Summary
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.
Protocol
1. Получение поли (3,4-этилендиокситиофена): поли (натрий 4-стиролсульфоната) (PEDOT: PSS) электрополимеризации решение для Н + и CO 3 2 - ионы
- Добавить 70 мг поли (натрий 4-стиролсульфоната) (PSS Na + -) в 10 мл деионизированной (ДИ) воды и вихрь до полного диспергирования (примерно 10 секунд).
- 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 +
- Добавить 136 мг сульфата кальция (CaSO 4) по 10 мл деионизированной воды и вихревые, решение не будет полностью разойтись и кажется молочной.
- Добавить 10,7 мкл Edot к решению в 2,1 и вихревые, пока полностью перемешаны.
3. Электрополимеризации из PEDOT основеПолимерные
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- Выполните пункты 3.1-3.3 выше.
- 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
- Депозит проводящий полимер сопряженного специфичных для ионов представляет интерес как в шаге 3.
- Применить ион-селективные мембраны, как в шаге 6.
6. Применение ионообменной мембраной
- Центр МАБ на вакуумном Spinner патрона.
- Депозит 100 мкл мембран на центр МАБ и запустить.
- 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.
- 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
- Условие МАБ в течение ночи в 10 мкМ бикарбонат натрия (NaHCO 3) и 5 мМ хлорид калия (KCl) в средствах массовой информации водорослей.
- Вставьте МАБ в микрожидкостной поток-клеточного чипа держателя.
- 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.
- Поместите поток-клеточного чипа держатель на поток-клеток электрического прибора.
- 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.
- Пусть МАБ стабилизации (ищите плоская линия) перед продолжением процесса калибровки.
- 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.
- После последней концентрации побежал, удалите МАБ и сухой азот с воздуха.
- Положите заднюю МАБ в свежий раствор для кондиционирования до следующего использования.
4 полимерные сопряжены в CaCl 2
- Условие МАБ ночь в 7 мл 0,1 М CaCl 2 и 10 мкМ NaNO 3.
- 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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-селективные мембраны были признаны 4,4 · 10 -11 см 2 и 5,8 × 10 -11 см 2 соответственно. Эти значения являются относительно небольшими по сравнению с предыдущими сообщили электродов из-за размера электрода составляет ~ 130 раз меньше, чем размер электрода зарегистрированы в нашей исследовательской группе 11. Следует отметить, что электрод MAB эффективную площадь поверхности может быть повышена путем модификации поверхности с наноматериалов 11.
Т "> Результаты калибровки для ИСЭ на основе PEDOT: PSS полимерные конъюгаты водорослей в среде с рН в пределах от 4 до 9 после 20 дней хранения в среде водорослей показано на рисунке 6 Изменение наклона профиля может быть связано с комплексом. биологическая среда (АТСС среда:. Решение 1,0 л Бристоля и 1,0 г протеазы Пептонная (BD диагностической системы, Sparks, MD, США), которая имеет загрязнение соединениями и вмешательства солей, которые могут повлиять на точность замеров Целью работы является проверка свиты возможностями приобрести измерений в реальном клеточной культуры среды.Обратимся теперь к результатам калибровки для PEDOT: PSS в карбонатных (CO 3 2 -) раствор с концентрацией от 0,01 до 1 мм в обоих водорослей биологической среде и водорослей биологической среде буфером при рН 8,5 (рис. 7). Измерения выполняются при рН 7,8. На вставке показано изменение концентрации, с понижением склон с буферомрешение. Результаты показывают, рН зависимость карбонат-селективного электрода. Эти результаты имеют смысл, если учесть существование различных видов карбонатов в растворенном виде, а именно H 2 CO 3 (угольная кислота), НСО 3 - (бикарбонат) и CO 3 2 - (карбонат). РК значение A1 для угольной кислоты в бикарбонат форме составляет 6,4 в то время как значения первичного ключа A2 из бикарбоната в карбонат составляет 10,4. Если рН больше рКа, вид в депротонированной форме, в то время, когда рН ниже, чем рКа, вид в его протонированной форме. Поскольку измерения проводятся при рН 7,8, большинство видов в форме бикарбоната. Приращение напряжения коррелирует с приращением в карбонатных видов. Из-за рН зависимость концентрации карбоната, необходимо учитывать эту зависимость при проведении измерений в биологических средах. Измерений с использованием МАБ с PEDOT: PSS основеISE в 150 мкл среды, содержащей водоросли микроводорослей хлорелла при рН 7,8 показаны на рисунке 8. Отметим, 30 мВ, что изменение коррелирует с десяти лет изменение концентрации карбоната в чередующихся светлых и темных условиях. Эти результаты можно объяснить, рассматривая физиологической активности микроводорослей в процессе фотосинтеза. При недостаточном водоросли остаются в состоянии покоя, где нет фотосинтетической активности не происходит. Это можно видеть на графике, где мВ чтения остается постоянным и близко к начального чтения базовой линии. Как только водоросли подвергаются воздействию света, они активно проходит фотосинтез, поэтому снижение НСО 3 - и CO 3 2 уровня наблюдается, как ожидалось. С точки зрения мВ чтении этого должно соответствовать увеличению напряжения с уровнями HCO 3 - и CO 3 2 уровни уменьшаются. Результаты калибровки для PEDOT: CaSO 4 вРаствор CaCl2 в концентрациях от 0,01 до 1 мм приведены на рисунке 9. PEDOT: CaSO 4 используется для модели 3D формате электрода для измерения уровня кальция из папоротника richardii споро Ceratopteris; эти результаты не приводятся. Результаты показывают, почти нернстовским склоне профиль для 30 мВ на декаду изменения концентрации Са 2 +. Результат калибровки будет использоваться для измерения текущего уровня кальция в прорастающих папоротник спор. Эти результаты не приводятся.
