나란히 이온 교환 멤브레인 사이의 이온 농도 분극을 병합하면 편광 영역의 전파를 차단하는
Summary
작동 조건에 관계없이 상기 ICP 대역의 전파를 정지 할 수있는 신규 한 이온 농도 분극 (ICP) 플랫폼에 대한 프로토콜을 설명한다. 플랫폼의 독특한 능력은 ICP 현상이 극성은 이온 고갈과 농축, 병합의 사용에있다.
Abstract
이온 농도 분극 (ICP) 현상은 미량의 생체 시료를 preconcentrate하는 가장 지배적 인 우세한 방법 중 하나입니다. 유도 결합 플라스마 충전 생체 분자 (즉, 이온 고갈 영역)에 대한 비 침습적 영역을 유도하고, 대상은이 지역 경계에 농축 정도 할 수 있습니다. ICP로 농축 높은 성능에도 불구하고, 비 증식 이온 공핍 영역의 동작 조건을 검색하는 것이 곤란하다. 이 좁은 운영 창을 극복하기 위해, 우리는 최근 시공간으로 고정 농축을위한 새로운 플랫폼을 개발했다. 단 이온 고갈 사용 방법 이전과는 달리,이 플랫폼은 이온 공핍 영역의 전파를 중지 ICP (즉, 이온 농축)의 반대 극성을 이용한다. 공핍 영역이있는 농축 영역을 마주하여 두 영역이 함께 병합하고 멈춘다. 본 논문에서는이 시공간으로 정의 ICP의 platf을 구축 할 수있는 자세한 실험 프로토콜을 설명ORM 종래 장치들과 그들을 비교함으로써 새로운 플랫폼의 농축 동력학을 특성화. 질적 이온의 농도 프로파일 및 현재 시간 응답이 성공적으로 병합 ICP 및 독립형 ICP의 다른 다이나믹 캡처. 만 ~ 5 V로 농축 위치를 고정 할 수있는 통상적 인 것과 대조적으로, 새로운 플랫폼은 동작 조건의 넓은 범위 내의 특정 위치에서 목표 응축 플러그를 생성 할 수있다 : 전압 (0.5 내지 V), 이온 강도 (1-100 mM)을하여 pH (3.7-10.3).
Introduction
이온 농도 분극 (ICP)의 이온 농도 기울기 1, 2 부가 전위 강하의 결과로 이온 투과성 막에 농축 이온 고갈 중에 발생하는 현상을 말한다. 이 농도 구배는 직선이며, 더 높은 전압이 막에 이온 농도까지 (오믹 체제)인가로 급격하게 제로 (제한 체제)에 접근한다. 확산이 제한된 상태에서, 기울기 (및 대응하는 이온 플럭스) / 최대화 한 포화되는 것으로 알려져있다. 전압 (또는 전류) 더 증가 할 때, 종래의 이해를 넘어, overlimiting 전류가 존 경계 1,3- 평평한 공핍 영역과 매우 날카로운 농도 기울기로 관측되었다. 평면 영역은 매우 낮은 이온 농도를 갖고 있지만 표면 전도 전자 osmoti C 흐름 (EOF) 및 / 또는 전기 삼투 불안정 이온 플럭스를 촉진하고 overlimiting 전류 3, 4, 5를 유도한다. 6, 7, 8, 9 및 / 또는 preconcentrates 걸러 정전 장벽, 10, 11을 대상으로 흥미롭게 평탄 공핍 영역이 작용한다. (전기적 중성을 만족 용) 대전 입자의 표면 전하를 선별하는 이온의 양이 부족하기 때문에, 입자가이 공핍 영역을 통과하기 때문에 그 경계에서 줄 수 없다. 이 비선형 ICP 효과는, 막 10, 11, 12, 13, 다양한 종류의 일반적인 현상> 14 기하학 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; 연구자 여과 6, 7, 8의 다양한 형태를 개발할 수 있었던 이유는, 9이며 상기 비선형 ICP를 이용하여 10, 11, 농축 장치.
심지어 높은 유연성 및 견고성 여전히 비선형 ICP 장치에 대한 운전 조건을 명확히하기위한 실용적인 도전이다. 유도 결합 플라스마의 비선형 체제 신속 음극쪽으로 이동하는 음이온의 변위를 야기하는 양이온 교환 막을 통해 양이온을 제거한다. 로그 결과, 평탄 공핍 영역은 충격 전파 22 연상하는 빨리 전파한다. 마니 등. 이 역동적 인 탈 이온화 (또는 고갈) (23)를 충격했다. 이온 공핍 영역의 확장을 방지 지정된 위치에서 촬상 대상 preconcentrate 것은 예를 들면, 확장 영역 (24)에 대해 EOF 또는 압력 구동 흐름을 적용하여 필요하다. Zangle 등은. 22은 1 차원 모델에서 ICP 전파 기준을 명확히하고, 고도로 전기 영동 이동도 17, 이온 강도 (18) 등의 pH 25, 및에 의존한다. 이것은 적절한 작동 조건 샘플 조건에 따라 변경 될 것을 나타냅니다.
여기, 우리는 spatiotemp 내 목표를 preconcentrates 신규 ICP 플랫폼을위한 상세 설계 및 실험 프로토콜을 제시구두 위치 (26)을 정의했다. 이온 공핍 영역의 확장이없이 작동 시간의 지정된 위치에 고정 농축 플러그두고 이온 풍부 영역에 의해인가 전압, 이온 강도 및 pH가 차단된다. 상세한 영상 프로토콜은 미세 유체 소자로 양이온 교환막를 통합하고, 종래에 비해 새로운 ICP 플랫폼 농축 성능을 입증하기 위해 단순한 방법을 도시하기위한 것이다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우리는 10,000 배 달성 제조 프로토콜과인가 전압 (0.5 내지 V), 이온 강도 (1-100 mM)을 범위의 시공간 정의 된 예비 집 신기의 성능과의 pH (3.7-10.3)를 설명했다 10 분 내에서 염료 및 단백질의 농축. 이전 ICP 장치 등으로, 농축 성능은 높은 전압에서 더 낮은 이온 강도로된다. 우리가 여기에서 고려할 수있는 하나의 추가 매개 변수는이 양이온 교환막 사이의 거리입니다. 우리는 층간 막 거리를 증가 시키?…
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).
