利用相邻离子交换膜间离子浓度极化的融合阻断极化区的传播

摘要

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。

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/或预富集目标物质^10,11。由于离子数量不足以屏蔽带电粒子的表面电荷（以满足电中性条件），这些粒子无法穿过该耗尽区，因而聚集在其边界处。这种非线性ICP效应是多种类型膜^{10,11,12,13,14} 和几何结构^{6,15,16,17,18,19,20,21} 中普遍存在的现象；因此，研究人员已能够利用非线性ICP开发出多种类型的过滤^6,7,8,9 和预富集^10,11 装置。

尽管具有如此高的灵活性和鲁棒性，明确非线性ICP器件的工作条件仍是一个实际挑战。ICP的非线性区域会通过阳离子交换膜快速去除阳离子，从而导致阴离子向阳极方向移动发生位移。结果，平坦的离子耗尽区迅速扩展，类似于激波传播²²。Mani 等人et al. 将这一动态过程称为脱盐（或耗尽）激波²³。为了在指定的检测位置预富集目标物质，有必要抑制离子耗尽区的扩展，例如通过施加电渗流（EOF）或与耗尽区扩展方向相反的压力驱动流²⁴。Zangle 等人et al.²² 阐明了一维模型中ICP传播的判据，该判据高度依赖于电泳迁移率¹⁷、离子强度¹⁸、pH²⁵等因素。这表明，合适的工作条件将根据样品的具体条件而相应改变。

本文介绍了新型离子浓度极化（ICP）平台的详细设计及实验方案，该平台可在时空定义明确的位置对目标物进行富集²⁶。离子富集区阻断了离子耗尽区的扩展，从而在指定位置形成一个稳定的富集区段，且该富集位置不受运行时间、施加电压、离子强度和pH值的影响。本详细视频方案旨在展示将阳离子交换膜集成到微流控装置中的最简方法，并演示新型ICP平台相较于传统平台的富集性能。

方案

1. 阳离子交换膜集成微流控芯片的制备

1. 硅胶母版的制备
   1. 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。
   2. 采用常规光刻或深反应离子刻蚀技术制备硅胶母版²⁷。
   3. 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）。
2. PDMS 模具的制备
   1. 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。
   2. 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。
   3. 将固化的 PDMS 从硅胶母版上剥离，并用刀具将其修整成合适形状（如 图 2a-b, iv 所示的方形）。
3. 阳离子交换膜的图案化
   1. 将 PDMS 模具沿垂直于两条平行微通道的方向切开一半，并使用 2.0 mm 活检打孔器在 PDMS 通道的两端打孔。
      注意：用于阳离子选择性膜图案化的 PDMS 模具具有两条平行微通道（宽度：100 µm；高度：50 µm；通道间距：100 µm；图 1a）。通过沿切割线镜像对称可想象模具的原始形状。建议采用 L 形微通道，以便打孔时不重叠。
   2. 使用胶带和吹风机清洁载玻片和 PDMS 模具，并将模具置于载玻片上，实现可逆性贴合。
   3. 根据微流体图案化技术²⁹，在步骤 1.3.1 中切开的通道开口端释放约 10 µL 阳离子交换树脂（图 1b）。将注射器针头置于打孔处并拉动活塞（图 1b 中黑色箭头所示），轻微的负压将带动阳离子交换树脂进入并填充两条通道。
      注意：建议微通道高度大于 15 µm，因为树脂黏度较高，需较高压力才能填充通道。另一方面，高度不宜超过 100 µm，否则图案化的离子选择性膜将厚于 1 µm；过厚的膜可能在膜与 PDMS 通道之间形成间隙¹³。
   4. 在不触碰已图案化树脂的情况下剥离 PDMS 模具，并将载玻片置于 95 °C 加热板上 5 分钟，以蒸发树脂中的溶剂。
      注意：图案化膜的厚度通常小于 < 1 µm。可通过沿开口端铰链式翻转模具（图 1b 中虚线与箭头所示）轻柔剥离。最佳剥离时间为树脂填充后 1 分钟内。若延迟数分钟剥离，可能获得更厚的膜，但会因毛细效应呈现凹形。
   5. 使用剃刀刀片剥离图案化膜的多余部分，形成两条分离的线状图案（图 1c）。
      注意：此处使用的阳离子交换材料含有全氟基团，因此图案与玻璃之间的结合较弱。简单的刮削方法即可轻松去除膜的多余部分。
4. 微通道与膜图案化基底的集成
   1. 在微通道两端打两个孔，并在另外两个位置打孔，以便在将 PDMS 通道与步骤 1.3 制备的膜图案化基底键合后，膜图案位于这些孔的位置。
      注意：PDMS 微通道为单通道（宽度：50–100 µm；高度：10 µm），但其与相邻通道的两端键合（图 1d）。
   2. 在 100 W 和 50 mTorr 条件下进行 40 秒的氧气等离子体处理后，立即将 PDMS 微通道与膜图案化基底键合。
      注意：将图案化膜垂直置于微通道中央。

2. ICP 富集

1. 实验准备
   1. 配制各种测试溶液，包括 1-100 mM KCl、1 mM NaCl（pH ~7）、1 mM NaCl 与 0.2 mM HCl 的混合溶液（pH ~3.7）、1 mM NaCl 与 0.2 mM NaOH 的混合溶液（pH ~10.3），以及 1× 磷酸盐缓冲液（PBS）。
   2. 向测试溶液中加入带负电荷的荧光染料（约 1.55 µM）。
      注意：所加染料的浓度应远低于盐离子浓度（< 10 µM），以确保带电染料不会对电流产生显著贡献^30,31。
   3. 将样品溶液加入通道的一侧储液池中，并对另一侧储液池施加负压，使溶液充满整个通道。通过释放一个较大的液滴，将两个储液池水力连通，以消除通道内的压力梯度（图 2a）。
   4. 使用注射器或移液器，向连接阳离子交换图案的两个储液池中加入缓冲溶液（1 M KCl 或 1 M NaCl），以补偿储液池中的离子浓度极化（ICP）效应。
   5. 将导线置于两个储液池中，跨过两个图案化膜（左侧储液池接阳极，右侧储液池接阴极），并连接至源测量单元（图 2a）。
2. ICP 现象及 ICP 预富集的可视化
   1. 将 ICP 装置置于倒置落射荧光显微镜上。施加电压（0.5–100 V），并使用源测量单元记录电流响应。
   2. 使用电荷耦合器件（CCD）相机采集荧光图像，并利用图像分析软件对荧光强度进行分析³²。

结果

膜集成微流控预浓缩器的示意图制备步骤如图1所示。详细的制备过程在实验方案部分进行了描述。时空定义预浓缩器²⁶的设计与器件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差极化（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：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，分别使用时空定义预浓缩器（图5）和传统的单膜器件（图6）在不同时间和电压条件下测试了...

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...

材料

本文使用的材料清单

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