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Bioengineering

विलय juxtaposed आयन एक्सचेंज झिल्ली के बीच आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण ध्रुवीकरण जोन का प्रचार करने के लिए ब्लॉक

Published: February 23, 2017 doi: 10.3791/55313
Automatic Translation
1,2, 1,3, 1, 1, 1
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

एक उपन्यास आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण (आईसीपी) मंच के लिए प्रोटोकॉल है कि आईसीपी क्षेत्र के प्रसार को रोक सकता है, परिचालन की स्थिति की परवाह किए बिना वर्णित है। मंच के इस अद्वितीय क्षमता आयन कमी और संवर्धन, जो आईसीपी घटना के दो छोर हैं विलय के उपयोग में निहित है।

Abstract

आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण (आईसीपी) घटना सबसे अधिक प्रचलित तरीकों कम बहुतायत जैविक नमूने preconcentrate में से एक है। आईसीपी का आरोप लगाया biomolecules (यानी, आयन कमी जोन) के लिए एक noninvasive क्षेत्र लाती है, और लक्ष्यों को इस क्षेत्र के सीमा पर preconcentrated जा सकता है। आईसीपी के साथ उच्च preconcentration प्रदर्शन के बावजूद, यह गैर-प्रचार आयन कमी क्षेत्रों के परिचालन की स्थिति खोजने के लिए मुश्किल है। इस संकीर्ण ऑपरेटिंग खिड़की पर काबू पाने के लिए, हम हाल ही में spatiotemporally तय preconcentration के लिए एक नया मंच विकसित की है। तरीकों कि केवल आयन कमी का उपयोग पूर्ववर्ती के विपरीत, इस मंच भी आयन कमी क्षेत्र के प्रसार को रोकने के लिए आईसीपी (यानी, आयन संवर्धन) के विपरीत polarity उपयोग करता है। रिक्तीकरण क्षेत्र के साथ संवर्धन के क्षेत्र से भिड़ने से दो जोनों एक साथ विलय और बंद करो। इस पत्र में, हम इस spatiotemporally परिभाषित आईसीपी platf का निर्माण करने के लिए एक विस्तृत प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल का वर्णनORM और उन्हें पारंपरिक डिवाइस के उन लोगों के साथ तुलना करके नया मंच की preconcentration गतिशीलता की विशेषताएँ। गुणात्मक आयन एकाग्रता प्रोफाइल और वर्तमान समय की प्रतिक्रियाएं सफलतापूर्वक विलय आईसीपी और खड़े अकेले आईसीपी के बीच अलग गतिशीलता पर कब्जा। पारंपरिक एक है कि केवल ~ 5 वी पर preconcentration स्थान तय कर सकते हैं के विपरीत, नया मंच संचालन की शर्तों के व्यापक पर्वतमाला में एक विशिष्ट स्थान पर एक लक्ष्य-सघन प्लग का उत्पादन कर सकते हैं: वोल्टेज (0.5-100 वी), ईओण ताकत (1-100 मिमी), और पीएच (3.7-10.3)।

Introduction

आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण (आईसीपी) एक घटना है कि एक permselective झिल्ली पर आयन संवर्धन और आयन कमी के दौरान होता है, आयन एकाग्रता ढ़ाल 1, 2 के साथ एक अतिरिक्त संभावित ड्रॉप में जिसके परिणामस्वरूप को दर्शाता है। यह एकाग्रता ढाल रैखिक है, और के रूप में एक उच्च वोल्टेज झिल्ली पर आयन एकाग्रता तक (Ohmic शासन) लागू किया जाता है यह steeper हो जाता है दृष्टिकोण शून्य (सीमित व्यवस्था)। इस प्रसार सीमित हालत में ढाल (और इसी आयन प्रवाह) अधिकतम करने के लिए / 1 संतृप्त जाना जाता रहा है। इस पारंपरिक समझ से परे है, जब वोल्टेज (या मौजूदा) आगे बढ़ जाती है, एक overlimiting मौजूदा फ्लैट कमी क्षेत्रों और जोन सीमा 1, 3 पर बहुत तेज एकाग्रता ढ़ाल के साथ मनाया जाता है। फ्लैट क्षेत्र में एक बहुत ही कम आयन एकाग्रता है, लेकिन सतह चालन, विद्युत osmoti सी प्रवाह (EOF), और / या विद्युत आसमाटिक अस्थिरता आयन प्रवाह को बढ़ावा देने और एक overlimiting वर्तमान 3, 4, 5 प्रेरित। दिलचस्प बात यह फ्लैट कमी जोन के रूप में एक electrostatic बाधा है, जो 6, 7, 8, 9 और / या preconcentrates बाहर फिल्टर 10, 11 को निशाना बनाता कार्य करता है। के बाद से वहाँ आयनों की एक अपर्याप्त राशि (संतोषजनक electroneutrality के लिए) का आरोप लगाया कणों की सतह के आरोपों स्क्रीन करने के लिए है, कण इस कमी क्षेत्र के माध्यम से पारित नहीं कर सकते और इसलिए अपनी सीमा पर अप लाइन। इस nonlinear आईसीपी प्रभाव, झिल्ली 10, 11, 12, 13 के विभिन्न प्रकारों में एक सामान्य घटना है> 14 और geometries 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; यही कारण है कि शोधकर्ताओं छानने का काम 6, 7, 8 के विभिन्न प्रकार विकसित करने के लिए सक्षम किया गया है, 9 और 10, 11 nonlinear आईसीपी का उपयोग उपकरणों preconcentration।

