Method Article

Multi-аналита биочипов (МАБ) на основе всех твердотельных ион-селективных электродов (пачка) для физиологических исследований

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

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

Все твердотельные ион-селективных электродов (ASSISEs), построенных из проводящего полимера (CP) преобразователь обеспечивают несколько месяцев функциональной жизни в жидких средах. Здесь мы описываем изготовление и калибровка процесса ASSISEs в лаборатории-на-чипе формате. Assise доказано, сохранили почти нернстовским профиля склона после длительного хранения в сложных биологических средах.

Abstract

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

Lab-on-a-chip (LOC) приложения в экологических, биомедицинских, сельскохозяйственных, биологических и космических исследованиях требуют ионоселективного электрода (ISE), который может выдерживать длительное хранение в сложных биологических средах 1-4. Полностью твердотельный ионоселективный электрод (ASSISE) особенно привлекателен для вышеупомянутых применений. Электрод должен обладать следующими благоприятными характеристиками: простота конструкции, низкие эксплуатационные расходы и миниатюризация, позволяющая выполнять периодическую обработку. Был сконструирован микропроцессор, предназначенный для количественного определения ионов H+,Ca2+ и CO32-. Он состоит из слоя электрода из благородных металлов (т.е. Pt), трансдукционного слоя и слоя ионоселективной мембраны (ISM). Трансдукционный слой функционирует для преобразования зависящего от концентрации химического потенциала ионоселективной мембраны в измеряемый электрический сигнал.

Установлено, что срок службы ASSISE зависит от сохранения потенциала на границе проводящего слоя/мембраны 5-7. Чтобы продлить срок службы ASSISE и, таким образом, сохранить стабильные потенциалы в межфазных слоях, мы использовали проводящий полимер (CP) поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT) 7-9 вместо серебра/хлорида серебра (Ag/AgCl) в качестве слоя преобразователя. Мы сконструировали ASSISE в формате «лаборатория на чипе», который мы назвали мультианалитным биочипом (MAB) (рис. 1).

Калибровки в тестовых растворах показали, что MAB может контролировать pH (рабочий диапазон pH 4-9), CO32- (измеренный диапазон 0,01 мМ - 1 мМ) и Ca2+ (логлинейный диапазон от 0,01 мМ до 1 мМ). MAB для pH обеспечивает реакцию, близкую к нернстианскому наклону, после почти месячного хранения в водорослевой среде. Карбонатные биочипы имеют потенциометрический профиль, аналогичный профилю обычного ионоселективного электрода. Физиологические измерения были использованы для мониторинга биологической активности модельной системы микроводоросли Chlorella vulgaris.

MAB обладает преимуществом в размере, универсальности и возможности мультиплексного зондирования аналитов, что делает его применимым во многих ситуациях ограниченного мониторинга, на Земле или в космосе.

Проектирование биочипов и экспериментальные методы

Биочип имеет размеры 10 x 11 мм и имеет 9 ASSISE, обозначенных как рабочие электроды (WE) и 5 Ag/AgCl электродов сравнения (RE). Каждый рабочий электрод (ВЭ) имеет диаметр 240 мкм и находится на равном расстоянии 1,4 мм от РЗ, которые имеют диаметр 480 мкм. Эти электроды подключаются к электрическим контактным площадкам размером 0,5 мм х 0,5 мм. Схема показана на рисунке 2.

Методы циклической вольтамперометрии (CV) и гальваностатического осаждения используются для электрополимеризации пленок PEDOT с использованием клеточного стенда C3 компании Bioanalytical Systems Inc. (BASI) (Рисунок 3). Противоионное излучение для пленки PEDOT подбирается в соответствии с исследуемым ионом аналита. PEDOT с поли(стиролсульфонатом) противоионом (PEDOT/PSS) используется для H+ и CO32-, в то время как PEDOT с сульфатом (добавленным в раствор как CaSO4) используется для Ca2+. Электрохимические свойства WE с покрытием PEDOT анализируют с использованием CV в редокс-активном растворе (т.е. 2 мМ феррицианида калия (K3Fe(CN)6)). На основе профиля CV был использован анализ Рэндлса-Севчика для определения эффективной площади поверхности 10. Спин-покрытие со скоростью вращения 1 500 об/мин используется для литья ионселективных мембран (ISM) толщиной ~2 мкм на рабочих электродах (WE) MAB.

