Multi-analytt biochip (MTB) Basert på All-SSD-Ion-selektive elektroder (assise) for Fysiologisk Forskning
Summary
All-SSD-ion-selektive elektroder (ASSISEs) konstruert fra en ledende polymer (CP) svinger gir flere måneder med funksjonell levetid i flytende medier. Her beskriver vi fabrikasjon og kalibrering prosessen med ASSISEs i en lab-on-a-chip format. Den assise er vist å ha opprettholdt en nær-Nernstian skråningen profil etter langvarig lagring i komplekse biologiske media.
Abstract
Lab-on-a-chip (LOC) applikasjoner innen miljø, biomedisinsk, landbruks-, biologiske og romfart forskning krever en ion-selektiv elektrode (ISE) som tåler langvarig lagring i komplekse biologiske media 1-4. An all-solid-state ion-selektive elektroder (assise) er spesielt attraktivt for de nevnte programmene. Elektroden bør ha følgende gunstige egenskaper: enkel konstruksjon, lite vedlikehold, og (potensial for) miniatyrisering, noe som åpner for batch prosessering. En microfabricated assise beregnet for kvantifisering H +, Ca2 +, og CO 3 2 – ioner ble konstruert. Den består av en edel-metall-elektrodelag (dvs. Pt), en transduksjon lag, og en ion-selektiv membran (ISM) lag. Transduksjon laget virker til å transdusere den konsentrasjonsavhengig kjemiske potensial av den ion-selektive membran inn i en målbar elektrisk signal.
Than levetiden for en assise er funnet å avhenge av å opprettholde potensialet på det ledende sjiktet / membran grensesnitt 5-7. Å forlenge assise levetid, og dermed opprettholde stabile potensialer på grenseflatespenningen lag, benyttet vi den ledende polymer (CP) poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 7-9 i stedet for sølv / sølvklorid (Ag / AgCl) som svinger lag. Vi konstruerte assise i en lab-on-a-chip format, som vi kalte multi-analytt biochip (MTB) (Figur 1).
Kalibreringer i testløsningene vist at MAb kan overvåke pH (driftstemperaturområdet pH 4-9), 3 CO 2 – (målte området 0,01 mm – 1 mm), og Ca 2 + (log-lineære området 0,01 til 1 mm). Den MAB for pH gir en nær-Nernstian skråningen respons etter nesten en måned lagring i alger medium. Karbonatet biochips viser en potensiometrisk profil som kan sammenlignes med en konvensjonell ione-selektiv elektrode. Physiological målinger ble benyttet for å overvåke biologiske aktivitet av modellen system, microalga Chlorella vulgaris.
Den MAB formidler en fordel i størrelse, allsidighet, og multiplex analytten triggere, noe som gjør det aktuelt for mange trange overvåking situasjoner, på jorden eller i verdensrommet.
Biochip Design og Eksperimentelle metoder
Den biochip er 10 x 11 mm i dimensjon og har 9 ASSISEs utpekt som arbeider elektroder (WES) og 5 Ag / AgCl referanse elektroder (res). Hver arbeider elektrode (WE) er 240 mikrometer i diameter, og er like langt fra hverandre til 1,4 mm fra Res, som er 480 mikrometer i diameter. Disse elektroder er koplet til elektriske kontaktputer med en dimensjon på 0,5 mm x 0,5 mm. Den skjematisk er vist i figur 2..
Syklisk voltammetry (CV) og galvanostatic deponering metoder brukes for å electropolymerize de PEDOT filmer ved hjelp av en Bioanalytical Systems Inc. (BASI) C3 celle stativ (figur 3). Den mot-ionet for PEDOT filmen er skreddersydd for å passe til analytten ion av interesse. En PEDOT med poly (styrenesulfonate) motioner (PEDOT / PSS) benyttes for H-og CO + 3 2 -, mens en med sulfat (tilsatt til oppløsningen som CaSO 4) benyttes for Ca2 +. Den elektrokjemiske egenskaper PEDOT-belagt WE er analysert ved hjelp av CV-er i redoks-aktiv løsning (dvs. 2 mM kalium ferricyanide (K 3 Fe (CN) 6)). Basert på CV-profil, ble Randles-Ševčík analyse brukes til å bestemme den effektive areal 10. Spin-belegg på 1500 rpm brukes til å kaste ~ 2 mikrometer tykke ion-selektive membraner (ISMS) på MTB arbeidende elektroder (WES).
Den MAB er inneholdt i et mikrofluidteknisk flow-celle-kammer fylt med et 150 pl volum alge-medium; kontaktputene er elektrisk forbundet til den BASI system (fig.ure 4). Fotosyntetiske aktiviteten av Chlorella vulgaris er overvåket i ambient lys og mørke forhold.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den MAB biochip består av ASSISEs som er konstruert fra et ISM oppå en PEDOT-basert CP konjugat transduksjon lag på en Pt-elektrode, idet kombinasjonen derav transduces den ioniske konsentrasjon av interesse til en målbar elektrisk signal. En stabil elektrode potensial er definert av både CP lag og ISM sjikt. Begge lagene også bestemme arbeider levetiden til MAb og kvaliteten (støy, avdrift) av det målte elektriske signal.
PEDOT er spesielt attraktiv som en transduksjon lag både på…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gjerne takke NASA Astrobiologi Science and Technology Instrument Development (ASTID) Program for finansiering støtte (stipend tallene 103 498 og 103 692), Gale Lockwood av Birck Nantechnology Center ved Purdue University for trådbindingsoperasjon av MTB-enheter, og Joon Hyeong Park for CAD tegning av flow-celle kammer.
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).