Для проведения всех измерений, измерение линейного диапазона специально разработана для соответствия диапазон, необходимый для приложения.
Рисунок 1. Multi-аналита биочип (МАВ). Биочип состоит из нескольких рабочим и контрольным электродами.
er.within-страница = "всегда">
Рисунок 2. MAB конструкции схемы. МАВ в 10 х 11 мм биочипа, который состоит из 9 электродов Pt (диаметр 240 мкм), предназначенные как ISE рабочих электродов (WES) и 5 Pt (диаметр 480 мкм) электроды предназначены в качестве электродов сравнения (УЭ ). Два набора, состоящего из трех электродов разделяют электрод сравнения (RE), а остальные три имеют свои собственные RE. Наборы из трех Уэс ВИЭ общей предназначены для потенциометрических измерений, а остальные предназначены для амперометрическом измерения. Уэс и соответствующий УЭ равном интервале 1,4 мм друг от друга. Эти электроды подключены к контактным площадкам Pt (0,5 х 0,5 мм), расположенный на одном конце биочипов.
20fig3.jpg "/>
Рисунок 3. BASI клетки стенд трехэлектродных потенциостат / гальваностат системы. BASI электрически соединен с Микрожидкостных поток-клеток камере и записывает измерения напряжения в режиме реального времени.
Рисунок 4. Микрофлюидных поток-клеток камеры. Шприц соединен на входе и на выходе из камеры Микрожидкостных толкать измерения жидкости на биочипов.
Рисунок 5. (А) Циклическая профилей вольтамперометрии при различных скоростях сканирования и (б) соответствующая катодного пика против скорости сканирования для Randles-Sevcik . анализа, основанного на Randles-Sevcik анализа, эффективные площади поверхности электродов расчетам, должны были 4,4 х 10 -11 см 2 и 5,8 х 10 -11 см 2 для PEDOT: PSS и PEDOT:. CaSO 4 соответственно Щелкните здесь для просмотра увеличить рисунок .
Рисунок 6. Калибровка профиль для MAB Ises на основе PEDOT:. PSS в растворе при увеличении рН 4 различных измерений, выполненных с тем же биочипа в течение 28 дней Результаты показывают больший диапазон ошибок при рН 4 из-за колебаний ионов Н + при Нижний предел обнаружения.
Юр 7 "FO: Content-ширина =" 5.5in "FO: SRC =" / files/ftp_upload/50020/50020fig7highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50020/50020fig7.jpg "/>
Рисунок 7. Калибровка профиль для MAB Ises на основе PEDOT: PSS в СаСО3 решение при увеличении концентрации CO 3 2 - в обоих водорослей средних и буферный водорослей среде при рН 8,5 Результаты показывают влияние рН на СО 3 2 - чувствительный из-за. Наличие нескольких видов карбонат на различных константа диссоциации (рКа) ценности - H 2 CO 3 (угольная кислота), НСО 3 - (бикарбонат) и CO 3 2 - (карбонат). С МКА должны выполнять измерения в природных образцах, калибровка производится с небуферизованном водорослей СМИ, показывая наклон -30 мВ на декаду изменения CO 3 2 - концентрации.
0020/50020fig8highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50020/50020fig8.jpg "/>
Рисунок 8. CO 3 2 -. Измерения концентрации с биологической модели хлорелла при естественном свете и в темноте показывает 30 мВ изменить это ~ 30 мВ изменение коррелирует с изменением десятилетия CO 3 2 - концентрации. Контроль только с водорослей среды не показывает ответ, что свидетельствует о функциональной биочипов.
Рисунок 9. Калибровка профиль для MAB Ises на основе PEDOT:. PSS в раствор CaCl2 при увеличении концентрации Результаты показывают почти нернстовским наклон профиля для двухвалентных катионов на 30 мВ на декаду изменение концентрации Са 2 +.
