Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Sammenslåing Ion Konsentrasjon Polarisering mellom sidestilt ionebyttermembraner å blokkere Formering av Polarisering Zone

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

Protokollen for en ny ionekonsentrasjon polarisasjon (ICP) plattform som kan stanse utbredelsen av ICP sone, uavhengig av driftsforholdene, er beskrevet. Denne unike evne til plattformen ligger i bruk av sammenslåing ion uttømming og berikelse, som er to polariteter av ICP fenomen.

Abstract

Ionekonsentrasjonen polarisasjon (ICP) fenomen er en av de mest rådende metoder for å prekonsentrat lav-overflod biologiske prøver. ICP induserer en ikke-invasiv region for ladede biomolekyler (dvs. ion uttømming sone), og målene kan preconcentrated på denne regionen grense. Til tross for de høye preconcentration forestillinger med ICP, er det vanskelig å finne de driftsforhold av ikke-spre ion uttømming soner. For å overvinne denne trange drifts vinduet, vi nylig utviklet en ny plattform for spatiotemporally fast preconcentration. I motsetning til de foregående fremgangsmåter som bare bruker ion uttømming, bruker denne plattformen også den motsatte polariteten av ICP (dvs. ion berikelse) for å stoppe utbredelsen av de ion uttømming sonen. Ved å konfrontere den berikelse sone med utarming sonen, de to sonene flette sammen og slutte. I denne artikkelen beskriver vi en detaljert forsøksprotokoll for å bygge denne spatiotemporally definert ICP Platform og karakterisere preconcentration dynamikken i den nye plattformen ved å sammenligne dem med de for den konvensjonelle anordning. Kvalitative ion konsentrasjonsprofiler og strøm gang svar vellykket fange de ulike dynamikken mellom det fusjonerte ICP og den frittstående ICP. I motsetning til den konvensjonelle en som kan fikse preconcentration beliggenhet bare ~ 5 V, kan den nye plattformen produserer en target-kondensert plugg på et bestemt sted i de brede områder av driftsforhold: spenning (0,5-100 V), ionestyrke (1-100 mM) og pH (03/07 til 10/03).

Introduction

Ionekonsentrasjon polarisasjon (ICP) refererer til et fenomen som oppstår under ion anriking og ion tømming på en permselektiv membran, noe som resulterer i en ekstra spenningsfall med ione konsentrasjonsgradienter 1, 2. Denne konsentrasjonsgradient er lineær, og det blir brattere som en høyere spenning påtrykkes (Ohmsk regime) til ionekonsentrasjonen på membranen nærmer seg null (begrensende regime). På dette diffusjon begrenset tilstand, har vært kjent gradient (og tilsvarende ionefluks) som skal maksimeres / mettet 1. Utover denne konvensjonelle forståelse, når spenningen (eller nåværende) økes ytterligere, er en overlimiting nåværende observert, med flate depletion soner og svært skarpe konsentrasjons gradienter på sonegrense 1, 3. Den flate sone har en meget lav ionekonsentrasjon, men overflateledning, elektro-osmoti c flow (EOF), og / eller elektro-osmotisk ustabilitet fremme ionefluks og indusere en overlimiting strøm 3, 4, 5. Interessant, tjener den flate uttømming sonen som en elektrostatisk barriere, som filtrerer ut 6, 7, 8, 9 og / eller preconcentrates er rettet mot 10, 11. Siden det er en utilstrekkelig mengde ioner for å skjerme de overflateladninger av ladede partikler (for tilfredsstillende electroneutrality), kan partiklene ikke passere gjennom denne uttømming sonen, og derfor stille opp på sin grense. Denne ikke-lineære ICP-effekten er en generisk fenomen i forskjellige typer av membraner 10, 11, 12, 13,> 14 og geometrier 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; Dette er grunnen til at forskerne har vært i stand til å utvikle forskjellige typer av filtrering 6, 7, 8, 9 og preconcentration 10, 11 enheter ved hjelp av ikke-lineær ICP.