यहां तक ​​कि ऐसे उच्च लचीलापन और मजबूती के साथ, यह अभी भी nonlinear आईसीपी उपकरणों के लिए परिचालन की स्थिति स्पष्ट करने के लिए एक व्यावहारिक चुनौती है। आईसीपी के nonlinear शासन जल्दी से एक कटियन विनिमय झिल्ली, जो एनोड की ओर बढ़ रहा anions के विस्थापन का कारण बनता है के माध्यम से फैटायनों हटा। के तौर परनतीजा, फ्लैट कमी जोन जल्दी से प्रसारित, जो सदमे प्रचार 22 की याद ताजा करती है। मणि एट अल। इस गतिशील deionization (या कमी) सदमे 23 बुलाया। एक नामित संवेदन स्थिति पर लक्ष्य preconcentrate करने के लिए, आयन कमी क्षेत्र के विस्तार को रोकने के लिए आवश्यक है, उदाहरण के लिए, क्षेत्र विस्तार 24 के खिलाफ EOF या दबाव संचालित प्रवाह को लागू करने से। Zangle एट अल। 22 एक आयामी मॉडल में आईसीपी प्रचार के लिए मानदंडों को स्पष्ट किया है, और यह अत्यधिक electrophoretic गतिशीलता 17, ईओण ताकत 18, 25 पीएच, और इतने पर पर निर्भर करता है। यह इंगित करता है उचित संचालन की शर्तों नमूना परिस्थितियों के अनुसार बदल दिया जाएगा।

यहाँ, हम एक उपन्यास आईसीपी मंच है कि एक spatiotemp के भीतर लक्ष्य preconcentrates के लिए विस्तृत डिजाइन और प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल पेशमौखिक रूप से स्थिति 26 में परिभाषित किया। आयन कमी क्षेत्र के विस्तार, आयन संवर्धन क्षेत्र द्वारा अवरुद्ध है, एक नियत स्थान पर एक स्थिर preconcentration प्लग छोड़ रहा है, ऑपरेटिंग समय की परवाह किए बिना लागू वोल्टेज, आयनिक शक्ति, और पीएच। इस विस्तृत वीडियो प्रोटोकॉल microfluidic उपकरणों में कटियन विनिमय झिल्ली को एकीकृत करने और पारंपरिक एक की तुलना में नए आईसीपी मंच के preconcentration प्रदर्शन का प्रदर्शन करने के लिए सबसे आसान तरीका दिखाने के लिए करना है।

