Методическая статья

Слияние концентрации ионов поляризация между Сочетавший ионообменные мембраны для блокирования распространения радиоволн в поляризационных зоны

DOI:

10.3791/55313

⸱

23 февраля 2017 г.

 ,  ,  ,  , 
1Center for BioMicrosystems, Korea Institute of Science and Technology, 2Department of Mechanical Engineering, Seoul National University, 3Department of Industrial Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign

В этой статье

Краткое содержание

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

Протокол к новой концентрации ионов поляризация (ICP) платформу, которая может остановить распространение зоны ICP, независимо от условий эксплуатации описана. Эта уникальная способность платформы заключается в использовании слияния ионную истощение и обогащение, которые являются двумя полярностей ПМС явления.

Аннотация

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

Концентрация ионов поляризация (ИСП) явление является одним из наиболее преобладающих методов предконцентрат низкой плотности залегания биологических образцов. ICP индуцирует неинвазивный область для заряженных биомолекул (т.е. ион Истощение зона), и цели могут быть preconcentrated на этой области границы. Несмотря на высокие концентрирование выступления с ПМС, то трудно найти условий эксплуатации, не являющихся распространяющихся зон истощения ионов. Для преодоления этого узкого рабочего окна, недавно мы разработали новую платформу для spatiotemporally фиксированной предконцентрации. В отличие от предшествующих способов , которые используют только истощение ионов, эта платформа также использует противоположную полярность ПМС (т.е. ионов обогащения) , чтобы остановить распространение зоны истощения ионов. Противостоя зону обогащения с зоной истощения, обе зоны сливаются вместе и останавливаются. В этой статье мы описываем подробный экспериментальный протокол для построения этого spatiotemporally определенный ICP Макс.высотаОРМ и характеризуют динамику концентрирование новой платформы, сравнивая их с таковыми из обычного устройства. Качественные профили концентрации ионов и ответы текущего времени успешно захватить различную динамику между объединенном ПМС и автономных ПМС. В отличие от обычных тот, который может исправить положение концентрирование только на ~ 5 V, новая платформа может произвести целевой конденсированные пробку в определенном месте в широком диапазоне рабочих условий: напряжение (В) 0,5-100, ионной силы (1-100 мМ), и рН (3.7-10.3).

Введение

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

Концентрации ионов поляризация (ИСП) относится к явлению , которое происходит в процессе обогащения ионов и истощения ионов на полупроницаемую мембрану, что приводит к дополнительному падению потенциала с градиентов концентраций ионов 1, 2. Этот градиент концентрации является линейным, и оно становится более крутым, как более высокое напряжение не приложено (омическом режиме) до концентрации ионов на мембране стремится к нулю (режим ограничения). При этом ограниченном диффузией состоянии, градиент (и соответствующий поток ионов), как известно, максимизировать / насыщенный 1. Помимо этого традиционного понимания, когда напряжение (или ток) дополнительно увеличивается, наблюдается ток сверхпредельного, с плоскими зонами истощения и очень резких градиентов концентрации на границе зоны 1, 3. Плоская зона имеет очень низкую концентрацию ионов, но с поверхностной проводимостью, электро-osmoti с потоком (EOF), и / или электро-осмотического неустойчивость способствуют ионного потока и индукции сверхпредельного ток 3, 4, 5. Интересно отметить , что плоская зона истощение служит электростатический барьер, который отфильтровывает 6, 7, 8, 9 и / или предконцентраты целей 10, 11. Поскольку существует недостаточное количество ионов для скрининга поверхностных зарядов заряженных частиц (для удовлетворения электронейтральности), частицы не могут проходить через эту зону истощения и, следовательно, выстраиваются в очередь на ее границе. Этот нелинейный эффект ПМС является общим явлением в различных типах мембран 10, 11, 12, 13,> 14 и геометрические формы 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; Именно поэтому исследователи смогли разработать различные типы фильтрации 6, 7, 8, 9 и концентрирование 10, 11 устройств с использованием нелинейного ВЧД.

