Multianalytmethoden Biochip (MAB) op basis van All-solid-state Ion-selectieve elektroden (ASSISE) voor Fysiologisch Onderzoek

Summary

All-solid-state ion-selectieve elektroden (Assises) opgebouwd uit een geleidend polymeer (CP) transducer bieden een aantal maanden van de functionele levensduur in vloeibare media. Hier beschrijven we de fabricage en kalibratieproces van Assisen in een lab-on-a-chip-formaat. De ASSISE wordt gedemonstreerd van een buurt-Nernstian hellingsprofiel te hebben gehandhaafd na langdurige opslag in complexe biologische media.

Abstract

Lab-on-a-chip (LOC) toepassingen in milieu, biomedische, landbouw, biologische en ruimtevaart onderzoek vereisen een ion-selectieve elektrode (ISE) dat langdurige opslag kan weerstaan ​​in complexe biologische media ^1-4. Een all-solid-state ion-selectieve-electrode (ASSISE) is vooral aantrekkelijk voor de bovengenoemde toepassingen. De elektrode moet de volgende gunstige eigenschappen: eenvoudig constructie, weinig onderhoud, en (potentiële) miniaturisatie, waardoor voor batchverwerking. Een microfabricated ASSISE bestemd voor het kwantificeren H ^{+, Ca2 +} en CO ₃ ^{2 -} ionen werd geconstrueerd. Het bestaat uit een edel-metalen elektrodelaag (bijvoorbeeld Pt), een transductie-laag en een ion-selectief membraan (ISM) laag. De laagfuncties transductie de concentratie afhankelijke chemische potentiaal van de ion-selectieve membraan transduceren in een meetbaar elektrisch signaal.

THij levensduur van een ASSISE blijkt afhankelijk te handhaven van de potentiaal op de geleidende laag / membraan-interface ^5-7. Om de ASSISE werken levensduur te verlengen en daardoor stabiel potentials te handhaven op het grensvlak lagen, hebben we gebruik gemaakt van de geleidende polymeer (CP) poly (3,4-ethyleendioxythiofeen) (PEDOT) ^7-9 in plaats van zilver / zilverchloride (Ag / AgCl) de transducer laag. We geconstrueerd de ASSISE in een lab-on-a-chip formaat, dat noemden we het multianalytmethoden biochip (MAB) (Figuur 1).

Kalibraties testoplossingen aangetoond dat de MAB kan controleren pH (werkbereik pH 4-9), CO ₃ ^{2 -} (gemeten van 0,01 mM - 1 mM), en ^{Ca2 +} (log-lineaire bereik 0,01 mM tot 1 mM). De MAB voor pH zorgt voor een bijna-Nernstian helling reactie na bijna een maand van opslag in algen medium. De carbonaat biochips tonen een potentiometrische vergelijkbaar met dat van een gebruikelijke ion-selectieve elektrode. Physioltief voor farmacologische metingen werden gebruikt om biologische activiteit van het modelsysteem, het microalga Chlorella vulgaris controleren.

De MAB brengt een groot voordeel, veelzijdigheid en gemultiplexte analyt sensing mogelijkheden, waardoor het voor vele beperkt toezicht situaties op aarde en in de ruimte.

Biochip ontwerp en experimentele methoden

De biochip is 10 x 11 mm in afmeting en heeft 9 Assisen aangewezen als werkende elektroden (WES) en 5 Ag / AgCl referentie-elektrode (RE's). Elke werkende elektrode (WE) is 240 micrometer in diameter en is op gelijke afstand op 1,4 mm van de RE's, die zijn 480 micrometer in diameter. Deze elektroden zijn verbonden met elektrische contactvlakken met een afmeting van 0,5 mm x 0,5 mm. Het schema wordt getoond in figuur 2.

Cyclische voltammetrie (CV) en galvanostatische depositie methoden worden gebruikt om de PEDOT films met een bioanalytische electropolymerizeal Systems Inc (BASI) C3 cel stand (figuur 3). De teller-ion voor het PEDOT film is afgestemd op de analyt ionen van interesse. Een PEDOT met poly (styreensulfonaat) tegenion (PEDOT / PSS) wordt gebruikt voor H ⁺ en CO ₃ ^{2 -,} terwijl een met sulfaat (toegevoegd aan de oplossing als CaSO ₄₎ wordt gebruikt voor ^{Ca2 +.} De elektrochemische eigenschappen van het PEDOT-gecoate WE wordt geanalyseerd met behulp van cv's in redox-actieve oplossing (dwz 2 mM kaliumferricyanide (K ₃ Fe (CN) _6)). Op basis van het CV profiel werd Randles Sevcik-analyse gebruikt om het werkzame oppervlak ¹⁰ bepalen. Spin-coating bij 1500 tpm wordt gebruikt om gegoten ~ 2 micrometer dik ion-selectieve membranen (ISM) op het MAB werkende elektroden (WES).