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Protocol

1. कटियन विनिमय का निर्माण झिल्ली से एकीकृत microfluidic चिप्स

  1. सिलिकॉन स्वामी की तैयारी
    1. डिजाइन सिलिकॉन मास्टर्स के दो प्रकार हैं: एक कटियन विनिमय राल और polydimethylsiloxane (PDMS) के साथ एक microchannel के निर्माण के लिए अन्य patterning के लिए एक।
      ध्यान दें: विस्तार ज्यामिति कदम 1.3.1 और 1.4.1 में वर्णित किया जाएगा।
    2. या तो पारंपरिक photolithography या गहरे प्रतिक्रियाशील आयन 27 नक़्क़ाशी का उपयोग करके सिलिकॉन स्वामी बनाना।
    3. 30 मिनट के लिए एक वैक्यूम जार में trichlorosilane (~ 30 μL) के साथ micropatterned सिलिकॉन स्वामी Silanize।
      चेतावनी: Trichlorosilane एक pyrophoric तरल है कि ज्वलनशील है और एक तीव्र विषाक्तता (साँस लेना, मौखिक घूस) है।
  2. PDMS नए नए साँचे की तैयारी
    1. एक 10 पर एक इलाज एजेंट के साथ एक सिलिकॉन elastomer आधार मिक्स: 1 के अनुपात में है और इस uncured PDMS साथ कप जगह(30-40 एमएल एक 4 में सिलिकॉन वेफर पर microstructures नकल के लिए) बुलबुले को दूर करने के लिए 30 मिनट के लिए एक वैक्यूम जार में।
      ध्यान दें: सिलिकॉन आधार विनाइल समूहों और एक प्लैटिनम आधारित उत्प्रेरक के साथ समाप्त siloxane oligomers शामिल हैं। इलाज एजेंट oligomers तीन सिलिकॉन हाइड्राइड बांड 28 है कि crosslinking शामिल हैं।
    2. , सिलिकॉन आकाओं पर uncured PDMS डालो एक धौंकनी के साथ बुलबुले को हटाने, और एक संवहन ओवन में 2 घंटे के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर PDMS इलाज।
    3. सिलिकॉन स्वामी से ठीक PDMS को अलग करें और ठीक से एक चाकू के साथ PDMS आकृति (चुकता आकार, रूप में चित्रा 2A बी दिखाया गया है, चतुर्थ)।
  3. कटियन विनिमय झिल्ली patterning
    1. PDMS मोल्ड के आधे लंबरूप दो समानांतर microchannels में कटौती और एक 2.0 मिमी बायोप्सी पंच के साथ PDMS चैनलों के सिरों पर छेद मुक्का।
      नोट: केशन चयनात्मक झिल्ली patterning के लिए PDMS मोल्ड दो बराबर हैallel microchannels (चौड़ाई: 100 माइक्रोन; ऊँचाई: 50 माइक्रोन; interchannel दूरी: 100 माइक्रोन, चित्रा 1 ए)। मोल्ड के मूल आकार काटने रेखा के साथ कटा हुआ ढालना मिरर से कल्पना की जा सकती है। एल के आकार microchannels ओवरलैपिंग के बिना दो छेद छिद्रण के लिए सिफारिश कर रहे हैं।
    2. एक गिलास स्लाइड और टेप के साथ PDMS मोल्ड और एक धौंकनी साफ और उन दोनों के बीच प्रतिवर्ती लगाव पैदा करने के लिए गिलास स्लाइड पर ढालना डाल दिया।
    3. Microflow patterning तकनीक 29 के अनुसार, रिहाई ~ 10 चैनल के खुले अंत में एक कटियन विनिमय राल कि कदम में कटा हुआ था 1.3.1 के μL (चित्रा 1 बी)। छिद्रित छेद पर सिरिंज सिर की जगह और सवार (चित्रा 1 बी में काला तीर) खींच; एक सज्जन नकारात्मक दबाव कटियन विनिमय राल खींच जाएगा, और राल दो चैनलों को भरने जाएगा।
      नोट: यह सिफारिश की है कि microchannel की ऊंचाई 15 से अधिक है81, एम, क्योंकि राल के उच्च चिपचिपाहट उच्च दबाव चैनलों को भरने के लिए की आवश्यकता है। दूसरी ओर, यह है कि ऊंचाई 100 मीटर से अधिक नहीं है, क्योंकि नमूनों आयन चयनात्मक झिल्ली से अधिक गहरा 1 माइक्रोन हो जाएगा बेहतर है; इस तरह एक मोटी झिल्ली झिल्ली और PDMS चैनल 13 के बीच एक खाई पैदा हो सकती है।
    4. नमूनों राल को छूने के बिना PDMS मोल्ड को अलग करें और राल में विलायक लुप्त हो जाना करने के लिए 5 मिनट के लिए 95 डिग्री सेल्सियस पर हीटर पर गिलास स्लाइड जगह है।
      नोट: नमूनों झिल्ली की मोटाई आमतौर पर <1 माइक्रोन से कम है। ढालना धीरे ओपन एंडेड पक्ष को ढालना hinging द्वारा अलग (बिंदीदार रेखा और चित्रा 1 बी में तीर) है। यह राल भरने के बाद ढालना कम से कम 1 मिनट अलग करने के लिए सबसे अच्छा है। मोल्ड कुछ ही मिनट बाद अलग किया जाता है, मोटा झिल्ली प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन वे केशिका प्रभाव के कारण एक अवतल आकार होगा।
    5. पील अनावश्यक बंदएक धार के साथ नमूनों झिल्ली का हिस्सा है, दो अलग-लाइन पैटर्न (चित्रा -1 सी) बना रही है।
      नोट: कटियन विनिमय यहाँ सामग्री का इस्तेमाल किया समूहों perfluorinated गया है, जिसका अर्थ है दृढ़ता पैटर्न कांच को बंधुआ नहीं है। इसलिए, सरल विधि blading आसानी से झिल्ली की अनावश्यक हिस्सा निकाल सकते हैं।
  4. Microchannel और झिल्ली नमूनों सब्सट्रेट की एकता
    1. microchannels के सिरों पर दो छेद और एक और दो छेद जहां झिल्ली झिल्ली पैटर्न नमूनों सब्सट्रेट 1.3 चरण में निर्मित करने के लिए PDMS चैनल संबंध के बाद स्थित हो जाएगा पंच।
      नोट: PDMS microchannel एक चैनल है (: 50-100 माइक्रोन, ऊंचाई: चौड़ाई 10 माइक्रोन), लेकिन यह पड़ोसी चैनल (चित्रा -1) के सिरों को बंधुआ है।
    2. 100 डब्ल्यू और 50 mTorr पर 40 S के लिए तुरंत ऑक्सीजन प्लाज्मा उपचार के बाद झिल्ली नमूनों सब्सट्रेट करने के लिए PDMS microchannel बांड।
      नोट: microchannel के बीच में खड़े बल नमूनों झिल्ली रखें।

