Zusammenführen von Ionenkonzentration Polarisierung zwischen Juxtaposed Ionenaustauschermembranen zu blockieren die Ausbreitung der Polarisations Zone

Minyoung Kim; Hyunjoon Rhee; Ji Yoon Kang; Tae Song Kim; Rhokyun Kwak

doi:10.3791/55313

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Method Article

Zusammenführen von Ionenkonzentration Polarisierung zwischen Juxtaposed Ionenaustauschermembranen zu blockieren die Ausbreitung der Polarisations Zone

DOI:

10.3791/55313

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February 23rd, 2017

Minyoung Kim¹^,², Hyunjoon Rhee¹^,³, Ji Yoon Kang¹, Tae Song Kim¹, Rhokyun Kwak¹

¹Center for BioMicrosystems, Korea Institute of Science and Technology, ²Department of Mechanical Engineering, Seoul National University, ³Department of Industrial Engineering, University of Illinois Urbana-Champaign

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Zusammenfassung

Das Protokoll für eine neuartige Ionenkonzentrationspolarisation (ICP) Plattform, die die Ausbreitung der ICP Zone stoppen kann, unabhängig von den Betriebsbedingungen beschrieben. Diese einzigartige Fähigkeit der Plattform liegt in der Verwendung von Ionenerschöpfungs und Anreicherung verschmelzenden, die zwei Polaritäten des ICP Phänomen sind.

Zusammenfassung

Die Ionenkonzentrationspolarisation (ICP) Phänomen ist einer der vorherrschenden Methoden Niedrigfluss biologischen Proben vorzukonzentrieren. Die ICP induziert eine noninvasive Region für geladene Biomoleküle können (dh die Ionenverarmungszone) und Targets auf dieser Bereichsgrenze vorkonzentriert werden. Trotz der hohen preconcentration Auftritte mit ICP, ist es schwierig, die Betriebsbedingungen der Nichtausbreitungsionenverarmungszonen zu finden. Um diesen engen Arbeitsfenster zu überwinden, haben wir vor kurzem eine neue Plattform für räumlich-zeitlich fixiert preconcentration. Im Gegensatz zu Verfahren , die nur vorhergehenden Ionenabreicherungskammern verwenden, diese Plattform verwendet auch die entgegengesetzte Polarität der ICP (dh Ionenanreicherungs) , um die Ausbreitung der Ionenverarmungszone zu stoppen. Durch die Konfrontation mit der Anreicherungszone mit der Verarmungszone, verschmelzen die beiden Zonen miteinander und zu stoppen. In diesem Papier beschreiben wir ein ausführliches Versuchsprotokoll dieses räumlich-zeitlich definiert ICP Plattf zu bauenorm und die Vorkonzentration Dynamik der neuen Plattform charakterisieren indem man sie mit denen der herkömmlichen Vorrichtung verglichen wird. Qualitative Ionenkonzentrationsprofile und aktuelle Zeit Antworten erfolgreich erfassen die unterschiedliche Dynamik zwischen der fusionierten ICP und der Stand-alone-ICP. Spannung (0,5 bis 100 V), der Ionenstärke: Im Gegensatz zu den herkömmlichen, die die preconcentration Lage nur ~ 5 V beheben können, kann die neue Plattform eine ziel kondensiert Stecker an einer bestimmten Stelle in den weiten Bereichen der Betriebsbedingungen erzeugen (1-100 mM) und pH (3,7 bis 10,3).

