Multi-Analyt-Biochip (MAB) auf All-Solid-State-Ionen-selektiven Elektroden (ASSISE) für physiologische Forschung Grundlage
Summary
All-Solid-State-Ionen-selektiven Elektroden (Assises) aus einem leitfähigen Polymer (CP) Wandler konstruiert ist mehrere Monate von funktionellen Lebensdauer in flüssigen Medien. Hier beschreiben wir die Herstellung und Kalibrierung von Assises in einem Lab-on-a-Chip-Format. Die ASSISE nachgewiesen wird beibehalten eine nahezu Nernst Höhenprofil nach längerer Lagerung in komplexen biologischen Medien.
Abstract
Lab-on-a-chip (LOC) Anwendungen in der Umwelttechnik, Biomedizin, Landwirtschaft, biologische und Raumfahrt Forschung erfordern einen ionenselektiven Elektrode (ISE), die längere Lagerung in komplexen biologischen Medien 1-4 standhalten können. Ein all-solid-state ionenselektiven Elektrode (ASSISE) ist besonders attraktiv für die oben genannten Anwendungen. Die Elektrode sollte die folgenden günstigen Eigenschaften: einfache Konstruktion, geringer Wartungsaufwand, und (Potenzial für) Miniaturisierung, so dass für die Stapelverarbeitung. Mikrohergestellte ASSISE zur Quantifizierung H +, Ca 2 + und CO 3 2 soll – Ionen konstruiert. Es besteht aus einer Edelmetall-Elektrodenschicht (dh Pt), einer Transduktion Schicht und einer ionenselektiven Membran (ISM)-Schicht. Die Transduktion Schicht dient dazu, die Konzentration abhängigen chemischen Potentials der ionenselektiven Membran in ein messbares elektrisches Signal zu transduzieren.
Ter Lebensdauer eines ASSISE gefunden wird, auf die Erhaltung der Potential an der leitfähigen Schicht / Membran-Grenzfläche 5-7 ab. Um die Lebensdauer zu verlängern ASSISE und dadurch eine stabile Potentiale an den Grenzschichten, verwendeten wir das leitfähige Polymer (CP) Poly (3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) 7-9 anstelle von Silber / Silberchlorid (Ag / AgCl) wie der Wandler aufweist. Wir konstruierten die ASSISE in einem Lab-on-a-Chip-Format, die wir als die Multi-Analyt-Biochip (MAB) (Abbildung 1).
Kalibrierungen in Testlösungen gezeigt, dass die MAB können pH-Wert (pH 4-9 Betriebsbereich), CO 3 2 überwachen – (Messbereich 0,01 mm – 1 mm) und Ca 2 + (log-linearen Bereich von 0,01 mm bis 1 mm). Die MAB für pH bietet eine nahezu Nernst Steigung Antwort nach fast einen Monat Lagerung in Algenmedium. Die Carbonat Biochips zeigen eine potentiometrische Profil ähnlich dem eines herkömmlichen ionenselektiven Elektrode. Physiolgroßartiges Puzzle-Messungen wurden verwendet, um die biologische Aktivität des Modellsystems, die Mikroalge Chlorella vulgaris überwachen.
Die MAB vermittelt einen Vorteil in der Größe, Vielseitigkeit und Multiplex-Analyten Sensing-Funktion, so dass es für viele beschränkt Überwachung von Situationen, auf der Erde oder im Weltraum.
Biochip Entwurf und experimentelle Methoden
Der Biochip 10 x 11 mm in Dimension und ist mit 9 Assises als Arbeitselektroden (wes) und 5 Ag / AgCl Referenzelektrode (EE) bezeichnet. Jede Arbeitselektrode (WE) ist 240 um im Durchmesser und ist gleichermaßen bei 1,4 mm von der REs, die 480 um im Durchmesser angeordnet sind. Diese Elektroden sind an elektrischen Kontaktstellen mit einer Größe von 0,5 mm x 0,5 mm verbunden ist. Die schematische wird in Abbildung 2 gezeigt.
Cyclovoltammetrie (CV) und galvanostatischen Ablagerung Methoden werden verwendet, um die Filme mit einer PEDOT Bioanalytic electropolymerizeal Systems Inc. (BASI) C3 Stand Zelle (Abbildung 3). Das Gegenion für die PEDOT Film zugeschnitten ist, um den Analyten Ionen von Interesse zu entsprechen. A PEDOT mit Poly (styrolsulfonat) Gegenion (PEDOT / PSS) für H + und CO 3 2 verwendet -, während man mit Sulfat (zu der Lösung als CaSO 4) für Ca 2 + verwendet wird. Die elektrochemischen Eigenschaften der PEDOT beschichtete WE wird unter Verwendung Lebensläufe in Redox-aktive Lösung (dh 2 mM Kaliumhexacyanoferrat (K 3 Fe (CN) 6)). Basierend auf dem CV-Profil wurde Randles-Sevcik Analyse verwendet werden, um die effektive Oberfläche 10 zu bestimmen. Spin-Coating bei 1500 rpm wird verwendet, um ~ 2 um dick ionenselektiven Membranen (ISMS) auf den MAB Arbeiten Elektroden (WES) gegossen.
Die MAB in einem Mikrofluidik-Kammer-Zelle mit 150 ul Volumen Algenmedium gefüllt enthalten, die Kontaktpads elektrisch mit der BASI verbunden (Abb.Abbildung 4). Die photosynthetische Aktivität von Chlorella vulgaris ist in Umgebungslicht und dunkler Umgebung überwacht.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die MAB Biochip besteht aus Assises, die von einem ISM auf einem PEDOT-basierte CP Konjugat Transduktion Schicht auf einem Pt-Elektrode, deren Kombination die Ionenkonzentration von Interesse umwandelt, um ein messbares elektrisches Signal ausgebildet sind. Eine stabile Elektrodenpotential wird sowohl durch die CP-Schicht und der ISM Schicht definiert. Beide Schichten bestimmen auch die Betriebslebensdauer des MAB und die Qualität (Rauschen, Drift) der gemessenen elektrischen Signals.
PEDOT…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir möchten NASA Astrobiology Science and Technology Instrument Entwicklung (ASTID) Programm für finanzielle Unterstützung (grant Nummern 103498 und 103692), Gale Lockwood des Birck Nantechnology-Center an der Purdue University danken für Drahtbonden des MAB-Geräte und Joon Hyeong Park für die CAD-Zeichnung der Durchflusszelle 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. |
Riferimenti
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