Даже при такой высокой гибкостью и прочностью, он по-прежнему практической задачей для уточнения условий эксплуатации для нелинейных устройств ПМС. Нелинейный режим ПМС быстро удаляет катионы через катионообменную мембрану, что приводит к перемещению анионов, движущихся по направлению к аноду. КакРезультат, плоская зона обеднения распространяется быстрее, что напоминает о распространении 22 ударной. Мани и др. называется эта динамика деионизации (или истощение) шок 23. Для целей концентрирования в назначенном определения положения, предотвращая расширение зоны истощения ионов необходимо, например, путем применения ВФ или приводимые в действие давлением потока от зоны расширения 24. Zangle и др. 22 выяснены критерии распространения ПМС в одномерной модели, и она сильно зависит от электрофоретической подвижности 17, ионной силы 18, рН 25, и так далее. Это указывает на то, что соответствующие рабочие условия будут изменены в соответствии с условиями образца.

Здесь мы представляем детальное проектирование и экспериментальные протоколы для романа МСП платформы, предконцентраты цели в рамках spatiotempв устной форме определяется положение 26. Расширение зоны истощения ионов блокируется зону обогащения ионов, в результате чего стационарный концентрирование пробку в назначенное положение, независимо от времени работы, приложенного напряжения, ионной силы и рН. Этот подробный протокол видео предназначено, чтобы показать самый простой способ интеграции обмена мембран катионов в микрожидкостных устройств и продемонстрировать производительность концентрирование новой платформы МСП по сравнению с обычной.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Изготовление катионообменной мембраны интегрированных микрожидком Chips

  1. Получение кремния мастеров
    1. Дизайн два вида кремниевых мастеров: один для кучность катионообменной смолы, а другой для построения микроканале с полидиметилсилоксан (PDMS).
      Примечание: Геометрия подробно будет описано в шагах 1.3.1 и 1.4.1.
    2. Изготовить мастеров кремния, используя либо обычную фотолитографии или глубокую реактивное ионное травление 27.
    3. Silanize в micropatterned кремния мастеров с трихлорсилана (~ 30 мкл) в вакуумной баночке в течение 30 мин.
      ВНИМАНИЕ: трихлорсилана пирофорное жидкость , которая является горючим и имеет острую токсичность ( при вдыхании, перорального приема внутрь).
  2. Приготовление PDMS форм
    1. Смешайте силиконовой эластомерной основу с отвердителем в соотношении 10: 1, и поместите чашку с этим неотвержденного PDMS(30-40 мл на тиражирование микроструктур на 4-в кремниевую пластину) в вакуумной баночке в течение 30 мин, чтобы удалить пузырьки.
      Примечание: Силикон база содержит силоксановых олигомеров, заканчивающиеся с виниловыми группами и катализатор на основе платины. Отвердитель содержит сшивающий олигомеры , которые имеют три кремний-гидридных связей 28.
    2. Налейте неотвержденного PDMS на мастеров кремния, удалить пузырьки с нагнетателем, и вылечить PDMS при 80 ° С в течение 2 ч в конвекционной печи.
    3. Отделить отвержденных PDMS от мастеров кремния и правильно формировать PDMS с ножом (среднеквадратичное формы, как показано на рисунке 2а-б, IV).
  3. Паттернирования катионообменной мембраны
    1. Вырезать половина формы PDMS перпендикулярно к двум параллельным микроканалов и пробивки отверстий на концах PDMS каналов с трепанобиопсия 2,0-мм.
      ПРИМЕЧАНИЕ: PDMS пресс-форма для кучность катиона мембрану имеет два парАллель микроканалы (ширина: 100 мкм; высота: 50 мкм; Межканальная расстояние: 100 мкм; Рисунок 1a). Оригинальная форма пресс-формы можно себе представить, отражая нарезанную форму вдоль линии реза. L-образные микроканалы рекомендуются для пробивки двух отверстий без перекрытия.
    2. Очистите стекло и пресс-формы PDMS с лентой и грушей и поставить форму на предметное стекло для создания обратимое прикрепление между ними.
    3. В соответствии с технологией MicroFlow структуризации 29, выпуск ~ 10 мкл катионообменной смолы на открытом конце канала , который разрезали на этапе 1.3.1 (рисунок 1b). Установите головку шприца на перфорированных отверстий и потяните поршень (черные стрелки на рисунке 1b); нежный отрицательное давление будет тянуть катионообменной смолы, и смолу будет заполнить два канала.
      Примечание: Рекомендуется, чтобы высота микроканала больше 1581; м, потому что высокая вязкость смолы требует высокого давления, чтобы заполнить каналы. С другой стороны, это лучше, что высота не превышает 100 мкм, поскольку узорной ионоизбирательная мембрана становится толще, чем 1 мкм; такая толстая мембрана может создать зазор между мембраной и PDMS канал 13.
    4. Отделить пресс-формы PDMS, не касаясь узорчатую смолы и поместите предметное стекло на нагреватель при температуре 95 ° С в течение 5 мин для испарения растворителя в смоле.
      Примечание: Толщина узорчатого мембраны, как правило, меньше, чем <1 мкм. Форму осторожно отделяют путем шарнирного пресс - формы для открытого состава боковой (пунктирной линией и стрелкой на рисунке 1b). Лучше всего, чтобы отсоединить пресс-форму менее чем через 1 минуту после заполнения смолы. Если форма отрывается через несколько минут, более толстые мембраны могут быть получены, но они будут иметь вогнутую форму вследствие капиллярного эффекта.
    5. Снимают ненужноечасть узорчатых мембраны с бритвенным лезвием, делая две отдельные строки-шаблоны (рис 1c).
      Примечание: Обменный материал катионом используемый здесь перфторированный группы, а это означает шаблон не сильно связан со стеклом. Таким образом, простой метод облопачивание может легко удалить ненужную часть мембраны.
  4. Интеграция микроканала и мембраной с рисунком подложке
    1. Удар два отверстия на концах микроканалов и еще два отверстия, где образцы мембран будут расположены после приклеивания канала PDMS к мембране с рисунком подложке, изготовленной на этапе 1.3.
      Примечание: Микроканал ПДМС имеет один канал (ширина: 50-100 мкм; высота: 10 мкм), но она связана с концами соседнего канала (рис 1d).
    2. Бонду Микроканал PDMS к мембране с рисунком подложки сразу после плазменной обработки кислородом в течение 40 с при 100 Вт и 50 мТорр,
      ПРИМЕЧАНИЕ: Поместите узорчатую мембрану перпендикулярно к середине микроканала.