Таблица 1. Ион-селективных мембран химического состава. Все мембранные композиции растворены в растворителе (циклогексанон) при 10% вес / объем. Для всех мембраны композиции, 4,3 мг тетрахлорида кремния (Sigma Aldrich, каталожный номер: 215120) добавляли к 100 мг сухих компонентов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 электронные свойства (когда в его окисленной форме). PEDOT имеет потенциал для высокой окислительно-восстановительной емкости для минимизации проводящим электродом поляризационных эффектов, мы измерили его стабильной окислительно-восстановительный потенциал в 153 мВ ± 6 против Ag / AgCl. Эта характеристика необходима для потенциального стабильность ISE, который использует твердый внутренний контакт 12. PEDOT: PSS CP конъюгат используют в качестве преобразователя для SMALL одновалентных катионов (например, H +) и двухвалентных анионов (например, CO 3 2 -). Нелинейного профиля склона карбонат-селективного электрода связано с его зависимостью от рН. Для измерений с микроводорослей, одновременное измерение должно быть сделано для H + и CO 3 2 - ионами. Результат для СО 3 2 - измерения аналогична обычной электродов 13 и аналогичных плоских электродов, которые намного больше по размерам 14. Таким образом, геометрия электродов сообщила о здесь не изменяет потенциометрическом свойствами. Кроме того, когда раствор буфером при рН 8,5, наклон профиль десятилетие изменение CO 3 2 - концентрация уменьшается от -30 до -17 мВ. Это можно объяснить тем фактом, что H 2 CO 3, НСО 3 -, CO 3 2 - и растворенного CO 2 все сосуществовать в водном растворе, и этот equilibriuм зависит от рН. Необходимы дополнительные исследования для изучения этого аспекта результатов карбонат-иона. Для измерений с двухвалентные катионы, заменим PSS Counter-иона с CaSO 4 соли, в результате чего PEDOT: CaSO 4 сопряженных полимеров. Мы считаем, что избыток двухвалентного Са 2 + катиона из CaSO 4 растворенный в полимере сопряженных предотвращает связывание измеренных Са 2 + из раствора образца.
Электрохимические методы (циклические вольтамперные и гальваностатический) используются, чтобы приспособить физические и электрохимические свойства PEDOT на основе сопряженных полимеров. Такие электрохимические методы осаждения могут быть использованы для быстрого строительства ASSISEs. Применение ASSISEs не ограничивается ион датчиков; CP конъюгаты могут функционализированных биомолекул и МАВ может функционировать в качестве биосенсора. Благодаря долгосрочной функциональной жизни рабочих продемонстрировать с ИСЭ для ионов Н +, МАБ SuitaBLE для приложений, требующих долгосрочного мониторинга в сложных биологических жидких средах среды. Следовательно, она имеет потенциал, чтобы быть полезным в в естественных условиях биомедицинских исследований и долгосрочного мониторинга ионов в скрининга лекарственных средств.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нам нечего раскрывать.
Acknowledgments
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.
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3,4-Ethylenedioxythiophene | Sigma-Aldrich | 483028 | |
Poly(sodium 4-styrenesulfonate) | Sigma-Aldrich | 243051 | |
EC epsilon galvanostat/potentiostat | Bioanalytical Systems Inc. | e2P | |
Saturated Ag/AgCl reference electrode | Bioanalytical Systems Inc. | MF-2052 | |
Pt gauze | Alfa Aesar | 10283 | |
Potassium ferricyanide | Sigma-Aldrich | P-8131 | |
Potassium nitrate | J.T. Baker | 3190-01 | |
Sodium bicarbonate | Mallinckrodt/ Macron | 7412-12 | |
Sodium carbonate | Sigma-Aldrich | S-7127 | |
Calcium chloride | J.T. Baker | 1311-01 | |
Potassium chloride | Sigma-Aldrich | P9541 | |
Calcium sulphate | Sigma-Aldrich | 237132 | |
C3 cell stand | Bioanalytical Systems Inc. | EF-1085 | |
Flow-cell chip holder | Custom, courtesy of NASA Ames | ||
Flow-cell electrical fixture | Custom, courtesy of NASA Ames | ||
Table 2. Specific reagents and equipment. |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bobacka, J. Conducting Polymer-based Solid-state Ion-selective Electrodes. Electroanalysis. 18 (1), 7-18 (2006).
- Buck, R. Ion Selective Electrodes in Analytical Chemistry. , Plenum Press. New York. (1980).
- Nam, H., Cha, G. S. Chapter 18. Biosensors and their Applications. Yang, V. C., Ngo, T. T. , Kluwer Academic/Plenum Publishers. N.Y. (2000).
- 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).
- 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).
- Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. ed, 2nd , 2nd ed, Wiley. New York. (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).