JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

הפרוטוקול עבור קיטוב ריכוז יון רומן (ICP) פלטפורמה שיכולה לעצור את ההתפשטות של אזור ICP, ללא תלות בתנאי ההפעלה מתוארת. יכולת הייחודית זו של הפלטפורמה נמצאת בשימוש של התמזגות דלדול יון והעשרה, שהן שני קטבים של תופעת ICP.

Abstract

קיטוב ריכוז היון (ICP) תופעה באחת מהשיטות השכיחות ביותר preconcentrate דגימות ביולוגיות נמוך שפע. ICP משרה באזור פולשנית עבור ביומולקולות טעונים (כלומר, אזור דלדול יון), ומטרות ניתן preconcentrated על הגבול באזור זה. למרות הופעות preconcentration גבוהות עם ICP, קשה למצוא את תנאי ההפעלה של אזורי דלדול יון הלא ומתפשט. כדי להתגבר על חלון הפעלה הצר הזה, פתחנו לאחרונה פלטפורמה חדשה preconcentration קבוע spatiotemporally. בניגוד שקדם שיטות שרק להשתמש דלדול יון, פלטפורמה זו משתמשת גם הקוטביות ההפוכה של ICP (כלומר, העשרה יון) כדי לעצור את ההתפשטות של אזור דלדול יון. על ידי עימות עם אזור העשרה עם אזור הדלדול, שני האזורים למזג יחד ולעצור. במאמר זה, אנו מתארים פרוטוקול הניסוי מפורט לבנות ICP spatiotemporally הגדיר זאת platfORM ולאפיין את דינמיקת preconcentration של הפלטפורמה החדשה על ידי ההשוואה לאלו של המכשיר הקונבנציונלי. פרופילי ריכוז יון איכותיים ותגובות בזמן הנוכחי בהצלחה ללכוד את הדינמיקה השונה בין ICP הממוזגת ואת ICP העצמאי. בניגוד לזו המקובלת שיכול לתקן את מיקום preconcentration רק ב ~ 5 V, הפלטפורמה החדשה יכולה לייצר תוסף מרוכז-יעד במיקום מסוים בטווחים הרחבים של תנאי הפעלה: מתח (0.5-100 V), כוח יוני (1-100 מ"מ), ו- pH (3.7-10.3).

Introduction

יון קיטוב ריכוז (ICP) מתייחס תופעה המתרחשת במהלך עשרת יוני דלדול יונים על קרום permselective, ותוצאה היא ירידה פוטנציאלית נוספת עם מילויים לריכוז יוני 1, 2. מפל ריכוזים זה הוא ליניארי, והוא הופך להיות תלול יותר כמו מתח גבוה מוחל (משטר ohmic) עד לריכוז יוני על הממברנה שואף לאפס (משטר להגביל). בתנאי דיפוזיה מוגבלת זו, שיפוע (ושטף יון המקביל) כבר ידוע להיות מוגדל / רווי 1. מעבר הבנה מקובלת זה, כאשר המתח (או נוכחי) הוא גדל עוד יותר, זרם overlimiting הוא ציין, עם אזורי דלדול שטוחים והדרגות ריכוז חדות מאוד בגבול האזור 1, 3. האזור השטוח יש ריכוז יון נמוך מאוד, אבל הולכת שטח, אלקטרו-osmoti זרימת ג (EOF), ו / או חוסר יציבות האוסמוטי-אלקטרו לקדם שטף יוני להשרות 3 overlimiting הנוכחי, 4, 5. מעניין לציין, כי אזור דלדול השטוח משמש כמחסום אלקטרוסטטי, אשר מסנן 6, 7, 8, 9 ו / או preconcentrates מטרות 10, 11. מאז יש כמות מספקת של יונים להקרין את האשמות השטח של חלקיקים טעונים (עבור electroneutrality סיפוק), החלקיקים לא יכולים לעבור דרך אזור דלדול זה ולכן בשורה ליד גבולה. אפקט ICP הקוי זוהי תופעה גנרית בסוגים שונים של ממברנות 10, 11, 12, 13,> 14 ו גיאומטריות 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; זו הסיבה מדוע חוקרים הצליחו לפתח סוגים שונים של סינון 6, 7, 8, 9 ו preconcentration 10, 11 מכשירים באמצעות קווי ICP.

