Method Article

Biochip Multi-אנליטי (MAB) על בסיס אלקטרודות יון-All-סלקטיבית של מצב מוצק (ASSISE) למחקר הפיזיולוגי

DOI:

10.3791/50020

⸱

April 18th, 2013

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Agricultural and Biological Engineering, Birck-Bindley Physiological Sensing Facility, Purdue University, 2NASA Ames Research Center, 3Department of Chemistry, Pennsylvania State University Hazleton, 4Cooley LLP, 5NASA Life and Physical Sciences, Human Exploration and Operations Mission Directorate, NASA Headquarters

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הכנה של פולי (3,4-ethylenedioxythiophene): פוליפוני (נתרן 4-styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) פתרון Electropolymerization עבור H + ו-CO 2 3 - יונים

  1. הוסף 70 מ"ג פולי (נתרן 4-styrenesulfonate) (Na + PSS -) למים 10 מיליליטר deionized (DI) ומערבולת עד התפזר לחלוטין (כ -10 שניות).
  2. הוסף 10.7 μl 3,4-ethlyenedioxythiophene (EDOT) לפתרון ב1.1 ומערבולת עד פתרון הוא מעורב לחלוטין.

2. הכנה של פולי (3,4-ethylenedioxythiophene): גופרת סידן (PEDOT: Caso 4) פתרון לElectropolymerization Ca 2 + יונים

  1. הוסף סולפט 136 מ"ג סידן (Caso 4) למים די 10 מ"ל ומערבולת; הפתרון לא יהיה לפזר לחלוטין ומופיע חלבי.
  2. הוסף 10.7 EDOT μl לפתרון ב2.1 ומערבולת עד מעורבב לחלוטין.

3. Electropolymerization של מבוסס PEDOTפולימר מוליך

  1. עמדת תא C3 (איור 3) וEC אפסילון potentiostat / galvanostat Bioanalytical מערכות בע"מ (BASI) משמש כדי ליצור את תא אלקטרוכימי לelectropolymerization. הנח את EDOT: פתרון electropolymerization PSS בתא אלקטרוכימי ובועת חנקן במשך 20 דקות כדי להסיר את החמצן מומס.
  2. עכשיו קליפ פלטינה גזה במיקום האלקטרודה הנגדי של תא אלקטרוכימי. לאחר מכן קליפ MAB במיקום האלקטרודה העבודה של תא אלקטרוכימי עם האלקטרודות העבודה מול הפלטינה הגזה. לכוונן את עומק MAB כך שרק אלקטרודות עגולות שקועות בPEDOT: פתרון electropolymerization PSS. יש להימנע ממגע תמיסה עם רפידות המגע החשמליות רבועות.
  3. הנח כלוריד BASI רווי כסף / כסף (Ag / AgCl) אלקטרודה בעמדת אלקטרודה ההשוואתית של תא אלקטרוכימי. ודא כי האלקטרודה ההפניה היא לא בעבודה ובין counteאלקטרודות r.
  4. לPEDOT: תצהיר PSS: בועת תא אלקטרוכימי במשך 20 דקות, ולהשתמש EC אפסילון potentiostat / galvanostat לרוץ voltammogram מחזורי אחת מ0V - 1.1V עם קצב סריקה של 20 mV / שנייה בקנה מידת μA ± 100.
  5. לPEDOT: Caso 4 בתצהיר: בועת תא אלקטרוכימי במשך 20 דקות, ולהשתמש EC אפסילון potentiostat / galvanostat לרוץ chronopotentiometry ב814 Na למשך 30 דקות.

4. Voltammetry המחזורי של conjugates הפולימר מבוסס PEDOT בK 3 Fe (CN) 6

  1. לבצע שלבים 3.1-3.3 לעיל.
  2. השתמש EC אפסילון potentiostat / galvanostat לרוץ voltammograms המחזורי בודד מ-653 mV ל853 mV עם משתנה קצב סריקה של (25, 50, 75, 100, L25, 150, 175, 200) mV / שנייה בקנה מידת μA ± 10 .

