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Bioengineering

Fusion Ion Concentration Polarisation entre juxtaposées échangeuses d'ions Membranes pour bloquer la propagation de la Zone Polarisation

Published: February 23, 2017 doi: 10.3791/55313
Automatic Translation
1,2, 1,3, 1, 1, 1
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

Summary

Le protocole pour une nouvelle polarisation de concentration d'ions (ICP) plate-forme qui peut arrêter la propagation de la zone ICP, quelles que soient les conditions de fonctionnement est décrit. Cette capacité unique de la plate-forme repose sur l'utilisation de la fusion de l'appauvrissement d'ions et d'enrichissement, qui sont deux polarités du phénomène ICP.

Abstract

Le phénomène de concentration d'ions de polarisation (ICP) est l'une des méthodes les plus dominants à préconcentré échantillons biologiques à faible abondance. Le PCI induit une région non invasive pour les biomolécules chargées ( à savoir la zone d'appauvrissement d'ions), et les cibles peut être préconcentré sur cette région frontalière. Malgré les performances de préconcentration élevés avec ICP, il est difficile de trouver les conditions d'exploitation des zones non-propagation de l'épuisement des ions. Pour surmonter cette fenêtre d'exploitation étroite, nous avons récemment développé une nouvelle plate-forme pour préconcentration spatiotemporellement fixe. Contrairement aux méthodes qui utilisent uniquement l' épuisement des ions précédentes, cette plate - forme utilise également la polarité opposée de l'ICP ( par exemple, l' enrichissement d'ions) pour arrêter la propagation de la zone d'appauvrissement d'ions. En confrontant la zone d'enrichissement de la zone d'appauvrissement, les deux zones se confondent et arrêter. Dans cet article, nous décrivons un protocole expérimental détaillé pour construire cette Plat ICP spatiotemporellement définiorm et caractériser la dynamique de préconcentration de la nouvelle plate-forme en les comparant avec celles du dispositif conventionnel. profils de concentration d'ions qualitatives et des réponses en temps actuel capturent avec succès les différentes dynamiques entre l'ICP fusionnée et le PCI autonome. Contrairement à une classique qui peut fixer l'emplacement de préconcentration à seulement ~ 5 V, la nouvelle plate-forme peut produire un bouchon cible condensé à un emplacement spécifique dans les larges gammes de conditions de fonctionnement: tension (0,5-100 V), la force ionique (1-100 mM) et le pH (3,7 à 10,3).

Introduction

La polarisation de concentration d' ions (PIC) se réfère à un phénomène qui se produit au cours de l' enrichissement en ions et de l' appauvrissement d'ions sur une membrane à perméabilité sélective, ce qui entraîne une chute de tension supplémentaire avec des gradients de concentration d'ions 1, 2. Ce gradient de concentration est linéaire, et il devient plus raide qu'une tension élevée est appliquée (régime ohmique) jusqu'à ce que la concentration en ions sur la membrane est proche de zéro (régime de limitation). A cette condition de diffusion limitée, le gradient (et flux d'ions correspondant) a été connu pour être maximisée / saturé 1. Au - delà de cette conception classique, lorsque la tension (ou courant) est encore augmentée, on observe un courant de overlimiting, avec des zones d'appauvrissement à plat et des gradients de concentration très nettes à la frontière de la zone 1, 3. La zone plane a une concentration d'ions très faible, mais à conduction de surface, de l'électro-osmoti c écoulement (EOF), et / ou électro-osmotique favorisent l' instabilité du flux d'ions et d' induire un courant overlimiting 3, 4, 5. Fait intéressant, la zone d'appauvrissement plat sert de barrière électrostatique qui filtre 6, 7, 8, 9 et / ou des pré - cibles 10, 11. Comme il y a une quantité insuffisante d'ions pour dépister les charges de surface des particules chargées (pour électroneutralité satisfaisant), les particules ne peuvent pas passer à travers cette zone d'appauvrissement et donc alignés à sa limite. Cet effet non linéaire ICP est un phénomène générique dans différents types de membranes 10, 11, 12, 13,> 14 et géométries 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; ceci est la raison pour laquelle les chercheurs ont été capables de développer différents types de filtration 6, 7, 8, 9 et préconcentration 10, 11 appareils utilisant l'ICP non linéaire.