2. МСП по концентрирование

  1. Подготовка к эксперименту
    1. Готовят различные тестируемые растворы, в том числе 1-100 мМ KCl, 1 мМ NaCl (рН ~ 7), смесь 1 мМ NaCl и 0,2 мМ HCl (рН ~ 3,7), смесь 1 мМ NaCl и 0,2 мМ NaOH (рН ~ 10.3), и 1x фосфатным буферным солевым раствором.
    2. Добавить отрицательно заряженного флуоресцентного красителя (~ 1,55 мкм) в тестируемых растворах.
      Примечание: Концентрация добавляемого красителя должна быть значительно ниже , чем у ионов соли (<10 мкм) , так что заряженные красители не вносят вклад в электрический ток 30, 31.
    3. Нагрузка образца раствора в одном резервуаре канала и применить отрицательное давление в другой резервуар, чтобы заполнить канал с раствором. Соедините два резервуара гидродинамически через гeleasing большую капельку , чтобы устранить градиент давления вдоль канала (рис 2а).
    4. Заполните два резервуара, которые связаны с шаблонами катионного обмена с буферными растворами (1 М KCl или 1 М NaCl) с помощью шприца или пипетки, чтобы компенсировать эффект ПМС в резервуарах.
    5. Поместите провода на водохранилищах, через два рельефных мембран (анод на левом резервуаре и катодом справа), и соединить их с измерительным блоком источника (рис 2а).
  2. Визуализация МСП явления и МСП по предконцентрации
    1. Загрузите устройство ICP на перевернутом эпифлуоресцентной микроскопом. Подайте напряжение (0,5100 V) и измерения отклика тока с измерительным блоком источника.
    2. Захват флуоресцентные изображения с камерой прибор с зарядовой связью и анализа интенсивности флуоресценции с помощью программного обеспечения визуализации 32.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Принципиальные шаги изготовления мембранного интегрированных микрожидком предконцентратор показаны на рисунке 1. Подробное описание изготовления дается в Протоколе. По своей конструкции и изображения устройства в соответствии с spatiotemporally определенной предконцентратор 26 контрастируют с теми обычного предварительного концентрирования 11 (рисунок 2). МСП явление в spatiotemporally определенной предконц...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Мы описали протокол изготовление и рабочие характеристики spatiotemporally определенной предконцентратор в диапазоне от приложенного напряжения (V) 0,5-100, ионная сила (1-100 мМ) и рН (3.7-10.3), достигая в 10000 раз концентрирование красителей и белка в течение 10 мин. Как как и предыдущие устройства ICP, производительность концентрирование становится лучше при более высоком напряжении и при более низкой ионной силы. Еще один параметр, который мы можем рассмотреть здесь является расстояние между двумя катионообменные ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана внутренним фондом Корейского института науки и технологий (2E26180) и программой Next Generation Biomedical Device Platform, финансируемой Национальным исследовательским фондом Кореи (NRF-2015M3A9E202888).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Sylgard 184 Набор силиконовых эластомеровDow Corning
ТрихлорсиланSigma Aldrich175552Высокотоксичная
перфторированная смола Nafion, 20 масс.%Sigma Aldrich527122
Хлорид натрияSigma Aldrich71394
Хлорид калияSigma Aldrich60121
Alexa Fluor 488 карбоновая кислота, сукцинимидиловый эфирInvitrogenA20000
Изотиоцианат-конъюгированный альбуминSigma AldrichA9771
Фосфатный буфер солевой раствор, 1xWengeneLB004-02
Tween 20Sigma AldrichP1379
Эпифлуоресцентный микроскопOlympusIX-71
Заряженный устройство камерыHamamtsu Co.ImageEM X2
Источник измерительной единицыKeithley Instruments2635A
Covance-MPFemto Science