2. आईसीपी preconcentration

  1. प्रयोग के लिए तैयारी
    1. विभिन्न परीक्षण समाधान तैयार 1-100 मिमी KCl, 1 मिमी NaCl सहित (पीएच ~ 7), 1 मिमी NaCl और 0.2 मिमी एचसीएल (पीएच ~ 3.7), 1 मिमी NaCl और 0.2 मिमी NaOH (पीएच के मिश्रण का मिश्रण ~ 10.3), और 1x फॉस्फेट बफर खारा।
    2. एक नकारात्मक आरोप लगाया फ्लोरोसेंट रंजक (~ 1.55 माइक्रोन) के परीक्षण के समाधान के लिए जोड़ें।
      नोट: जोड़ा डाई की एकाग्रता नमक आयनों (<10 माइक्रोन) की तुलना में काफी कम होना चाहिए, ताकि आरोप लगाया रंगों एक बिजली के वर्तमान 30, 31 के लिए योगदान नहीं है।
    3. चैनल के एक जलाशय में नमूना समाधान लोड और अन्य जलाशय के लिए नकारात्मक दबाव लागू समाधान के साथ चैनल को भरने के लिए। आर द्वारा hydrodynamically दो जलाशयों कनेक्टचैनल (चित्रा 2A) के साथ दबाव ढाल समाप्त करने के लिए एक बड़ी छोटी बूंद eleasing।
    4. दो जलाशयों, जो कटियन विनिमय पैटर्न से जुड़े हैं, बफर समाधान (1 एम KCl या 1 एम NaCl) एक सिरिंज या एक pipet का उपयोग जलाशयों में आईसीपी प्रभाव के लिए क्षतिपूर्ति करने के साथ भरें।
    5. जलाशयों में तारों की जगह दो नमूनों झिल्ली (बाएं जलाशय और सही पर कैथोड पर एनोड) के पार, और उन्हें एक स्रोत माप की इकाई (चित्रा 2A) के साथ कनेक्ट।
  2. आईसीपी घटना और आईसीपी preconcentration के दृश्य
    1. एक औंधा epifluorescence माइक्रोस्कोप पर आईसीपी डिवाइस लोड। एक वोल्टेज (0.5100 वी) लागू करते हैं और एक स्रोत के माप की इकाई के साथ वर्तमान प्रतिक्रिया को मापने।
    2. फ्लोरोसेंट छवियों को एक आरोप युग्मित डिवाइस कैमरा के साथ कब्जा है और फ्लोरोसेंट तीव्रता इमेजिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग कर 32 का विश्लेषण।

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Representative Results

एक झिल्ली एकीकृत microfluidic preconcentrator के योजनाबद्ध निर्माण कदम चित्र 1 में दिखाया गया है। निर्माण का एक विस्तृत विवरण प्रोटोकॉल में दी गई है। डिजाइन और spatiotemporally परिभाषित preconcentrator 26 की युक्ति छवियों को एक पारंपरिक preconcentrator 11 (चित्रा 2) के उन लोगों के साथ विषम रहे हैं। Spatiotemporally परिभाषित preconcentrator में आईसीपी घटना वर्तमान वोल्टेज समय प्रतिक्रियाओं और फ्लोरोसेंट तीव्रता प्रोफाइल (चित्रा 3-4) के मामले में जांच की गई। एक एकल झिल्ली preconcentrator 3, 11, तीन अलग-अलग व्यवस्थाओं के साथ आईसीपी घटना (Ohmic, सीमित, और overlimiting) वर्तमान वोल्टेज की अवस्था में मनाया गया के समान: 0.5-1 वी (Ohmic और सीमित) और 5 वी (overlimiting) । हालांकि, एक nonconventional वर्तमान वसूली थावर्तमान समय की अवस्था में पता चला के रूप में आयन संवर्धन और आयन कमी क्षेत्रों विलय कर दिया। अगले, आईसीपी preconcentration अलग अलग समय और spatiotemporally परिभाषित preconcentrator (चित्रा 5) और पारंपरिक एक झिल्ली डिवाइस (चित्रा 6) के साथ वोल्टेज पर परीक्षण किया गया था। preconcentration गतिशीलता प्रतिदीप्ति छवियों, वर्तमान समय प्रतिक्रियाओं, और अलग दूरी और अधिक बार फ्लोरोसेंट तीव्रता रेखांकन द्वारा मात्रा निर्धारित किया गया। जब दो प्लेटफार्मों की तुलना, नया आईसीपी मंच हमेशा दो केशन चयनात्मक झिल्ली पैटर्न के बीच लक्ष्यों (फ्लोरोसेंट रंगों) इकट्ठा करने में एक फायदा चलता। इसके अलावा, यह पुष्टि की गई है कि preconcentration प्लग, अलग ईओण ताकत (1-100 मिमी NaCl) और पीएच मान (3.7-10.3) में ही रहता परिचालन की स्थिति की व्यापक रेंज (चित्रा में विलय आईसीपी preconcentrator के उच्च उपलब्धता की पुष्टि करने 7)। चित्रा 8 में, एक 10,000 गुना प्रोटीन preconcentrसमझना भी प्रदर्शन किया गया।