Selv med så høy fleksibilitet og robusthet, er det fortsatt en praktisk utfordring å avklare rammebetingelsene for de ulineære ICP-enheter. Den ikke-lineære regime av ICP fjerner raskt kationer gjennom en kationbyttemembran, noe som fører til forskyvning av anioner som beveger seg mot anoden. Som enResultatet forplanter flat uttømming sonen raskt, noe som minner om sjokk forplantning 22. Mani et al. kalles dette dynamiske den deionization (eller depletion) sjokkere 23. Til prekonsentrat mål ved et utpekt følestilling, hindrer utvidelse av ionet uttømming sonen er nødvendig, for eksempel ved å påføre EOF eller trykkdrevet strømning mot sonen utvidelse 24. Zangle et al. 22 klaret kriteriene for ICP forplantning i en en-dimensjonal modell, og det sterkt avhengig av elektroforetisk mobilitet 17, ionestyrke 18, pH 25, og så videre. Dette indikerer at riktige operasjonsbetingelser vil bli endret i henhold til prøvebetingelsene.

Her presenterer vi detaljert design og eksperimentelle protokoller for en roman ICP plattform som preconcentrates mål innenfor en spatiotempmuntlig definert posisjon 26. Utvidelsen av ion uttømming sonen er blokkert av det ion anrikningssonen, og etterlater en stasjonær preconcentration plugg i en tilordnet posisjon, uavhengig av driftstiden, påtrykt spenning, ionestyrke og pH. Denne detaljerte video protokollen er ment å vise den enkleste metoden for å integrere kationbyttemembraner inn i microfluidic enheter, og for å demonstrere den preconcentration utførelsen av den nye ICP plattformen sammenlignet med den konvensjonelle en.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fabrikasjon av kationbyttemembran integrert mikrofluid Chips

  1. Utarbeidelse av silisium mestere
    1. Design to typer silisium masters: en for mønstring av et kation-bytterharpiks, og den andre for å bygge en microchannel med polydimetylsiloksan (PDMS).
      MERK: Detaljene geometri vil bli beskrevet i trinnene 1.3.1 og 1.4.1.
    2. Dikte silisium mestere ved hjelp av enten konvensjonell fotolitografi eller dyp ioneetsning 27.
    3. Silanize de micropatterned silisium masters med triklorsilan (~ 30 ul) i en vakuum-krukke i 30 minutter.
      FORSIKTIG: trichlorosilane er et pyrofore væske som er brannfarlig og har en akutt giftighet (inhalasjon, oralt inntak).
  2. Utarbeidelse av PDMS muggsopp
    1. Blande en silikonelastomer base med et herdemiddel i et 10: 1 forhold og plassere koppen med denne uherdet PDMS(30-40 ml for replikerende mikrostrukturer på en 4-i silisiumskive) i et vakuum krukke i 30 min for å fjerne boblene.
      MERK: silikon basen inneholder siloksan oligomerer som ender med vinylgrupper og en platinabasert katalysator. Den herder inneholder kryssbinding oligomerer som har tre silisium-hydrid obligasjoner 28.
    2. Hell uherdet PDMS på silisium mestere, fjerne boblene med en vifte, og kurere PDMS ved 80 ° C i 2 timer i en varmluftsovn.