De MAB in een microfluïdische stroom-cel kamer gevuld met 150 ul volume algen-medium, de contactvlakken zijn elektrisch verbonden met de BASI systeem (Figure 4). De fotosynthetische activiteit van Chlorella vulgaris wordt toezicht gehouden in omgevingslicht en donkere omstandigheden.

Protocol

1. Bereiding van poly (3,4-ethyleendioxythiofeen): Poly (natrium-4-styreensulfonaat) (PEDOT: PSS) elektropolymerisatie oplossing van H ⁺ en CO ₃ ^{2 -} ionen

1. Voeg 70 mg poly (natrium-4-styreensulfonaat) (PSS Na ^{+ -)} tot 10 ml gedeïoniseerd (DI) water en vortex tot volledig gedispergeerd (ongeveer 10 sec).
2. Voeg 10,7 ul 3,4-ethlyenedioxythiophene (EDOT) aan de oplossing in 1.1 en vortex tot oplossing volledig wordt gemengd.

2. Bereiding van poly (3,4-ethyleendioxythiofeen): Calciumsulfaat (PEDOT: CaSO ₄₎ elektropolymerisatie oplossing voor ^{Ca2 +} ionen

1. Voeg 136 mg calciumsulfaat _(CaSO4) tot 10 ml DI water en vortex, zal de oplossing niet helemaal uiteen en melkachtig.
2. Voeg 10,7 ul EDOT aan de oplossing in 2.1 en vortex tot het volledig gemengd.

3. Elektropolymerisatie van PEDOT-basedGeleidende polymeer

1. Een Bioanalytisch Systems Inc (BASI) C3 cel stand (figuur 3) en een EG-epsilon potentiostaat / galvanostaat worden gebruikt om de elektrochemische cel voor elektropolymerisatie vormen. Plaats de EDOT: PSS elektropolymerisatie oplossing in de elektrochemische cel en stikstof bubble voor 20 min om opgeloste zuurstof te verwijderen.
2. Nu clip een platina-gaas aan de balie elektrode positie van de elektrochemische cel. Vervolgens knip de MAB bij de werkende elektrode positie van de elektrochemische cel met de werkende elektroden waarmee de platina-gaas. Stel de MAB diepte zodat alleen de cirkelvormige elektroden ondergedompeld in de PEDOT: PSS elektropolymerisatie oplossing. Vermijd oplossing contact met het plein elektrisch contact pads.
3. Plaats een BASI verzadigd zilver / zilverchloride (Ag / AgCl) elektrode in de referentie-elektrode positie van de elektrochemische cel. Zorg ervoor dat de referentie-elektrode is niet in tussen de werkende en counter elektroden.
4. Voor PEDOT: PSS depositie: Bel de elektrochemische cel voor 20 min, en het gebruik van het EG-epsilon potentiostaat / galvanostaat om een ​​enkele cyclische voltammogram loopt van 0V - 1.1V met een scansnelheid van 20 mV / sec op een ± 100 uA schaal.
5. Voor PEDOT: _CaSO4 depositie: bel de elektrochemische cel voor 20 min, en het gebruik van het EG-epsilon potentiostaat / galvanostaat naar chronopotentiometry draaien op 814 nA gedurende 30 minuten.

4. Cyclische voltammetrie van PEDOT-based polymeerconjugaten in K ₃ Fe (CN) ₆

1. Voer de stappen 3,1-3,3 hierboven.
2. Gebruik de EC epsilon potentiostaat / galvanostaat naar enkele cyclische voltammogrammen loopt van -653 mV tot 853 mV met verschillende scansnelheden van (25, 50, 75, 100, l25, 150, 175, 200) mV / sec op een ± 10 uA schaal .

5. Oppervlak Functionalisering Protocol

1. Aanbetaling geleidende polymeer conjugaat specifiek voor de ionen van belang als in stap 3.
2. Breng ion-selectief membraan als in stap 6.

6. Toepassing van Ion-selectieve membraan

1. Centrum van de MAB op het vacuüm spinner boorkop.
2. Borg 100 ul membraan op het midden van de MAB en run.
3. Spin-coat ion-selectief membraan met een spinbekleder bij 1500 rpm gedurende 30 seconden met een 5 sec helling omhoog en omlaag.
4. Zuig het roterend bedekken MAB gedurende 30 min en bak de chip in een oven bij 70 ° C gedurende 20 minuten.