5. פרוטוקול Functionalization משטח

  1. הפקדת מוליך פולימר המצומד ספציפית ליונים של עניין כמו בשלב 3.
  2. החל קרום בררני כיון בשלב 6.

6. יישום של ממברנה יון סלקטיבי

  1. מרכז מב בואקום ספינר צ'אק.
  2. קרום μl 100 פיקדון על מרכז MAB והריצה.
  3. קרום ספין מעיל יון סלקטיבית עם coater ספין ב 1500 סל"ד במשך 30 שניות עם שניות כבש 5 למעלה ולמטה.
  4. ואקום MAB ספין המצופה למשך 30 דקות ואופים את השבב בתנור על 70 מעלות צלזיוס למשך 20 דקות.

7. כיול של PEDOT-PSS ואטימה פולימר גייט עם pH וקרבונט (CO 3 2 -) ממברנה יון סלקטיבי

  1. מצב MAB הלילה בסודיום ביקרבונט 10 מיקרומטר (NaHCO 3) ו -5 מ"מ אשלגן כלורי (KCl) בתקשורת אצות.
  2. הכנס את MAB לבעל שבב זרימת תאי microfluidic.
  3. הזרק פתרון מבחן 5 מ"ל עם ערך pH ראשוני או ריכוז (pH למשל 4 או 10 מיקרומטר לCO 3 2 -). הסר bub Bles מבעל שבב זרימת תאים.
  4. הנח את בעל שבב זרימת תאים על גבי מתקן החשמלי זרימת התא.
  5. פתח את תוכנת אפסילון EC ולהיכנס למצב פוטנציאל במעגל פתוח (OP). קבע את הזמן עד 300 דקות, בקנה מידה המתח ל± 1V, ותדר החיתוך עד 10 קילוהרץ, ולהקליט את הערך כל 2 שניות.
  6. בואו MAB לייצב (חפש קו שטוח) לפני שימשיך בתהליך הכיול.
  7. ברגע שהוא התייצב MAB, שטוף את תא הזרימה עם פתרון מבחן ולהזריק את הריכוז ליד להיות מכוילים (pH 5 או 25 מיקרומטר CO 3 2 -). ודא שאין בועות מותר להיכנס לתא הזרימה. חזור על שלבים 7.5 ו -7.6 עבור ה-pH 6, 7, 8 ו -9 או CO 3 2 - ריכוזים של 50, 75, 100, 250, 500, 750, ו -1,000 מיקרומטר.
  8. לאחר הריכוז האחרון יש להפעיל, להסיר את MAB ויבש עם אוויר חנקן.
  9. מניחים בחזרה MAB לפתרון מיזוג טרי עד לשימוש הבא.

"Jove_title"> 8. כיול של PEDOT: מוליך Caso 4 פולימר גייט בCaCl 2

  1. מצב MAB הלילה ב7 מ"ל של 0.1 מ 'CaCl 2 ו -10 מיקרומטר Nano 3.
  2. בצע את פעולות דומות ל7.2-7.10. בשלב 8.3, החלף את פתרון מבחן קרבונט עם ריכוז ראשוני של 0.01 מ"מ CaCl 2. חזור על פעולה עבור ריכוזי מבחן פתרון של 0.05, 0.1, 0.5, 1 ו 10 מ"מ.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 ו 5.8 x 10