    3. Løsne de herdede PDMS fra silisium masters og riktig forme PDMS med en kniv (kvadrerte former, som vist i figur 2a-b, iv).
  3. Mønstring av kationbyttemembraner
    1. Skjær halvparten av PDMS formen vinkelrett på de to parallelle mikrokanaler og lage hull ved endene av PDMS kanaler med en 2,0-mm biopsi slag.
      MERK: PDMS mold for mønstring av kation selektive membranen har to parallel microchannels (bredde: 100 mikrometer, høyde: 50 mikrometer; interchannel distanse: 100 mikrometer; Figur 1a). Den opprinnelige form som formen kan tenkes ved speiling skiver formen langs skjærelinjen. L-formet microchannels anbefales for punching de to hullene uten overlappende.
    2. Rengjør en glassplate og PDMS formen med tape og en vifte og sette formen på glasset lysbildet for å skape reversible tilknytning mellom dem.
    3. I henhold til microflow mønster teknikk 29, frigivelse ~ 10 ul av en kationbytterharpiks ved den åpne ende av kanalen som var oppskåret i trinn 1.3.1 (figur 1b). Plasser sprøyten hodet på hullene og dra stempelet (svarte piler i Figur 1b); en skånsom undertrykk vil trekke kationbytteharpiks, og harpiksen vil fylle de to kanalene.
      MERK: Det anbefales at høyden på microchannel er større enn 1581; m, fordi den høye viskositet av harpiksen krever høyt trykk for å fylle kanalene. På den annen side, er det bedre at høyden ikke overstiger 100 pm, fordi det mønstrede ioneselektive membranen blir tykkere enn 1 pm; en slik tykk membran kan skape en åpning mellom membranen og PDMS kanal 13.
    4. Ta av PDMS formen uten å berøre det mønstrede harpiks og sette inn glass-slide på varmeren ved 95 ° C i 5 minutter for å fordampe løsningsmidlet i harpiksen.
      MERK: Tykkelsen av det mønstrede membranen er vanligvis mindre enn <1 um. Formen er lett løsnes ved hengsling av formen til den åpne side (stiplet linje og pil i figur 1b). Det er best å løsne formen mindre enn 1 min etter fylling av harpiksen. Dersom formen er frittliggende i noen minutter senere, kan tykkere membraner erholdes, men de vil ha en konkav form på grunn av kapillar-virkning.
    5. Trekk av unødvendigdel av det mønstrede membran med et barberblad, slik at to adskilte linjemønster (figur 1c).
      MERK: kationbyttermateriale anvendes her har perfluorerte grupper, det vil si mønsteret ikke er sterkt bundet til glasset. Derfor kan den enkle skøyter metode lett fjerne den unødvendige del av membranen.
  4. Integrasjon av microchannel og den membran-mønstrede substrat
    1. Punch to hull i endene av microchannels og ytterligere to hull der membran mønstrene vil bli plassert etter binding av PDMS-kanalen til den membran mønstrede substratet fremstilt i trinn 1,3.
      Merk: PDMS microchannel har en kanal (bredde: 50-100 pm; høyde: 10 um), men det er festet til endene av nabokanalen (figur 1d).
    2. Binde PDMS microchannel til membran-mønstrede substrat umiddelbart etter oksygenplasma behandling i 40 s ved 100 V og 50 mTorr.
      MERK: Plasser den mønstrede membran vinkelrett på midten av microchannel.

