Method Article

생리 연구를위한 모든 고체 이온 선택성 전극 (ASSISE)를 기반으로 다중 분석 바이오칩 (MAB)

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

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

전도성 고분자 (CP) 트랜스 듀서에서 생성 모든 고체 이온 선택성 전극 (ASSISEs) 액체 매체의 기능적 수명이 몇 달을 제공합니다. 여기, 우리는 실험실 - 온 - 칩 형식 ASSISEs의 제조 및 교정 과정을 설명합니다. ASSISE 복잡한 생물학적 매체에서 장기간 보관 후 가까운 따른다 Nernstian 기울기 프로파일을 유지 한 것으로 설명된다.

Abstract

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환경, 생물 의학, 농업, 생물, 그리고 우주 비행 연구 실험실 - 온 - 칩 (LOC) 응용 프로그램은 복잡한 생물학적 매체 1-4 장기간 보관을 견딜 수있는 이온 선택성 전극 (ISE)가 필요합니다. 모든 고체 이온 선택성 전극 (ASSISE)는 앞서 언급 한 응용 프로그램에 특히 매력적이다. 일괄 처리를 허용, 쉬운 건축, 낮은 유지 보수 및 (잠재력)의 소형화 : 전극은 다음과 같은 유리한 특성을 가지고 있어야합니다. 미세하게 ASSISE은 H +, 캘리포니아 2 +, 및 CO 3 2 정량화하기위한 것 - ​​이온이 건설되었다. 그것은 고귀한 금속 전극층 (즉, 백금), 전달 계층 및 이온 선택 막 (ISM) 층으로 구성되어 있습니다. 전달 계층 함수는 측정 전기 신호로 이온 선택 막 농도 의존적​​ 화학 잠재력을 형질 도입합니다.

티그는 ASSISE의 수명은 층 / 멤브레인 인터페이스 5-7 전도성의 잠재력을 유지에 의존 찾을 수 있습니다. ASSISE 작동 수명을 연장함으로써 계면 층에서 안정 가능성을 유지하기 위해, 우리는 (자세 / AgCl을)은 / 염화은 대신 전도성 고분자 (CP) 폴리 (3,4 - 에틸렌) (PEDOT) 7-9 활용 변환기 레이어. 우리는 우리가 다중 분석 바이오칩 (MAB) (그림 1)라는 실험실 - 온 - 칩 형식으로 ASSISE을 구축.

(측정 범위 0.01 밀리미터 - 1 - MM) 및 CA 2 + (1 mm의 로그 선형 범위 0.01 ㎜) 테스트 솔루션의 보정은 MAB가 산도 (작동 범위 산도 4-9), CO 3 2를 모니터 할 수 있습니다 것을 보여 주었다. 산도의 MAB는 조류 중간에 거의 한 달 저장 한 후 가까운 따른다 Nernstian 경사 응답을 제공한다. 탄산 바이오칩은 기존의 이온 선택성 전극의 그것과 유사 전위차 프로필을 보여줍니다. 관심 회원ogical 측정 모델 시스템의 생물학적 활성, microalga 클로렐라의 vulgaris를 모니터링하기 위해 사용되었다.

MAB 크기, 다양성의 장점을 전달하고, 분석 감지 기능 멀티 플렉스, 지구 또는 공간에 많은 제한 모니터링 상황이 적용하고.

바이오칩 설계 및 실험 방법

바이오 칩 차원에서 10 × 11mm이며, 작업 전극 (WES) 5 Ag / AgCl 기준 전극과 같은 기준 전극 (해상도)로 지정 9 ASSISEs 있습니다. 각 작업 전극 (WE) 직경 240 μm의과 동등 직경 480 μm의 수 있습니다 정규 표현식에서 1.4 mm 이격되어 있습니다. 이 전극은 0.5 mm × 0.5 mm의 차원과 전기 접촉 패드에 연결됩니다. 회로도는 그림 2에 표시됩니다.

