אלקטרודות יון סלקטיבית כל מצב מוצק (ASSISEs) הבנויות ממתמר פולימר מוליך (CP) לספק כמה חודשים של חיים תפקודי בתקשורת נוזלית. כאן, אנו מתארים את תהליך הייצור וכיול של ASSISEs בפורמט מעבדה על שבב. ASSISE הוא הוכיח ששמר על פרופיל מדרון קרוב Nernstian לאחר אחסון ממושך בתקשורת הביולוגית מורכבת.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
Biochip Multi-אנליטי (MAB) על בסיס אלקטרודות יון-All-סלקטיבית של מצב מוצק (ASSISE) למחקר הפיזיולוגי
במאמר זה
סיכום
תקציר
יישומי מעבדה על שבב (LOC) במחקר סביבתי, ביו-רפואי, חקלאי, ביולוגי וטיסות חלל דורשים אלקטרודה סלקטיבית-יונים (ISE) שיכולה לעמוד באחסון ממושך במדיה ביולוגית מורכבת 1-4. אלקטרודה סלקטיבית יונים במצב מוצק (ASSISE) אטרקטיבית במיוחד עבור היישומים שהוזכרו לעיל. האלקטרודה צריכה להיות בעלת המאפיינים החיוביים הבאים: בנייה קלה, תחזוקה נמוכה ו(פוטנציאל למזעור), המאפשרים עיבוד אצווה. נבנה ASSISE מיקרו-מפוברק המיועד לכימות יונים H+, Ca2+ ו-CO32-. הוא מורכב משכבת אלקטרודה ממתכת אצילה (כלומר Pt), שכבת התמרה ושכבת ממברנה סלקטיבית יונים (ISM). שכבת ההתמרה מתפקדת כדי להמיר את הפוטנציאל הכימי התלוי בריכוז של הממברנה הסלקטיבית ליונים לאות חשמלי מדיד.
נמצא כי אורך החיים של ASSISE תלוי בשמירה על הפוטנציאל בממשק השכבה המוליכה/ממברנה 5-7. כדי להאריך את חיי העבודה של ASSISE ובכך לשמור על פוטנציאלים יציבים בשכבות הפנים, השתמשנו בפולימר המוליך (CP) poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 7-9 במקום כסף/כסף כלוריד (Ag/AgCl) כשכבת המתמר. בנינו את ה-ASSISE בפורמט מעבדה-על-שבב, שקראנו לו ביו-שבב רב-אנליטי (MAB) (איור 1).
כיולים בתמיסות בדיקה הראו כי ה-MAB יכול לנטר את ה-pH (טווח תפעולי pH 4-9), CO32- (טווח נמדד 0.01 מ"מ - 1 מ"מ), ו-Ca2+ (טווח לוג-ליניארי 0.01 מ"מ עד 1 מ"מ). ה-MAB ל-pH מספק תגובת שיפוע כמעט נרנסטית לאחר כמעט חודש אחסון במדיום אצות. השבבים הביולוגיים הקרבונטיים מראים פרופיל פוטנציומטרי הדומה לזה של אלקטרודה סלקטיבית קונבנציונלית. מדידות פיזיולוגיות שימשו לניטור הפעילות הביולוגית של מערכת המודל, המיקרו-אצה Chlorella vulgaris.
ה-MAB מעביר יתרון בגודל, רב-תכליתיות ויכולת חישת אנליטים מרובבים, מה שהופך אותו לישים למצבי ניטור מוגבלים רבים, על כדור הארץ או בחלל.
תכנון שבבים ושיטות ניסוי
השבב הביולוגי הוא בגודל 10 x 11 מ"מ ויש לו 9 ASSISEs המיועדים כאלקטרודות עבודה (WEs) ו-5 אלקטרודות ייחוס Ag/AgCl (RE). כל אלקטרודה עובדת (WE) היא בקוטר 240 מיקרומטר והיא מרווחת באופן שווה ב-1.4 מ"מ מה-REs, שקוטרם 480 מיקרומטר. אלקטרודות אלו מחוברות לרפידות מגע חשמליות במימד של 0.5 מ"מ x 0.5 מ"מ. הסכימה מוצגת באיור 2.
וולטמטריה מחזורית (CV) ושיטות שיקוע גלוונוסטטיות משמשות לאלקטרופולימריזציה של סרטי PEDOT באמצעות מעמד תאים C3 Bioanalytical Systems Inc. (BASI) (איור 3). יון הנגד לסרט PEDOT מותאם כך שיתאים לניתוח העניין. יון נגד PEDOT עם פולי (סטירנסולפונט) (PEDOT/PSS) משמש עבור H+ ו-CO 3 2-, בעוד שאחד עם סולפט (נוסף לתמיסה כ-CaSO4) משמש עבור Ca2+. התכונות האלקטרוכימיות של ה-WE המצופה PEDOT מנותחות באמצעות CVs בתמיסה פעילה בחמצון חיזור (כלומר 2 מ"מ אשלגן פריציאניד (K3Fe(CN)6)). בהתבסס על פרופיל קורות החיים, נעשה שימוש בניתוח רנדלס-סבצ'יק כדי לקבוע את שטח הפנים האפקטיבי 10. ציפוי ספין ב-1,500 סל"ד משמש ליציקת ממברנות סלקטיביות יונים (ISMs) בעובי ~2 מיקרומטר על אלקטרודות העבודה של MAB (WEs).
