دمج ايون الاستقطاب التركيز بين جنبا إلى جنب التبادل الأيوني الأغشية لمنع الانتشار من منطقة الاستقطاب
Summary
يوصف بروتوكول لمنصة رواية تركيز أيون الاستقطاب (ICP) الذي يمكن أن يوقف انتشار في منطقة المقارنات الدولية، بغض النظر عن ظروف التشغيل. هذه القدرة الفريدة لمنصة تكمن في استخدام دمج استنفاد الأيونات والإثراء، وهما أقطاب هذه الظاهرة برنامج المقارنات الدولية.
Abstract
ظاهرة تركيز أيون الاستقطاب (ICP) هي واحدة من أكثر الوسائل السائدة لpreconcentrate العينات البيولوجية وفرة منخفضة. برنامج المقارنات الدولية يؤدي الى المنطقة موسع للالجزيئات الحيوية مشحونة (أي المنطقة نضوب أيون)، ويمكن preconcentrated أهداف في هذه المنطقة الحدود. وعلى الرغم من العروض preconcentration عالية مع برنامج المقارنات الدولية، فمن الصعب العثور على ظروف التشغيل من مناطق غير نشر استنفاد الأيونات. للتغلب على هذه النافذة التشغيل الضيق، وضعنا مؤخرا منصة جديدة لpreconcentration الثابتة spatiotemporally. على عكس السابقة الأساليب التي تستخدم فقط استنفاد الأيونات، يستخدم هذا المنبر أيضا قطبية معاكسة لبرنامج المقارنات الدولية (أي تخصيب أيون) لوقف انتشار في منطقة استنفاد الأيونات. بمواجهة منطقة تخصيب مع منطقة نضوب، دمج المنطقتين معا، وتتوقف. في هذه الورقة، ونحن تصف بروتوكول تجريبي مفصل لبناء هذا platf ICP محددة spatiotemporallyمكتب إدارة السجلات ووصف ديناميات preconcentration من منصة جديدة عن طريق مقارنتها مع تلك من الجهاز التقليدي. نوعية الشخصية تركيز أيون والاستجابات في الوقت الحالي التقاط بنجاح ديناميات مختلفة بين ICP المدمجة وICP-مستقل. وعلى النقيض من واحد التقليدية التي يمكن أن تحدد مواقع preconcentration في فقط ~ 5 فولت، ويمكن للمنصة جديدة تنتج المكونات مكثف الهدف في مكان معين في نطاقات واسعة من ظروف التشغيل: الجهد (،5-100 V)، القوة الأيونية (1-100 ملم)، ودرجة الحموضة (3،7 حتي 10،3).
Introduction
يشير أيون تركيز الاستقطاب (ICP) إلى ظاهرة تحدث خلال تخصيب أيون واستنفاد الأيونات على غشاء permselective، مما أدى إلى انخفاض محتمل إضافي مع التدرجات تركيز أيون 1 و 2. هذا التدرج تركيز غير الخطية، ويصبح أكثر حدة كما يتم تطبيق الجهد العالي (نظام أومية) حتى تركيز أيون على الغشاء النهج صفر (النظام الحد). في هذه الحالة محدودة الانتشار، وقد عرفت التدرج (وما يقابلها من تدفق أيون) ليكون الحد الأقصى / المشبعة 1. ما وراء هذا الفهم التقليدي، عند زيادة الجهد (أو الحالي) أبعد من ذلك، لوحظ حدوث overlimiting الحالية، مع مناطق نضوب مسطحة والتدرجات تركيز حاد جدا في حدود المنطقة 1 و 3. منطقة مسطحة لديه تركيز أيون منخفضة جدا، ولكن التوصيل السطح، الكهربائية osmoti تدفق ج (EOF)، و / أو عدم الاستقرار الكهربائية الاسموزي تعزيز تدفق الأيونات وتحفز على overlimiting الحالي 3 و 4 و 5. ومن المثير للاهتمام، ومنطقة استنزاف مسطحة بمثابة حاجز الكهربائي، الذي يرشح 6 و 7 و 8 و 9 و / أو preconcentrates يستهدف 10 و 11. منذ وجود كمية كافية من أيونات لفحص التهم سطح الجسيمات المشحونة (للالتعادل الكهربائي مرضية)، والجزيئات لا يمكن ان تمر من خلال هذه المنطقة نضوب، وبالتالي يصطف في محيطها. هذا التأثير غير الخطية برنامج المقارنات الدولية هو ظاهرة عامة في أنواع مختلفة من الأغشية 10، 11، 12، 13،> 14 وهندستها 6، 15، 16، 17، 18، 19، 20، 21؛ هذا هو السبب في أن تمكن الباحثون لتطوير أنواع مختلفة من الترشيح 6، 7، 8، 9 وpreconcentration 10، 11 الأجهزة التي تستخدم برنامج المقارنات الدولية غير الخطية.
حتى مع هذه المرونة العالية والمتانة، فإنه لا يزال تحديا عمليا لتوضيح ظروف التشغيل للأجهزة ICP غير الخطية. النظام غير الخطية لبرنامج المقارنات الدولية بسرعة يزيل الكاتيونات عبر غشاء تبادل الأيونات الموجبة، والذي يسبب تشريد الأنيونات تتحرك نحو القطب الموجب. كنتيجة لذلك، منطقة استنزاف مسطحة تنتشر بسرعة، وهي تذكرنا صدمة نشر 22. ماني وآخرون. ودعا هذا ديناميكية في إزالة الأيونات (أو نضوب) صدمة 23. لpreconcentrate الأهداف عند موقف الاستشعار المعينة، ومنع التوسع في منطقة استنفاد الأيونات من الضروري، على سبيل المثال، عن طريق تطبيق EOF أو يحركها تدفق ضغط ضد توسيع منطقة 24. Zangle وآخرون. 22 توضيح معايير نشر برنامج المقارنات الدولية في نموذج أحادي البعد، وأنه يعتمد بشكل كبير على التنقل الكهربي 17، والقوة الأيونية 18، ودرجة الحموضة 25، وهلم جرا. هذا يدل على أن ظروف التشغيل المناسبة وسوف يتم تغيير وفقا للشروط العينة.
هنا، نقدم التصميم التفصيلي والبروتوكولات التجريبية لمنصة رواية برنامج المقارنات الدولية أن preconcentrates أهداف داخل spatiotempتعريف شفويا موقف 26. تم منع التوسع في منطقة استنفاد الأيونات من منطقة تخصيب أيون، وترك المكونات preconcentration ثابتة في موقف معين، بغض النظر عن الوقت التشغيل، والجهد تطبيقها، والقوة الأيونية، ودرجة الحموضة. ويهدف هذا البروتوكول فيديو مفصل لإظهار أبسط طريقة لدمج أغشية تبادل الأيونات الموجبة إلى الأجهزة ميكروفلويديك وللتدليل على أداء preconcentration من منصة برنامج المقارنات الدولية الجديدة مقارنة مع واحد التقليدية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وصفناها بروتوكول تصنيع وأداء preconcentrator محددة spatiotemporally في مجموعة من الجهد التطبيقية (،5-100 V)، القوة الأيونية (1-100 ملم)، ودرجة الحموضة (3،7 حتي 10،3)، تحقيق أضعاف 10000 preconcentration الأصباغ والبروتين في غضون 10 دقيقة. كما مثل أجهزة ICP السابقة، وأداء preconcentration يصبح أفضل في الجهد العال?…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
