Multianalytmethoden Biochip (MAB) op basis van All-solid-state Ion-selectieve elektroden (ASSISE) voor Fysiologisch Onderzoek
Summary
All-solid-state ion-selectieve elektroden (Assises) opgebouwd uit een geleidend polymeer (CP) transducer bieden een aantal maanden van de functionele levensduur in vloeibare media. Hier beschrijven we de fabricage en kalibratieproces van Assisen in een lab-on-a-chip-formaat. De ASSISE wordt gedemonstreerd van een buurt-Nernstian hellingsprofiel te hebben gehandhaafd na langdurige opslag in complexe biologische media.
Abstract
Lab-on-a-chip (LOC) toepassingen in milieu, biomedische, landbouw, biologische en ruimtevaart onderzoek vereisen een ion-selectieve elektrode (ISE) dat langdurige opslag kan weerstaan in complexe biologische media 1-4. Een all-solid-state ion-selectieve-electrode (ASSISE) is vooral aantrekkelijk voor de bovengenoemde toepassingen. De elektrode moet de volgende gunstige eigenschappen: eenvoudig constructie, weinig onderhoud, en (potentiële) miniaturisatie, waardoor voor batchverwerking. Een microfabricated ASSISE bestemd voor het kwantificeren H +, Ca2 + en CO 3 2 – ionen werd geconstrueerd. Het bestaat uit een edel-metalen elektrodelaag (bijvoorbeeld Pt), een transductie-laag en een ion-selectief membraan (ISM) laag. De laagfuncties transductie de concentratie afhankelijke chemische potentiaal van de ion-selectieve membraan transduceren in een meetbaar elektrisch signaal.
THij levensduur van een ASSISE blijkt afhankelijk te handhaven van de potentiaal op de geleidende laag / membraan-interface 5-7. Om de ASSISE werken levensduur te verlengen en daardoor stabiel potentials te handhaven op het grensvlak lagen, hebben we gebruik gemaakt van de geleidende polymeer (CP) poly (3,4-ethyleendioxythiofeen) (PEDOT) 7-9 in plaats van zilver / zilverchloride (Ag / AgCl) de transducer laag. We geconstrueerd de ASSISE in een lab-on-a-chip formaat, dat noemden we het multianalytmethoden biochip (MAB) (Figuur 1).
Kalibraties testoplossingen aangetoond dat de MAB kan controleren pH (werkbereik pH 4-9), CO 3 2 – (gemeten van 0,01 mM – 1 mM), en Ca2 + (log-lineaire bereik 0,01 mM tot 1 mM). De MAB voor pH zorgt voor een bijna-Nernstian helling reactie na bijna een maand van opslag in algen medium. De carbonaat biochips tonen een potentiometrische vergelijkbaar met dat van een gebruikelijke ion-selectieve elektrode. Physioltief voor farmacologische metingen werden gebruikt om biologische activiteit van het modelsysteem, het microalga Chlorella vulgaris controleren.
De MAB brengt een groot voordeel, veelzijdigheid en gemultiplexte analyt sensing mogelijkheden, waardoor het voor vele beperkt toezicht situaties op aarde en in de ruimte.
Biochip ontwerp en experimentele methoden
De biochip is 10 x 11 mm in afmeting en heeft 9 Assisen aangewezen als werkende elektroden (WES) en 5 Ag / AgCl referentie-elektrode (RE's). Elke werkende elektrode (WE) is 240 micrometer in diameter en is op gelijke afstand op 1,4 mm van de RE's, die zijn 480 micrometer in diameter. Deze elektroden zijn verbonden met elektrische contactvlakken met een afmeting van 0,5 mm x 0,5 mm. Het schema wordt getoond in figuur 2.
Cyclische voltammetrie (CV) en galvanostatische depositie methoden worden gebruikt om de PEDOT films met een bioanalytische electropolymerizeal Systems Inc (BASI) C3 cel stand (figuur 3). De teller-ion voor het PEDOT film is afgestemd op de analyt ionen van interesse. Een PEDOT met poly (styreensulfonaat) tegenion (PEDOT / PSS) wordt gebruikt voor H + en CO 3 2 -, terwijl een met sulfaat (toegevoegd aan de oplossing als CaSO 4) wordt gebruikt voor Ca2 +. De elektrochemische eigenschappen van het PEDOT-gecoate WE wordt geanalyseerd met behulp van cv's in redox-actieve oplossing (dwz 2 mM kaliumferricyanide (K 3 Fe (CN) 6)). Op basis van het CV profiel werd Randles Sevcik-analyse gebruikt om het werkzame oppervlak 10 bepalen. Spin-coating bij 1500 tpm wordt gebruikt om gegoten ~ 2 micrometer dik ion-selectieve membranen (ISM) op het MAB werkende elektroden (WES).
De MAB in een microfluïdische stroom-cel kamer gevuld met 150 ul volume algen-medium, de contactvlakken zijn elektrisch verbonden met de BASI systeem (Figure 4). De fotosynthetische activiteit van Chlorella vulgaris wordt toezicht gehouden in omgevingslicht en donkere omstandigheden.
Protocol
Representative Results
Discussion
De MAB biochip omvat Assises die zijn opgebouwd uit een ISM bovenop een PEDOT-CP-conjugaat gebaseerde transductie laag op een Pt-elektrode, waarvan de combinatie transduces de ionenconcentratie van belang om een meetbaar elektrisch signaal. Een stabiele elektrode potentiaal wordt bepaald door zowel de CP laag en de ISM laag. Beide lagen bepalen ook de werkende levensduur van de MAB en de kwaliteit (ruis, drift) van de gemeten elektrisch signaal.
PEDOT is vooral aantrekkelijk als transd…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij willen graag NASA Astrobiologie Wetenschap en Technologie voor ontwikkelingssamenwerking (ASTID) Programma bedanken voor financiële steun (subsidie nummers 103498 en 103692), Gale Lockwood van de Birck Nantechnology Center aan de Purdue University voor wirebonding van de MAB apparaten, en Joon Hyeong Park voor de CAD-tekening van de stroom-celkamer.
Materials
| Name of the items | 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).
- Buehler, M. G., Kounaves, S. P., Martin, D. P. Designing a Water-quality Monitor with Ion-selective-electrodes. 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. , (1980).
- Nam, H., Cha, G. S., Yang, V. C., Ngo, T. T. Chapter 18. Biosensors and their Applications. , (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., ed, 2. n. d. . Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , (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).
