Zusammenführen von Ionenkonzentration Polarisierung zwischen Juxtaposed Ionenaustauschermembranen zu blockieren die Ausbreitung der Polarisations Zone

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist die Vorkonzentration von Bioagenten, indem die Polarisationszone der Ionenkonzentration zwischen zwei identischen Ionenaustauschmembranen eingeschlossen wird. Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Fragen in diesem Bereich zu beantworten, z. B. wie Biomoleküle mit geringer Abundanz nachgewiesen werden können, wenn ihre Konzentration unter der Nachweisgrenze des Sensors liegt. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir unabhängig von den Betriebsbedingungen eine ICP-Zone und ein vorkonzentriertes Biomittel in einer sehr spezifischen Kollision erzeugen können.

Um dieses Verfahren zu beginnen, verwenden Sie die konventionelle Photolithographie oder das tiefe reaktive Ionenätzen, um Siliziummaster für die Polydimethylsiloxan-Mikrokanal- und kationenselektiven Membranformen herzustellen. Legen Sie die Siliziummaster in einen Vakuumexsikkator mit etwa 30 Mikrolitern Trichlorsilan. Schließen Sie den Exsikkator und versalzen Sie die Silikonmaster für 30 Minuten.

Mischen Sie als Nächstes eine Silikonelastomerbasis und ein Härter in einem Verhältnis von 10 zu eins nach Gewicht, um ungehärtetes PDMS zu erhalten. Entgasen Sie das Gemisch 30 Minuten lang unter Vakuum. Gießen Sie dann das entgaste, nicht ausgehärtete PDMS auf die Siliziummaster.

Entfernen Sie Blasen aus dem PDMS mit einem Handgebläse und härten Sie die PDMS-Formen dann zwei Stunden lang bei 80 Grad Celsius aus. Trennen Sie die ausgehärteten PDMS-Komponenten von den Siliziummastern. Forme jede Komponente mit einem Messer zu einem Rechteck.

Schneiden Sie anschließend zwei Linien in der kationenselektiven Membranform vom Werkzeugrand bis zu den vorgefertigten Mikrokanälen. Verwenden Sie einen zwei Millimeter langen Biopsiestanzer, um ein Loch am Ende jedes L-förmigen Kanals zu stanzen. Reinigen Sie einen Objektträger in der Mikromaschinenoberfläche der Kationenaustauschmembranform mit Acrylklebeband und einem Gebläse.

Legen Sie die saubere Oberfläche der Form auf den Glasschieber, um die Form reversibel mit dem Objektträger abzudichten. Geben Sie 10 Mikroliter Kationenaustauscherharz auf den Objektträger, der mit den Enden der L-förmigen Kanäle in Kontakt kommt. Platzieren Sie die Spitze einer Spritze über den Mikrokanallöchern und ziehen Sie den Kolben vorsichtig zurück, um das Harz in die Kanäle zu ziehen.

Innerhalb einer Minute nach dem Befüllen der Harzkanäle lösen Sie die Form vorsichtig, ohne das gemusterte Harz auf dem Objektträger zu berühren. Erhitzen Sie den Objektträger fünf Minuten lang auf 95 Grad Celsius, um das Lösungsmittel aus dem Harz zu verdampfen. Verwenden Sie eine Rasierklinge, um nicht benötigte Abschnitte des Kationenaustauscherharzes von der Objektträgerin zu entfernen, um L-förmige kationenselektive Membranen zu bilden.

Als nächstes stanzen Sie mit der Biopsie-Stanze ein 2,0-Millimeter-Reservoir an jedem Ende des vorgefertigten Mikrokanals in der PDMS-Mikrokanal-Komponente. Stanzen Sie dann zwei weitere Löcher in das PDMS, die den Enden der L-förmigen Membranen entsprechen. Behandeln Sie die PDMS-Mikrokanalkomponente und das membranstrukturierte Substrat 40 Sekunden lang mit Sauerstoffplasma bei 100 Watt und 50 Watt. Platzieren Sie die behandelte Fläche des Substrats auf der behandelten Fläche des PDMS-Mikrokanals und stellen Sie sicher, dass die kationenselektiven Membranen den Mikrokanal kreuzen und mit den Löchern im PDMS ausgekleidet sind.