Même avec une telle grande flexibilité et robustesse, il est encore un défi pratique de clarifier les conditions de fonctionnement des dispositifs non linéaires ICP. Le régime non linéaire de l'ICP élimine rapidement des cations à travers une membrane échangeuse de cations, ce qui provoque le déplacement d'anions se déplacent vers l'anode. Comme unPar conséquent, la zone de déplétion plat se propage rapidement, ce qui fait penser à un choc propagation 22. Mani et al. appelé cette dynamique de la désionisation (ou épuisement) choc 23. À préconcentrer des cibles à une détection de la position désignée, ce qui empêche l'expansion de la zone d'appauvrissement d'ions est nécessaire, par exemple, en appliquant EOF ou du débit commandé par la pression contre l'expansion de la zone 24. Zangle et al. 22 clarifié les critères de propagation ICP dans un modèle unidimensionnel, et il dépend fortement de la mobilité électrophorétique 17, la force ionique 18, pH 25, et ainsi de suite. Ceci indique que les conditions de fonctionnement appropriées seront modifiées en fonction des conditions de l'échantillon.

Ici, nous présentons la conception détaillée et des protocoles expérimentaux pour une nouvelle plate-forme ICP que préconcentrés cibles dans un spatiotempposition 26 définie par voie orale. L'expansion de la zone d'appauvrissement d'ions est bloquée par la zone d'enrichissement d'ions, en laissant un bouchon de pré-concentration stationnaire à une position assignée, quelle que soit la durée de fonctionnement, la tension appliquée, la force ionique et le pH. Ce protocole vidéo détaillé est destiné à montrer la méthode la plus simple pour intégrer des membranes échangeuses de cations dans des dispositifs microfluidiques et de démontrer la performance de préconcentration de la nouvelle plate-forme ICP par rapport au conventionnel.