גם עם גמישות וחוסנם גבוהים כאלה, זה עדיין אתגר מעשי להבהיר את תנאי הפעלה עבור מכשירי ICP הקויים. המשטר קוי של ICP במהירות מסיר קטיונים דרך קרום קטיוני, הגורמת עקירה של אניונים נע לכיוון האנודה. כמכך, אזור הדלדול השטוח מתפשט במהירות, אשר מזכירה התפשטות הלם 22. מאני et al. קרא לזה דינמי deionization (או דלדול) לזעזע 23. כדי preconcentrate מטרות בעמדת חישה מיועדת, למנוע את ההתפשטות של אזור דלדול יון יש צורך, למשל, על ידי החלת EOF או זרימת לחץ מונע נגד הרחבת אזור 24. Zangle et al. 22 הבהיר קריטריוני התפשטות ICP במודל חד ממדי, וזה מאוד תלוי ניידות electrophoretic 17, כוח יוני 18, pH 25, וכן הלאה. זה מצביע על כך תנאי הפעלה תקינים ישתנו בהתאם לתנאי המדגם.

כאן, אנו מציגים תכנון מפורט ופרוטוקולים ניסיוניים עבור פלטפורמת ICP רומן preconcentrates מטרות בתוך spatiotempדרך הפה מוגדר עמדה 26. הרחבת אזור דלדול היון חסומה על ידי אזור עשרת יון, עוזבת תקע preconcentration נייח לעבר עמדה שהוקצתה, ללא תלות בזמן ההפעלה, מתח מיושם, כוח יוני, ו- pH. פרוטוקול וידאו מפורט זה נועד להראות את השיטה הפשוטה לשלב ממברנות קטיוני לתוך מכשירי microfluidic וכדי להדגים את ביצועי preconcentration של פלטפורמת ICP החדשה בהשוואה לזו המקובלת.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