2. ICP Preconcentration

  1. Forberedelse til eksperimentet
    1. Fremstille forskjellige testløsninger, inkludert 1-100 mM KCl, 1 mM NaCl (pH ~ 7), blandingen av 1 mM NaCl og 0,2 mM HCl (pH ~ 3,7), blandingen av 1 mM NaCl og 0,2 mM NaOH (pH ~ 10.3), og 1x fosfat-bufret saltløsning.
    2. Legg til en negativt ladet fluorescerende fargestoff (~ 1,55 pM) til testløsningene.
      MERK: Konsentrasjonen av det tilsatte fargestoff bør være mye lavere enn det for saltioner (<10 um), slik at de ladede farvestoffer ikke bidrar til en elektrisk strøm 30, 31.
    3. Installering av prøveløsningen i et reservoar av kanalen og anvende undertrykk til det andre reservoaret for å fylle kanalen med oppløsningen. Koble de to reservoarene hydrodynamisk etter releasing en stor dråpe for å eliminere trykkgradienten langs kanalen (figur 2a).
    4. Fylle de to reservoarene, som er forbundet med den kation-utvekslings mønstre, med bufferløsninger (1 M KCl eller 1 M NaCl) ved hjelp av en sprøyte eller en pipette for å kompensere for den ICP virkning i reservoarene.
    5. Plassere ledningene på reservoarene, på tvers av de to mønstrede membraner (anode til venstre reservoaret og katoden på høyre side), og koble dem sammen med en kilde måleenhet (figur 2a).
  2. Visualisering av ICP fenomen og ICP preconcentration
    1. Last ICP-enheten på en invertert epifluorescence mikroskop. Anvende en spenning (0,5100 V) og måle strømmen reaksjon med en kilde måleenhet.
    2. Fang fluorescerende bilder med en CCD-kamera og analysere fluorescentintensiteten bruker bildebehandlingsprogrammer 32.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De skjematiske fremstillingstrinn av en membran integrert mikrofluid preconcentrator er vist i figur 1. En detaljert beskrivelse av fremstillingen er gitt i protokollen. Design og utstyrs bilder av spatiotemporally definert preconcentrator 26 kontrasteres med de av en konvensjonell preconcentrator 11 (figur 2). ICP fenomen i spatiotemporally definert preconcentrator ble undersøkt i form av strømspenning-time svar og fluorescerende intensitet profiler (figur 3-4). Ligner på ICP fenomenet med en enkelt-membran preconcentrator 3, 11, tre forskjellige regimer (Ohmsk, begrensende, og overlimiting) ble observert i dagens spenning kurve: 0,5-1 V (Ohmsk og begrensende) og 5 V (overlimiting) . Men en ikke-konvensjonelle nåværende gjenopprettings vardetektert i det aktuelle tidskurven som ion-anrikning og ion uttømming sonene slått sammen. Deretter ble ICP preconcentration testet ved forskjellige tider og spenninger med den spatiotemporally definerte preconcentrator (figur 5) og den konvensjonelle en-membraninnretning (figur 6). De preconcentration dynamikk ble kvantifisert ved fluorescens bilder, strøm gang svar, og fluorescerende intensitet grafer over ulike avstander og tider. Når man sammenligner de to plattformene, viser en fordel i alltid å samle inn mål (fluorescerende fargestoffer) mellom de to kationselektiv membran mønstre den nye ICP-plattformen. I tillegg ble det bekreftet at preconcentration pluggen forblir den samme i forskjellige ioniske styrkene (1-100 mM NaCl) og pH-verdier (3.7-10.3), bekrefter den høye tilgjengeligheten av sammenslåing ICP preconcentrator i et bredt sortiment av driftsforhold (figur 7). På figur 8, er en 10.000 gangers protein preconcentrasjon ble også demonstrert.