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Protocol

1. Fabrication de Cation Exchange Membrane-intégré puces microfluidiques

  1. Préparation des maîtres de silicium
    1. La conception de deux types de maîtres de silicium: un pour la formation de motifs d'une résine échangeuse de cations et l'autre pour la construction d'un microcanal avec un polydiméthylsiloxane (PDMS).
      NOTE: La géométrie de détail sera décrit dans les étapes 1.3.1 et 1.4.1.
    2. Fabriquez les maîtres de silicium en utilisant soit la photolithographie classique ou ionique réactive profonde gravure 27.
    3. Silaniser les maîtres de silicium avec des microélectrodes trichlorosilane (~ 30 ul) dans un récipient sous vide pendant 30 min.
      ATTENTION: Trichlorosilane est un liquide pyrophore qui est inflammable et a une toxicité aiguë (inhalation, ingestion par voie orale).
  2. Préparation de moules PDMS
    1. Mélanger une base d'élastomère de silicone avec un agent de durcissement dans un rapport de 10: 1 et de placer la tasse avec cette PDMS non durcie(30 à 40 ml pour la réplication de microstructures sur un 4-en tranche de silicium) dans une fiole à vide pendant 30 min pour éliminer les bulles.
      REMARQUE: La base de silicone contient des oligomères de siloxanes se terminant par des groupes vinyle et d'un catalyseur à base de platine. L'agent de durcissement de réticulation contient des oligomères ayant trois liaisons silicium-hydrure 28.
    2. Verser les PDMS non durcis sur les maîtres de silicium, éliminer les bulles d'un ventilateur, et de guérir les PDMS à 80 ° C pendant 2 h dans un four à convection.
    3. Détachez les PDMS durcis par les maîtres de silicium et de façonner les PDMS avec un couteau bien (formes carrées, comme le montre la Figure 2a-b, iv).
  3. Modeler les membranes d'échange de cations
    1. Couper la moitié du moule PDMS perpendiculairement aux deux microcanaux parallèles et percer des trous au niveau des extrémités des canaux de PDMS avec une biopsie poinçon de 2,0 mm.
      REMARQUE: le moule PDMS de conformation de la membrane sélective de cations possède deux parmicrocanaux Allel (largeur: 100 um; hauteur: 50 pm; intercanaux distance: 100 um; Figure 1a). La forme originale du moule peut être imaginé par la mise en miroir du moule en tranches le long de la ligne de coupe. microcanaux en forme de L sont recommandés pour poinçonner les deux trous sans se chevaucher.
    2. Nettoyer une lame de verre et le moule PDMS avec du ruban adhésif et un ventilateur et placez le moule sur la lame de verre pour créer fixation réversible entre eux.
    3. Selon la technique microflux de formation de motif 29, la libération ~ 10 ul d'une résine échangeuse de cations à l'extrémité ouverte du canal qui a été découpé à l' étape 1.3.1 (Figure 1b). Placez la tête de la seringue sur les trous percés et tirer le piston (flèches noires dans la figure 1b); une pression négative douce va tirer la résine échangeuse de cations, et la résine remplira les deux canaux.
      NOTE: Il est recommandé que la hauteur du microcanal est supérieure à 1581; m, parce que la viscosité élevée de la résine nécessite haute pression pour remplir les canaux. D'un autre côté, il est préférable que la hauteur ne dépasse pas 100 um, parce que la membrane sélective d'ions à motif devienne plus épaisse que 1 pm; une telle membrane épaisse peut créer un espace entre la membrane et le canal 13 de PDMS.
    4. Détachez le moule PDMS sans toucher la résine à motifs et placer la lame de verre sur le chauffage à 95 ° C pendant 5 min pour évaporer le solvant dans la résine.
      NOTE: L'épaisseur de la membrane à motif est habituellement inférieure à <1 um. Le moule est délicatement détaché par articulation du moule sur le côté ouvert (ligne en pointillés et la flèche dans la figure 1b). Il est préférable de détacher le moule inférieur à 1 min après le remplissage de la résine. Si le moule est détaché quelques minutes plus tard, des membranes plus épaisses pourraient être obtenus, mais ils auraient une forme concave en raison de l'effet capillaire.
    5. Décollez l'inutileune partie de la membrane à motifs avec une lame de rasoir, faisant deux séparés ligne-modèles (Figure 1c).
      NOTE: Le matériau d'échange de cations utilisé ici a perfluorés des groupes, ce qui signifie le motif est pas fortement lié au verre. Par conséquent, la méthode de blading simple peut facilement enlever la partie inutile de la membrane.
  4. Intégration du micro - canal et le substrat de membrane à motifs
    1. Poinçonner deux trous aux extrémités des microcanaux et deux autres trous où les motifs de la membrane seront situées après la liaison du canal de PDMS sur le substrat de la membrane fabriquée à motif à l'étape 1.3.
      Note: Les microcanaux PDMS possède un canal (largeur: 50 à 100 um; hauteur: 10 pm), mais elle est collée sur les extrémités du canal (figure 1d) voisine.
    2. Lier le microcanal PDMS sur le substrat de membrane à motifs immédiatement après le traitement par plasma d'oxygène pendant 40 s à 100 W et 50 mTorr.
      NOTE: Placez la membrane à motif perpendiculairement au milieu du microcanal.