ייצור 1. של חילוף קטיונים ממברנה משולב שבב microfluidic

  1. הכנת אדוני סיליקון
    1. עיצוב שני סוגים של אדוני סיליקון: אחד עבור דפוסי שרף קטיוני והשני לבניית microchannel עם polydimethylsiloxane (PDMS).
      הערה: גיאומטרית הפרט שתפורט בשלבי 1.3.1 ו 1.4.1.
    2. לפברק מאסטרי סיליקון באמצעות אחת photolithography הקונבנציונלית או יון תגובתי עמוק תחריט 27.
    3. Silanize המאסטרים סיליקון micropatterned עם trichlorosilane (~ 30 μL) בצנצנת ואקום למשך 30 דקות.
      זהירות: trichlorosilane הוא נוזל pyrophoric כי הוא דליק ויש לו רעילות חריפה (שאיפה, בליעה דרך הפה).
  2. הכנת תבניות PDMS
    1. מערבבים בסיס אלסטומר סיליקון עם סוכן ריפוי בכל 10: יחס 1 ומניחים את הכוס עם PDMS דפוקה זה(30-40 מ"ל עבור שכפול microstructures על פרוסות סיליקון 4-סיליקון) בצנצנת ואקום במשך 30 דקות כדי להסיר בועות.
      הערה: בסיס סיליקון מכיל oligomers siloxane סיום עם קבוצות ויניל זרז פלטינה מבוססת. סוכן הריפוי מכיל crosslinking oligomers שיש שלושה קשרי סיליקון-הידריד 28.
    2. יוצקים את PDMS דפוקה על אדונים סיליקון, להסיר את הבועות באמצעות מפוח, ולרפא את PDMS על 80 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות בתנור הסעה.
    3. לנתק את PDMS נרפא מן המאסטרים סיליקון כמו שצריך לעצב את PDMS עם סכין (צורות בריבוע, כפי שמוצג-ב איור 2 א, ד).
  3. דפוסי הקרומים קטיוני
    1. חותך חצי עובש PDMS בניצב לשני microchannels המקביל מחוררים בקצות ערוצי PDMS עם ביופסית 2.0 מ"מ.
      הערה: עובש PDMS עבור patterning הממברנה קטיון סלקטיבית יש שתי בנותallel microchannels (רוחב: 100 מיקרומטר; גובה: 50 מיקרומטר; המרחק interchannel: 100 מיקרומטר; איור 1 א). הצורה המקורית של העובש שניתן לדמיין ידי שיקוף העובש הפרוס לאורך קו החיתוך. microchannels בצורת L המומלצים על חבטות שני החורים ללא חפיפה.
    2. נקה שקופית זכוכית עובש PDMS עם קלטת מפוח ולשים את התבנית על גבי שקופיות הזכוכית כדי ליצור קובץ מצורף הפיך ביניהם.
    3. על פי טכניקת דפוסי microflow 29, שחרור ~ 10 μL של שרף קטיוני בסוף הפתוח של הערוץ היה פרוס בשלב 1.3.1 (איור 1b). מניח את ראש המזרק על חורי האגרוף ולמשוך את הבוכנה (חיצים שחורים באיור 1b); לחץ שלילי עדין ימשוך שרף קטיוני, ואת השרף ימלא את שני ערוצים.
      הערה: מומלץ כי גובה של microchannel בשיעור העולה על 1581; מ ', בגלל הצמיגות הגבוהה של השרף דורשת בלחץ גבוה כדי למלא את הערוצים. מצד השני, עדיף כי הגובה אינו עולה על 100 מיקרומטר, כי הממברנה סלקטיבית היון בדוגמת תהפוך עבה יותר 1 מיקרומטר; כזה קרום עבה עשוי ליצור פער בין הממברנה ואת PDMS ערוץ 13.
    4. לנתק את תבנית PDMS בלי לגעת השרף בדוגמת במקום להחליק זכוכית על הדוד ב 95 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות להתאדות ממס השרף.
      הערה: עובי הקרום בדוגמת הוא בדרך כלל פחות מ <1 מיקרומטר. העובש הוא מנותק בעדינות על ידי להתלות את התבנית לצד הפתוח (הקו המקווקו חץ באיור 1b). עדיף לנתק את התבנית פחות מ 1 דקות לאחר מילוי השרף. אם העובש מנותק כמה דקות מאוחר יותר, ממברנות עבות יכולות להיות מושגות, אבל הם יצטרכו צורה קעורה בשל השפעת הנימים.
    5. קלף את המיותרתחלק הממברנה בדוגמת עם סכין גילוח, מה שהופך שני דפוסי קו פרודים (איור 1 ג ').
      הערה: חומר קטיוני משמש כאן יש perfluorinated קבוצות, כלומר התבנית לא מלוכד בחריפות את הכוס. לכן, השיטה blading פשוט יכול להסיר את החלק מיותר בקלות של הממברנה.
  4. אינטגרציה של microchannel ואת המצע בדוגמת-קרום
    1. פאנץ שני חורים בקצות microchannels ועוד שני חורים שבהם דפוסי קרום ימוקם לאחר מליטה את ערוץ PDMS למצע בדוגמת קרום מפוברק בשלב 1.3.
      הערה: microchannel PDMS יש ערוץ אחד (רוחב: 50-100 מיקרומטר; גובה: 10 מיקרומטר), אך הוא קשור הקצים (1D האיור) הערוץ השכן.
    2. איגרות החוב microchannel PDMS למצע בדוגמת קרום מיד לאחר הטיפול פלזמה חמצן במשך 40 שניות ב -100 W ו- 50 mTorr.
      הערה: מניח את הקרום בדוגמת בניצב על באמצע microchannel.

2. ICP Preconcentration

  1. הכנה הניסוי
    1. הכינו פתרונות הבדיקה השונות, כולל 1-100 KCl מ"מ, 1 מ"מ NaCl (pH ~ 7), תערובת של 1 מ"מ NaCl ו -0.2 מ"מ HCl (pH ~ 3.7), תערובת של 1 מ"מ NaCl ו -0.2 מ"מ NaOH (pH ~ 10.3), ואת פוספט שנאגר מלוחים 1x.
    2. הוספת צבע פלואורסצנטי טעון שלילי (~ 1.55 מיקרומטר) כדי פתרונות הבדיקה.
      הערה: הריכוז של הצבע הוסיף צריכה להיות נמוכה בהרבה מזה של יוני מלח (<10 מיקרומטר) כך הצבעים הטעונים לא לתרום 30 זרם חשמלי, 31.
    3. טען את הפתרון המדגם במאגר אחד של הערוץ להפעיל לחץ שלילי למאגר האחר כדי למלא את הערוץ עם הפתרון. חיבור שני המאגרים hydrodynamically ידי releasing טיפה גדול כדי לחסל את הפרש לחצים לאורך ערוץ (איור 2 א).
    4. מלאו את שני מאגרי מים, אשר מחוברים דפוסי קטיוני, עם תמיסות בופר (1 M KCl או 1 M NaCl) באמצעות מזרק או pipet כדי לפצות על ההשפעה ICP במאגרים.
    5. מניח את החוטים על מאגרי המים, על פני שני הקרומים בדוגמת (האנודה על המאגר ואת קתודת השמאל מימין), ולחבר אותם עם יחידת מדידת מקור (איור 2 א).
  2. ויזואליזציה של התופעה ICP ו ICP preconcentration
    1. טען את מכשיר ICP על מיקרוסקופ epifluorescence הפוך. החלת מתח (0.5100 V) ולמדוד את התגובה הנוכחית עם יחידת מדידת מקור.
    2. צלמו תמונות ניאון עם המצלמה במכשיר תשלום מצמידים ולנתח את עוצמת פלורסנט באמצעות תוכנת הדמיה 32.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