आकृति 1
चित्रा 1. एक कटियन विनिमय झिल्ली से एकीकृत microfluidic चिप का निर्माण कदम। 29, झिल्ली नमूनों ग्लास सब्सट्रेट ऑक्सीजन प्लाज्मा उपचार (डी) द्वारा एक PDMS microchannel साथ बंधुआ है - एक PDMS ढालना microflow patterning तकनीक (ग क) का उपयोग कर एक कटियन विनिमय राल से भर जाता है के बाद। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2. spatiotemporally परिभाषित preconcentrator (क) और पारंपरिक preconcentrator के Schematics (ख)। (क) वें मेंई नया मंच, दो झिल्ली पैटर्न (i), आयन कमी के बीच / संवर्धन क्षेत्रों विकसित और रैखिक के साथ एक साथ विलय कर रहे हैं (Ohmic और शासन सीमित ii) या nonlinear (शासन overlimiting, iii) एकाग्रता प्रोफाइल। सभी तीन वर्तमान व्यवस्थाओं में, आयन संवर्धन क्षेत्र ब्लॉकों कमी जोन और लक्ष्य के प्रसार (खोखले हलकों; i) आयन कमी और संवर्धन क्षेत्र (; मैं घुमावदार, बिंदीदार रेखा) के इंटरफेस में preconcentrated रहे हैं। PDMS चैनल की दीवार नकारात्मक आरोप लगाया है, और यह एक बिजली के क्षेत्र के तहत दो कटियन विनिमय झिल्ली के बीच विद्युत आसमाटिक प्रवाह (EOF) उत्पन्न करता है। EOF लगातार कमी और संवर्धन के क्षेत्रों के इंटरफेस की ओर लक्ष्यों को बचाता है। (ख) पारंपरिक मंच में, केवल आयन कमी जोन रैखिक के साथ झिल्ली के पास विकसित (Ohmic और शासन सीमित ii) है और nonlinear (शासन overlimiting, iii) एकाग्रता ढ़ाल। जैसा कि EOF लक्ष्यों को बचाता है, preconcentration अलइसलिए कमी जोन सीमा पर होता है, लेकिन इस क्षेत्र (और preconcentrated प्लग) कटियन विनिमय झिल्ली से दूर (काला तीर, मैं) ले जाता है। यहां यह उल्लेखनीय है आयन संवर्धन क्षेत्र के बिना आयन एकाग्रता में कोई वृद्धि यहाँ है कि वहाँ (द्वितीय-तृतीय)। (AB) में, डिवाइस छवियों में (iv) दिखाए जाते हैं। सी 0 प्रारंभिक आयन एकाग्रता का प्रतिनिधित्व करता है। वी और जी, एनोड और कैथोड से संकेत मिलता है क्रमशः। अमेरिकन केमिकल सोसायटी की ओर से अनुमति के साथ संदर्भ 26T से पुनर्प्रकाशित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. दो कटियन विनिमय झिल्ली के बीच आईसीपी घटना विलय कर दिया। (क) वर्तमान वोल्टेज वक्र तीन अलग regim चलताes (Ohmic, सीमित, और overlimiting)। वर्तमान प्रतिक्रिया 0.25 वी हर 40 एस, जो तीन बार दोहराया है की असतत अंतराल पर वोल्टेज ऊपर ramping द्वारा मापा जाता है। त्रुटि पट्टी वर्तमान प्रतिक्रियाओं के मानक विचलन इंगित करता है। (ख, ग) तीन व्यवस्थाओं में, प्रतिदीप्ति छवियों (ख) और चैनल (ग) के मध्य में ए.ए. साथ 'तीव्रता प्रोफाइल प्राप्त किया गया। पीला, बिंदीदार बक्से केशन चयनात्मक झिल्ली के स्थानों का संकेत मिलता है। 1 एक 1.55 सुक्ष्ममापी (1 माइक्रोग्राम / एमएल) नकारात्मक आरोप लगाया फ्लोरोसेंट डाई के साथ मिमी KCl समाधान इस्तेमाल किया गया था। अमेरिकन केमिकल सोसायटी की ओर से अनुमति के साथ संदर्भ 26 से पुनर्प्रकाशित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4। (क, ख) Ohmic सीमित व्यवस्थाओं में, रैखिक एकाग्रता ढ़ाल <कटियन विनिमय झिल्ली से (1 s और फिर एक साथ ओवरलैप हो जाना) (> 1 एस)। (ग) overlimiting शासन में, दो आईसीपी क्षेत्रों में अधिक तेजी से कमी के झटके (0.2 रों में काला तीर) के साथ (<0.6 रों) विलय कर रहे हैं। (घ - एफ) वर्तमान समय की प्रतिक्रियाएं पता चलता है कि वर्तमान शुरू में कम एकाग्रता की कमी क्षेत्र के विकास है, जो कम विद्युत चालकता से मेल खाती के कारण गिरा दिया है। वर्तमान ड्रॉप फिर दो झिल्ली के बीच ही सीमित भेंवर द्वारा एक संवहनी परिवहन की वजह से बरामद किया है। अमेरिकन केमिकल सोसायटी की ओर से अनुमति के साथ संदर्भित 26 से पुनर्प्रकाशित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