2. ICP Préconcentration

  1. Préparation pour l'expérience
    1. Préparer différentes solutions d'essai, y compris de 1 à 100 mM de KCl, 1 mM de NaCl (pH ~ 7), le mélange de 1 mM de NaCl et 0,2 mM de HCl (pH ~ 3,7), le mélange de 1 mM de NaCl et 0,2 mM de NaOH (pH ~ 10.3) et 1x solution saline tamponnée au phosphate.
    2. Ajouter un colorant fluorescent chargé négativement (~ 1,55 M) pour les solutions d'essai.
      Remarque: la concentration du colorant ajouté doit être beaucoup plus faible que celle des ions de sel (<10 uM) , de sorte que les colorants chargées ne contribuent pas à un courant électrique 30, 31.
    3. Charger la solution d'échantillon dans un réservoir du canal, et appliquer une pression négative à l'autre réservoir à remplir le canal avec la solution. Connecter les deux réservoirs hydrodynamiquement par releasing une grosse gouttelette afin d' éliminer le gradient de pression le long du canal (figure 2a).
    4. Remplir les deux réservoirs qui sont reliés aux modèles d'échange de cations, avec des solutions tampons (1 M de KCl ou de NaCl 1 M) à l'aide d'une seringue ou une pipette pour compenser l'effet du PCI dans les réservoirs.
    5. Placer les fils au niveau des réservoirs, à travers les deux membranes à motifs (anodiques sur le réservoir gauche et la cathode à droite), et les relier à une unité de mesure de la source (figure 2a).
  2. Visualisation du phénomène ICP et ICP préconcentration
    1. Chargez le dispositif ICP sur un microscope à épifluorescence inversé. Appliquer une tension (V 0,5100) et mesurer la réponse en courant avec une unité de mesure de la source.
    2. Capture d' images fluorescentes avec une caméra à dispositif à couplage de charge et d' analyser l'intensité de fluorescence en utilisant un logiciel d'imagerie 32.

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Representative Results

Les étapes de fabrication schématiques d'une membrane de préconcentration microfluidique intégré sont représentés sur la figure 1. Une description détaillée de la fabrication est donnée dans le Protocole. Les dessins et les images de l' appareil du préconcentrateur spatiotemporellement défini 26 sont comparées à celles d'un classique préconcentration 11 (Figure 2). Le phénomène ICP dans le préconcentrateur spatiotemporellement défini a été étudiée en termes de réponses tension-temps en cours et des profils d'intensité de fluorescence (Figure 3-4). Similaire au phénomène ICP avec une seule membrane de préconcentration 3, 11, trois régimes différents (ohmiques, ce qui limite et overlimiting) ont été observés dans la courbe courant-tension: 0,5 à 1 V (ohmiques et limitant) et 5 V (overlimiting) . Toutefois, une reprise actuelle nonconventional étaitdétecté dans la courbe courant-temps comme l'enrichissement d'ions et les zones de déplétion d'ions fusionnées. Ensuite, la préconcentration ICP a été testé à des moments différents et des tensions avec l'préconcentrateur spatiotemporellement définie (Figure 5) et le dispositif d' une membrane classique (figure 6). La dynamique de préconcentration des images ont été quantifiées par la fluorescence, les réponses en temps courant, et les graphiques de l'intensité fluorescente sur des distances différentes et les heures. Lorsque l'on compare les deux plates-formes, la nouvelle plate-forme ICP montre un avantage dans la collecte toujours des cibles (colorants fluorescents) entre les motifs de la membrane sélective de deux cations. En outre, il a été confirmé que la prise de préconcentration reste la même dans différentes forces ioniques (NaCl 1-100) et des valeurs de pH (3.7-10.3), la vérification de la haute disponibilité du préconcentrateur ICP fusionnant de larges gammes de conditions de fonctionnement (Figure 7). Sur la figure 8, une protéine de 10 000 preconcentr-pliation a également été démontrée.