순환 전압 전류 법 (CV)와 galvanostatic 증착 방법은 Bioanalytic를 사용하여 PEDOT 필름을 electropolymerize하는 데 사용됩니다알 시스템즈 (BASI) C3 셀 스탠드 (그림 3). PEDOT 필름의 카운터 이온이 관심의 분석 이온에 맞게 맞게 조정됩니다. 폴리 (스티렌) 카운터 이온 (PEDOT / PSS)와 PEDOT는 H +와 CO 3 2 활용 - 황산염 (카소 4와 같은 솔루션에 추가)와 하나가 칼슘 2 +에 활용되는 동안. PEDOT 코팅의 전기 화학적 특성은 우리는 산화 환원 활성 솔루션 (페리 시안화 칼륨 즉, 2 MM (K 3 철 (CN) 6))에 이력서를 사용하여 분석됩니다. CV 프로필을 기반으로, 랜들 - Sevcik 분석은 유효 표면적 10를 결정하는 데 사용되었다. 1,500 rpm으로 스핀 코팅 MAB 작업 전극 (WES)에 1 ~ 2 μm의 두께 이온 선택 막 (ISMS)를 캐스팅하는 데 사용됩니다.

MAB는 조류 매체의 150 μL 볼륨 가득 미세 유체 흐름 셀 챔버에 포함되고 접촉 패드는 전기적으로 (그림 BASI 시스템에 연결되어URE 4). 클로렐라의 vulgaris의 광합성 활동은 주위의 빛과 어두운 조건에서 모니터링됩니다.

Protocol

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

1. 폴리 (4 - 스티렌 설포 네이트 나트륨) (PEDOT : PSS) - 이온 H +와 CO에 대한 Electropolymerization 솔루션 3 2 폴리 (3,4 - 에틸렌)의 준비

  1. 완전히 (약 10 초) 분산 될 때까지 10 ㎖ 탈 이온수 (DI) 물과 소용돌이에 - 70 밀리그램 폴리 (4 - 스티렌 설포 네이트 나트륨) (나 + PSS)를 추가합니다.
  2. 용액이 완전히 혼합 될 때까지 1.1 솔루션 소용돌이 10.7 ㎕의 3,4 - ethlyenedioxythiophene (EDOT)를 추가합니다.

2. 칼슘 황산염 (PEDOT : 카소 4) 칼슘 2 Electropolymerization 솔루션 + 이온 폴리 (3,4 - 에틸렌)의 준비

  1. 10 ㎖ DI 물과 소용돌이에 136 밀리그램의 칼슘 황산염 CASO (4) 추가, 솔루션은 완전히 분산 유백색 표시되지 않습니다.
  2. 완전히 혼합 될 때까지 2.1와 소용돌이의 솔루션에 10.7 μL EDOT를 추가합니다.

3. PEDOT 기반의 Electropolymerization전도성 고분자

  1. 생 분석 시스템 주식 회사 (BASI) C3 셀 스탠드 (그림 3)과 EC 엡실론 텐쇼 / galvanostat는 electropolymerization에 대한 전기 화학적 셀을 형성하는 데 사용됩니다. 용존 산소를 제거하는 20 분 동안 전기 세포와 질소 거품 PSS electropolymerization 솔루션 : EDOT를 놓습니다.
  2. 이제 전기 화학 셀의 상대 전극 위치에서 백금 거즈 클립. 그런 백금 거즈에 직면 작동 전극과 전기 화학 셀의 작동 전극 위치에서 MAB 클립. PSS electropolymerization 솔루션 : 만 원형 전극 PEDOT에 빠져들되도록 MAB 깊이를 조정합니다. 사각 전기 접촉 패드를 가진 솔루션의 접촉을 피하십시오.
  3. BASI 포화은 / 염화은 (자세 / AgCl을) 전기 화학 셀의 참조 전극의 위치에 전극을 배치합니다. 기준 전극이 작동하고 counte 사이에 있지 않은지 확인R 전극.
  4. PEDOT의 경우 : PSS 증착 : 거품 전기 20 분간 세포와 0V에서 단일주기 voltammogram을 실행하는 EC 엡실론 텐쇼 / galvanostat을 사용 - 20의 스캔 속도와 1.1V ± 100 μA의 규모 MV / 초.
  5. 에 대한 PEDOT : 카소 4 증착 : 거품 20 분 동안 전기 화학 셀, 30 분 nA의 814에 chronopotentiometry를 실행하는 EC 엡실론 텐쇼 / galvanostat를 사용합니다.

