多分析物生物芯片（MAB），基于全固态离子选择性电极（ASSISE）的生理研究
April 18th, 2013
全固态离子选择性电极（ASSISEs）的建造由导电聚合物（CP）传感器提供几个月的功能寿命在液体介质中。在这里，我们描述了在实验室上的一个芯片格式ASSISEs的制造和校准过程。证明ASSISE长时间储存后，在复杂的生物媒体一直保持着近能斯特斜率曲线。
该程序的总体目标是将用于阳离子和离子检测的全固态离子选择性电极功能化 First electro polymerify。MAB 旋涂工作电极上的导电聚合物换能器层、离子选择性膜层，并在生物芯片上过夜活化离子选择性膜。现在在流通池腔室中，将接触垫连接到 BASSI 三电极电位统计将测量溶液推入腔室。
去除不需要的气泡，最终可以将 MAB 芯片校准为目标离子，并实时记录 MAB 的输出信号。与传统的微电极和无线电标记探针技术不同，所有固态离子选择性电极都是非侵入性的，它们可以被多路复用以实时测量离子活性并模拟生物和生理系统。我们最初是在参与天体生物学研究时萌生了执行这种方法的想法，该研究需要有限的空间来进行生理测量。
June Hume Park 是波旁叶生理传感设施的研究生，他将协助我进行演示以形成用于电聚合的电化学电池。使用 Bassi C3 电池支架和 EC ε 电位 stat galvan stat。将电聚合溶液放入电化学池中，然后用氮气泡 20 分钟以去除溶解氧。
现在将铂纱布对电极夹在对电极位置的电化学电池上。然后将 MAB 夹在电化学池的工作电极位置或中心位置，使工作电极面向铂纱布，调整 MAB 深度，使只有圆形电极浸没在电聚合溶液中。避免溶液接触方形电接触垫。
接下来，将 bassi 饱和电极置于电化学池的参比电极位置。确保参比电极不接触工作电极和对电极。然后使用 EC ε 电位 Stat gal Vanos stat 以每秒 20 毫伏的扫描速率在正负 100 微安培刻度上运行从 0 到 1.1 伏的单个循环克。
对于钙传感，在 MAB 气泡、e. 加硫酸钙溶液上进行 PDO 硫酸钙沉积 20 分钟。为了表征 pdot 表面，请使用基于 pdot 的聚合物偶联物的循环遥测。
在两个毫摩尔的氰化钾中，以负 653 毫伏到 853 毫伏的单循环克级，在正负 10 微米刻度上以不同的扫描速率运行真空旋转卡盘上的多分析物生物芯片，将 100 微升膜沉积在 MAB 的中心并运行测量。接下来，以 1， 500 RPM 的速度旋涂离子选择性膜 30 秒。以 5 秒的升温和速度，对旋涂的 MAB 进行真空 30 分钟。然后将薯片在 70 摄氏度的烤箱中烘烤 20 分钟。
在 10 微摩尔碳酸氢钠和 5 毫摩尔氯化钾的藻类培养基中放置 MAB 过夜。现在将 MAB 插入微流体流通池芯片支架中。注入 5 毫升具有适当初始 pH 值或浓度的测试溶液。
去除流通池芯片支架上的所有气泡，并将流通池芯片支架放在流通池电气夹具上。接下来，打开 EC epsilon 软件并进入开路电位模式。将时间设置为 300 分钟，将电压刻度设置为正负 1 伏，将截止频率设置为 10 kHz，并每两秒记录一次该值。
在继续校准过程之前，让 MAB 稳定下来。然后用测试溶液冲洗流通池，并注入下一个要校准的浓度。确保不允许气泡进入流通池。
在最后一次运行后，对校准曲线的其余样品重复测量。取出 MAB 并用氮气空气干燥。将 MAB 放回新鲜的调节溶液中，直到下一次。
用于校准 MAB 和氯化钙：用 pdot、硫酸钙导电聚合物偶联物和钙选择性膜在 0.1 摩尔氯化钙和 10 微摩尔硝酸钠中过夜。然后用初始浓度为 0.01 毫摩尔氯化钙的 pH 值或碳酸盐测试溶液代替。对其他测试溶液浓度重复此作。
这些数据显示了 pdot PSS 的循环伏特及其相应的宣泄峰值电流与扫描速率的关系。Randall 的 subic 分析确定，对于没有离子选择性膜的固体接触，有效表面积为 4.4 乘以 10 到负 11 平方厘米。作为所有固态 ISE 在实际细胞培养环境中获取测量值的能力的测试。
在 lgal 培养基中储存 20 天后，在 pH 值为 4 至 9 的 Lgal 培养基中校准 ISE。在这里，PDO PSS 在浓度范围为 0.01 毫摩尔至 1 毫摩尔的碳酸盐溶液中校准，在 pH 值为 8.5 缓冲的 lgal 生物培养基中。注意缓冲溶液的斜率降低引起的浓度变化。
碳酸盐选择性电极与 pH 值有关，电压的增加与碳酸盐种类的增加相关。由于测量是在 pH 值为 7.8 的情况下进行的，因此大多数物种都是碳酸氢盐形式的 在环境光和黑暗条件下使用生物模型小球藻进行浓度测量显示 30 毫伏的变化，仅使用藻类介质的对照显示没有响应表明功能性生物芯片。这些 MAB ISE 基于氯化钙溶液中浓度不断增加的 PPSS，二价阳离子在每十年 30 毫伏时的接近尼安斜率剖面。
钙浓度的变化将用于测量发芽蕨类植物中的钙电流水平。这种方法在生物学、农业和医学中可用于研究涉及离子传输和细胞电生理学和信号传导以及植物和动物系统的生物分子机制。
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概述
本文详细介绍了使用导电聚合物转导器制造和校准全固态离子选择性电极（ASSISEs）的过程。研究表明，ASSISEs在复杂生物介质中长期储存后仍能保持接近能斯特斜率特性，表明它们在液体环境中长期使用的潜力。
关键研究组成部分
科学领域
- 电化学
- 生物技术
- 传感器技术
背景
- 全固态离子选择性电极（ASSISEs）相较于传统电极具有优势。
- 它们由导电聚合物构造，增强了其功能性。
- 这些电极可用于生物系统中的实时测量。
- 在复杂介质中的长期储存是实际应用的关键因素。
研究目的
- 开发一种可靠的ASSISEs制造方法。
- 校准电极以实现准确的离子检测。
- 展示ASSISEs在生物环境中的长寿命和稳定性。
使用的方法
- 导电聚合物转导器层的电聚合反应。
- 离子选择性膜层的旋涂。
- 生物芯片的调节以激活离子选择性膜。
- 在流动池室中进行电极校准，并进行实时信号记录。
主要结果
- 存储后ASSISEs保持接近能斯特斜率特性。
- 成功展示了离子活度的实时测量。
- 该方法允许测量的多重化。
- 强调了ASSISEs的非侵入性性质作为一个重要优势。
结论
- ASSISEs在各种生物应用中长期使用显示出前景。
- 制造方法有效且可重复。
- 未来应用可能包括天体生物学和其他需要紧凑测量系统的领域。
常见问题
Executive Industry Relevance
The multi-analyte biochip (MAB) enables real-time, multiplexed ion sensing in complex biological media, addressing a critical need for stable, long-term monitoring in discovery-stage physiological research. Its all-solid-state design using PEDOT transducer layers supports extended storage stability, reducing assay drift and improving data reliability for target validation workflows. This capability enhances predictive confidence in early discovery by providing quantitative, reproducible ion activity readouts that inform mechanistic de-risking of ion transport pathways.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of ion flux dynamics in live biological systems to validate therapeutic targets involved in calcium, proton, or carbonate signaling.
- Operational Value: Supports hypothesis testing through real-time, non-invasive monitoring of ion activities without perturbing cellular physiology.