Üben Sie bei Bedarf sanften Druck aus, um die PDMS-Komponente mit dem Substrat abzudichten und die Gerätemontage abzuschließen. Um das Experiment zu beginnen, besorgen Sie sich mehrere ionische Testlösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen und pH-Werten. Bereiten Sie eine Pufferlösung aus einem molaren Kaliumchlorid oder Natriumchlorid vor.

Geben Sie eine kleine Menge negativ geladenen Fluoreszenzfarbstoffs zu jeder Testlösung und stellen Sie sicher, dass die Farbstoffkonzentration niedrig genug ist, dass ihr Beitrag zu einer elektrischen Stromlösung vernachlässigbar ist. Laden Sie die erste Testlösung in ein Reservoir des Mikrokanals. Ziehen Sie die Lösung in den Mikrokanal, indem Sie sanften Unterdruck auf das andere Mikrokanalreservoir ausüben.

Platzieren Sie ein großes Tröpfchen der Testlösung über beide Mikrokanal-Reservoirs, um jeglichen Druckgradienten im Kanal zu eliminieren. Füllen Sie dann die kationenselektiven Membranreservoire mit der gewählten Pufferlösung, um den ICP-Effekt zu kompensieren. Laden Sie den ICP-Chip auf ein inverses Epifluoreszenzmikroskop, das mit einer ladungsgekoppelten Gerätekamera ausgestattet ist.

Verbinden Sie eine Anode mit dem linken Membranreservoir und eine Kathode mit dem rechten Membranreservoir. Schließen Sie die Elektroden an eine Quellenmesseinheit an. Verwenden Sie die Quellenmesseinheit, um eine Spannung an das Gerät anzulegen und die Stromantwort zu messen.

Erfassen Sie Fluoreszenzbilder des Chips während der Spannungsanwendung. Analysieren Sie nach dem Experiment die Fluoreszenzintensität mit der entsprechenden Bildgebungssoftware. Mit Hilfe dieser Methode wurde ein mikrofluidischer Vorkonzentrator hergestellt und die Stromspannungs-Zeit-Reaktionen in Fluoreszenzintensitätsprofilen, die verschiedenen Testlösungen entsprechen, untersucht.

Wie bei herkömmlichen Einzelmembran-Vorkonzentratoren wurden drei verschiedene Spannungsregime beobachtet. Während des ohmschen und des limitierenden Regimes entwickelte sich der lineare Konzentrationsgradient an den kationenselektiven Membranen und verschmolz nach etwa einer Sekunde. Im Gegensatz zu Einzelmembran-Präkonzentratoren verschmolzen die ICP-Zonen im Überlimitierungsbereich in weniger als einer Sekunde mit einem Depletionsschock, der durch Fluoreszenzbildgebung beobachtet werden konnte.

Der entsprechende Abfall der Leitfähigkeit spiegelte sich in der aktuellen Zeitantwort wider. Die aktuelle Uhrzeit wurde dann wiederhergestellt. Dies wurde bei mehreren Spannungen im Übergrenzbereich beobachtet.

Die Stromrückgewinnung wurde auf den konnektiven Transport durch ICP-Zonen zurückgeführt, die zwischen den kationenselektiven Membranen kombiniert sind, die die Vorkonzentrationsstopfen während der gesamten Spannungsanwendung isolieren. Diese Stromerholung wurde bei herkömmlichen ICP-Vorkonzentratoren nicht beobachtet, da sich die Verarmungszone und der Vorkonzentrationstopfen frei entlang des Mikrokanals ausbreiten. Während die erhöhte Ionenstärke, der Säuregehalt und die Basizität die relative Intensität der Vorkonzentrationspfropfen im raumzeitlich definierten Präkonzentrator verringerten, waren die Pfropfen immer noch eingeschlossen.

Zusätzliche Tests, die sich der Vorkonzentration näherten, zeigten, dass breitere Kationenaustauschmembranen in einem engeren Kanal die ICP-Vorkonzentration unter diesen ungünstigen Bedingungen erleichtern können. Einmal gemeistert, kann diese Technik in 30 Minuten durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Elektrokinetik, um Anwendungen in mikrofluidischen Systemen zu erforschen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Ionenaustauschmaterialien zwischen mikrofluidischen Systemen integriert werden können und wie Sie diese Plattform zur Vorkonzentration von Bioagenten verwenden können.