Yan yana İyon Değişimi Membranlar arasında İyon Konsantrasyon Polarizasyon birleştirme Polarizasyon Bölgesi İlerlemesinin yasakla
Summary
ne olursa olsun çalışma koşulları, ICP bölgenin ilerlemesini durdurabilir yeni bir iyon konsantrasyon kutuplaşma (ICP) platformu için protokol açıklanmıştır. Platformun bu sağlıyor ICP olgusunun iki polarizasyona olan iyon tükenmesi ve zenginleştirme, birleştirme kullanılması yatmaktadır.
Abstract
iyonu konsantrasyonunun polarizasyon (ICP) olgu düşük bolluk biyolojik örnekler önkonsantreyi en hakim yöntemlerden biridir. ICP yüklü biyomoleküllerin (yani, iyon tükenmesi bölgesi) için bir non-invaziv bölgeyi uyarır ve hedefler bu bölge sınırında zenginlestirilerek edilebilir. ICP ile yüksek zenginleştirme performansları rağmen, non-yayılan iyon tükenmesi bölgelerinin çalışma koşullarını bulmak zordur. Bu dar çalışma penceresi üstesinden gelmek için, biz son zamanlarda spatiotemporally sabit zenginleştirilmesi için yeni bir platform geliştirdi. Sadece iyon tükenmesi kullanan yöntemleri önceki aksine, bu platformu da iyon tükenmesi bölgenin yayılmasını durdurmak için ICP (yani, iyon zenginleştirme) karşıt polaritesi kullanır. tükenmesi bölgesi ile zenginleştirme bölgesini karşı karşıya tarafından, iki bölge birbirine birleştirmek ve durdurun. Bu yazıda, bu spatiotemporally tanımlanan ICP platf inşa etmek için detaylı bir deneysel protokol tariform ve konvansiyonel cihaz olanlar ile karşılaştırarak yeni platformun zenginleştirme dinamiklerini karakterize. Nitel iyonu konsantrasyonu profilleri ve şimdiki zaman tepkiler başarıyla birleştirilmiş ICP ve tek başına ICP arasında farklı dinamiklerini. sadece ~ 5 V zenginleştirme yerini çözebilirsiniz geleneksel birinde aksine, yeni bir platform çalışma koşulları geniş aralıklar içinde belirli bir konuma bir hedef yoğunlaştırılmış fiş üretebilir: voltaj (0,5-100 V), iyonik kuvvet (1-100 mM) ve pH değeri (3,7-10,3).
Introduction
İyon konsantrasyon kutuplaşma (ICP) iyonu konsantrasyon gradyanı 1, 2 ek bir potansiyel azalma ile sonuçlanan bir seçici bir zar üzerinde iyon zenginleştirme ve iyon azalması sırasında meydana gelen bir olaydır değinmektedir. Bu konsantrasyon gradyanı, doğrusaldır ve daha yüksek bir gerilim membran iyon konsantrasyonu kadar (Ohmik rejim) olarak uygulanır dik hale gelir, sıfır (sınırlayıcı rejim) yaklaşır. Bu difüzyon ile sınırlı bir durumda da, gradyan (ve karşılık gelen iyon akışı) / ekranı 1 doymuş bilinmektedir. Gerilim (veya akım) daha fazla arttığında bu geleneksel anlayışın ötesinde, bir overlimiting geçerli bölge sınırı 1, 3 yassı tükenme bölgeleri ve çok keskin konsantrasyon geçişlerini ile görülmektedir. Düz bölge çok düşük iyon konsantrasyonuna sahiptir, ancak yüzey iletimi, elektro-osmoti Cı akışı (EOF), ve / veya elektro-ozmotik instabilite iyon akımına tanıtılması ve bir overlimiting akımı 3, 4, 5, yol açar. 6, 7, 8, 9 ve / veya prekonsantratlar filtreleyen bir elektrostatik bariyer, 10, 11 hedef olarak İlginçtir, düz tükenmesi bölge hizmet vermektedir. (Tatmin edici Elektronötralliğin için) yüklü parçacıkların yüzey yükleri taranması için bir iyon miktarı yetersiz olduğundan, parçacıklar, bu azalmanın bölümü içinden geçmek ve bu nedenle sınırda hizaya olamaz. Bu doğrusal olmayan ICP etkisi, membran 10, 11, 12, 13 çeşitli bir genel olgudur> 14 ve geometriler 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; Araştırmacılar filtrasyon 6, 7, 8 çeşitli geliştirmek mümkün olmuştur bu yüzden, 9 ve doğrusal olmayan ICP 10, 11 cihazları Zenginleştirme.
Hatta böyle yüksek esneklik ve sağlamlığı ile, hala doğrusal olmayan ICP cihazları için çalışma koşullarını açıklığa kavuşturmak için pratik bir sorundur. ICP doğrusal olmayan rejimi hızlı anoda doğru hareket anyonların yer değiştirmesine neden olan bir katyon değişim zarı yoluyla katyonları kaldırır. OlarakSonuç, düz tükenmesi bölgesi şok yayılma 22 olduğunu hatırlatan, hangi hızla yayılır. Mani ve ark. Bu dinamik deiyonizasyon (veya tükenmesi) 23 şok denir. İyon tükenmesi bölgesinin genişlemesini önlemek, belirli bir algılama pozisyonda hedef prekonsantratı için, örneğin, bölge genişleme 24 karşı EOF veya basınçla çalışan akışı uygulanmak suretiyle, gereklidir. Zangle ve diğ. 22, bir tek-boyutlu bir model ICP yayılma kriterlerini açıklık ve oldukça elektroforetik mobilite 17, iyonik kuvvet 18, bu nedenle pH 25 ve bağlıdır. Bu uygun çalışma koşulları örnek şartlarına göre değiştirilebilir belirtir.
Burada, bir spatiotemp içinde hedeflere prekonsantratlar yeni bir ICP platformu için detaylı tasarım ve deneysel protokolleri mevcutoral konum 26'da tanımlandığı gibidir. İyon tükenmesi bölgesinin genişlemesi, bağımsız olarak çalışma süresi, bir atanmış konumunda bir deriştirme fiş bırakarak iyon zenginleştirme bölgesinde uygulanan voltaj, iyonik kuvvet ve pH engellenir. Bu ayrıntılı video protokolü mikroakışkan cihazlara katyon değişim membranları entegre ve geleneksel bir oranla yeni ICP platformu önderiştirme performansını göstermek için basit bir yöntem göstermek için tasarlanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bir 10.000 kat elde, imalat protokolü ve uygulanan voltajı (0.5-100 V), iyonik kuvvet (1-100 mM) aralığında bir spatiotemporally tanımlanan ön yoğunlaştıncı performansını ve pH (3,7-10,3) tanımlamışlardır 10 dakika içinde boyalar ve protein zenginleştirme. Bir önceki ICP cihazlar gibi, zenginleştirme performansı yüksek gerilimde daha iyi ve daha düşük iyonik güçte olur. Burada düşünebilirsiniz ek bir parametre iki katyon değişim zarlarının arasındaki mesafedir. Biz arası zar mesafe a…
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).