МАБ содержится в микрофлюидной проточной камере, заполненной объемом 150 мкл водорослевой среды; контактные площадки электрически соединены с системой BASI (Рисунок 4). Фотосинтетическая активность Chlorella vulgaris контролируется при окружающем освещении и в темноте.

Protocol

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

1. Получение поли (3,4-этилендиокситиофена): поли (натрий 4-стиролсульфоната) (PEDOT: PSS) электрополимеризации решение для Н + и CO 3 2 - ионы

  1. Добавить 70 мг поли (натрий 4-стиролсульфоната) (PSS Na + -) в 10 мл деионизированной (ДИ) воды и вихрь до полного диспергирования (примерно 10 секунд).
  2. Добавить 10,7 мкл 3,4-ethlyenedioxythiophene (Edot) к решению в 1,1 и вихревые, пока решение не будет полностью перемешаны.

2. Получение поли (3,4-этилендиокситиофена): Сульфат кальция (PEDOT: CaSO 4) электрополимеризации решение для ионов Са 2 +

  1. Добавить 136 мг сульфата кальция (CaSO 4) по 10 мл деионизированной воды и вихревые, решение не будет полностью разойтись и кажется молочной.
  2. Добавить 10,7 мкл Edot к решению в 2,1 и вихревые, пока полностью перемешаны.

3. Электрополимеризации из PEDOT основеПолимерные

  1. Биоаналитическая Systems, Inc (BASI) C3 клетки подставке (Рисунок 3) и EC эпсилон потенциостате / гальваностатом используются для формирования электрохимической ячейки для электрополимеризации. Поместите Edot: PSS решение электрополимеризации в электрохимической ячейке и азота пузырь в течение 20 мин для удаления растворенного кислорода.
  2. Теперь клип платины марли на встречной позиции электрода электрохимической ячейки. Затем закрепите МАБ на рабочем электроде положение электрохимической ячейки с рабочими электродами, стоящих перед платиной марлю. Регулировка глубины МАВ, так что только круговые электроды погружены в PEDOT: PSS решение электрополимеризации. Избегайте контакта с решением квадратных электрических контактных площадок.
  3. Наведите BASI насыщенных серебро / хлорид серебра (Ag / AgCl) электродом в положении электрода сравнения электрохимической ячейки. Убедитесь в том, что ссылка электрод не между рабочим и CounteR электродов.
  4. Для PEDOT: PSS осаждения: Bubble электрохимической ячейке в течение 20 мин, а также использовать EC эпсилон потенциостате / гальваностатом для выполнения одной циклической вольтамперограмме с 0 - 1,1 В со скоростью сканирования 20 мВ / сек на ± 100 мкА масштабе.
  5. Для PEDOT: CaSO 4 осаждения: Bubble электрохимической ячейке в течение 20 мин, а также использовать EC эпсилон потенциостате / гальваностатом запустить хронопотенциометрии 814 нА в течение 30 мин.

4. Циклической вольтамперометрии из PEDOT на основе полимерных конъюгатов в K 3 Fe (CN) 6

  1. Выполните пункты 3.1-3.3 выше.
  2. Используйте EC эпсилон потенциостате / гальваностатом для запуска одного из циклических вольтамперограмм -653 мВ до 853 мВ с различной скорости сканирования (25, 50, 75, 100, L25, 150, 175, 200) мВ / сек на ± 10 мкА масштабе .

5. Протокол поверхности Функционализация

  1. Депозит проводящий полимер сопряженного специфичных для ионов представляет интерес как в шаге 3.
  2. Применить ион-селективные мембраны, как в шаге 6.

6. Применение ионообменной мембраной

  1. Центр МАБ на вакуумном Spinner патрона.
  2. Депозит 100 мкл мембран на центр МАБ и запустить.
  3. Спин-пальто ион-селективные мембраны со спином нанесения покрытий при 1500 оборотах в минуту в течение 30 сек с 5 сек рампы вверх и вниз.
  4. Вакуумные спин-покрытием МАВ в течение 30 мин и выпекать чипа в печи при 70 ° С в течение 20 мин.

