Multi-analyt Biochip (MAB) Baserat på All-solid-state jonselektiva elektroder (assise) för fysiologisk forskning
Summary
All-solid-state jonselektiva elektroder (Assises) konstruerade från en ledande polymer (CP) givaren ger flera månader av funktionella livstid i flytande media. Här beskriver vi tillverkning och kalibreringen av Assises i ett lab-on-a-chip-format. Den assise demonstreras att ha upprätthållit en nära-Nernstian lutning profil efter långvarig förvaring i komplexa biologiska medier.
Abstract
Lab-on-a-chip (LOC) tillämpningar inom miljö-, biomedicinsk-, jordbruks-, biologiska och rymdfärder forskning kräver en jon-selektiv elektrod (ISE) som tål långvarig förvaring i komplexa biologiska medier 1-4. En all-solid-state jon-selektiva-elektrod (assise) är särskilt attraktivt för ovannämnda ansökningar. Elektroden skall ha följande positiva egenskaper: enkel konstruktion, låga underhållskostnader och (risk för) miniatyrisering, vilket möjliggör batch-bearbetning. En mikrofabricerad assise avsedd för kvantifiering av H +, Ca2 +, och CO 3 2 – joner konstruerades. Den består av en ädel-metallelektrod skiktet (Pt), en transduktion skikt, och ett jonselektivt membran (ISM) skiktet. Transduktion skiktet fungerar att transducera den koncentrationsberoende kemisk potential av det jonselektiva membranet till en mätbar elektrisk signal.
Than livslängden för en assise befinns bero på att upprätthålla potentialen vid det ledande skiktet / membran gränssnitt 5-7. För att förlänga assise arbetar livslängd och därmed upprätthålla stabila potentialer vid gränsskiktet skikten, utnyttjade vi den ledande polymeren (CP) poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 7-9 i stället för silver / silverklorid (Ag / AgCl) eftersom givarens skiktet. Vi konstruerade assise i ett lab-on-a-chip-format, som vi kallade multi-analyt biochip (MAB) (Figur 1).
Kalibreringar i testlösningar visade att MAB kan övervaka pH (driftområde pH 4-9), CO 3 2 – (mätt intervallet 0,01 mM – 1 mM) och Ca 2 + (log-linjära intervallet 0,01 mM till 1 mM). Den MAB för pH ger en nära-Nernstian lutning svar efter nästan en månad lagring i alger medium. Karbonatet biochips visar en potentiometrisk profil som liknar den hos en konventionell jon-selektiv elektrod. Physiological mätningar användes för att övervaka biologiska aktiviteten hos modellsystemet, den mikroalg Chlorella vulgaris.
Den MAB förmedlar en fördel i storlek, mångsidighet och multiplex analyt avkänning kapacitet, vilket gör den användbar till många trånga övervakningssituationer, på jorden eller i rymden.
Biochip Design och experimentella metoder
Den biochip är 10 x 11 mm i dimension och har 9 Assises betecknade som arbetar elektroder (Wes) och 5 Ag / AgCl elektroder hänvisning (RES). Varje arbetsgrupp elektrod (WE) är 240 mm i diameter och är jämnt fördelade på 1,4 mm från RES, som är 480 mikrometer i diameter. Dessa elektroder är anslutna till elektriska kontaktplattor med en dimension av 0,5 mm x 0,5 mm. Den schematiska visas i figur 2.
Cyklisk voltammetry (CV) och galvanostatiska metoder nedfall används för att electropolymerize PEDOT filmerna med en Bioanalytical Systems Inc. (BASI) C3 cell stativ (Figur 3). Den Motjonen för PEDOT Filmen är anpassad för att passa den analyt jonen av intresse. En PEDOT med poly (styrensulfonat) motjon (PEDOT / PSS) utnyttjas för H + och CO 3 2 -, medan en med sulfat (tillsatt till lösningen som CaSO 4) utnyttjas för Ca 2 +. De elektrokemiska egenskaperna hos PEDOT-belagda WE analyseras med användning av CV i redox-aktiv lösning (dvs. 2 mM kaliumferricyanid (K3Fe (CN) 6)). Baserat på CV-profil, var Randles-Sevcik analys används för att bestämma den effektiva ytan 10. Spin-coating vid 1500 rpm används för att gjuta ~ 2 im tjocka jonselektiva membran (LIS) på MAB arbetselektroderna (WEs).
Den MAB ingår i ett mikroflödessystem flödescellen kammare fylld med en 150 | il volym hos alger medium; kontaktkuddarna är elektriskt anslutna till den BASI systemet (Figure 4). Den fotosyntetiska aktiviteten av Chlorella vulgaris övervakas i omgivande ljus och mörka förhållanden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den MAB biochip består av Assises som är tillverkade av ett ISM atop en PEDOT-baserade CP konjugat transduktion skikt på en Pt-elektrod, en kombination som omvandlar den joniska koncentrationen av intresse för en mätbar elektrisk signal. En stabil elektrodpotential definieras av både CP skiktet och ISM skiktet. Båda skikten bestämmer också arbetar livslängd MAB och kvalitet (buller, drift) av den uppmätta elektriska signalen.
PEDOT är speciellt attraktiv som transduktion skikt p?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vill tacka NASA Astrobiology vetenskap och teknik Instrument Development (ASTID) Program för finansiering stödet (nummer 103498 och 103.692), Gale Lockwood av Birck Nantechnology Center vid Purdue University för wirebonding av MAB-enheter, och Joon Hyeong Park för CAD-ritning av flödescellen kammaren.
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
- 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).