7. Kalibratie van PEDOT-PSS geleidend polymeer conjugaat met pH en carbonaat (CO ₃ ^{2 -)} ion-selectieve membraan

1. Staat de MAB overnachten in 10 uM natriumbicarbonaat _(NaHCO3) en 5 mM kaliumchloride (KCl) in algen media.
2. Steek de MAB in de microfluïdische stroom-cell chip houder.
3. Injecteer 5 ml testoplossing met initiële pH-waarde of concentratie (bijv. pH 4 of 10 uM voor CO ₃ ^{2 -).} Verwijder bubkabels uit de stroom-cell chip houder.
4. Plaats de stroom-cell chip houder op de stroom-cel elektrische armatuur.
5. Open het EG-epsilon-software en voer nullastpotentiaal modus (OP). Stel de tijd tot 300 minuten, de spanning schaal ± 1V, en de cutoff frequentie 10 kHz, en noteer de waarde om de 2 sec.
6. Laat het MAB stabiliseren (kijk voor een vlakke lijn) voordat u verder gaat met het kalibratieproces.
7. Zodra de MAB is gestabiliseerd, spoelt de stroom cel met testoplossing en injecteer de volgende concentratie te worden geijkt (pH 5 of 25 uM CO ₃ ^{2 -).} Zorg ervoor dat er geen luchtbellen worden toegestaan ​​om de stroom cel in te voeren. Herhaal de stappen 7.5 en 7.6 voor pH 6, 7, 8 en 9 of CO ₃ ^{2 -} concentraties van 50, 75, 100, 250, 500, 750, en 1000 uM.
8. Na de laatste concentratie is uitgevoerd, verwijdert u de MAB en droog met stikstof lucht.
9. Plaats de MAB terug in verse conditionering oplossing tot het volgende gebruik.

8. Kalibratie van PEDOT: _CaSO4 geleidend polymeer conjugaat in _CaCl2

1. Staat de MAB overnacht in 7 ml 0,1 M CaCl ₂ en 10 uM NaNO _3.
2. Volg de stappen vergelijkbaar met 7,2-7,10. In stap 8.3, vervangen carbonaat meetoplossing met een aanvankelijke concentratie van 0,01 mM CaCl _2. Herhaal voor de test-oplossing concentraties van 0,05, 0,1, 0,5, 1 en 10 mM.

Results

Een voorbeeld van een cyclisch voltammogram (CV) resultaat van PEDOT: PSS en de bijbehorende kathodische piekstroom (i _p) tegen de scansnelheid (v _1/2) zijn getoond in respectievelijk figuren 5a en 5b. PEDOT: _CaSO4 op diverse scansnelheden en de kathodische piekstroom worden niet getoond. Gebruik Randles-analyse Sevcik ^10, de effectieve oppervlakte van het vaste contact PEDOT: PSS en PEDOT: CaSO ₄ zonder ion-...

Discussion

De MAB biochip omvat Assises die zijn opgebouwd uit een ISM bovenop een PEDOT-CP-conjugaat gebaseerde transductie laag op een Pt-elektrode, waarvan de combinatie transduces de ionenconcentratie van belang om een ​​meetbaar elektrisch signaal. Een stabiele elektrode potentiaal wordt bepaald door zowel de CP laag en de ISM laag. Beide lagen bepalen ook de werkende levensduur van de MAB en de kwaliteit (ruis, drift) van de gemeten elektrisch signaal.

PEDOT is vooral aantrekkelijk als transducti...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3,4-Ethylenedioxythiofeen	Sigma-Aldrich	483028
Poly(natrium 4-styreensulfonaat)	Sigma-Aldrich	243051
EC epsilon galvanostaat/potentiostaat	Bioanalytical Systems Inc.	e2P
Verzadigde Ag/AgCl referentie-elektrode	Bioanalytical Systems Inc.	MF-2052
Pt gaas	Alfa Aesar	10283
Kaliumferricyanide	Sigma-Aldrich	P-8131
Kaliumnitraat	J.T. Baker	3190-01
Natriumbicarbonaat	Mallinckrodt/ Macron	7412-12
Natriumcarbonaat	Sigma-Aldrich	S-7127
Calciumchloride	J.T. Baker	1311-01
Kaliumchloride	Sigma-Aldrich	P9541
Calciumsulfaat	Sigma-Aldrich	237132
C3 celstandaard	Bioanalytical Systems Inc.	EF-1085
Flow-cell chip houder			Op maat, met dank aan NASA Ames
Flow-cell elektrisch armatuur			Op maat, met dank aan NASA Ames
Tabel 2. Specifieke reagentia en apparatuur.