7. Калибровка PEDOT-PSS полимерные сопряженных с рН и карбонатной (CO 3 2 -) с ионообменной мембраной

  1. Условие МАБ в течение ночи в 10 мкМ бикарбонат натрия (NaHCO 3) и 5 мМ хлорид калия (KCl) в средствах массовой информации водорослей.
  2. Вставьте МАБ в микрожидкостной поток-клеточного чипа держателя.
  3. Введите 5 мл исследуемого раствора с начальным значением рН или концентрации (например, при рН 4 или 10 мкМ для CO 3 2 -). Удалите пузырькиБлес от потока-клеточного чипа держателя.
  4. Поместите поток-клеточного чипа держатель на поток-клеток электрического прибора.
  5. Откройте программу ЕС эпсилон и введите холостого потенциала (ОП) режиме. Установите время 300 мин, напряжение масштабе ± 1 В, а частота среза до 10 кГц, и запишите значение раз в 2 сек.
  6. Пусть МАБ стабилизации (ищите плоская линия) перед продолжением процесса калибровки.
  7. Как только стабилизируется МАБ, промойте проточной ячейки с испытуемым раствором и ввести следующую концентрацию быть откалиброван (рН 5 или 25 мкм CO ​​3 2 -). Убедитесь, что не было пузырей разрешили войти в проточную ячейку. Повторите этапы 7,5 и 7,6 для рН 6, 7, 8, 9 или СО 3 2 - концентрациях 50, 75, 100, 250, 500, 750 и 1000 мкМ.
  8. После последней концентрации побежал, удалите МАБ и сухой азот с воздуха.
  9. Положите заднюю МАБ в свежий раствор для кондиционирования до следующего использования.

8. Калибровка PEDOT: CaSO 4 полимерные сопряжены в CaCl 2

  1. Условие МАБ ночь в 7 мл 0,1 М CaCl 2 и 10 мкМ NaNO 3.
  2. Выполните шаги похожи на 7.2 - 7.10. На шаге 8.3, заменить раствором карбоната тест при начальной концентрации 0,01 мМ CaCl 2. Повторите тест-раствор концентрации 0,05, 0,1, 0,5, 1 и 10 мМ.

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

Results

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

Примером циклического вольтамперограмме (CV) Результат PEDOT: PSS и соответствующей катодной пиковый ток (I P) в зависимости от скорости сканирования (у 1/2) показаны на фиг.5а и 5b соответственно. PEDOT: CaSO 4 при различных скоростях сканирования и его катодной пиковый ток не показаны. Использование Рэндлса-Sevcik анализ 10, эффективная площадь поверхности твердого контакта PEDOT: PSS и PEDOT: CaSO 4 без ион-селе...

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

Discussion

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

МАВ состоит из биочипа ASSISEs, которые построены из ISM вершине PEDOT на основе сопряженных CP трансдукции слой на электроде Pt, сочетание которых преобразовывает ионной концентрации интерес к измеримой электрический сигнал. Стабильный потенциал электрода определяется как слой CP и слой ISM. Оба слоя также определить рабочий срок службы МАВ и качество (шум, дрейф) измеренного электрического сигнала.

PEDOT особенно привлекательным в качестве слоя благодаря трансдукции как его ионные и электр...

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

Disclosures

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

Нам нечего раскрывать.

Acknowledgements

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

Мы хотели бы поблагодарить астробиологии NASA науки и технологий разработки приборов (ASTID) Программы финансовой поддержки (грантов номера 103498 и 103692), Гейл Локвуд из Birck Nantechnology Центр Университета Пердью для wirebonding из МАБ устройств и Хен Джун Парк САПР потока-клеток камеры.

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-этилендиокситиофенСигма-Олдрич483028
поли(4-стиролсульфонат натрия)Сигма-Олдрич243051
ЕС эпсилон гальваностат/потенциостатБиоаналитические системы Inc.e2P
насыщенный Ag/AgCl электрод сравненияBioanalytical Systems Inc.MF-2052
Pt марляAlfa Aesar10283
Феррицианид калияSigma-AldrichP-8131
Нитрат калияJ.T. Baker3190-01
Бикарбонат натрияMallinckrodt/Macron7412-12
Карбонат натрияSigma-AldrichS-7127
Хлорид кальцияJ.T. Baker1311-01
Хлорид калияSigma-AldrichP9541
Сульфат кальцияSigma-Aldrich237132
C3 клеточный стендBioanalytical Systems Inc.EF-1085
чипа Flow-cellCustom, любезно предоставлено NASA Ames
Проточный электрический приборCustom, любезно предоставлен NASA Ames
Table 2. Специфические реагенты и оборудование.
Держатель

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