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Probstein, R. F. Physicochemical Hydrodynamics: An Introduction. , Wiley-Interscience. New York. (2003).
  2. Strathmann, H. Ion-Exchange Membrane Separation Processes. , Elsevier. Amsterdam. (2004).
  3. Dydek, E. V., et al. Overlimiting Current in a Microchannel. Phys. Rev. Lett. 107 (11), 118301(2011).
  4. Kwak, R., Pham, V. S., Lim, K. M., Han, J. Y. Shear flow of an electrically charged fluid by ion concentration polarization: scaling laws for electroconvective vortices. Phys. Rev. Lett. 110 (11), 114501(2013).
  5. Rubinstein, I., Zaltzman, B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane. Phys. Rev. E. 62 (2), 2238-2251 (2000).
  6. Kwak, R., Kim, S., Han, J. Continuous-flow biomolecule and cell concentrator by ion concentration polarization. Anal. Chem. 83 (19), 7348-7355 (2011).
  7. Jeon, H., Lee, H., Kang, K. H., Lim, G. Ion concentration polarization-based continuous separation device using electrical repulsion in the depletion region. Sci.Rep. 3, 3483(2013).
  8. Kim, S. J., Ko, S. H., Kang, K. H., Han, J. Direct seawater desalination by ion concentration polarization. Nat. Nanotechnol. 5 (4), 297-301 (2010).
  9. MacDonald, B. D., Gong, M. M., Zhang, P., Sinton, D. Out-of-plane ion concentration polarizationfor scalable water desalination. Lab Chip. 14 (4), 681-685 (2014).
  10. Schoch, R. B., Han, J. Y., Renaud, P. Transport phenomena in nanofluidics. Rev.Mod. Phys. 80 (3), 839-883 (2008).
  11. Kim, S. J., Song, Y. A., Han, J. Nanofluidic concentration devices for biomolecules utilizing ion concentration polarization: theory, fabrication, and applications. Chem. Soc. Rev. 39 (3), 912-922 (2010).
  12. Mai, J. Y., Miller, H., Hatch, A. V. Spatiotemporal mapping of concentration polarization Induced pH changes at nanoconstrictions. ACS Nano. 6 (11), 10206-10215 (2012).
  13. Kim, B., et al. Tunable ionic transport for a triangular nanochannel in a polymeric nanofludic system. ACS Nano. 7 (1), 740-747 (2013).
  14. Mangano Syed, A., Mao, L., Han J, P., Song, Y. -A. Creating sub-50 nm nanofluidic junctions in a PDMS microchip via self-assembly process of colloidal silica beads for electrokinetic concentration of biomolecules. Lab Chip. 14, 4455-4460 (2014).
  15. Wang, Y. C., Stevens, A. L., Han, J. Y. Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter. Anal. Chem. 77 (14), 4293-4299 (2005).
  16. Lee, J. H., Cosgrove, B. D., Lauffenburger, D. A., Han, J. Microfludic concentration-enhanced cellular kinase activity assay. J. Am. Chem. Soc. 131 (30), 10340-10341 (2009).
  17. Cheow, L. F., Han, J. Y. Continuous signal enhancement for sensitive aptamer affinity probe electrophoresis assay using electrokinetic concentration. Anal. Chem. 83 (18), 7086-7093 (2011).
  18. Ko, S. H., et al. Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization. Lab Chip. 12 (21), 4472-4482 (2012).
  19. Gong, M. M., Nosrati, R., Gabriel, M. C. S., Zini, M., Sinton, D. Direct DNA analysis with paper-based ion concentration polarization. J. Am. Chem. Soc. 137 (43), 13913-13919 (2015).
  20. Hong, S., Kwak, R., Kim, W. Paper-based flow fractionation system applicable to preconcentration and field-flow separation. Anal. Chem. 88 (3), 1682-1687 (2016).
