La fusión de polarización de la concentración de iones entre yuxtapuestas Las membranas de intercambio iónico para bloquear la propagación de la Zona de Polarización
Summary
Se describe el protocolo para una plataforma novela polarización de la concentración de iones (ICP) que puede detener la propagación de la zona de ICP, independientemente de las condiciones de funcionamiento. Esta capacidad única de la plataforma se encuentra en el uso de la fusión de agotamiento de iones y el enriquecimiento, que son dos polaridades del fenómeno ICP.
Abstract
El fenómeno de polarización de la concentración de iones (ICP) es uno de los métodos más prevalecientes que preconcentrado de muestras biológicas de baja abundancia. El ICP induce una región no invasiva para biomoléculas cargadas (es decir, la zona de agotamiento de iones), y los objetivos se puede preconcentrado en esta región límite. A pesar de los altos rendimientos de preconcentración con ICP, es difícil encontrar las condiciones de operación de zonas no propagar el agotamiento de iones. Para superar esta ventana estrecha operativo, recientemente hemos desarrollado una nueva plataforma para la preconcentración espaciotemporalmente fijo. A diferencia de los métodos anteriores que sólo utilizan el agotamiento de iones, esta plataforma también usa la polaridad opuesta de la ICP (es decir, el enriquecimiento de iones) para detener la propagación de la zona de agotamiento de iones. Al confrontar la zona de enriquecimiento con la zona de agotamiento, las dos zonas se funden y se detienen. En este trabajo se describe un protocolo experimental detallado para construir este platf ICP espaciotemporalmente definidoORM y caracterizar la dinámica de preconcentración de la nueva plataforma comparándolas con las del dispositivo convencional. los perfiles de concentración de iones cualitativos y respuestas en tiempo actual capturar con éxito las diferentes dinámicas entre el PCI y el PCI fusionada autónomo. En contraste con la convencional que puede fijar la ubicación de preconcentración de sólo ~ 5 V, la nueva plataforma puede producir un tapón condensado diana en una ubicación específica en la amplia gamas de condiciones de operación: Voltaje de (0,5 a 100 V), la fuerza iónica (1-100 mM) y pH (3.7 a 10.3).
Introduction
Ion polarización de la concentración (ICP) se refiere a un fenómeno que se produce durante el enriquecimiento de iones y el agotamiento iónico en una membrana de permeabilidad selectiva, lo que resulta en una caída de potencial adicional con gradientes de concentración de iones 1, 2. Este gradiente de concentración es lineal, y se hace más pronunciada como un voltaje más alto se aplica (régimen óhmico) hasta que la concentración de iones en la membrana se acerca (régimen limitante) cero. En esta condición de difusión limitada, el gradiente (y el correspondiente flujo de iones) ha sido conocido por ser maximizada / 1 saturada. Más allá de este entendimiento convencional, cuando la tensión (o corriente) se incrementa aún más, se observa una corriente overlimiting, con zonas de agotamiento planas y gradientes de concentración muy agudos en el límite de la zona 1, 3. La zona plana tiene una concentración de iones muy baja, pero la conducción superficie, electro-osmoti flujo c (EOF), y / o inestabilidad electro-osmótico promueven el flujo de iones y inducen una overlimiting actual 3, 4, 5. Curiosamente, la zona de agotamiento plana sirve como una barrera electrostática, que filtra 6, 7, 8, 9 y / o preconcentrados dirige a 10, 11. Dado que no hay una cantidad insuficiente de iones para detectar las cargas superficiales de las partículas cargadas (por electroneutralidad satisfactorio), las partículas no pueden pasar a través de esta zona de agotamiento y por lo tanto se alinean en su límite. Este efecto no lineal ICP es un fenómeno genérico en diversos tipos de membranas 10, 11, 12, 13,> 14 y geometrías 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; esto es por qué los investigadores han sido capaces de desarrollar diversos tipos de filtración 6, 7, 8, 9 y preconcentración 10, 11 dispositivos utilizando el ICP no lineal.
Incluso con tan alta flexibilidad y robustez, que sigue siendo un desafío práctico para aclarar las condiciones de funcionamiento de los dispositivos PCI no lineales. El régimen no lineal de la ICP elimina rápidamente cationes a través de una membrana de intercambio catiónico, lo que provoca el desplazamiento de aniones se mueven hacia el ánodo. Como unEn consecuencia, la zona de agotamiento plana se propaga rápidamente, lo que es una reminiscencia de la propagación de choque 22. Mani et al. denominado a esta dinámica la desionización (o agotamiento) 23 golpes. Para preconcentrar objetivos a una posición de detección designado, la prevención de la expansión de la zona de agotamiento de iones es necesario, por ejemplo, mediante la aplicación de EOF o flujo impulsado por presión contra la expansión zona 24. Zangle et al. 22 aclaró los criterios para la propagación de ICP en un modelo unidimensional, y depende en gran medida la movilidad electroforética 17, la fuerza iónica 18, pH 25, y así sucesivamente. Esto indica que las condiciones de funcionamiento adecuadas serán alterados de acuerdo con las condiciones de la muestra.
A continuación, presentamos el diseño detallado y los protocolos experimentales para una plataforma novedosa que ICP concentrados previos objetivos dentro de un spatiotemporalmente posición 26 definida. La expansión de la zona de agotamiento de iones es bloqueado por la zona de enriquecimiento de iones, dejando un tapón de preconcentración estacionaria en una posición asignada, independientemente del tiempo de funcionamiento, el voltaje aplicado, la fuerza iónica y pH. Este protocolo de vídeo detallada pretende mostrar el método más simple para integrar membranas de intercambio catiónico en los dispositivos de microfluidos y para demostrar el rendimiento de preconcentración de la nueva plataforma de ICP en comparación con la convencional.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hemos descrito el protocolo de fabricación y el rendimiento de un preconcentrador espaciotemporalmente definido en una gama de la tensión aplicada (0,5 a 100 V), la fuerza iónica (1-100 mM) y pH (03/07 a 10/03), el logro de un 10.000 veces preconcentración de colorantes y proteínas dentro de 10 min. Como al igual que los dispositivos PCI anteriores, el rendimiento de preconcentración se hace mejor en un voltaje más alto y al menor fuerza iónica. Un parámetro adicional que podemos considerar aquí es la distanci…
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 |
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