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생체공학

偏光ゾーンの伝播を遮断するように並置されたイオン交換膜との間のイオン濃度分極のマージ

Published: February 23, 2017
doi:
10.3791/55313
, , , ,
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

関係なく、動作条件、ICP帯の伝播を停止することができる新規なイオン濃度分極（ICP）プラットフォームのためのプロトコルを説明します。プラットフォームのこのユニークな能力は、ICP現象の2極性があるイオン減少および濃縮を、マージを使用することにあります。

Abstract

イオン濃度分極（ICP）現象は、低存在量の生体試料を前濃縮するための最も有力な方法の一つです。 ICPは、荷電した生体分子（ すなわち、イオン欠乏ゾーン）用の非侵襲性の領域を誘導し、ターゲットは、この領域の境界上に予備濃縮することができます。 ICPと高い予備濃縮性能にもかかわらず、非伝播イオン欠乏ゾーンの運転条件を見出すことは困難です。この狭い動作ウィンドウを克服するために、我々は最近、時空間固定予備濃縮のための新しいプラットフォームを開発しました。イオンのみの枯渇を使用する方法を先行するとは異なり、このプラットフォームはまた、イオン欠乏ゾーンの伝播を停止するICP（ すなわち、イオン濃縮）の反対の極性を使用しています。空乏ゾーンで濃縮ゾーンに直面することで、2ゾーンが合流し、停止します。本稿では、この時空定義されたICP platfを構築するための詳細な実験プロトコルを記述しますORMと従来のものとそれらを比較することにより、新しいプラットフォームの前濃縮ダイナミクスを特徴づけます。定性的なイオン濃度プロファイルと、現在の時間応答が正常にマージされたICPおよびスタンドアローンICPとの間の異なるダイナミクスを捕捉します。のみ〜5 Vで予備濃縮の場所を修正することができ、従来とは対照的に、新しいプラットフォームは、運転条件の広い範囲内の特定の場所で目標凝縮プラグを生成することができます：電圧（0.5から100 V）、イオン強度（1-100 mM）の、およびpH（3.7から10.3）。

Introduction

イオン濃度分極（ICP）は、イオン濃度勾配1、2と追加の電位降下を生じ、選択透過膜にイオン濃縮とイオン減少の間に生じる現象をいいます。この濃度勾配は線形であり、より高い電圧が印加されると、膜上のイオン濃度は、（レジームを限定する）がゼロに近づくまでは（オームレジーム）急になります。この拡散制限条件に、勾配（および対応するイオン流束）を最大化することが知られている/ 1を飽和させました。電圧（または電流）をさらに増加すると、この従来の理解を超えて、overlimiting電流がゾーン境界1,3の平坦空乏領域と非常にシャープな濃度勾配を用いて、観察されます。フラットゾーンは、非常に低いイオン濃度を有するが、表面伝導電気osmoti C流（EOF）、及び/又は電気浸透不安定性は、イオンフラックスを促進しoverlimiting電流3、4、5を誘導します 。 6、7、8、9および/または予備濃縮をフィルタリング静電バリアが、10、11を標的とするように興味深いことに、平坦な空乏ゾーンが働きます。 （電気的中性を満足するための）荷電粒子の表面電荷をスクリーニングするイオンの不十分な量があるので、粒子は、この空乏領域を通過し、従って、その境界で整列することができません。この非線形ICP効果は、膜10、11、12、13の様々なタイプの一般的な現象であります> 14およびジオメトリ6、15、16、17、18、19、20、21。研究者は、濾過6、7、8の種々のタイプを開発することができた理由は、9 非線形ICPを使用して10、11デバイスを予備濃縮。

でも、このような高い柔軟性と堅牢性と、まだ非線形ICPデバイスの動作条件を明確にする実用的な課題です。 ICPの非線形政権はすぐに陽極に向かって移動する陰イオンの変位を引き起こす陽イオン交換膜を介して、陽イオンを除去します。としてその結果は、フラットな空乏ゾーンは、ショックの伝播22を彷彿とさせるその、すぐに伝播します。マニら。このダイナミックな脱イオン（または枯渇）23に衝撃を与えると呼ばれます。指定された検知位置にターゲットを前濃縮するために、イオン欠乏ゾーンの拡大を防止することは、例えば、帯域拡張24に対してEOFまたは圧力駆動流を適用することによって、必要です。 Zangle ら。 図22は、一次元モデルでICP伝播の条件を明確にし、それは非常にように電気泳動移動度17、イオン強度18、pHを25に依存し、。これは、適切な動作条件は、試料条件に応じて変更されることを示しています。

ここでは、spatiotemp内の目標を前濃縮小説ICPプラットフォームのための詳細設計および実験プロトコルを提示します経口位置26を定義しました。イオン欠乏ゾーンの拡大は関係なく、動作時間の、割り当てられた位置に固定予備濃縮プラグを残して、イオン富化ゾーンによって印加される電圧、イオン強度、およびpHが遮断されます。この詳細なビデオプロトコルは、マイクロ流体デバイス内に陽イオン交換膜を統合すると、従来に比べて新しいICPプラットフォームの予備濃縮の性能を実証するために最も簡単な方法を示すことを意図しています。

Protocol

陽イオン交換膜に統合されたマイクロ流体チップの1製作 シリコンマスターの準備 設計シリコンマスターの二種類：陽イオン交換樹脂及びポリジメチルシロキサン（PDMS）を有するマイクロチャネルを構築するための他のパタ​​ーニングのための1つ。 注：詳細ジオメトリは、ステップ1.3.1と1.4.1で説明します。 従来のフォトリソグラフィまたはディープ…

Representative Results

膜一体型マイクロ流体の予備濃縮の模式的な製造工程は、 図1に示されています。製造の詳細な説明は、プロトコルに記載されています。時空間的に定義プレコンセントレータ26のデザインやデバイスの画像は、従来の予備濃縮11（ 図2）のものと対比されます。時空定義予備濃縮でICP現象は、電流-電圧-時?…

Discussion

我々は、10,000倍を実現し、製造プロトコルおよび印加電圧（0.5から100 V）、イオン強度（1-100 mM）の、およびpH（3.7から10.3）の範囲内の時空間的に定義されたプレコンセントレータのパフォーマンスを記載しています10分以内に染料やタンパク質の予備濃縮。以前のICPデバイスなど、予備濃縮性能は高い電圧でかつ低いイオン強度で良好となります。ここで検討することができますつの追加の?…

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
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References

  1. Probstein, R. F. . Physicochemical Hydrodynamics: An Introduction. , (2003).
  2. Strathmann, H. . Ion-Exchange Membrane Separation Processes. , (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. Minerick, A. R., Ostafin, A. E., Chang, H. C. Electrokinetic transport of red blood cells in microcapillaries. Electrophoresis. 23 (14), 2165-2173 (2002).
  33. 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).
  34. Rubinstein, S. M. Direct observation of a nonequilibrium electro-osmotic instability. Phys. Rev. Lett. 101, 236101 (2008).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).

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Ion Concentration PolarizationIon Exchange MembranesPreconcentrationBioagentsLow Abundance BiomoleculesSensor’s Limit Of DetectionICP ZonePhotolithographyPDMS MicrochannelCation-selective MembraneTrichlorosilaneSilicone ElastomerCation Exchange ResinL-shaped Cation-selective Membranes

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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).
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