4. K 3 철의 PEDOT 계 고분자 복합체의 순환 전압 전류계 (CN) 6

  1. 3.1-3.3 위의 단계를 수행합니다.
  2. ± 10 μA의 규모 MV / 초 (25, 50, 75, 100, L25, 150, 175, 200)의 스캔 속도를 변화와 -653 MV에서 853 mV에서 하나의 순환 전압 전류를 실행하는 EC 엡실론 텐쇼 / galvanostat을 사용하여 .

5. 표면 기능화 프로토콜

  1. 3 단계로 관심의 이온에 대한 특정 예금 전도성 고분자 결합.
  2. 6 단계로 이온 선택 막을 적용합니다.

6. 이온 선택 막 적용

  1. 진공 회 척을 중심 MAB.
  2. MAB 및 런타임의 중앙 위에 보증금 100 μL 막.
  3. 5 초 램프 아래로 30 초 동안 1,500 rpm으로 스핀 코터와 스핀 코트 이온 선택 막.
  4. 30 분 동안 스핀 코팅 MAB를 진공 청소기로 청소 20 분 동안 70 ° C 오븐에서 칩을 굽는다.

7. 이온 선택 막 - pH와 탄산 PEDOT-PSS 전도성 고분자 접합 (CO 3 2)의 보정

  1. 조건에 10 μM의 중탄산 나트륨 (NaHCO3를) 및 조류 미디어 5 MM의 칼륨 염화물 (KCl을)에서 하룻밤 MAB.
  2. 마이크로 유체 유동 세포 칩 홀더에 MAB를 삽입합니다.
  3. 초기의 pH 값 또는 농도 (CO 3 2 예, pH가 4 또는 10 μM -)와 5ml를 시험 용액을 주입. 온것을 제거흐름 세포 칩 홀더에서 준한.
  4. 흐름 세포 전기기구 상 유동 세포 칩 홀더를 놓습니다.
  5. EC 엡실론 소프트웨어를 열고 개방 회로 전위 (OP) 모드로 들어갑니다. 300 분, ± 1V에 전압 스케일, 10 kHz로 컷오프 주파수에 시간을 설정하고, 값마다 2 초를 기록합니다.
  6. MAB는 보정 과정을 계속하기 전에 (플랫 행을 찾습니다) 안정 수 있습니다.
  7. MAB가 안정되면, 시험 용액으로하여 흐름 세포를 세척하고 보정 할 다음 농도를 주입 (산도 5 또는 3 CO 2를 25 μM -). 더 거품이 흐름 세포를 입력 할 수 없습니다 있는지 확인합니다. pH가 6, 7, 8, 9 또는 CO 3 2 단계 7.5 및 7.6를 반복 - 50의 농도, 75, 100, 250, 500, 750, 1000 μM.
  8. 최종 농도가 실행 된 후, 질소 공기와 MAB 건조를 제거합니다.
  9. MAB 다시 다음 사용 때까지 신선한 조절 용액에 넣습니다.

8. PEDOT의 교정 : 염화칼슘 2 카소 4 전도성 고분자 접합

  1. 조건 0.1 M 염화칼슘과 10 μM에 NaNO 3 7 ML에서 하룻밤 MAB.
  2. 7.10-7.2과 같은 단계를 수행합니다. 단계 8.3, 0.01 mM의 염화칼슘의 초기 농도와 탄산 테스트 솔루션을 대체합니다. 시험 용액 0.05의 농도, 0.1, 0.5, 1, 10 MM에 대해이 단계를 반복합니다.

