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

本实验的总体目标是通过在两个相同的离子交换膜之间限制离子浓度极化区，实现对生物试剂的预浓缩。该方法有助于解决领域内的关键问题，例如当生物分子浓度低于传感器检测限时，如何对其进行检测。该技术的主要优势在于，无论操作条件如何，我们均能在非常特定的区域内生成离子浓度极化区并实现生物试剂的预浓缩。

开始此操作时，使用常规光刻或深反应离子刻蚀技术制备聚二甲基硅氧烷微通道和阳离子选择性膜模具的硅模板。将硅模板置于真空干燥器中，并加入约 30 微升三氯硅烷。关闭干燥器，对硅模板进行硅烷化处理 30 分钟。

接下来，按10:1的质量比混合硅胶弹性体基础剂与固化剂，得到未固化的PDMS。将混合物置于真空条件下脱气30分钟。然后将脱气后的未固化PDMS倒入硅胶模具中。

使用手持吹风机去除PDMS中的气泡，然后在80摄氏度下固化PDMS模具两小时。将固化的PDMS部件从硅模板上分离。使用刀片将每个部件修整成矩形。

接下来，从阳离子选择性膜模具的边缘向预制的微通道处切割两条切口。使用直径为2毫米的活检打孔器，在每个L形通道的末端打一个孔。使用丙烯酸胶带和吹尘球清洁阳离子交换膜模具微结构表面的玻璃片。

将模具的洁净面放置在载玻片上，以可逆地密封模具与载玻片。取10 µL阳离子交换树脂置于载玻片上，使其与L形通道的末端接触。将注射器针头对准微通道孔，轻轻回抽活塞，将树脂吸入通道内。

填充树脂通道后一分钟内，小心地将模具从载玻片上剥离，注意不要触碰载玻片上已成型的树脂图案。将载玻片在95°C下加热5分钟，以蒸发树脂中的溶剂。使用剃刀刀片去除载玻片上不需要的阳离子交换树脂部分，形成L形阳离子选择性膜。

接下来，使用活检打孔器在PDMS微通道组件的预制微通道两端各打一个2.0毫米的储液孔。然后在PDMS上再打两个孔，位置对应L形膜的两端。将PDMS微通道组件和带有膜图案的基底在100瓦、50的条件下进行氧气等离子体处理40秒。将处理过的基底表面与处理过的PDMS微通道表面贴合，确保阳离子选择性膜穿过微通道，并与PDMS上的孔对齐。

根据需要施加轻柔压力，使PDMS部件与基底密封，完成装置组装。实验开始前，准备多种不同浓度和pH值的测试离子溶液。配制1摩尔的氯化钾或氯化钠缓冲溶液。

向每种测试溶液中加入少量带负电荷的荧光染料，确保染料浓度足够低，其对溶液电流传导的贡献可忽略不计。将第一种测试溶液加入微通道的一个储液池中。通过对微通道的另一个储液池施加轻微的负压，将溶液吸入微通道内。

在两个微通道储液池上放置一大滴测试溶液，以消除通道内的任何压力梯度。然后用选定的缓冲液填充阳离子选择性膜储液池，以补偿ICP效应。将ICP芯片装载到配备电荷耦合器件相机的倒置落射荧光显微镜上。

将阳极连接到左侧膜储液池，将阴极连接到右侧膜储液池。将电极连接至源测量单元。使用源测量单元对装置施加电压并测量电流响应。

在施加电压期间获取芯片的荧光图像。实验结束后，使用适当的成像软件分析荧光强度。通过该方法，制备了一种微流控预浓缩器，并研究了不同测试溶液对应的荧光强度曲线中的电流-电压-时间响应。

与传统的单膜预浓缩器类似，观察到了三种不同的电压区域。在欧姆区域和极限区域期间，阳离子选择性膜上形成了线性浓度梯度，并在约一秒钟后合并。与单膜预浓缩器不同的是，在超极限区域，ICP 区域在不到一秒钟内即发生合并，且通过荧光成像可观测到耗尽激波现象。

相应的电导率下降反映在电流-时间响应中。随后，电流时间曲线恢复。该现象在超限 regime 下的多个电压条件下均被观察到。

当前的电流恢复归因于ICP区域在隔离预富集塞的阳离子选择性膜之间通过连通输运实现的贡献。在传统的ICP预富集装置中未观察到这种电流恢复现象，因为在施加电压过程中，耗尽区和预富集塞会沿微通道自由传播。尽管离子强度、酸性和碱性的增加降低了时空定义预富集装置中预富集塞的相对强度，但这些塞仍被有效限制在特定区域。

进一步的测试表明，在较窄的通道中使用较宽的阳离子交换膜，可在这些不利条件下促进离子浓缩极化预浓缩。一旦掌握，若操作得当，该技术可在30分钟内完成。该技术开发完成后，为电动力学领域的研究人员探索微流控系统中的应用开辟了道路。

观看本视频后，您应能充分理解如何在微流控系统之间集成离子交换材料，以及如何利用该平台对生物试剂进行预浓缩。