ה-MAB כלול בתא תאי זרימה מיקרופלואידי מלא בנפח של 150 מיקרוליטר של מדיום אצות; רפידות המגע מחוברות חשמלית למערכת BASI (איור 4). הפעילות הפוטוסינתטית של Chlorella vulgaris מנוטרת בתנאי אור וחושך סביבתיים.
פרוטוקול
1. הכנה של פולי (3,4-ethylenedioxythiophene): פוליפוני (נתרן 4-styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) פתרון Electropolymerization עבור H + ו-CO 2 3 - יונים
- הוסף 70 מ"ג פולי (נתרן 4-styrenesulfonate) (Na + PSS -) למים 10 מיליליטר deionized (DI) ומערבולת עד התפזר לחלוטין (כ -10 שניות).
- הוסף 10.7 μl 3,4-ethlyenedioxythiophene (EDOT) לפתרון ב1.1 ומערבולת עד פתרון הוא מעורב לחלוטין.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
דוגמה לתוצאת voltammogram מחזורית (קורות חיים) של PEDOT: PSS ושיאו המקביל קתודית הנוכחי (i P) לעומת שיעור הסריקה (v 1/2) מוצגת באיורים 5 א ו5b בהתאמה. PEDOT: Caso 4 בקצב סריקה שונים והשיא הנוכחי קתודית שלה לא מוצג. שימוש Randles-10 סבצ'יק ניתוח, את פני השטח באזורים היעילים של קשר PEDOT המוצק: PSS וPEDOT: Caso 4 ללא קרום יון סלקטיבית נמצאו 4.4 x 10 -11 ס"מ 2
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
MAB biochip מורכב מASSISEs שבנויים מISM גבי שכבת התמרה המצומד CP מבוססת PEDOT על האלקטרודה Pt, שילוב של אשר transduces הריכוז היוני של עניין לאות חשמלי למדידה. פוטנציאל האלקטרודה יציב מוגדר על ידי שתי שכבת המחסום ושכבת ISM. שתי השכבות גם לקבוע את חיי העבודה של MAB והאיכות (רעש, סחיפה) של האות החשמלי הנמדד.
PEDOT הוא אטרקטיבי במיוחד בשל שכבת התמרה לשני הנכסים היוניים ואלקטרוניים שלה (כאשר בטופס חמצון שלה). יש PEDO.......
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
יש לנו מה למסור.
תודות
ברצוננו להודות לתכנית נאס"א אסטרוביולוגיה פיתוח מכשיר מדע וטכנולוגיה (ASTID) לתמיכה במימון (מספרי מענק 103,498 ו103,692), גייל וקווד של מרכז Birck Nantechnology באוניברסיטת פרדו לwirebonding של מכשירי MAB, ופרק Joon Hyeong עבור ציור CAD של תא זרימת התאים.
....הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 3,4-אתילנדיוקסיתיופן | סיגמא-אולדריץ' | 483028 | |
| פולי (נתרן 4-סטירנסולפונט) | סיגמא-אולדריץ' | 243051 | |
| EC אפסילון גלוונוסטט/פוטנציוסטט | מערכות ביואנליטיות בע"מ | e2P | |
| אלקטרודת ייחוס רוויה Ag/AgCl | מערכות ביואנליטיות בע"מ | MF-2052 | |
| Pt גזה | אלפא Aesar | 10283 | |
| אשלגן פריציאניד | סיגמא-אולדריץ' | P-8131 | |
| אשלגן חנקתי | J.T. Baker | 3190-01 | |
| נתרן ביקרבונט | מלינקרודט / מקרון | 7412-12 | |
| נתרן פחמתי | סיגמא-אולדריץ' | S-7127 | |
| סידן כלורי | J.T. Baker | 1311-01 | |
| אשלגן כלורי | Sigma-Aldrich | P9541 | |
| סידן גופרתי | Sigma-Aldrich | 237132 | |
| מעמד תאים C3 | Bioanalytical Systems Inc. | EF-1085 | |
| שבב תאי זרימה | Custom, באדיבות NASA | ||
| Flow-cell | Electric fixture Custom, באדיבות NASA Ames | ||
| טבלה 2. ריאגנטים וציוד ספציפיים. |
מקורות
- Migdalski, J., Bas, B., Blaz, T., Golimowski, J., Lewenstam, A. A Miniaturized and Integrated Galvanic Cell for the Potentiometric Measurement of Ions in Biological Liquids. J. Solid State Electrochem. 13, 149-155 (2009).
- Designing a Water-quality Monitor with Ion-selective-electrodes. Buehler, M. G., Kounaves, S. P., Martin, D. P. Proceedings of the IEEE Aerospace Conference, 1, 331-....
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדפסות חוזרות והרשאות
