Fusion Ion Concentration Polarisation entre juxtaposées échangeuses d'ions Membranes pour bloquer la propagation de la Zone Polarisation
Summary
Le protocole pour une nouvelle polarisation de concentration d'ions (ICP) plate-forme qui peut arrêter la propagation de la zone ICP, quelles que soient les conditions de fonctionnement est décrit. Cette capacité unique de la plate-forme repose sur l'utilisation de la fusion de l'appauvrissement d'ions et d'enrichissement, qui sont deux polarités du phénomène ICP.
Abstract
Le phénomène de concentration d'ions de polarisation (ICP) est l'une des méthodes les plus dominants à préconcentré échantillons biologiques à faible abondance. Le PCI induit une région non invasive pour les biomolécules chargées ( à savoir la zone d'appauvrissement d'ions), et les cibles peut être préconcentré sur cette région frontalière. Malgré les performances de préconcentration élevés avec ICP, il est difficile de trouver les conditions d'exploitation des zones non-propagation de l'épuisement des ions. Pour surmonter cette fenêtre d'exploitation étroite, nous avons récemment développé une nouvelle plate-forme pour préconcentration spatiotemporellement fixe. Contrairement aux méthodes qui utilisent uniquement l' épuisement des ions précédentes, cette plate – forme utilise également la polarité opposée de l'ICP ( par exemple, l' enrichissement d'ions) pour arrêter la propagation de la zone d'appauvrissement d'ions. En confrontant la zone d'enrichissement de la zone d'appauvrissement, les deux zones se confondent et arrêter. Dans cet article, nous décrivons un protocole expérimental détaillé pour construire cette Plat ICP spatiotemporellement définiorm et caractériser la dynamique de préconcentration de la nouvelle plate-forme en les comparant avec celles du dispositif conventionnel. profils de concentration d'ions qualitatives et des réponses en temps actuel capturent avec succès les différentes dynamiques entre l'ICP fusionnée et le PCI autonome. Contrairement à une classique qui peut fixer l'emplacement de préconcentration à seulement ~ 5 V, la nouvelle plate-forme peut produire un bouchon cible condensé à un emplacement spécifique dans les larges gammes de conditions de fonctionnement: tension (0,5-100 V), la force ionique (1-100 mM) et le pH (3,7 à 10,3).
Introduction
La polarisation de concentration d' ions (PIC) se réfère à un phénomène qui se produit au cours de l' enrichissement en ions et de l' appauvrissement d'ions sur une membrane à perméabilité sélective, ce qui entraîne une chute de tension supplémentaire avec des gradients de concentration d'ions 1, 2. Ce gradient de concentration est linéaire, et il devient plus raide qu'une tension élevée est appliquée (régime ohmique) jusqu'à ce que la concentration en ions sur la membrane est proche de zéro (régime de limitation). A cette condition de diffusion limitée, le gradient (et flux d'ions correspondant) a été connu pour être maximisée / saturé 1. Au – delà de cette conception classique, lorsque la tension (ou courant) est encore augmentée, on observe un courant de overlimiting, avec des zones d'appauvrissement à plat et des gradients de concentration très nettes à la frontière de la zone 1, 3. La zone plane a une concentration d'ions très faible, mais à conduction de surface, de l'électro-osmoti c écoulement (EOF), et / ou électro-osmotique favorisent l' instabilité du flux d'ions et d' induire un courant overlimiting 3, 4, 5. Fait intéressant, la zone d'appauvrissement plat sert de barrière électrostatique qui filtre 6, 7, 8, 9 et / ou des pré – cibles 10, 11. Comme il y a une quantité insuffisante d'ions pour dépister les charges de surface des particules chargées (pour électroneutralité satisfaisant), les particules ne peuvent pas passer à travers cette zone d'appauvrissement et donc alignés à sa limite. Cet effet non linéaire ICP est un phénomène générique dans différents types de membranes 10, 11, 12, 13,> 14 et géométries 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; ceci est la raison pour laquelle les chercheurs ont été capables de développer différents types de filtration 6, 7, 8, 9 et préconcentration 10, 11 appareils utilisant l'ICP non linéaire.
Même avec une telle grande flexibilité et robustesse, il est encore un défi pratique de clarifier les conditions de fonctionnement des dispositifs non linéaires ICP. Le régime non linéaire de l'ICP élimine rapidement des cations à travers une membrane échangeuse de cations, ce qui provoque le déplacement d'anions se déplacent vers l'anode. Comme unPar conséquent, la zone de déplétion plat se propage rapidement, ce qui fait penser à un choc propagation 22. Mani et al. appelé cette dynamique de la désionisation (ou épuisement) choc 23. À préconcentrer des cibles à une détection de la position désignée, ce qui empêche l'expansion de la zone d'appauvrissement d'ions est nécessaire, par exemple, en appliquant EOF ou du débit commandé par la pression contre l'expansion de la zone 24. Zangle et al. 22 clarifié les critères de propagation ICP dans un modèle unidimensionnel, et il dépend fortement de la mobilité électrophorétique 17, la force ionique 18, pH 25, et ainsi de suite. Ceci indique que les conditions de fonctionnement appropriées seront modifiées en fonction des conditions de l'échantillon.
Ici, nous présentons la conception détaillée et des protocoles expérimentaux pour une nouvelle plate-forme ICP que préconcentrés cibles dans un spatiotempposition 26 définie par voie orale. L'expansion de la zone d'appauvrissement d'ions est bloquée par la zone d'enrichissement d'ions, en laissant un bouchon de pré-concentration stationnaire à une position assignée, quelle que soit la durée de fonctionnement, la tension appliquée, la force ionique et le pH. Ce protocole vidéo détaillé est destiné à montrer la méthode la plus simple pour intégrer des membranes échangeuses de cations dans des dispositifs microfluidiques et de démontrer la performance de préconcentration de la nouvelle plate-forme ICP par rapport au conventionnel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous avons décrit le protocole de fabrication et les performances d'un dispositif de préconcentration spatio-temporelle définie dans une plage de la tension appliquée (de 0,5 à cent V), la force ionique (1-100 mM) et le pH (03.07 à 10.03), réalisant un pli 10 000 préconcentration des colorants et des protéines dans les 10 min. Comme comme dispositifs ICP précédents, la performance de préconcentration devient meilleur à tension plus élevée et à une force ionique inférieure. Un paramètre supplémenta…
Disclosures
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).
