米）。在步骤1.3.3–1.3.4中，阳离子交换树脂处于液相状态，因此两个微通道中的树脂可能发生塌陷，且通道开放端残留的树脂液滴也可能在脱模过程中发生溢流（步骤1.3.4）。为了构建具有高图案保真度的两个阳离子交换膜，我们采用了黏度相对较高的树脂（溶剂中阳离子交换材料含量为20.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由韩国科学技术院内部基金（2E26180）以及由韩国国家研究基金会资助的下一代生物医学设备平台项目（NRF-2015M3A9E202888）支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Sylgard 184 硅酮弹性体试剂盒 | Dow Corning | ||
| 三氯硅烷 | Sigma Aldrich | 175552 | 剧毒 |
| Nafion 全氟树脂，20 wt% | Sigma Aldrich | 527122 | |
| 氯化钠 | Sigma Aldrich | 71394 | |
| 氯化钾 | Sigma Aldrich | 60121 | |
| Alexa Fluor 488 羧酸琥珀酰亚胺酯 | Invitrogen | A20000 | |
| 异硫氰酸盐偶联白蛋白 | Sigma Aldrich | A9771 | |
| 磷酸盐缓冲液，1x | Wengene | LB004-02 | |
| Tween 20 | Sigma Aldrich | P1379 | |
| 落射荧光显微镜 | Olympus | IX-71 | |
| 电荷耦合器件相机 | Hamamatsu Co. | ImageEM X2 | |
| 源测量单元 | Keithley Instruments | 2635A | |
| Covance-MP | Femto Science |
参考文献
- 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.
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重印与许可