Figure 1
Figure 1. étapes de fabrication d'une puce microfluidique échange de cations membrane intégrée. Au bout d' un moule en PDMS est rempli d'une résine échangeuse de cations en utilisant la technique microflux de formation de motifs (a - c) 29, le substrat en verre membrane à motif est lié à un micro - canal de PDMS par un traitement par plasma d'oxygène (d). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Schéma de la préconcentration spatiotemporellement définie (a) et préconcentration classique (b). (A) In the nouvelle plate-forme, entre deux motifs de la membrane (i), l'épuisement des ions / zones d'enrichissement ont été développés et ont fusionné avec linéaire (régime ohmique et de limiter, ii) ou non-linéaire (overlimiting régime, iii) des profils de concentration. Dans les trois régimes actuels, l'enrichissement d'ions blocs de la zone de la propagation de la zone et des cibles déplétion (cercles creux; i) sont préconcentrées à l'interface de l'appauvrissement d'ions et d'enrichissement des zones (courbe, ligne en pointillés; i). La paroi du canal de PDMS est chargée négativement, ce qui génère des flux électro-osmotique (EOF) entre les deux membranes d'échange de cations dans un champ électrique. L'EOF fournit en permanence des cibles vers l'interface des zones d'appauvrissement et d'enrichissement. (B) Dans la plate - forme classique, seule la zone d'appauvrissement d'ions se développe à proximité de la membrane avec linéaire (régime ohmique et de limiter, ii) et non linéaire (overlimiting régime, iii) des gradients de concentration. Comme l'EOF fournit les cibles, l'al préconcentrationsi se produit à la limite de la zone d'appauvrissement, mais cette zone (et le bouchon préconcentré) se déplace à l'écart de la membrane échangeuse de cations (flèche noire; i). Il est à noter qu'il n'y a pas d'augmentation de la concentration en ions ici, sans la zone d'enrichissement d'ions (II-III). En (ab), les images de l'appareil sont indiqués en (iv). C 0 représente la concentration initiale d'ions. V + et G indiquent l'anode et la cathode, respectivement. Reproduit de Référence 26t avec la permission de l'American Chemical Society. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

figure 3
Figure 3 Fusionnée phénomène ICP entre deux membranes d'échange de cations. (A) La courbe courant-tension montre trois régim distinctees (ohmique, ce qui limite, et overlimiting). La réponse en courant est mesurée par la montée en puissance de la tension à des intervalles discrets de 0,25 V toutes les 40 s, ce qui est répété trois fois. La barre d'erreur indique l'écart-type des réponses actuelles. (b, c) Dans les trois régimes, des images de fluorescence (b) et des profils d'intensité le long de AA 'au milieu du canal (C) ont été obtenus. Jaune, encadrés en pointillés indiquent les emplacements des membranes sélectives de cations. solution 1 mM KCI avec 1,55 uM (1 pg / ml) de colorant fluorescent chargé négativement a été utilisé. Reproduit de référence 26 avec la permission de l'American Chemical Society. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
La figure 4. (A, b) Dans les régimes Ohmique limitatifs, les gradients de concentration linéaires croître (<1 s) à partir de la membrane échangeuse de cations et puis se chevauchent ensemble (> 1 s). (C) Dans le régime overlimiting, les deux zones ICP sont fusionnés plus rapidement (<0,6 s) avec le choc de déplétion (flèche noire à 0,2 s). (D - f) Le temps actuel réponses montrent que le courant est d' abord abandonné en raison de la croissance de la zone d'appauvrissement à faible concentration, ce qui correspond à une faible conductivité électrique. La baisse actuelle est ensuite récupérée en raison d'un transport convectif par des tourbillons confinés entre deux membranes. Reproduit de Referenced 26 avec la permission de l'American Chemical Society. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