Figur 1
Figur 1. fremstillingstrinn av en kationbyttemembran-integrerte mikrofluid chip. Etter en PDMS formen er fylt med en kationbytterharpiks ved hjelp av microflow mønstring teknikk (a - c) 29, er membranen-mønstrede glass-substrat bundet med en PDMS microchannel av oksygenplasma behandling (d). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Skjematisk av spatiotemporally definert preconcentrator (a) og konvensjonell preconcentrator (b). (A) I the ny plattform, mellom to membran mønstre (i), ion uttømming / berikelse sonene er utviklet og slått sammen med lineær (Ohmsk og begrenser regime, ii) eller ikke-lineære (overlimiting regime; iii) konsentrasjonsprofiler. I alle tre nåværende regimer, de ion berikelse sone blokkerer forplantning av uttømming sonen og mål (hule sirkler, i) er preconcentrated i grenselandet mellom de ion depletion og berikelse soner (buet, stiplet linje, i). Den vegg av PDMS kanalen er negativt ladet, og dette genererer elektro-osmotiske strømningen (EOF) mellom de to kationbyttemembraner i henhold til et elektrisk felt. Den EOF leverer kontinuerlig mål mot grensesnittet til utarming og berikelse soner. (B) I den konvensjonelle plattform, er det kun ion uttømming sone utvikles nær membranen med lineær (Ohmsk og begrenser regime, ii) og ikke-lineære (overlimiting regime; iii) konsentrasjonsgradienter. Som EOF leverer målene, den preconcentration alså skjer ved tømming sonegrense, men denne sonen (og den preconcentrated plugg) beveger seg bort fra den kationbyttemembran (sort pil; i). Det skal bemerkes at det ikke er noen økning i ionekonsentrasjonen her uten ion anrikningssone (ii-iii). I (ab), er enhets bildene som vist i (iv). C 0 representerer den opprinnelige ion konsentrasjon. V + og G angir anoden og katoden, henholdsvis. Gjengitt fra Reference 26t med tillatelse fra The American Chemical Society. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Sammenslåtte ICP fenomen mellom to kationbyttemembraner. (A) Den nåværende spenning kurven viser tre distinkte regimes (Ohmsk, begrensende, og overlimiting). Den aktuelle reaksjon måles med en gradvis oppbygging av spenningen ved diskrete intervaller på 0,25 V hver 40 s, noe som blir gjentatt tre ganger. Feilen linjen viser standardavviket av dagens svar. (b, c) I de tre regimer, fluorescens bilder (B) og belastningsprofiler langs AA 'på midten av kanalen (c) ble oppnådd. Gule, stiplede bokser indikerer plasseringen av de kationer selektive membraner. 1 mM KCl-løsning med en 1.55 um (1 ug / ml) negativt ladet fluorescerende fargestoff ble anvendt. Gjengitt fra Reference 26 med tillatelse fra The American Chemical Society. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. (A, b) i den ohmske-begrensende regimer, de lineære konsentrasjonsgradienter vokse (<1 s) fra den kationbyttemembran og deretter overlapper hverandre (> 1 s). (C) I overlimiting regime, er de to ICP soner fusjonert raskere (<0,6 s) med uttømming sjokk (svart pil på 0,2 s). (D - f) Den nåværende-tidsresponser viser at strømmen innledningsvis falt på grunn av veksten av lav-konsentrasjon uttømming sone, noe som tilsvarer lav elektrisk ledningsevne. Den nåværende fallet utvinnes så på grunn av en konvektiv transport av hvirvlene lukkede mellom to membraner. Gjengitt fra refererte 26 med tillatelse av The American Chemical Society. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