<पी वर्ग = "jove_content" fo: रख-together.within-पेज = "1"> चित्रा 5
चित्रा 5. spatiotemporally 5, 10 पर preconcentration तय है, और 20 वी (एक - सी) में विलय कर दिया आईसीपी के प्रतिदीप्ति छवियों और वर्तमान समय की प्रतिक्रियाएं (डी - च) समय (0-100 एस) से अधिक। पीले, बिंदीदार लाइनों कटियन विनिमय झिल्ली के स्थान संकेत मिलता है। (छ) समय चूक फ्लोरोसेंट तीव्रता प्रोफाइल ( 'एए) microchannel साथ साजिश रची है। शिखर तीव्रता समय गुजरता के रूप में तय स्थानों के साथ वृद्धि हुई है। (ज) शिखर तीव्रता गुना (यानी, कितनी बार प्रारंभिक फ्लोरोसेंट तीव्रता से अधिक)। उच्च वोल्टेज पर, तेजी से EOF आयन कमी और संवर्धन के क्षेत्रों के इंटरफेस की ओर लक्ष्यों को बचाता है, तो preconcentration गति बढ़ जाती है। 20 वी में एक कील कमी के झटके से प्रेरित है ( चित्रा 4C में देखा जा सकता है, 0.8 एस, शिखर व्यापक की तुलना में यह 0.4 है पर था। यह शायद इसलिए छोड़ दिया Nafion पैटर्न (चित्रा 2A) के बाईं ओर विद्युत जारी किया गया था, और संचित रंगों बाहर फैल सकता है। अमेरिकन केमिकल सोसायटी की ओर से अनुमति के साथ संदर्भ 26 से पुनर्प्रकाशित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 6
चित्रा 6 पारंपरिक आईसीपी preconcentrator में आईसीपी घटना 5, 10, और 20 वी में। (एक - सी) आयन कमी क्षेत्र के प्रतिदीप्ति छवियों और वर्तमान समय प्रतिक्रिया (डी - च) समय के साथ (0-100 s)। रिक्तीकरण क्षेत्र और preconcentration प्लग के प्रसार स्पष्ट रूप से प्रतिदीप्ति छवियों में कल्पना की है। तदनुसार, भेंवर तक ही सीमित नहीं हैं, इसलिए वर्तमान वसूली, उत्पन्न नहीं होती भी overlimiting शासन में। पीला, बिंदीदार रेखा कटियन विनिमय झिल्ली के स्थान चिह्नित। (छ) समय चूक फ्लोरोसेंट तीव्रता प्रोफाइल ( 'एए) microchannel साथ साजिश रची है। समय गुजरता के रूप में शिखर तीव्रता में वृद्धि, लेकिन स्थान झिल्ली से दूर ले जाता है। पारंपरिक आईसीपी डिवाइस के (ज) शिखर तीव्रता गुना। विलय आईसीपी डिवाइस (चित्रा 5H) के विपरीत, वहाँ, आईसीपी क्षेत्रों के कारावास के बिना कोई तीव्रता कील है क्योंकि फ्लोरोसेंट तीव्रता में वृद्धि हुई है के रूप में डाई preconcentrated था। टी की वृद्धिवह शिखर तीव्रता गुना (एक दिया वोल्टेज पर) एक ही समय में विलय कर दिया आईसीपी युक्ति के समान है। यह इंगित करता है कि preconcentrated प्लग जगह में आयोजित किया जाता है समय की लंबाई preconcentration प्रदर्शन के लिए महत्वपूर्ण है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 7
चित्रा 7. विभिन्न ईओण ताकत पर spatiotemporally परिभाषित preconcentration (1-100 मिमी NaCl) और पीएच मान (3.7-10.3)। (क) 50 वी के रूप में आपरेशन के 100 S बाद प्राप्त प्रतिदीप्ति छवियों को देखा जा सकता है, preconcentration प्लग के स्थानों, दो कटियन विनिमय झिल्ली (पीला, बिंदीदार रेखा) के बीच अब भी कर रहे हैं भले ही तीव्रता उच्च आयनिक के तहत कमजोर हो रहा है शक्ति और एक मजबूत अम्लीय या बुनियादी मेंउपाय। (ख, ग) शिखर तीव्रता के स्थान और इसकी तीव्रता गुना (यानी।, कितनी बार प्रारंभिक तीव्रता से अधिक), 10 के तहत मैप किया 20, 50, और 100 वी एक भी हालत (1, 10 के लिए, 100 मिमी और / या पीएच 3.7, 7, और 10), वहाँ चार वोल्टेज की स्थिति के लिए इसी चार डेटा अंक हैं। उच्च वोल्टेज पर, वहाँ एक उच्च शिखर सभी मामलों में गुना तेज है। 100 वी 1 मिमी NaCl (पीएच 7) क्योंकि शिखर तीव्रता पहले से ही उच्चतम मूल्यों को छुआ शिखर तीव्रता प्रोफ़ाइल से 50 वी में (कैमरे के संतृप्ति के कारण) में परीक्षण नहीं किया गया था, शिखर क्षेत्र में भी 1 के साथ, की पहचान की है शिखर तीव्रता है, जो त्रुटि सलाखों (बी, सी) का प्रतिनिधित्व करती है नीचे%। एक उच्च वोल्टेज और एक मजबूत EOF एक उच्च तीव्रता गुना और एक तेज preconcentration प्लग के साथ, सही करने के लिए चोटी के स्थान पाली। ग्रे बक्से कटियन विनिमय झिल्ली के स्थानों का संकेत मिलता है। 0 दूरी (क) एक्स अक्ष के मूल का प्रतिनिधित्व करता है (बी, सी), जो हैबाएं कटियन विनिमय झिल्ली के ठीक किनारे पर। दूरी के मूल छोड़ दिया झिल्ली के ठीक किनारे है। अमेरिकन केमिकल सोसायटी की ओर से अनुमति के साथ संदर्भ 26 से पुनर्प्रकाशित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आंकड़ा 8
8. spatiotemporally तय प्रोटीन preconcentration का प्रदर्शन चित्रा। FITC-एल्बुमिन (1 माइक्रोग्राम / एमएल) 1x फॉस्फेट बफर खारा समाधान में इस्तेमाल किया गया था। 0.1% बीच 20 भी अविशिष्ट बंधन को रोकने के लिए जोड़ा गया है। चूंकि preconcentration शायद ही एक उच्च शक्ति ईओण (चित्रा 7) में हासिल की है, हम Nafion पैटर्न (200 माइक्रोन) की चौड़ाई दोगुनी और एक संकरा PDMS चैनल (50 माइक्रोन) का इस्तेमाल किया। इस तरह, आईसीपी preconcentration के प्रदर्शन के द्वारा बढ़ाया गया थाआयन मार्ग को विस्तृत बनाने और चैनल में आयनों की पूर्ण राशि को कम करने। 100 वी, शिखर और फ्लोरोसेंट तीव्रता के औसत से एक आवेदन वोल्टेज पर सफेद, डॉटेड बॉक्स है, जो दो कटियन विनिमय झिल्ली के बीच इस क्षेत्र में पता लगाया गया। आपरेशन के 10 मिनट के भीतर, प्रोटीन 10 मिलीग्राम / एमएल (चोटी) और ~ 0.1 मिलीग्राम / एमएल (औसतन) तक preconcentrated क्रमश: 10,000 और 100 गुना preconcentrations का संकेत है। इनसेट प्रतिदीप्ति छवियों 0, 10, और 20 मिनट पर प्राप्त किया गया। इस काम में, एक 20 मिनट के आपरेशन लक्ष्य अणुओं preconcentrate करने के लिए पर्याप्त था, इसलिए हम लंबे समय तक काम के समय को कवर नहीं किया। अमेरिकन केमिकल सोसायटी की ओर से अनुमति के साथ संदर्भ 26 से पुनर्प्रकाशित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