<p class = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> Figure 5
Figure 5. spatiotemporellement fixe préconcentration à 5, 10, et 20 V. (a - c) des images de fluorescence du PCI fusionné et les réponses en temps courant (d - f) au fil du temps (0-100 s). Les jaunes, les lignes en pointillé indiquent la localisation des membranes d'échange de cations. (G) des profils d'intensité fluorescentes time-lapse sont tracées le long du microcanal (AA '). Les intensités de pic augmentent à mesure que le temps passe, avec des emplacements fixes. (H) Le pli d'intensité maximale ( par exemple, combien de fois supérieure à l'intensité de fluorescence initiale). À des tensions plus élevées, plus la vitesse EOF fournit des cibles vers l'interface des zones d'appauvrissement d'ions et d'enrichissement, de sorte que la vitesse de pré-concentration augmente. Un pic à 20 V est induite par le choc de l'épuisement ( figure 4c, à 0,8 s, le pic est plus grande qu'elle ne l' était à 0,4 s. Ceci est probablement parce que le côté gauche du motif Nafion gauche (Figure 2a) a été flottait électriquement, et les colorants accumulés pourrait étaler. Reproduit de référence 26 avec la permission de l'American Chemical Society. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
La figure 6. phénomène du PCI dans le préconcentrateur ICP conventionnel à 5, 10 et 20 V.. (A - c) Des images de fluorescence de la zone d'appauvrissement d'ions et le temps de réponse de courant (d - f) au cours du temps (0 à 100 s). La propagation de la zone d'appauvrissement et le bouchon de préconcentration est clairement visualisé dans l'image de fluorescence. En conséquence, les tourbillons ne se limitent pas, de sorte que la reprise actuelle ne se produit pas, même dans le régime overlimiting. jaune, des lignes pointillées indiquent l'emplacement des membranes d'échange de cations. (G) des profils d'intensité fluorescentes time-lapse sont tracées le long du microcanal (AA '). Les intensités des pics augmentent à mesure que le temps passe, mais l'emplacement se déplace loin de la membrane. (H) Pic intensité pli du dispositif ICP conventionnel. Par contraste avec le dispositif PCI fusionné (figure 5 H), il n'y a aucun pic d'intensité sans le confinement des zones ICP, parce que l'intensité de fluorescence augmente lorsque la teinture est préconcentré. L'augmentation de til pic d'intensité de pliage est similaire à celle du dispositif PCI fusionné en même temps (à une tension donnée). Cela indique que la longueur de temps que le bouchon préconcentré est maintenu en place est cruciale pour la performance de préconcentration. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7
Figure 7. préconcentration spatiotemporellement défini à différentes forces ioniques (NaCl 1-100) et des valeurs de pH (03/07 à 10/03). (A) Des images de fluorescence obtenues après 100 secondes de fonctionnement à 50 V. Comme on le voit, les emplacements des prises de préconcentration sont encore entre les deux membranes d'échange de cations (jaunes, les lignes en pointillé), alors que l'intensité est affaiblie sous haute ionique résistance et une forte acide ou basique,Solution. (B, c) L'emplacement de l'intensité maximale et son pli d'intensité (ie., Combien de fois supérieure à l'intensité initiale), mappé de moins de 10, 20, 50, et 100 V. Pour une seule condition (1, 10, 100 mM et / ou un pH de 3,7, 7 et 10), il y a quatre points de données qui correspondent aux quatre états de tension. A des tensions plus élevées, il y a un pic plus élevé d'intensifier pli dans tous les cas. 100 V n'a pas été testé dans 1 mM de NaCl (pH 7), parce que l'intensité du pic déjà touché les valeurs les plus élevées (dues à la saturation de la caméra) à 50 V. A partir du profil d'intensité de pic, la région de pointe est également identifiée, avec 1 % au-dessous de l'intensité de crête, qui est représenté par des barres d'erreur (b, c). Une tension plus élevée et une plus forte EOF changer l'emplacement de pointe vers la droite, avec un pli d'intensité plus élevée et une prise de préconcentration plus nette. cases grisées indiquent les emplacements des membranes d'échange de cations. 0 la distance (a) représente l'origine de l'axe x (b, c), qui estsur le bord droit de la membrane échangeuse de cations gauche. L'origine de la distance est le bord droit de la membrane gauche. Reproduit de référence 26 avec la permission de l'American Chemical Society. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8
Figure 8. Démonstration de préconcentration de protéine spatiotemporellement fixe. FITC-albumine (1 pg / ml) dans 1 x solution saline tamponnée au phosphate a été utilisé. 0,1% de Tween 20 a également été ajouté pour empêcher la liaison non spécifique. Étant donné que la préconcentration est à peine réalisé à une force ionique plus élevée (figure 7), on a doublé la largeur du motif de Nafion (200 pm) et un canal plus étroit utilisé PDMS (50 um). De cette façon, la performance de l'ICP a été renforcée par préconcentrationl'élargissement de la voie d'ions et la réduction de la quantité absolue d'ions dans le canal. À une tension appliquée de 100 V, la crête et la moyenne des intensités de fluorescence ont été tracées, dans la boîte en pointillé blanc, qui est la zone située entre les deux membranes d'échange de cations. Dans les 10 min de fonctionnement, les protéines ont été préconcentrées jusqu'à 10 mg / ml (pic) et ~ 0,1 mg / ml (moyenne), ce qui indique 10,000- et préconcentrations 100 fois, respectivement. Les images de fluorescence rentrantes ont été obtenus à 0, 10 et 20 min. Dans ce travail, une opération de 20 minutes était suffisant pour préconcentrer les molécules cibles, donc nous ne couvre pas les temps plus opérant. Reproduit de référence 26 avec la permission de l'American Chemical Society. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

