Waiting
Traitement de la connexion…

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

Bioengineering

Fletning Ion Koncentration Polarisering mellem sidestillede ionbyttermembraner at blokere Forplantningen 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 hidtil ukendt ionkoncentration polarisering (ICP) platform, der kan stoppe formering af ICP zone, uanset driftsbetingelserne beskrevet. Denne unikke evne af platformen ligger i anvendelsen af ​​fusionerende ion udtømning og berigelse, som er to polariteter af ICP fænomen.

Abstract

Ionkoncentrationen polarisering (ICP) fænomen er en af ​​de mest fremherskende metoder til at prækoncentrat med lav hyppighed biologiske prøver. ICP inducerer en noninvasiv region for ladede biomolekyler (dvs. ion udtømning zone), og mål kan preconcentrated på denne region grænse. På trods af de høje preconcentration forestillinger med ICP, er det svært at finde de driftsbetingelser af ikke-formerings ion udtynding zoner. For at overvinde denne snævre operativsystem vindue, vi for nylig udviklet en ny platform for spatiotemporally fast preconcentration. I modsætning foregående metoder, der kun bruger ion udtømning, denne platform bruger også den modsatte polaritet af ICP (dvs. ion berigelse) for at stoppe formering af ionen depletion zone. Ved at konfrontere berigelse zone med depleteringslag, de to zoner flette sammen og stoppe. I dette papir, beskriver vi en detaljeret forsøgsprotokol at bygge denne spatiotemporally defineret ICP bækken nedenOrm og karakterisere de preconcentration dynamik den nye platform ved at sammenligne dem med dem i konventionelle indretning. Kvalitative ion koncentration profiler og strøm-time svar held fange de forskellige dynamik mellem det fusionerede ICP og den enkeltstående ICP. I modsætning til den konventionelle en, der kan løse preconcentration placering på kun ~ 5 V, kan den nye platform producere en target-kondenseret prop på et bestemt sted i de brede intervaller af driftsbetingelser: spænding (0,5-100 V), ionstyrke (1-100 mM), og pH (3,7 til 10,3).

Introduction

Ionkoncentration polarisering (ICP) henviser til et fænomen, der forekommer under ion berigelse og ion udtømning på en permselektiv membran, hvilket resulterer i en yderligere potentiel dråbe med ion koncentrationsgradienter 1, 2. Denne koncentrationsgradient er lineær, og det bliver stejlere som en højere spænding (Ohmsk regime), indtil ion koncentration på membranen nærmer sig nul (begrænsende ordning). På dette diffusions-hæmmet betingelse har gradient (og tilsvarende ionstrøm) været kendt for at være maksimeret / mættet 1. Ud over denne traditionelle forståelse, når spændingen (eller nuværende) øges yderligere, er en overlimiting strøm observeret, med flade udtynding zoner og meget skarpe koncentrationsgradienter på betalingsringen 1, 3. Den flade zone har en koncentration meget lav ion, men overfladen ledning, elektro-osmoti c flow (EOF), og / eller elektro-osmotisk ustabilitet fremme ion flux og fremkalde en overlimiting strøm 3, 4, 5. Interessant nok flade depleteringszone tjener som en elektrostatisk barriere, som filtrerer 6, 7, 8, 9 og / eller preconcentrates målretter 10, 11. Da der er en utilstrækkelig mængde af ioner til at screene overfladen afgifter af ladede partikler (for tilfredsstillende elektroneutralitet), kan partiklerne ikke passere gennem denne udtynding zone og derfor kø ved sin grænse. Denne ulineære ICP virkning er et generisk fænomen i forskellige typer af membraner 10, 11, 12, 13,> 14 og geometrier 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; dette er grunden forskere har været i stand til at udvikle forskellige typer af filtrering 6, 7, 8, 9 og preconcentration 10, 11 enheder ved hjælp af ikke-lineær ICP.

Selv med en sådan høj fleksibilitet og robusthed, er det stadig en praktisk udfordring at afklare driftsbetingelserne for de ikke-lineære ICP-enheder. Den ulineære område af ICP fjerner hurtigt kationer gennem en kationbyttermembran, der forårsager forskydningen af ​​anioner der bevæger sig mod anoden. Som enresultat, den flade depleteringszone udbreder hurtigt, som minder om chok formering 22. Mani et al. kaldte denne dynamiske det deionization (eller udtømning) shock 23. At prækoncentrat mål på en udpeget sensing position, forhindrer udvidelse af ionen depleteringszone er nødvendig, for eksempel ved at påføre EOF eller trykdrevet strømning mod zoneudvidelse 24. Zangle et al. 22 præciseret kriterierne for ICP formering i en en-dimensionel model, og det stærkt afhænger af elektroforetisk mobilitet 17, ionstyrke 18, pH 25, og så videre. Dette indikerer, at korrekte driftsforhold vil blive ændret i henhold til prøve- betingelser.

Her præsenteres detaljeret design og eksperimentelle protokoller for en roman ICP platform, preconcentrates mål inden en spatiotemporalt defineret position 26. Udvidelsen af ​​ionen depleteringszone blokeres af ion berigelse zone, hvilket efterlader en stationær preconcentration stik i en tildelt position, uanset den driftstid, påtrykte spænding, ionstyrke og pH. Denne detaljerede video protokol er beregnet til at vise den enkleste metode til at integrere kationbyttermembraner i mikrofluidenheder og at demonstrere preconcentration udførelsen af ​​nye ICP platform sammenlignet med den konventionelle én.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fremstilling af kationbyttermembran-integrerede Mikrofluid Chips

  1. Udarbejdelse af silicium mestre
    1. Design to slags silicium mastere: en til mønstring en kationbytterharpiks og den anden for at opbygge en mikrokanal med polydimethylsiloxan (PDMS).
      BEMÆRK: detalje geometri vil blive beskrevet i trin 1.3.1 og 1.4.1.
    2. Fabrikere silicium mestre ved hjælp af enten konventionel fotolitografi eller dyb reaktiv ion ætsning 27.
    3. Silanize de mikromønstrede silicium mastere med trichlorsilan (~ 30 pi) i et vakuum krukke i 30 min.
      ADVARSEL: trichlorosilan er en pyrofor væske, der er brændbart og har en akut toksicitet (inhalation, oral indtagelse).
  2. Fremstilling af PDMS forme
    1. Bland en silikoneelastomer base med et hærdningsmiddel ved et 10: 1 forhold og placere koppen med dette uhærdede PDMS(30-40 ml til replikation mikrostrukturer på en 4-i siliciumskive) i et vakuum krukke i 30 minutter til fjernelse af bobler.
      BEMÆRK: silikone basen indeholder siloxanoligomerer slutter med vinyl grupper og en platinbaseret katalysator. Hærderen indeholder tværbindende oligomerer, der har tre silicium-hydrid obligationer 28.
    2. Hæld de uhærdede PDMS på silicium mastere, fjerne bobler med en blæser, og hærde PDMS ved 80 ° C i 2 timer i en konvektionsovn.
    3. Frigør de hærdede PDMS fra silicium mastere og ordentligt forme PDMS med en kniv (kvadrerede figurer, som vist i figur 2a-b, iv).
  3. Mønstring de kationbyttermembraner
    1. Skær halvdelen af ​​PDMS formen vinkelret på de to parallelle mikrokanaler og hulle ved enderne af PDMS kanaler med en 2,0-mm biopsi punch.
      BEMÆRK: PDMS form til mønstring af kation selektiv membran har to parAllel mikrokanaler (bredde: 100 um, højde: 50 um; interchannel afstand: 100 um, figur 1a). Den oprindelige form af støbeformen kan forestille sig ved at spejle den skiveskåret støbeform langs skærelinjen. L-formede mikrokanaler anbefales til stansning de to huller uden overlapning.
    2. Rens et objektglas og PDMS formen med tape og en blæser og sætte formen på objektglasset for at skabe reversibel fastgørelse mellem dem.
    3. Ifølge Microflow mønsterdannelse teknik 29, release ~ 10 pi af en kationbytterharpiks ved den åbne ende af kanalen, der blev skåret i trin 1.3.1 (figur 1b). Placer sprøjten hovedet på de udstansede huller og træk stemplet (sorte pile i figur 1b); en blid undertryk vil trække kationbytterresinen, og harpiksen vil fylde de to kanaler.
      BEMÆRK: Det anbefales, at højden af ​​mikrokanalplade er større end 1581; m, da den høje viskositet af harpiksen kræver højt tryk til at fylde kanalerne. På den anden side, er det bedre at højden ikke overstiger 100 um, fordi den mønstrede ionselektive membran bliver tykkere end 1 um; sådan en tyk membran kan skabe en kløft mellem membranen og PDMS kanal 13.
    4. Frigør PDMS formen uden at røre den mønstrede harpiks og placer objektglasset på varmelegeme ved 95 ° C i 5 minutter til afdampning af opløsningsmidlet i harpiksen.
      BEMÆRK: Tykkelsen af ​​den mønstrede membran er normalt mindre end <1 um. Formen er forsigtigt løsrevet ved hængsle formen til den åbne side (stiplet linje og pil i figur 1b). Det er bedst at frigøre formen mindre end 1 min efter fyldning af harpiksen. Hvis formen er afmonteret et par minutter senere, kunne opnås tykkere membraner, men de ville have en konkav form på grund af kapillarvirkning.
    5. Træk unødvendigedel af den mønstrede membran med et barberblad, hvilket gør to adskilte line-mønstre (figur 1c).
      BEMÆRK: kationbyttermateriale anvendt her har perfluorerede grupper, hvilket betyder det mønster er ikke stærkt bundet til glasset. Derfor kan den enkle blading metoden let fjerne unødvendige del af membranen.
  4. Integration af mikrokanal og membranen-mønstrede substrat
    1. Punch to huller i enderne af mikrokanaler og yderligere to huller, hvor membranen mønstre vil blive placeret efter binding af PDMS kanal til membranen-mønstrede substrat fremstillet i trin 1.3.
      Bemærk: Den PDMS mikrokanal har én kanal (bredde: 50-100 um; højde: 10 um), men det er bundet til enderne af tilstødende kanal (figur 1d).
    2. Binde PDMS mikrokanalplade til membranen-mønstrede substrat umiddelbart efter oxygenplasmabehandling i 40 s ved 100 W og 50 mTorr.
      BEMÆRK: Placer mønstrede membran vinkelret på midten af ​​mikrokanalplade.

2. ICP Preconcentration

  1. Forberedelse til eksperimentet
    1. Fremstilling af forskellige testopløsninger, herunder 1-100 mM KCI, 1 mM NaCl (pH ~ 7), blandingen af ​​1 mM NaCl og 0,2 mM HCI (pH ~ 3,7), blandingen af ​​1 mM NaCl og 0,2 mM NaOH (pH ~ 10.3), og 1x phosphatpufret saltvand.
    2. Tilføj et negativt ladet fluorescerende farvestof (~ 1,55 uM) til testopløsningerne.
      BEMÆRK: Koncentrationen af det tilsatte farvestof bør være meget lavere end for de salt ioner (<10 um), således at de ladede farvestoffer ikke bidrager til en elektrisk strøm 30, 31.
    3. Indlæse prøveopløsningen i et reservoir af kanalen og anvende negativt tryk til den anden beholder til at fylde kanalen med opløsningen. Forbind de to reservoirer hydrodynamisk ved releasing en stor dråbe at eliminere trykgradient langs kanalen (figur 2a).
    4. Fyld de to reservoirer, som er forbundet med kationbytnings mønstre, med bufferopløsninger (1 M KCI eller 1 M NaCl) under anvendelse af en sprøjte eller en pipette for at kompensere for ICP effekt i reservoirerne.
    5. Placer ledningerne på reservoirerne, på tværs af de to mønstrede membraner (anode til venstre reservoir og katoden til højre), og forbinde dem med en kilde måleenhed (figur 2a).
  2. Visualisering af ICP fænomen og ICP preconcentration
    1. Læg ICP enhed på en inverteret epifluorescensmikroskop. Påfør en spænding (0,5100 V) og måle den aktuelle reaktion med en kilde måleenhed.
    2. Capture fluorescerende billeder med en charge-coupled device-kamera og analysere den fluorescerende intensitet ved hjælp imaging software 32.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De skematiske fremstillingstrin af en membran-integrerede mikrofluid prækoncentreringsenhed er vist i figur 1. En detaljeret beskrivelse af fremstillingen er givet i protokollen. De mønstre og device billeder af spatiotemporally defineret prækoncentreringsenheden 26 står i modsætning til dem af en konventionel prækoncentreringsenhed 11 (figur 2). ICP fænomen i spatiotemporally definerede prækoncentreringsenheden blev undersøgt i form af strøm-spænding-time svar og fluorescerende intensitet profiler (Figur 3-4). Svarende til ICP fænomen med en enkelt-membran prækoncentreringsenhed 3, 11, tre forskellige ordninger (Ohmsk, begrænsning, og overlimiting) blev observeret i den aktuelle spænding kurve: 0,5-1 V (Ohmsk og begrænse) og 5 V (overlimiting) . Men en ikke-konventionelle strøm opsving varopdaget i den aktuelle tid-kurven som ion berigelse og ion udtømning zoner fusioneret. Dernæst blev ICP preconcentration testet på forskellige tidspunkter og spændinger med spatiotemporally defineret prækoncentreringsenheden (figur 5) og det konventionelle én-membran-enhed (figur 6). De preconcentration dynamik blev kvantificeret ved fluorescens billeder, strøm-time svar, og fluorescerende intensitet grafer over forskellige distancer og tider. Når man sammenligner de to platforme, den nye ICP platform viser en fordel i altid at indsamle mål (fluorescerende farvestoffer) mellem to kation membran mønstre. Desuden blev det bekræftet, at preconcentration stikket forbliver den samme i forskellige ionstyrker (1-100 mM NaCl) og pH-værdier (3.7-10.3), kontrollere høj tilgængelighed af det ophørende ICP prækoncentreringsenheden i brede intervaller af driftsbetingelser (Figur 7). I figur 8, en 10.000-fold protein preconcentration blev også demonstreret.

figur 1
Figur 1. Fabrication trin i en kationbyttermembran-integrerede mikrofluid chip. Efter en PDMS formen fyldes med en kationbytterharpiks under anvendelse af Microflow mønsterdannelse teknik (a - c) 29 er membranen-mønstrede glassubstrat bundet med en PDMS mikrokanal med oxygen plasmabehandling (d). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Skematisk af spatiotemporally defineret prækoncentreringsenheden (a) og konventionel prækoncentreringsenhed (b). (A) I the ny platform, mellem to membran mønstre (i), ion udtømning / berigelse zoner er udviklet og slået sammen med lineær (Ohmsk og begrænse styre; ii) eller ikke-lineær (overlimiting ordning; iii) koncentration profiler. I alle tre nuværende ordninger de ion berigelse zone blokerer formering af udtømning zone og mål (hule cirkler i) er preconcentrated på grænsefladen af ​​ion udtømning og berigelse zoner (buet, stiplede linje i). Væggen af ​​PDMS kanal er negativt ladet, og dette genererer elektro-osmotisk strømning (EOF) mellem de to kationbyttermembraner under et elektrisk felt. Den EOF leverer løbende mål mod grænsefladen af ​​nedbrydningen og berigelse zoner. (B) I den konventionelle platform, er det kun ion udtømning zone udviklet nær membranen med lineær (Ohmsk og begrænse styre; ii) og ikke-lineær (overlimiting ordning; iii) koncentrationsgradienter. Som EOF leverer målene, den preconcentration alså forekommer ved nedbrydningen zonegrænse, men denne zone (og preconcentrated stik) bevæger sig væk fra kationbyttermembranen (sort pil i). Det bemærkes, at der ikke er nogen stigning i ionkoncentrationen her uden ionen berigelse zone (ii-iii). I (ab), er enheden billeder vist i (iv). C 0 repræsenterer den initiale ionkoncentration. V + og G angiver anoden og katoden, hhv. Genoptrykt fra reference 26T med tilladelse fra The American Chemical Society. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Merged ICP fænomen mellem to kationbyttermembraner. (A) Den nuværende spænding kurve viser tre særskilte regimes (Ohmsk, begrænsning, og overlimiting). Den aktuelle reaktion måles ved rampe op spændingen ved diskrete intervaller på 0,25 V hver 40 s, der gentages tre gange. Fejlen bar angiver standardafvigelsen af ​​de nuværende reaktioner. (b, c) I de tre regimer, fluorescens billeder (b) og intensitet profiler langs AA 'i midten af kanalen (c) blev opnået. Gul, prikkede felter angiver placeringen af ​​de kation selektive membraner. 1 mM KCl-opløsning med en 1,55 um (1 ug / ml) negativt ladet fluorescerende farvestof blev anvendt. Genoptrykt fra reference 26 med tilladelse fra The American Chemical Society. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. (A, b) I den ohmske-begrænsende regimer, de lineære koncentrationsgradienter vokse (<1 s) fra kationbyttermembranen og derefter overlapper hinanden (> 1 s). (C) I det overlimiting regime er de to ICP zoner fusioneret hurtigere (<0,6 s) med udtømning chok (sort pil på 0,2 s). (D - f) nuværende tid responser viser, at den nuværende oprindeligt tabes på grund af væksten af den lave koncentration depleteringszone, hvilket svarer til lav elektrisk ledningsevne. Den aktuelle dråbe udvindes derefter på grund af en konvektiv transport af hvirvler indesluttet mellem to membraner. Genoptrykt fra referencenavigationssystem 26 med tilladelse fra The American Chemical Society. Klik her for at se en større version af dette tal.

<p class = "jove_content" fo: holde-together.within-side = "1"> Figur 5
Figur 5. Spatiotemporally fast preconcentration på 5, 10, og 20 V. (a - c) Fluorescens billeder af den fusionerede ICP og strøm-time reaktioner (D - f) over tid (0-100 s). De gule, stiplede linjer angiver beliggenheden af ​​de kationbyttermembraner. (G) Time-lapse fluorescerende intensitet profiler er plottet langs mikrokanalplade (AA '). Topintensiteterne stige som tiden går, med faste steder. (H) Den maksimale intensitet fold (dvs. hvor mange gange større end den første fluorescerende intensitet). Ved højere spændinger, jo hurtigere EOF leverer mål mod grænsefladen af ​​ion udtømning og berigelse zoner, så de preconcentration hastighed øges. Et spyd ved 20 V induceres af udtømningen chok ( figur 4c, 0.8 s, peak var bredere end den var ved 0,4 s. Det er sandsynligvis fordi den venstre side af venstre Nafion mønster (figur 2a) elektrisk blev flød, og de akkumulerede farvestoffer kunne spredes. Genoptrykt fra reference 26 med tilladelse fra The American Chemical Society. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6. ICP fænomen i den konventionelle ICP prækoncentreringsenheden ved 5, 10 og 20 V. (A - c) Fluorescensbilleder af ion depleteringslag og nuværende tid respons (d - f) med tiden (0-100 s). Forplantningen af ​​depleteringslag og preconcentration stikket er klart visualiseret i fluorescens billeder. Derfor er hvirvlerne ikke begrænset, så det nuværende opsving ikke sker, selv i overlimiting regime. Gul, stiplede linjer markerer placeringen af ​​kationbyttermembraner. (G) Time-lapse fluorescerende intensitet profiler er plottet langs mikrokanalplade (AA '). Topintensiteterne stige som tiden går, men placeringen bevæger sig væk fra membranen. (H) Peak intensitet fold af konventionel ICP-enheden. I modsætning til den fusionerede ICP-enheden (fig 5h), er der ingen intensitet spike uden indespærring af ICP zoner, fordi fluorescensintensiteten steget som farvestoffet blev preconcentrated. Stigningen af ​​than topintensitet fold svarer til den for den fusionerede ICP enhed på samme tid (ved en given spænding). Dette indikerer, at længden af ​​tid, som preconcentrated prop holdes på plads er afgørende for preconcentration ydeevne. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7. Spatiotemporally defineret preconcentration ved forskellige ionstyrker (1-100 mM NaCl) og pH-værdier (3,7 til 10,3). (A) Fluorescensbilleder opnået efter 100 sekunders drift ved 50 V. Som det kan ses, placeringerne af preconcentration stik er stadig mellem de to kationbyttermembraner (gul, stiplede linjer), selv om intensiteten svækkes under højt ionisk styrke og med et stærkt sure eller basiskeløsning. (B, c) placeringen af toppen intensitet og dens intensitet fold (dvs.., Hvor mange gange større end den oprindelige intensitet), kortlagt under 10, 20, 50 og 100 V. For en enkelt betingelse (1, 10, 100 mM og / eller pH 3,7, 7 og 10), er der fire datapunkter svarende til de fire spænding betingelser. Ved højere spændinger, der er en højere spids intensivere fold i alle tilfælde. 100 V blev ikke testet i 1 mM NaCl (pH 7), fordi topintensiteten allerede rørt de højeste værdier (på grund af mætning af kameraet) ved 50 V. Fra topintensiteten profil, er toppens område også identificeret, med 1 % under toppunktet intensitet, som er repræsenteret ved fejlsøjler (B, C). En højere spænding og en stærkere EOF flytte peak placering til højre, med en højere intensitet fold og en skarpere preconcentration stik. Grå bokse angiver placeringen af ​​kationbyttermembraner. 0 afstand (a) repræsenterer oprindelsen af ​​x-aksen (b, c), som erpå den højre kant af den venstre kationbyttermembran. Oprindelsen af ​​afstanden er den højre kant af den venstre membran. Genoptrykt fra reference 26 med tilladelse fra The American Chemical Society. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8
Figur 8. Demonstration af spatiotemporally fast protein preconcentration. FITC-albumin (1 ug / ml) i 1X phosphatpufret saltopløsning blev anvendt. 0,1% Tween 20 blev også tilsat for at forhindre ikke-specifik binding. Da preconcentration næppe opnås ved en højere ionstyrke (figur 7), vi fordoblede bredden af Nafion mønster (200 um) og anvendt et smallere PDMS kanal (50 um). På denne måde blev ydeevnen af ​​ICP preconcentration forstærkes afudvide ion pathway og reducere den absolutte mængde af ioner i kanalen. Ved en påtrykt spænding på 100 V, peak og gennemsnittet fluorescensintensiteter blev sporet i det hvide, stiplede kasse, som er regionen mellem de to kationbyttermembraner. Inden for 10 min drift blev proteinerne preconcentrated op til 10 mg / ml (top) og ~ 0,1 mg / ml (gennemsnit), hvilket indikerer 10.000 og 100-fold preconcentrations hhv. Det indsatte fluorescensbilleder blev opnået ved 0, 10, og 20 min. I dette arbejde, en 20-min operation var nok til at prækoncentrat målmolekylerne, så vi ikke dækker længere driftstider. Genoptrykt fra reference 26 med tilladelse fra The American Chemical Society. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vi har beskrevet fremstillingen protokol og udførelsen af ​​en spatiotemporally defineret prækoncentreringsenhed i et område af den påførte spænding (0,5-100 V), ionstyrke (1-100 mM), og pH (3,7 til 10,3), at opnå en 10.000-fold preconcentration af farvestoffer og protein inden for 10 min. Som ligesom tidligere ICP-enheder, bliver preconcentration bedre ydeevne ved højere spænding og ved lavere ionstyrke. En yderligere parameter, vi kan overveje her er afstanden mellem to kationbyttermembraner. Hvis vi øge afstanden mellem membranen, det elektriske felt aftager under den samme påførte spænding, hvilket resulterer i fald i preconcentration hastighed 26.