हम निर्माण प्रोटोकॉल और एप्लाइड वोल्टेज (0.5-100 वी), आयनिक शक्ति (1-100 मिमी) की एक श्रृंखला में एक spatiotemporally परिभाषित preconcentrator का प्रदर्शन, और पीएच (3.7-10.3) का वर्णन किया है, एक 10,000 गुना प्राप्त करने रंगों और प्रोटीन 10 मिनट के भीतर की preconcentration। पिछले आईसीपी उपकरणों की तरह के रूप में, preconcentration प्रदर्शन उच्च वोल्टेज में बेहतर और कम ईओण ताकत पर हो जाता है। एक अतिरिक्त पैरामीटर हम यहाँ पर विचार कर सकते हैं दो कटियन विनिमय झिल्ली के बीच की दूरी है। हम अंतर-झिल्ली दूरी बढ़ाने के लिए, बिजली के क्षेत्र में एक ही लागू वोल्टेज के तहत कम हो जाती है, preconcentration गति 26 की कमी हो जाती है।

Microflow patterning तकनीक 29 इस काम में इस्तेमाल patterning केशन एक्सचेंज रेजिन के लिए एक मजबूत विधि है, तो यह सिस्टम microfluidic में आयन एक्सचेंज सामग्री को एकीकृत करने के लिए सोने की मानक तरीकों में से एक रहा है। एनevertheless, यह एक कम दूरी intermembrane (छोटे से कुछ सौ माइक्रोमीटर) के साथ दो juxtaposed कटियन विनिमय झिल्ली निर्माण करने के लिए आवश्यक है। कदम 1.3.3-1.3.4 में, कटियन विनिमय राल एक तरल चरण में है। इसलिए, दो microchannels में राल ढह जा सकता है, और चैनलों के खुले अंत में शेष राल बूंद भी ढालना टुकड़ी के दौरान बाढ़ सकते हैं (कदम 1.3.4।)। उच्च पैटर्न निष्ठा के साथ दो कटियन विनिमय झिल्ली का निर्माण करने के लिए, हम एक अपेक्षाकृत उच्च चिपचिपापन (सॉल्वैंट्स में कटियन विनिमय सामग्री के 20%) के साथ राल के लिए इस्तेमाल और ध्यान से एक नामित detaching दिशा के साथ टुकड़ी प्रक्रिया निर्धारित किया है।