Nous avons décrit le protocole de fabrication et les performances d'un dispositif de préconcentration spatio-temporelle définie dans une plage de la tension appliquée (de 0,5 à cent V), la force ionique (1-100 mM) et le pH (03.07 à 10.03), réalisant un pli 10 000 préconcentration des colorants et des protéines dans les 10 min. Comme comme dispositifs ICP précédents, la performance de préconcentration devient meilleur à tension plus élevée et à une force ionique inférieure. Un paramètre supplémentaire, nous pouvons considérer ici est la distance entre deux membranes d'échange de cations. Si l' on augmente la distance inter-membranaire, le champ électrique diminue sous la même tension appliquée, ce qui entraîne la diminution de la vitesse de préconcentration 26.

La technique de mise en forme de microflux 29 utilisée dans ce travail est une méthode robuste pour les résines échangeuses de cations de motifs, de sorte qu'il a été l' une des méthodes de l' étalon-or pour intégrer les matériaux d'échange d'ions dans les systèmes microfluidiques. Néanmoins, il est nécessaire de fabriquer deux membranes d'échange de cations juxtaposée à une courte distance intermembranaire (moins de quelques centaines de micromètres). Dans les étapes 1.3.3-1.3.4, la résine échangeuse de cations est dans une phase liquide. Par conséquent, la résine dans les deux microcanaux peut être replié, et la chute de résine restante à l'extrémité ouverte des canaux peut également noyer au cours du détachement de moule (étape 1.3.4.). Pour construire deux membranes d'échange de cations avec une haute fidélité modèle, nous avons utilisé la résine avec une viscosité relativement élevée (20% de la matière d'échange de cations dans les solvants) et mis soigneusement le processus de détachement avec une direction de détachement désigné.

Même si la souplesse d'exploitation élevé de cette plate-forme a été démontrée, le lecteur pourrait être préoccupé par la détermination des conditions optimales de la large gamme dans la fenêtre d'exploitation. Un représentant compromis entre la vitesse de préconcentration et la stabilité de l'effet de l'ICP. Un scannerle voir sur la figure 5 , dans Kwak et al. 26, une tension appliquée élevée (> 50 V) peut se condenser rapidement des cibles; cependant, cela induit également une forte tourbillons dans la zone d'appauvrissement (1 mM / pH 7 sur la figure 7a), qui diminue la stabilité de l'échantillon préconcentration. En conséquence, la vitesse de préconcentration devient difficile de prévoir 33. Au stade actuel, nous recommandons des conditions expérimentales avec une tension relativement faible (<30 V) et la force ionique (<10 mM) pour une préconcentration stable, prévisible et spatiotemporellement fixe. Ce compromis entre la vitesse de préconcentration et la stabilité de la fiche préconcentré est également liée aux sources de l'ICP non linéaire (de conduction de surface, EOF, et électro-osmotique instabilité). La principale source de l'ICP non linéaire à une relativement faible tension (<50 V) est EOF, créant une paire de vortex cohérente dans la zone d'appauvrissement (Figure 3b), qui leannonces à une préconcentration stable. A une tension relativement élevée (> 50 V), la principale source de l'ICP non linéaire est modifiée à l'électro-osmotique instabilité, résultant de multiples tourbillons chaotiques, qui diminuent la stabilité de la préconcentration.