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

יש לנו מה למסור.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3,4-אתילנדיוקסיתיופןסיגמא-אולדריץ'483028
פולי (נתרן 4-סטירנסולפונט)סיגמא-אולדריץ'243051
EC אפסילון גלוונוסטט/פוטנציוסטטמערכות ביואנליטיות בע"מe2P
אלקטרודת ייחוס רוויה Ag/AgClמערכות ביואנליטיות בע"מMF-2052
Pt גזהאלפא Aesar10283
אשלגן פריציאנידסיגמא-אולדריץ'P-8131
אשלגן חנקתיJ.T. Baker3190-01
נתרן ביקרבונטמלינקרודט / מקרון7412-12
נתרן פחמתיסיגמא-אולדריץ'S-7127
סידן כלוריJ.T. Baker1311-01
אשלגן כלוריSigma-AldrichP9541
סידן גופרתיSigma-Aldrich237132
מעמד תאים C3Bioanalytical Systems Inc.EF-1085
שבב תאי זרימהCustom, באדיבות NASA
Flow-cellElectric fixture Custom, באדיבות NASA Ames
טבלה 2. ריאגנטים וציוד ספציפיים.
מחזיק Ames

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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, 331-338 (2001).
  3. Adamchuk, V. I., Lund, E. D., Sethuramasamyraja, B., Morgan, M. T., Doberman, A., Marx, D. B. Direct Measurement of Soil Chemical Properties on-the-go using Ion-selective-electrodes. Journal Computers and Electronics in Agriculture. 48 (3), 272-294 (2005).
  4. Oelβner, W., Hermann, S., Kaden, H. Electrochemical Sensors and Sensor Module for Studying Biological Systems in Space Vehicles. Aerospace Science and Technology. 1, 291-296 (1997).
  5. Bobacka, J. Conducting Polymer-based Solid-state Ion-selective Electrodes. Electroanalysis. 18 (1), 7-18 (2006).
  6. Buck, R. Ion Selective Electrodes in Analytical Chemistry. , Plenum Press. New York. (1980).
  7. Nam, H., Cha, G. S. Chapter 18. Biosensors and their Applications. Yang, V. C., Ngo, T. T. , Kluwer Academic/Plenum Publishers. N.Y. (2000).
  8. Anatova-Ivanova, S., Mattinen, U., Radu, A., Bobacka, J., Lewenstem, A., Migdalski, J., Danielewski, M., Diamond, D. Development of Miniature All-solid-state Potentiometric Sensing System. Sensors and Actuators B. 146, 199-205 (2010).
  9. Michalska, A., Galuszkiewicz, A., Ogonowska, M., Ocypa, M., Maksymiuk, K. PEDOT Films: Multifunctional Membranes for Electrochemical Ion sensing. J. Solid State Electrochem. 8, 381-389 (2004).
  10. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. ed, 2nd , 2nd ed, Wiley. New York. (2000).
  11. Claussen, J. C., Artiles, M. S., McLamore, E. S., Mohanty, S., Shi, J., Rickus, J., Fisher, T. S., Porterfield, D. M. Electrochemical Glutamate Biosensing with Naanocube and Nanosphere Augmented Single-walled Carbon Nanotube Networks: A Comparative Study. J. Mater. Chem. 21, 11224-11231 (2011).
  12. Bobacka, J. Potential Stability of All-solid-state Ion-selective Electrodes using Conducting Polymers as Ion-to-electron Transducers. Anal. Chem. 71, 4932-4937 (1999).
  13. Lee, J. H., Yoon, I. J., Yoo, C. L., Pyun, H. J., Cha, G. S., Nam, H. Potentiometric Evaluation of Solvent Polymeric Carbonate-selective Membranes based on Molecular Tweezer-type Neutral Carriers. Anal. Chem. 72, 4694-4699 (2000).
  14. Song, F., Ha, J., Park, B., Kwak, T. H., Kim, I. T., Nam, H., Cha, G. S. All-solid-state Carbonate Selective Electrode based on a Molecular Tweezer-type Neutral Carrier with Solvent-soluble Conducting Polymer Solid Contact. Talanta. 57, 263-270 (2002).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

All solid state Ion selective ElectrodesMulti analyte BiochipIon selective MembranePEDOT Transducer LayerCyclic VoltammetrySpin coatingMicrofluidic Flow cellPhysiological ResearchChlorella vulgarisIon Activity Monitoring

Related Articles