<p class = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> Figur 5
Figur 5. Spatiotemporally fast preconcentration ved 5, 10 og 20 V. (a - c) Fluorescens bilder av det fusjonerte ICP og strøm-tidsresponser (d - f) i løpet av tiden (0-100 s). De gule, stiplede linjer indikerer plasseringen av kationbyttemembraner. (G) Time-lapse fluorescerende belastningsprofiler er plottet langs microchannel (AA). Peak intensitet øke etter hvert som tiden går, med faste steder. (H) Et toppintensitet ganger (dvs. hvor mange ganger større enn den opprinnelige fluorescerende intensitet). Ved høyere spenninger, jo raskere EOF leverer mål mot grensesnittet av ion depletion og berikelse soner, slik at preconcentration hastigheten øker. En pigg på 20 V er indusert av uttømming sjokk ( figur 4c, 0.8 s, på det meste var bredere enn det var 0.4 s. Dette er sannsynligvis fordi venstre side av venstre Nafion mønster (figur 2a) ble elektrisk fløt, og de akkumulerte fargestoffer kan spres ut. Gjengitt fra Reference 26 med tillatelse fra The American Chemical Society. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. ICP fenomen i den konvensjonelle ICP preconcentrator ved 5, 10 og 20 V. (A - c) Fluorescens bilder av ion uttømming sonen og den nåværende-tidsresponsen (d - f) over tid (0-100 s). Utbredelsen av utarming sonen og preconcentration pluggen er tydelig anskueliggjort på fluorescens bilder. Følgelig er hvirvlene ikke er begrenset, slik at strøm gjenvinning av ikke forekommer, selv i overlimiting regime. Gule, stiplede linjene markerer plasseringen av kationbyttemembraner. (G) Time-lapse fluorescerende belastningsprofiler er plottet langs microchannel (AA). Toppintensitetene øke etter hvert som tiden går, men plasseringen beveger seg bort fra membranen. (H) toppintensitet fold av den konvensjonelle ICP-enheten. I motsetning til det fusjonerte ICP-enheten (figur 5H), er det ingen intensitet pigg uten innesperring av ICP soner, fordi den fluorescerende intensitet økes som fargestoff ble preconcentrated. Økningen av tHan topp intensitet gangers er lik den for det fusjonerte ICP-enheten samtidig (ved en gitt spenning). Dette indikerer at lengden av tiden som preconcentrated pluggen er holdt på plass er avgjørende for preconcentration ytelse. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7. Spatiotemporally definert preconcentration ved forskjellige ionestyrker (1-100 mM NaCl) og pH-verdier (03/07 til 10/03). (A) Fluorescens bildene oppnådd etter 100 s for drift ved 50 V. Som det kan ses, plasseringen av de preconcentration pluggene er fortsatt mellom de to kationbyttemembraner (gule, stiplede linjer), selv om intensiteten er svekket under høyt ionisk styrke og i et sterkt surt eller basiskløsning. (B, c) plassering av toppintensiteten og dens intensitet fold (f.eks., Hvor mange ganger større enn den opprinnelige intensitet), kartlagt under 10, 20, 50, og 100 V. For en enkelt tilstand (1, 10, 100 mM og / eller pH-verdi 3,7, 7 og 10), det er fire datapunkter som svarer til de fire spenningsforholdene. Ved høyere spenninger, er det en høyere topp intensivere fold i alle tilfeller. 100 V ble ikke testet i en mM NaCl (pH 7) fordi toppintensiteten allerede berørt de høyeste verdiene (på grunn av metning av kameraet) ved 50 V. Fra toppintensitetsprofilen, blir toppen region også identifisert, med ett % under toppintensiteten, som er representert ved feilfelt (B, C). En høyere spenning og en sterkere EOF skifte topp beliggenhet til høyre, med en høyere intensitet fold og en skarpere preconcentration plugg. Grå bokser indikerer plasseringen av de kationbyttemembraner. Den 0-avstand (a) representerer opprinnelsen til x-aksen (B, C), som erpå den høyre kant av den venstre kationbyttemembran. Opprinnelsen til avstanden er høyre kant av venstre membranen. Gjengitt fra Reference 26 med tillatelse fra The American Chemical Society. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Figur 8. Demonstrasjon av spatiotemporally fast protein preconcentration. FITC-albumin (1 pg / ml) i 1 x fosfatbufret saltløsning ble anvendt. 0,1% Tween 20 ble også tilsatt for å forhindre ikke-spesifikk binding. Siden preconcentration er neppe oppnås ved en høyere ionestyrke (figur 7), doblet vi bredden på Nafion mønster (200 um) og anvendt en smalere PDMS kanal (50 um). På denne måte ble resultatene av ICP preconcentration forsterket avutvide ion veien og redusere den absolutte mengden av ioner i kanalen. Ved en påtrykt spenning på 100 V, topp og gjennomsnitt fluorescerende intensitet ble sporet i den hvite, stiplede boksen, som er regionen mellom de to kationbyttemembraner. I løpet av 10 minutters drift ble proteinene preconcentrated opp til 10 mg / ml (topp) og ~ 0,1 mg / ml (gjennomsnitt), som indikerer 10,000 og 100-fold preconcentrations, respektivt. De innfelte fluorescens bilder ble tatt ved 0, 10, og 20 min. I dette arbeidet, en 20-min operasjon var nok til å forkonsentratet målmolekylene, slik at vi ikke dekker lengre driftstid. Gjengitt fra Reference 26 med tillatelse fra The American Chemical Society. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vi har beskrevet fremstillingen protokollen og ytelsen til en spatiotemporally definert preconcentrator i et område av den påtrykte spenning (V 0,5-100), ionestyrke (1-100 mM) og pH (03/07 til 10/03), oppnå en 10000 gangers preconcentration av fargestoffer og protein innen 10 min. Som liker tidligere ICP-enheter, blir preconcentration ytelsen bedre på høyere spenning og til lavere ionestyrke. En ekstra parameter vi kan vurdere her er avstanden mellom to kationbyttemembraner. Dersom vi øker inter-membranen avstand, minsker det elektriske felt under samme påtrykt spenning, noe som resulterer i reduksjon av den hastighet preconcentration 26.