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Results

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PEDOT의 순환 voltammogram (CV) 결과의 예 : PSS와 해당 음극 피크 전류 (I P) 대 스캔 속도 (V 1 / 2)는 각각 그림의 5A 및 5B에 표시됩니다. PEDOT : 다양한 스캔 속도 및 음극 피크 전류에서 카소 4 표시되지 않습니다. PSS와 PEDOT : 랜들 - Sevcik 분석 10, 고체 접촉 PEDOT의 유효 표면적을 이용하여 이온 선택성 막 않고 카소 4는 각각 4.4 × 10 -11 cm 2 5.8 × 10 -11 cm 2 것으로 나타났다. 이 값은 때문에 우리의 연구 그룹 11에서보고 된 전극 크기보다 ~ 130 배 작은되는 전극의 크기 이전에보고 된 전극에 비해 상대적으로 작다. MAB 전극 유효...

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Discussion

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

MAB 바이오 칩 백금 전극, 측정 전기 신호로 관심의 이온 농도를 transduces하는의 조합에 PEDOT 기반의 CP 공액 전달 층 꼭대기 ISM에서 건설 ASSISEs으로 구성되어 있습니다. 안정된 전극 전위는 CP 층과 ISM 층 모두에 의해 정의됩니다. 두 레이어는 MAB 및 측정 전기 신호의 품질 (소음, 드리프트)의 작동 수명을 결정합니다.

PEDOT 모두의 이온 및 전자 성질 (산화 된 형태)로 전달 레이어 때문에 같은 특히 매력적이다. PEDOT는 효과를 편광 전도성 전극을 최소화하기 위해 높은 산화 환원 용량에 대한 용량을 가지고, 우리는 153 MV ± 6 대 자세 / AgCl을에서 안정적인 산화 환원 전위를 측정했다. 이 특성은 고체 내부 접점 12을 사용하는 ISE의 잠재적 인 안정성을 위해 필요합니다. PEDOT은 : PSS CP 복합체 SMA에 대한 변환기로 사용됩니다LL 가의 양이온 (예 : H +)와...

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Disclosures

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

우리는 공개 아무것도 없어.

Acknowledgements

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

우리는 MAB 장치의 와이어 본딩을위한 자금 지원 (보조금 번호 103498 및 103692), 퍼듀 대학교는 Birck Nantechnology 센터 게일 록우드에 대한 NASA 우주 생물학 과학 기술 장비 개발 (ASTID) 프로그램을 감사 좋아하고, 준 진형 공원에 대한 것 흐름 셀 챔버의 CAD 드로잉입니다.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3,4-에틸렌디옥시티오펜, 시그마-알드리치, 483028
폴리(나트륨 4-스티렌설포네이트)시그마-알드리치
EC, 엡실론, 갈바노스타트/포텐시오스탯바이오분석 시스템, Inc.e2P
포화 Ag/AgCl 기준 전극Bioanalytical Systems Inc.MF-2052
Pt 거즈Alfa Aesar10283
페리시아나이드 칼륨 Sigma-AldrichP-8131
질산 칼륨J.T. Baker3190-01
중탄산 나트륨Mallinckrodt / Macron7412-12
탄산나트륨Sigma-AldrichS-7127
염화칼슘J.T. Baker1311-01
염화칼Sigma-AldrichP9541
황산칼슘Sigma-Aldrich237132
C3 세포 스탠드Bioanalytical Systems Inc.EF-1085
플로우 셀 칩 홀더맞춤형, NASA Ames
플로우 셀 전기 설비맞춤형, NASA Ames
표 2. 특정 시약 및 장비.
, 243051 , 륨 제공

References

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