  21. Han, S. I., Hwang, K. S., Kwak, R., Lee, J. H. Microfluidic paper-based biomolecule preconcentrator based on ion concentration polarization. Lab Chip. 16, 2219-2227 (2016).
  22. Zangle, T. A., Mani, A., Santiago, J. G. Theory and experiments of concentration polarization and ion focusing at microchannel and nanochannel interfaces. Chem. Soc. Rev. 39 (3), 1014-1035 (2010).
  23. Mani, A., Bazant, M. Z. Deionization shocks in microstructures. Phys. Rev. E. 84, 061504(2011).
  24. Slouka, Z., Senapati, S., Chang, H. C. Microfluidic systems with ion-selective membranes. Annu. Rev.Anal. Chem. 7, 317-335 (2014).
  25. Kirby, B. J., Hasselbrink, E. F. Zeta potential of microfluidic substrates: 1. Theory, experimental techniques, and effects on separations. Electrophoresis. 25 (2), 187-202 (2004).
  26. Kwak, R., Kang, J. Y., Kim, T. S. Spatiotemporally defining biomolecule preconcentration by merging ion concentration polarization. Anal. Chem. 88 (1), 988-996 (2016).
  27. Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane). Anal. Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).
  28. Campbell, D. J., et al. Replication and compression of surface structures with polydimethylsiloxane elastomer. J. Chem. Educ. 76 (4), 537-541 (1999).
  29. Lee, J. H., Song, Y. A., Han, J. Y. Multiplexed proteomic sample preconcentration device using surface-patterned ion-selective membrane. Lab Chip. 8 (4), 596-601 (2008).
  30. Kwak, R., Guan, G., Peng, W. K., Han, J. Microscale electrodialysis: concentration profiling and vortex visualization. Desalination. 308, 138-146 (2013).
  31. Chambers, R. D., Santiago, J. G. Imaging and quantification of isotachophoresis zones using nonfocusing fluorescent tracers. Anal. Chem. 81, 3022-3028 (2009).
  32. Rasband, W. S. ImageJ. U.S. National Institutes of Health. , Bethesda, Maryland, USA. Available from: http://imagej.nih.gov/ij (2016).
  33. Minerick, A. R., Ostafin, A. E., Chang, H. C. Electrokinetic transport of red blood cells in microcapillaries. Electrophoresis. 23 (14), 2165-2173 (2002).
  34. Phan, D. -T., Shaegh, S. A. M., Yang, C., Nguyen, N. -T. Sample concentration in a microfluidic paper-based analytical device using ion concentration polarization. Sens. Actuators B. 222, 735-740 (2016).
  35. Rubinstein, S. M. Direct observation of a nonequilibrium electro-osmotic instability. Phys. Rev. Lett. 101, 236101(2008).
  36. Ouyang, W., et al. Microfluidic platform for assessment of therapeutic proteins using molecular charge modulation enhanced electrokinetic concentration assays. Anal. Chem. 88, 9669-9677 (2016).
  37. Cheow, L. F., Sarkar, A., Kolitz, S., Lauffenburger, D., Han, J. Detecting kinase activities from single cell lysate using concentration-enhanced mobility shift assay. Anal. Chem. 86, 7455-7462 (2014).
  38. Chen, C. -H., et al. Enhancing protease activity assay in droplet-based microfluidics using a biomolecule concentrator. J. Am. Chem. Soc. 133, 10368-10371 (2011).
  39. Kwak, R., Pham, V. S., Kim, B., Lan, C., Han, J. Enhanced salt removal by unipolar ion conduction in ion concentration polarization desalination. Sci. Rep. 6, 25349(2016).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи