Het samenvoegen van Ion Concentratie polarisatie tussen Naast elkaar Ion Exchange membranen aan de voortplanting van de Polarisatie Zone blokkeren
Summary
Het protocol voor een nieuwe ionenconcentratie polarisatie (ICP) platform dat de voortplanting van de ICP zone kan stoppen, ongeacht de omstandigheden beschreven. Dit unieke vermogen van het platform ligt in het gebruik van fusie ion uitputting en verrijking, die twee polariteiten van de ICP fenomeen zijn.
Abstract
De ionconcentratie polarisatie (ICP) fenomeen is een van de meest gangbare methoden voor lage abundantie biologische monsters preconcentraat. De ICP induceert een niet-invasieve regio voor geladen biomoleculen (dwz het ion depletie zone), en doelstellingen kunnen worden gepreconcentreerd op deze regio grens. Ondanks de hoge prestaties preconcentratiestap met ICP, is het moeilijk om de bedrijfsomstandigheden van niet-voortplantende ion depletie zones vinden. Om deze smalle operationele venster te overwinnen, we recent ontwikkelde een nieuw platform voor spatiotemporeel vaste voorconcentrering. In tegenstelling tot voorgaande werkwijzen dat alleen ionen depletie gebruiken, dit platform gebruikt de tegengestelde polariteit van de ICP (dwz ion verrijking) tegen verspreiding van de ion uitputtingszone stoppen. Door de confrontatie met de verrijking zone met de uitputting zone, de twee zones samen te voegen elkaar en stoppen. In dit artikel beschrijven we een gedetailleerd experimenteel protocol bij deze spatiotemporeel gedefinieerd ICP platf bouwenorm en kenmerken de voorconcentratie dynamiek van het nieuwe platform door vergelijking met die van de conventionele inrichting. Kwalitatieve ion concentratie profielen en de huidige-time reacties met succes vastleggen van de verschillende dynamiek tussen de gefuseerde ICP en de stand-alone ICP. In tegenstelling tot de conventionele dat de preconcentratiestap locatie op ~ 5 V kan oplossen, kan het nieuwe platform een doelwit-gecondenseerd plug produceren op een specifieke locatie in het brede bereik van bedrijfscondities: spanning (0,5-100 V), ionsterkte (1-100 mM) en pH (3,7-10,3).
Introduction
Ionenconcentratie polarisatie (ICP) verwijst naar een fenomeen dat optreedt tijdens ion ion verrijking en verarming een permselectief membraan, waardoor een extra potentiaaldaling met ionenconcentratie gradiënten 1, 2. Deze concentratiegradiënt is lineair, en steiler als een hogere spanning wordt aangelegd (Ohmse regime) tot de ionenconcentratie op het membraan nul nadert (beperking regime). Dit diffusie beperkte conditie, is de gradiënt (en overeenkomstige ion flux) bekend te maximaliseren / verzadigd 1. Afgezien van deze conventionele begrip, wanneer de spanning (of stroom) verder wordt verhoogd, een overlimiting stroom wordt waargenomen, met een flatscreen uitputting zones en zeer scherpe concentratie gradiënten op de zonegrens 1, 3. De vlakke zone heeft een zeer lage ionenconcentratie, maar oppervlaktegeleidingstype, elektro-osmoti c flow (EOF) en / of elektro-osmotische instabiliteit bevorderen ionflux en induceren een overlimiting huidige 3, 4, 5. Interessant is dat de vlakke uitputtingszone fungeert als elektrostatische barrière, die filtert 6, 7, 8, 9 en / of preconcentraten target 10, 11. Aangezien er een onvoldoende hoeveelheid ionen aan het oppervlak beschuldiging van geladen deeltjes (om te voldoen elektroneutraliteit) scherm, kunnen de deeltjes niet door deze depletiezone en daarom line-up op de grens. Deze lineaire ICP effect is een generiek verschijnsel in verschillende typen membranen 10, 11, 12, 13,> 14 en geometrieën 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; daarom onderzoekers in staat om verschillende soorten filtratie 6, 7, 8 hebben kunnen ontwikkelen, 9 en preconcentratiestap 10, 11 apparaten met behulp van de niet-lineaire ICP.
Zelfs bij een zo hoge flexibiliteit en stevigheid, het is nog steeds een praktische uitdaging om de bedrijfsomstandigheden voor de ICP-lineaire inrichtingen verduidelijken. De lineaire regime van de ICP snel verwijdert kationen door een kationenwisselingsmembraan, waarbij de verplaatsing van anionen richting van de anode veroorzaakt. Als eenHierdoor is de flat depletiezone propageert snel, wat doet denken aan shock voortplanting 22. Mani et al. noemde deze dynamische de deïonisatie (of uitputting) schokken 23. Om doelen preconcentraat op een aangewezen taststand, waardoor de uitbreiding van het ion uitputtingszone noodzakelijk, bijvoorbeeld door toepassing of EOF drukgedreven stroom tegen de expansie zone 24. Zangle et al. 22 verduidelijkt de criteria voor ICP propagatie in een eendimensionale model en sterk afhankelijk van elektroforetische mobiliteit 17, 18 ionsterkte, pH 25, enzovoort. Dit geeft aan dat de juiste bedrijfsomstandigheden wordt navenant te worden monstercondities.
Hier presenteren wij gedetailleerde ontwerp en experimentele protocollen voor een roman ICP-platform dat de streefcijfers preconcentraten binnen een spatiotemporaal gedefinieerde positie 26. De uitbreiding van de ionen uitputtingszone wordt geblokkeerd door de ion verrijking zone, waardoor een stationaire preconcentratiestap stekker aan een toegewezen positie, ongeacht de bedrijfstijd, aangelegde spanning, ionensterkte en pH. Deze gedetailleerde video protocol is bedoeld voor de eenvoudigste methode om kationenuitwisselingsmembranen integreren in microfluïdische inrichtingen en de voorconcentratie prestaties van de nieuwe ISP platform ten opzichte van de conventionele tonen tonen.
Protocol
Representative Results
Discussion
We hebben beschreven de vervaardiging protocol en het uitvoeren van een spatiotemporeel gedefinieerd preconcentrator in een bereik van de aangelegde spanning (0,5-100 V), ionsterkte (1-100 mM) en pH (3,7-10,3), het bereiken van een 10.000-voudige voorconcentrering van kleurstoffen en eiwitten binnen 10 min. Zoals net als vorige ICP-apparaten, de preconcentratiestap prestaties beter wordt bij een hogere spanning en tegen lagere ionsterkte. Een extra parameter kunnen we hier te overwegen is de afstand tussen twee kationen…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the internal fund of the Korea Institute of Science and Technology (2E26180) and by the Next Generation Biomedical Device Platform program, funded by the National Research Foundation of Korea (NRF-2015M3A9E202888).
Materials
| 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 |
References
- Probstein, R. F. . Physicochemical Hydrodynamics: An Introduction. , (2003).
- Strathmann, H. . Ion-Exchange Membrane Separation Processes. , (2004).
- Dydek, E. V., et al. Overlimiting Current in a Microchannel. Phys. Rev. Lett. 107 (11), 118301 (2011).
- 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).
- Rubinstein, I., Zaltzman, B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane. Phys. Rev. E. 62 (2), 2238-2251 (2000).
- Kwak, R., Kim, S., Han, J. Continuous-flow biomolecule and cell concentrator by ion concentration polarization. Anal. Chem. 83 (19), 7348-7355 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Schoch, R. B., Han, J. Y., Renaud, P. Transport phenomena in nanofluidics. Rev.Mod. Phys. 80 (3), 839-883 (2008).
- 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).
- 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).
- Kim, B., et al. Tunable ionic transport for a triangular nanochannel in a polymeric nanofludic system. ACS Nano. 7 (1), 740-747 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ko, S. H., et al. Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization. Lab Chip. 12 (21), 4472-4482 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mani, A., Bazant, M. Z. Deionization shocks in microstructures. Phys. Rev. E. 84, 061504 (2011).
- Slouka, Z., Senapati, S., Chang, H. C. Microfluidic systems with ion-selective membranes. Annu. Rev.Anal. Chem. 7, 317-335 (2014).
- 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).
- Kwak, R., Kang, J. Y., Kim, T. S. Spatiotemporally defining biomolecule preconcentration by merging ion concentration polarization. Anal. Chem. 88 (1), 988-996 (2016).
- 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).
- Campbell, D. J., et al. Replication and compression of surface structures with polydimethylsiloxane elastomer. J. Chem. Educ. 76 (4), 537-541 (1999).
- 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).
- Kwak, R., Guan, G., Peng, W. K., Han, J. Microscale electrodialysis: concentration profiling and vortex visualization. Desalination. 308, 138-146 (2013).
- Chambers, R. D., Santiago, J. G. Imaging and quantification of isotachophoresis zones using nonfocusing fluorescent tracers. Anal. Chem. 81, 3022-3028 (2009).
- Minerick, A. R., Ostafin, A. E., Chang, H. C. Electrokinetic transport of red blood cells in microcapillaries. Electrophoresis. 23 (14), 2165-2173 (2002).
- 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).
- Rubinstein, S. M. Direct observation of a nonequilibrium electro-osmotic instability. Phys. Rev. Lett. 101, 236101 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