- Predictive Value: Provides near-Nernstian response after extended storage, increasing confidence in longitudinal data for pathway de-risking.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates stable, quantifiable potentiometric outputs for H+, Ca2+, and CO32- ions, enabling standardized screening conditions.
- Reproducibility: Demonstrates consistent calibration curves across biological media, supporting assay transferability between discovery and preclinical teams.
- Multiplexing Capacity: Integrates nine working electrodes on a single chip, allowing parallel ion profiling to accelerate lead identification efforts.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Enables physiological measurements in model systems like Chlorella vulgaris, supporting translational biomarker alignment for ion-related pathways.
- Preclinical Continuity: Maintains functional stability in algal medium for up to one month, facilitating longitudinal studies across discovery stages.
- Risk-Adjusted Advancement: Delivers reliable ion activity trends that inform go/no-go decisions based on electrophysiological readouts.
Pipeline & Workflow Integration
The MAB fits within the discovery continuum from early target validation through preclinical profiling by delivering quantitative ion activity data that supports hypothesis-driven screening and mechanistic follow-up.
- Discovery Biology: Supports functional validation of ion channels and transporters via real-time monitoring of H+, Ca2+, and CO32- fluxes in live cells.
- Screening: Enables reproducible, multiplexed ion sensing in microfluidic formats, improving throughput and data consistency in compound effect profiling.
- Analytics: Delivers potentiometric readouts with near-Nernstian slopes, allowing accurate comparison of ion activities across experimental conditions.
- Translational Research: Connects discovery-phase ion measurements to preclinical validation through stable performance in biological media.
- Enterprise Reuse: Designed for batch fabrication and conditioning, positioning the MAB as a reusable platform across multiple projects and therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in ion signaling pathways through direct, label-free measurement of physiological ion activities.
- Operational Value: Eliminates need for frequent recalibration due to extended storage stability, improving workflow efficiency.
- Strategic Value: Increases confidence in early-stage data, supporting better go/no-go decisions and reducing late-stage biological failure risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on reliable ion flux profiles in disease-relevant systems.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrochemistry and microfluidic interface design for proper electrode functionalization and signal acquisition.
- Depends on potentiostat or equivalent instrumentation capable of open-circuit potential measurement and real-time recording.
- Necessitates standardization of conditioning protocols (e.g., overnight incubation in bicarbonate/chloride media) across teams to ensure sensor reproducibility.
- Adaptation to mammalian cell systems may require optimization of ionic strength and biocompatibility of microfluidic materials.
- Practical limitation: Ion-selective membrane stability can be affected by prolonged exposure to surfactants or proteins, necessitating careful sample preparation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:25
Electropolymerization of PEDOT-based Conductive Polymer
3:20
Application of Ion-selective Membrane
3:53
Calibration of PEDOT-PSS Conductive Polymer Conjugate with pH and Carbonate (CO32-) Ion-selective Membrane
5:46
Results: Physiological Research Applications
7:42
Conclusion
