Sammanslagning jonkoncentration Polarisering mellan intill varandra placerade jonbytesmembran för att blockera utbredningen av Polarization Zone
Summary
Protokollet för en roman jonkoncentration polarisation (ICP) plattform som kan stoppa spridningen av ICP zonen, oberoende av driftsförhållandena beskrivs. Denna unika förmåga hos plattformen ligger i användningen av en sammanslagning jon utarmning och anrikning, som är två polariteterna hos ICP fenomen.
Abstract
Jonkoncentrationen polarisation (ICP) fenomen är en av de mest rådande metoder för att prekon låg-abundans biologiska prover. ICP inducerar en icke-invasiv region för laddade biomolekyler (dvs jonen utarmning zon), och mål kan förkoncentreras på detta område gräns. Trots de höga förkoncentrering föreställningar med ICP, är det svårt att hitta de driftsförhållanden av icke-fortplantande jon utarmningszoner. För att övervinna denna smala drifts fönster, nyligen har vi utvecklat en ny plattform för spatiotemporally fast förkoncentrering. Till skillnad från föregående metoder som bara använder jon utarmning, denna plattform använder också den motsatta polariteten av ICP (dvs jon anrikning) för att stoppa utbredningen av jonen utarmningszonen. Genom att konfrontera anrikningszonen med utarmningszonen, de två zonerna smälter samman och sluta. I detta dokument beskriver vi en detaljerad försöksplan för att bygga detta spatiotemporally definierade ICP Platform och karakterisera förkoncentrering dynamiken i den nya plattformen genom att jämföra dem med den konventionella anordningen. Kvalitativa jon koncentrationsprofiler och aktuell tid svar lyckas fånga de olika dynamiken mellan den sammanslagna ICP och fristående ICP. I motsats till den konventionella som kan fixera förkoncentrering läge endast ~ 5 V, kan den nya plattformen producera ett mål-kondenserad plugg på en viss plats i de breda intervallen driftsförhållanden: spänning (0,5-100 V), jonstyrka (1-100 mM) och pH (3,7 till 10,3).
Introduction
Jonkoncentration polarisation (ICP) hänvisar till ett fenomen som inträffar under jon anrikning och jon utarmning på ett permselektivt membran, vilket resulterar i en ytterligare potentialfall med ion koncentrationsgradienter 1, 2. Denna koncentrationsgradient är linjär, och det blir brantare som en högre spänning appliceras (resistiv regim) tills jonkoncentrationen på membranet närmar sig noll (begränsande regim). Vid denna diffusion begränsade tillstånd, har gradienten (och motsvarande jonflöde) varit kända för att vara maximerad / mättad 1. Utöver detta konventionella förståelse, när spänningen (eller strömmen) ökar ytterligare, är en overlimiting ström observeras med platta utarmning zoner och mycket skarpa koncentrationsgradienter vid zongränsen 1, 3. Den plana zonen har en mycket låg jonkoncentration, men ytan ledning, elektro osmoti c flöde (EOF), och / eller elektro-osmotisk instabilitet främja jonflöde och inducerar ett overlimiting ström 3, 4, 5. Interestingly, tjänar den platta utarmningszonen som en elektrostatisk barriär, som filtrerar ut 6, 7, 8, 9 och / eller prekon riktar 10, 11. Eftersom det finns en otillräcklig mängd av joner för att screena ytladdningar av laddade partiklar (för tillfredsställande elektroneutralitet), kan partiklarna inte passera genom denna utarmning zon och därför ställer upp vid dess gräns. Denna ickelinjära ICP effekt är ett generiskt fenomen i olika typer av membran 10, 11, 12, 13,> 14 och geometrier 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; det är därför forskare har kunnat utveckla olika typer av filtrerings 6, 7, 8, 9 och förkoncentrering 10, 11 enheter med den olinjära ICP.
Även med en sådan hög flexibilitet och robusthet, är det fortfarande en praktisk utmaning att klargöra driftsförhållanden för de olinjära ICP-enheter. Den olinjära regim av ICP avlägsnar snabbt katjoner genom ett katjonbytarmembran, som orsakar förskjutningen av anjoner som rör sig mot anoden. Som enresultat, utbreder platt utarmningszonen snabbt, vilket påminner om chock utbredning 22. Mani et al. kallas denna dynamiska den avjonisering (eller utarmning) chock 23. Att prekon mål på en angiven sensor läge, förhindrar expansionen av jon utarmningszonen är nödvändigt, till exempel genom att tillämpa EOF eller tryckdriven strömning mot zonen expansionen 24. Zangle et al. 22 klar kriterierna för ICP-utbredning i ett en-dimensionell modell, och det starkt beror på elektroforetisk mobilitet 17, jonstyrka 18, pH 25, och så vidare. Detta tyder på att lämpliga driftsförhållanden kommer att ändras i enlighet med provförhållanden.
Här presenterar vi detaljprojektering och experimentella protokoll för en ny ICP plattform som prekon mål inom en spatiotemporalt definierad position 26. Utbyggnaden av jonen utarmningszonen blockeras av jon anrikningszonen, vilket ger en stationär förkoncentrering plugg i ett tilldelat läge, oberoende av drifttiden, pålagd spänning, jonstyrka och pH. Denna detaljerade video protokollet är avsett att visa det enklaste sättet att integrera katjonbytarmembran i mikroflödessystem enheter och för att demonstrera förkoncentrering prestanda nya ICP-plattformen jämfört med den konventionella.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har beskrivit framställningen protokollet och prestanda för en spatiotemporally definierad förkoncentrator i ett område av den pålagda spänningen (0,5-100 V), jonstyrka (1-100 mM) och pH (3,7-10,3), uppnå en 10.000-faldig förkoncentrering av färgämnen och protein inom 10 minuter. Som liksom tidigare ICP-enheter blir förkoncentrering bättre prestanda vid högre spänning och lägre jonstyrka. En ytterligare parameter kan vi tänka på här är avståndet mellan två katjonbytarmembran. Om vi ökar mellan m…
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).