Den microflow mønster teknikk som 29 anvendes i dette arbeidet er en robust metode for mønstring kationebytteharpikser, slik at det har vært en av de gull standard fremgangsmåter for å integrere de ionebyttermaterialer inn i microfluidic systemer. Nevertheless, er det nødvendig å fremstille to sidestilte kationbytter-membraner med en kort intermembrane avstand (mindre enn noen få hundre mikrometer). I trinn 1.3.3-1.3.4, er det kationbytterharpiks i en flytende fase. Derfor kan harpiksen i de to mikrokanaler bli kollapset, og den gjenværende harpiksen fallet ved den åpne enden av kanalene kan også oversvømme under støpeformen løsgjøring (trinn 1.3.4.). Å bygge to kationbytter-membraner med høy nøyaktighet mønster, vi brukte harpiks med relativt høy viskositet (20% av det kationbyttermateriale i oppløsningsmidlene) og nøye innstille løsgjøring prosessen med en bestemt avtrekksretning.

Selv om den høye drifts fleksibiliteten til denne plattformen ble demonstrert, kan leseren være bekymret for å bestemme optimale forhold fra det brede spekter innenfor drift vinduet. En representant avveining er mellom preconcentration hastigheten og stabiliteten av ICP virkning. som kanses på figur 5 i Kwak et al. 26, en høy påtrykt spenning (> 50 V) kan kondensere mål raskt; imidlertid induserer dette også sterke virvler i uttømming sone (1 mM / pH 7 i figur 7a), som reduserer stabiliteten av prøven preconcentration. Følgelig blir preconcentration hastigheten vanskelig å forutsi 33. I den nåværende stadium anbefales eksperimentelle betingelser med en forholdsvis lav spenning (<30 V) og ionestyrke (<10 mM) for stabil og forutsigbar, og spatiotemporally fast preconcentration. Denne avveiningen mellom preconcentration hastighet og stabilitet preconcentrated pluggen er også knyttet til kildene til ikke-lineære ICP (overflaten ledning, EOF og elektro-osmotisk ustabilitet). Den viktigste kilden til den ikke-lineære ICP ved en forholdsvis liten spenning (<50 V) er EOF, og skaper en sammenhengende vortex par i sperresonen (figur 3b), som leannonser til en stabil preconcentration. Ved en forholdsvis høy spenning (> 50 V), er hovedkilden til den ikke-lineære ICP endret til elektro-osmotisk ustabilitet, noe som resulterer kaotiske flere virvler, som reduserer stabiliteten av preconcentration.

Nylig har papirbaserte ICP plattformer er utviklet av Phan et al. 34, Gong et al. 19, og Han et al. 21. Disse papir enheter med mikrostrukturer kan undertrykke elektro osmotisk ustabilitet 4, 35 og lindre stabilitet problemet. Men størrelsen på papir kanalene er vanligvis omtrent 0,5-5 mm, noe som er mye større enn en konvensjonell mikrofluidkanal. Denne bredere papir kanal med tilfeldige fibernett fører til uregelmessige bevegelser i preconcentrated plugger. Dette har vært uunngåelig i papirbaserte ICP preconcentrators, fordi den minimale trekkStørrelsen på voks mønster og papir cutting (dvs. fabrikasjon metoder for å bygge papir kanaler) handler om noen hundre mikrometer.

ICP preconcentrator har vært brukt i et bredt spekter av biomicrofluidic plattformer for preconcentrating ulike bio-agenter; å forsterke signalene i forskjellige analyser; og å detektere mål, slik som terapeutiske proteiner, peptider 36 37, aptamerer 17, og enzymer 38. Disse tidligere arbeider målrettet fluorescens-merket biomolekyler. Dette er fordi vi ikke kan oppgi de nøyaktige driftsforhold (dvs. spenning og strømningshastighet) for å opprettholde den preconcentration området, slik vi først må finne de riktige forhold for preconcentrator mål. Avgang fra tidligere arbeid, gjør det fusjonerte ICP fenomen for oss å alltid fikse preconcentrated pluggene på et bredt spekter av driftsforhold og samtidig opprettholde høy fleksibilitet avICP-enheter. For eksempel kan vi modulere fusjonert ICP system med en tangential strømning, og drive den i den kontinuerlige strømningsmodus-39. Dette tyder på at vi nå kan utvide anvendelser av ICP preconcentrators å merke frie deteksjonsteknikker uten å bruke visualiserings instrumenter og sporstoffer. Denne unike fordelen av tid og rom kontrollerbarhet gir en sterk kommersiell mulighet til å integrere ICP-enhet med generiske stasjonære plattformer, for eksempel polymerase chain reaction maskiner og massespektrometre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Bioteknologi ion konsentrasjonen polarisering preconcentration ionebyttermembran overlimiting strøm elektro-osmotisk flyt elektro-osmotisk ustabilitet
Sammenslåing Ion Konsentrasjon Polarisering mellom sidestilt ionebyttermembraner å blokkere Formering av Polarisering Zone
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter