מיזוג קיטוב ריכוז יון בין חופפי Ion Exchange ממברנות כדי לחסום את ההתפשטות של אזור הקיטוב
Summary
הפרוטוקול עבור קיטוב ריכוז יון רומן (ICP) פלטפורמה שיכולה לעצור את ההתפשטות של אזור ICP, ללא תלות בתנאי ההפעלה מתוארת. יכולת הייחודית זו של הפלטפורמה נמצאת בשימוש של התמזגות דלדול יון והעשרה, שהן שני קטבים של תופעת ICP.
Abstract
קיטוב ריכוז היון (ICP) תופעה באחת מהשיטות השכיחות ביותר preconcentrate דגימות ביולוגיות נמוך שפע. ICP משרה באזור פולשנית עבור ביומולקולות טעונים (כלומר, אזור דלדול יון), ומטרות ניתן preconcentrated על הגבול באזור זה. למרות הופעות preconcentration גבוהות עם ICP, קשה למצוא את תנאי ההפעלה של אזורי דלדול יון הלא ומתפשט. כדי להתגבר על חלון הפעלה הצר הזה, פתחנו לאחרונה פלטפורמה חדשה preconcentration קבוע spatiotemporally. בניגוד שקדם שיטות שרק להשתמש דלדול יון, פלטפורמה זו משתמשת גם הקוטביות ההפוכה של ICP (כלומר, העשרה יון) כדי לעצור את ההתפשטות של אזור דלדול יון. על ידי עימות עם אזור העשרה עם אזור הדלדול, שני האזורים למזג יחד ולעצור. במאמר זה, אנו מתארים פרוטוקול הניסוי מפורט לבנות ICP spatiotemporally הגדיר זאת platfORM ולאפיין את דינמיקת preconcentration של הפלטפורמה החדשה על ידי ההשוואה לאלו של המכשיר הקונבנציונלי. פרופילי ריכוז יון איכותיים ותגובות בזמן הנוכחי בהצלחה ללכוד את הדינמיקה השונה בין ICP הממוזגת ואת ICP העצמאי. בניגוד לזו המקובלת שיכול לתקן את מיקום preconcentration רק ב ~ 5 V, הפלטפורמה החדשה יכולה לייצר תוסף מרוכז-יעד במיקום מסוים בטווחים הרחבים של תנאי הפעלה: מתח (0.5-100 V), כוח יוני (1-100 מ"מ), ו- pH (3.7-10.3).
Introduction
יון קיטוב ריכוז (ICP) מתייחס תופעה המתרחשת במהלך עשרת יוני דלדול יונים על קרום permselective, ותוצאה היא ירידה פוטנציאלית נוספת עם מילויים לריכוז יוני 1, 2. מפל ריכוזים זה הוא ליניארי, והוא הופך להיות תלול יותר כמו מתח גבוה מוחל (משטר ohmic) עד לריכוז יוני על הממברנה שואף לאפס (משטר להגביל). בתנאי דיפוזיה מוגבלת זו, שיפוע (ושטף יון המקביל) כבר ידוע להיות מוגדל / רווי 1. מעבר הבנה מקובלת זה, כאשר המתח (או נוכחי) הוא גדל עוד יותר, זרם overlimiting הוא ציין, עם אזורי דלדול שטוחים והדרגות ריכוז חדות מאוד בגבול האזור 1, 3. האזור השטוח יש ריכוז יון נמוך מאוד, אבל הולכת שטח, אלקטרו-osmoti זרימת ג (EOF), ו / או חוסר יציבות האוסמוטי-אלקטרו לקדם שטף יוני להשרות 3 overlimiting הנוכחי, 4, 5. מעניין לציין, כי אזור דלדול השטוח משמש כמחסום אלקטרוסטטי, אשר מסנן 6, 7, 8, 9 ו / או preconcentrates מטרות 10, 11. מאז יש כמות מספקת של יונים להקרין את האשמות השטח של חלקיקים טעונים (עבור electroneutrality סיפוק), החלקיקים לא יכולים לעבור דרך אזור דלדול זה ולכן בשורה ליד גבולה. אפקט ICP הקוי זוהי תופעה גנרית בסוגים שונים של ממברנות 10, 11, 12, 13,> 14 ו גיאומטריות 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; זו הסיבה מדוע חוקרים הצליחו לפתח סוגים שונים של סינון 6, 7, 8, 9 ו preconcentration 10, 11 מכשירים באמצעות קווי ICP.
גם עם גמישות וחוסנם גבוהים כאלה, זה עדיין אתגר מעשי להבהיר את תנאי הפעלה עבור מכשירי ICP הקויים. המשטר קוי של ICP במהירות מסיר קטיונים דרך קרום קטיוני, הגורמת עקירה של אניונים נע לכיוון האנודה. כמכך, אזור הדלדול השטוח מתפשט במהירות, אשר מזכירה התפשטות הלם 22. מאני et al. קרא לזה דינמי deionization (או דלדול) לזעזע 23. כדי preconcentrate מטרות בעמדת חישה מיועדת, למנוע את ההתפשטות של אזור דלדול יון יש צורך, למשל, על ידי החלת EOF או זרימת לחץ מונע נגד הרחבת אזור 24. Zangle et al. 22 הבהיר קריטריוני התפשטות ICP במודל חד ממדי, וזה מאוד תלוי ניידות electrophoretic 17, כוח יוני 18, pH 25, וכן הלאה. זה מצביע על כך תנאי הפעלה תקינים ישתנו בהתאם לתנאי המדגם.
כאן, אנו מציגים תכנון מפורט ופרוטוקולים ניסיוניים עבור פלטפורמת ICP רומן preconcentrates מטרות בתוך spatiotempדרך הפה מוגדר עמדה 26. הרחבת אזור דלדול היון חסומה על ידי אזור עשרת יון, עוזבת תקע preconcentration נייח לעבר עמדה שהוקצתה, ללא תלות בזמן ההפעלה, מתח מיושם, כוח יוני, ו- pH. פרוטוקול וידאו מפורט זה נועד להראות את השיטה הפשוטה לשלב ממברנות קטיוני לתוך מכשירי microfluidic וכדי להדגים את ביצועי preconcentration של פלטפורמת ICP החדשה בהשוואה לזו המקובלת.
Protocol
Representative Results
Discussion
תארנו פרוטוקול הייצור ואת הביצועים של preconcentrator המוגדר spatiotemporally במגוון של המתח המיושם (0.5-100 V), כוח יוני (1-100 מ"מ), ו- pH (3.7-10.3), השגתי 10,000 פי preconcentration של צבעים וחלבון בתוך 10 דקות. כמו כמו התקני ICP קודמים, לתפקוד preconcentration הופך להיות טוב יותר במתח גבוה יותר ובמחיר הכח יוני נמ?…
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).