Den Microflow mønster teknik 29 anvendes i dette arbejde er en robust metode til mønstret kationbytterharpikser, så det har været en af de guld-standard metoder til at integrere ionbyttermaterialer i mikrofluide systemer. Nevertheless, er det nødvendigt at fremstille to sidestillede kationbyttermembraner med en kort intermembrane afstand (mindre end nogle få hundrede mikrometer). I trin 1.3.3-1.3.4, kationbytterharpiksen er i en væskefase. Derfor kan harpiksen i de to mikrokanalerne blive kollapset, og den resterende harpiks drop ved den åbne ende af kanalerne kan også oversvømme under formen løsrivelse (trin 1.3.4.). At bygge to kationbyttermembraner med høj mønster fidelity anvendte vi harpiksen med en relativt høj viskositet (20% af kationbyttermaterialet i opløsningsmidlerne), og indstil forsigtigt løsrivelse proces med en udpeget afmontering retning.

Selvom høj fleksibilitet drift af denne platform blev demonstreret, kan læseren være bekymret bestemmelse af de optimale betingelser fra den brede vifte inden driftsvinduet. Et repræsentativt trade-off er mellem preconcentration hastighed og stabilitet ICP effekt. som det kanses i figur 5 i Kwak et al. 26, en høj påført spænding (> 50 V) kan kondensere mål hurtigt; men dette inducerer også stærke hvirvler i depleteringslag (1 mM / pH 7 i fig 7a), som nedsætter stabiliteten af prøven preconcentration. Følgelig bliver preconcentration hastighed vanskeligt at forudsige 33. I den nuværende fase, anbefaler vi eksperimentelle betingelser med en relativ lav spænding (<30 V) og ionstyrke (<10 mm) til en stabil, forudsigelig, og spatiotemporally fast preconcentration. Denne afvejning mellem preconcentration hastighed og stabilitet preconcentrated stik er også relateret til kilderne til den ikke-lineære ICP (overflade ledning, EOF, og elektro-osmotisk ustabilitet). Den vigtigste kilde til den ikke-lineære ICP på et relativt lille spænding (<50 V) er EOF, at skabe en sammenhængende vortex par i udtømning zone (figur 3b), der leannoncer til en stabil preconcentration. Ved en relativ høj spænding (> 50 V), er den vigtigste kilde til den ikke-lineære ICP ændret til elektro-osmotisk ustabilitet, hvilket resulterer kaotiske flere hvirvler, som mindsker stabiliteten af ​​preconcentration.

For nylig har papirbaserede ICP platforme blevet udviklet af Phan et al. 34, Gong et al. 19, og Han et al. 21. Disse papir enheder med mikroporøse strukturer kan undertrykke elektro-osmotisk ustabilitet 4, 35 og afhjælpe stabilitet spørgsmål. Imidlertid størrelserne af papir kanaler er generelt ca. 0,5-5 mm, som er meget større end en konventionel mikrofluid kanal. Denne bredere papir kanal med tilfældige fibernet forårsager uregelmæssige bevægelser i preconcentrated stik. Dette har været uundgåelig i papirbaserede ICP preconcentrators, fordi den mindste funktionstørrelse voks mønsterruller og papir skæring (dvs. fabrikation metoder til at bygge papir kanaler) handler om nogle få hundrede mikrometer.

ICP prækoncentreringsenhed har været anvendt i en lang række biomicrofluidic platforme til preconcentrating forskellige bioagenser; amplifikation signalerne fra forskellige assays; og detektere mål, såsom terapeutiske proteiner 36, peptider 37, aptamerer 17, og enzymer 38. Disse tidligere værker målrettet fluorescensmærkede biomolekyler. Det er fordi vi ikke kan angive de nøjagtige driftsbetingelser (dvs. spænding og flow rate) for at opretholde den preconcentration webstedet, så vi først nødt til at finde de rette betingelser for prækoncentreringsenheden mål. Afrejse fra tidligere arbejde, den fusionerede ICP fænomen giver os mulighed for altid fastsætte preconcentrated stik på en bred vifte af driftsbetingelser og samtidig bevare den høje fleksibilitetICP-enheder. For eksempel kan vi modulere fusionerede ICP-system med en tangentiel fluidstrømning, og drive det i den kontinuerlige strømning tilstand 39. Dette indikerer, at vi nu kan udvide anvendelser af ICP preconcentrators at mærke-fri detektionsteknikker uden brug visualisering instrumenter og sporstoffer. Denne unikke fordel af Spatiotemporal styrbarhed giver en stærk kommerciel mulighed for at integrere ICP enhed med generiske stationære platforme, såsom polymerasekædereaktion 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

Bioengineering ion koncentration polarisering preconcentration ionbytning membran overlimiting strøm elektro-osmotisk flow elektro-osmotisk ustabilitet
Fletning Ion Koncentration Polarisering mellem sidestillede ionbyttermembraner at blokere Forplantningen 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