हालांकि इस मंच के उच्च परिचालन लचीलापन का प्रदर्शन किया गया था, पाठक ऑपरेटिंग खिड़की के भीतर विस्तृत श्रृंखला से इष्टतम स्थितियों का निर्धारण करने के बारे में चिंतित हो सकता है। एक प्रतिनिधि व्यापार बंद preconcentration की गति और आईसीपी प्रभाव की स्थिरता के बीच है। एक स्कैनक्वाक एट अल में चित्रा 5 में देखा जा सकता है। 26, एक उच्च वोल्टेज लागू (> 50 वी) लक्ष्यों को जल्दी से गाढ़ा कर सकते हैं; बहरहाल, यह भी कमी जोन (1 मिमी / चित्रा 7A में 7 पीएच) है, जो नमूना preconcentration की स्थिरता कम हो जाती है में मजबूत भेंवर लाती है। तदनुसार, preconcentration गति 33 की भविष्यवाणी करना मुश्किल हो जाता है। वर्तमान चरण में, हम एक अपेक्षाकृत कम वोल्टेज (<30 वी) और ईओण ताकत (<10 मिमी) एक स्थिर, उम्मीद के मुताबिक है, और निश्चित spatiotemporally preconcentration के लिए साथ प्रयोगात्मक शर्तों सलाह देते हैं। preconcentration की गति और preconcentrated प्लग की स्थिरता के बीच यह व्यापार बंद भी nonlinear आईसीपी के स्रोतों (सतह चालन, EOF, और विद्युत आसमाटिक अस्थिरता) से संबंधित है। एक अपेक्षाकृत छोटे वोल्टेज (<50 वी) पर nonlinear आईसीपी का मुख्य स्रोत, EOF है रिक्तीकरण क्षेत्र में एक सुसंगत भंवर जोड़ी बनाने (चित्रा 3 बी) है, जो Leएक स्थिर preconcentration करने के लिए विज्ञापनों। एक अपेक्षाकृत उच्च वोल्टेज (> 50 वी) में nonlinear आईसीपी का मुख्य स्रोत विद्युत आसमाटिक को अस्थिरता, अराजक कई vortexes, जो preconcentration की स्थिरता में कमी है, जिसके परिणामस्वरूप बदल गया है।

हाल ही में, कागज आधारित आईसीपी प्लेटफार्मों फ़ान एट अल द्वारा विकसित किया गया है। 34, घडि़याल एट अल। 19, और हान एट अल। 21। Microporous संरचनाओं के साथ ये कागज उपकरणों विद्युत आसमाटिक अस्थिरता 4, 35 को दबाने और स्थिरता के मुद्दे को कम कर सकते हैं। हालांकि, कागज चैनलों का आकार आम तौर पर 0.5-5 मिमी के बारे में है, जो एक पारंपरिक microfluidic चैनल से भी बड़ा है। यादृच्छिक फाइबर नेटवर्क के साथ इस व्यापक कागज चैनल preconcentrated प्लग में अनियमित गति के कारण बनता है। इस पत्र के आधार पर आईसीपी preconcentrators में अपरिहार्य हो गया है, क्योंकि न्यूनतम सुविधा(कागज चैनलों के निर्माण के लिए यानी, निर्माण विधियों) मोम patterning और कागज काटने के आकार कुछ सौ माइक्रोमीटर के बारे में है।

आईसीपी preconcentrator विभिन्न जैव एजेंटों preconcentrating के लिए biomicrofluidic प्लेटफार्मों की एक विस्तृत श्रृंखला में प्रयोग किया गया है; विभिन्न assays के संकेतों amplifying; और इस तरह के चिकित्सकीय प्रोटीन 36, पेप्टाइड्स 37, के रूप में पता लगाने के लक्ष्य, Aptamers 17, और 38 एंजाइमों। ये पिछले कार्यों को निशाना बनाया प्रतिदीप्ति लेबल biomolecules। इसका कारण यह है कि हम सटीक परिचालन की स्थिति निर्दिष्ट कर सकते हैं नहीं है (यानी, वोल्टेज और प्रवाह की दर) preconcentration साइट को बनाए रखने के लिए, तो हम पहले preconcentrator लक्ष्यों के लिए उचित शर्तों खोजने की जरूरत है। पिछले काम से प्रस्थान, विलय आईसीपी घटना हमें हमेशा परिचालन की स्थिति की एक विस्तृत रेंज में preconcentrated प्लग ठीक करने के लिए, जबकि उच्च लचीलापन बनाए रखने की अनुमति देता हैआईसीपी उपकरणों। उदाहरण के लिए, हम एक स्पर्शरेखा द्रव का प्रवाह के साथ विलय आईसीपी प्रणाली मिलाना, और निरंतर प्रवाह मोड 39 में यह काम कर सकते हैं। यह इंगित करता है कि हम अब आईसीपी preconcentrators के आवेदनों का विस्तार कर सकते दृश्य उपकरणों और ट्रेसर का उपयोग किए बिना पता लगाने की तकनीक से मुक्त लेबल करने के लिए। spatiotemporal controllability का यह अनूठा लाभ ऐसे पोलीमरेज़ चेन रिएक्शन मशीनों और मास स्पेक्ट्रोमीटर के रूप में सामान्य benchtop प्लेटफार्मों, साथ आईसीपी डिवाइस एकीकृत करने के लिए एक मजबूत व्यावसायिक अवसर प्रदान करता है।

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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जैव अभियांत्रिकी अंक 120 आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण preconcentration आयन एक्सचेंज झिल्ली वर्तमान विद्युत आसमाटिक प्रवाह विद्युत आसमाटिक अस्थिरता overlimiting
विलय juxtaposed आयन एक्सचेंज झिल्ली के बीच आयन एकाग्रता ध्रुवीकरण ध्रुवीकरण जोन का प्रचार करने के लिए ब्लॉक
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Kim, M., Rhee, H., Kang, J. Y., Kim, … More

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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