Récemment, les plates - formes PCI à base de papier ont été développés par Phan et al. 34, Gong et al. 19, et Han et al. 21. Ces dispositifs de papier avec des structures microporeuses peuvent supprimer l' instabilité électro-osmotique 4, 35 et atténuer le problème de la stabilité. Cependant, les dimensions des canaux de papier sont en général d'environ 0,5 à 5 mm, ce qui est beaucoup plus grand qu'un canal microfluidique classique. Ce canal de papier plus large avec les réseaux de fibres aléatoires provoque des mouvements irréguliers dans les bouchons préconcentrées. Cela a été inévitable dans préconcentrateurs ICP à base de papier, car la fonctionnalité minimalela taille de cire modelage et découpage de papier ( par exemple, les méthodes de fabrication pour construire des canaux de papier) est d' environ quelques centaines de micromètres.

La préconcentration ICP a été utilisé dans une large gamme de plates-formes biomicrofluidic pour préconcentrant divers agents biologiques; amplifier les signaux des divers essais; et la détection des cibles telles que les protéines, les peptides thérapeutiques 36 37, 17 des aptamères, des enzymes et 38. Ces travaux antérieurs visés biomolécules marquées par fluorescence. En effet , nous ne pouvons pas préciser les conditions exactes de fonctionnement ( par exemple, la tension et le débit) pour maintenir le site de préconcentration, donc nous avons d' abord besoin de trouver les conditions appropriées pour les objectifs de préconcentrateur. Au départ de travaux antérieurs, le phénomène ICP fusionné nous permet de toujours fixer les bouchons préconcentrées à un large éventail de conditions de fonctionnement tout en maintenant la haute flexibilité dudispositifs ICP. Par exemple, nous pouvons moduler le système ICP fusionné avec un écoulement de fluide tangentielle, et le faire fonctionner en mode flux continu 39. Cela indique que nous pouvons maintenant étendre les applications de préconcentrateurs ICP pour étiqueter libres techniques de détection sans l'aide d'instruments de visualisation et des traceurs. Cet avantage unique de la contrôlabilité spatiotemporelle fournit une forte opportunité commerciale pour intégrer le dispositif ICP avec les plates-formes de paillasse génériques, tels que la chaîne de la polymérase machines de réaction et des spectromètres de masse.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sylgard 184 Silicone Elastomer kit Dow Corning
Trichlorosilane Sigma Aldrich 175552 Highly toxic
Nafion perfluorinated resin, 20 wt% Sigma Aldrich 527122
Sodium chloride Sigma Aldrich 71394
Potassium chloride Sigma Aldrich 60121
Alexa Fluor 488 carboxylic acid, succinimidyl ester Invitrogen A20000
Isothiocyanate-conjugated albumin Sigma Aldrich A9771
Phosphate buffer saline, 1x Wengene LB004-02
Tween 20 Sigma Aldrich P1379
Epifluorescence microscope Olympus IX-71
Charged-coupled device camera Hamamtsu Co. ImageEM X2
Source measurement unit Keithley Instruments 2635A
Covance-MP Femto Science

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References

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Bioingénierie numéro 120 la concentration ionique de polarisation préconcentration une membrane échangeuse d'ions overlimiting courant flux électro-osmotique l'instabilité électro-osmotique
Fusion Ion Concentration Polarisation entre juxtaposées échangeuses d&#39;ions Membranes pour bloquer la propagation de la Zone Polarisation
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Kim, M., Rhee, H., Kang, J. Y., Kim, … More

Kim, M., Rhee, H., Kang, J. Y., Kim, T. S., Kwak, R. Merging Ion Concentration Polarization between Juxtaposed Ion Exchange Membranes to Block the Propagation of the Polarization Zone. J. Vis. Exp. (120), e55313, doi:10.3791/55313 (2017).

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