Einleitung

Ionenkonzentrationspolarisation (ICP) bezieht sich auf ein Phänomen , das während der Ionenanreicherungs und Ionenverarmungs auf einer permselektiven Membran auftritt, was zu einem zusätzlichen Spannungsabfall mit Ionen Konzentrationsgradienten ^{^1,} ^2. Dieser Konzentrationsgradient ist linear, und es wird steiler als eine höhere Spannung (Ohmsche Regime), bis die Ionenkonzentration auf der Membran aufgebracht wird, gegen Null geht (Begrenzungsregelung). An dieser diffusionsbegrenzten Zustand, der Gradient (und entsprechende Ionenfluß) ist bekannt, ¹ maximiert / gesättigt. Jenseits dieser herkömmlichen Verständnis, wenn die Spannung (oder Strom) weiter erhöht wird, wird ein overlimiting Strom beobachtet, mit flachen Verarmungszonen und sehr scharfe Konzentrationsgradienten an der Zonengrenze ^{^1,} ^3. Die flache Zone hat eine sehr niedrige Ionenkonzentration, aber mit Oberflächenleitfähigkeit, elektro-osmoti c Strömung (EOF), und / oder elektroosmotischen Instabilität Ionenfluss fördern und ein overlimiting Strom ^{^3,} ^{^4,} ⁵ induzieren. Interessanterweise dient die flache Verarmungszone als eine elektrostatische Barriere, die ⁶ ^{herausfiltert,} ^{^7,} ^{^8,} ⁹ und / oder Vorkonzentraten ¹⁰ ^Ziele, ^11. Da es eine unzureichende Menge an Ionen ist, die Oberflächenladungen von geladenen Teilchen (für die Befriedigung der Elektro) zu screenen, können die Partikel nicht durch diese Verarmungszone passieren und deshalb an seiner Grenze ausrichten. Diese nichtlineare ICP - Effekt ist ein Phänomen generic in verschiedenen Arten von Membranen ^{^10,} ^{^11,} ^{^12,} ^{^13,}> 14 und Geometrien ^{^6,} ^{^15,} ^{^16,} ^{^17,} ^{^18,} ^{^19,} ^{^20,} ^21; Dies ist , warum Forscher verschiedene Arten von Filtrations ^{^6,} ^{^7,} ^{^8,} zu entwickeln , konnten ⁹ und preconcentration ^{^10,} ¹¹ Geräte , die nicht - lineare ICP.

Selbst mit so hoher Flexibilität und Robustheit, ist es immer noch eine praktische Herausforderung, die Betriebsbedingungen für die nichtlinearen Vorrichtungen ICP zu klären. Die nichtlinearen Bereich des ICP entfernt schnell Kationen durch einen Kationenaustauschmembran, die die Verschiebung von Anionen in Richtung der Anode bewirkt, bewegt. Als einDadurch breitet sich die flache Verarmungszone schnell, was Schockausbreitung ²² erinnert. Mani et al. genannt ²³ schocken diese Dynamik der Entionisierung (oder Erschöpfung). Auf Ziele in einer bestimmten Abtastposition vorzukonzentrieren, die Ausdehnung des Ionenverarmungszone verhindern , ist erforderlich, beispielsweise um ²⁴ EOF oder druckbetriebenen Anströmung des Expansionszone aufgebracht wird . Zangle et al. ²² verdeutlicht die Kriterien für ICP Ausbreitung in einem eindimensionalen Modell, und es hängt in hohem Maße von der elektrophoretischen Mobilität ^17, der Ionenstärke ^18, pH ^25, und so weiter. Dies zeigt an, dass die richtige Betriebsbedingungen werden entsprechend den Probenbedingungen verändert werden.

Hier präsentieren wir detaillierte Design und experimentelle Protokolle für eine neue ICP-Plattform, die Ziele innerhalb eines spatiotemp Vorkonzentratenoral definierte Position ^26. Die Expansion der Ionenverarmungszone wird durch die Ionenanreicherungszone blockiert, ein stationäres preconcentration Stecker an eine zugewiesene Position zu verlassen, und zwar unabhängig von der Betriebszeit, der angelegten Spannung, der Ionenstärke und pH. Diese detaillierte Videoprotokoll soll die einfachste Methode, um zu zeigen, Kationenaustauschmembranen in mikrofluidischen Vorrichtungen zu integrieren und die Vorkonzentration Leistung der neuen ICP-Plattform im Vergleich zu dem herkömmlichen zu demonstrieren.