שלבי ייצור סכמטי של preconcentrator microfluidic משולב-קרום מוצגים באיור 1. תיאור מפורט של הייצור ניתן בפרוטוקול. העיצובים ותמונות התקן של preconcentrator מוגדר spatiotemporally 26 הם בניגוד לאלה של קונבנציונאלי preconcentrator 11 (איור 2). תופ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

תארנו פרוטוקול הייצור ואת הביצועים של preconcentrator המוגדר spatiotemporally במגוון של המתח המיושם (0.5-100 V), כוח יוני (1-100 מ"מ), ו- pH (3.7-10.3), השגתי 10,000 פי preconcentration של צבעים וחלבון בתוך 10 דקות. כמו כמו התקני ICP קודמים, לתפקוד preconcentration הופך להיות טוב יותר במתח גבוה יותר ובמחיר הכח יוני נמ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Sylgard 184 Silicone Elastomer kitDow Corning
TrichlorosilaneSigma Aldrich175552Highly toxic
Nafion perfluorinated resin, 20 wt%Sigma Aldrich527122
Sodium chlorideSigma Aldrich71394
Potassium chlorideSigma Aldrich60121
Alexa Fluor 488 carboxylic acid, succinimidyl esterInvitrogenA20000
Isothiocyanate-conjugated albuminSigma AldrichA9771
Phosphate buffer saline, 1xWengeneLB004-02
Tween 20Sigma AldrichP1379
Epifluorescence microscopeOlympusIX-71
Charged-coupled device cameraHamamtsu Co.ImageEM X2
Source measurement unitKeithley Instruments2635A
Covance-MPFemto Science

References

  1. Probstein, R. F. Physicochemical Hydrodynamics: An Introduction. , Wiley-Interscience. New York. (2003).
  2. Strathmann, H. Ion-Exchange Membrane Separation Processes. , Elsevier. Amsterdam. (2004).
  3. Dydek, E. V., et al. Overlimiting Current in a Microchannel. Phys. Rev. Lett. 107 (11), 118301(2011).
  4. 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).
  5. Rubinstein, I., Zaltzman, B. Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane. Phys. Rev. E. 62 (2), 2238-2251 (2000).
  6. Kwak, R., Kim, S., Han, J. Continuous-flow biomolecule and cell concentrator by ion concentration polarization. Anal. Chem. 83 (19), 7348-7355 (2011).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Schoch, R. B., Han, J. Y., Renaud, P. Transport phenomena in nanofluidics. Rev.Mod. Phys. 80 (3), 839-883 (2008).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Kim, B., et al. Tunable ionic transport for a triangular nanochannel in a polymeric nanofludic system. ACS Nano. 7 (1), 740-747 (2013).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Ko, S. H., et al. Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization. Lab Chip. 12 (21), 4472-4482 (2012).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Mani, A., Bazant, M. Z. Deionization shocks in microstructures. Phys. Rev. E. 84, 061504(2011).
  24. Slouka, Z., Senapati, S., Chang, H. C. Microfluidic systems with ion-selective membranes. Annu. Rev.Anal. Chem. 7, 317-335 (2014).
  25. 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).
  26. Kwak, R., Kang, J. Y., Kim, T. S. Spatiotemporally defining biomolecule preconcentration by merging ion concentration polarization. Anal. Chem. 88 (1), 988-996 (2016).
  27. 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).
  28. Campbell, D. J., et al. Replication and compression of surface structures with polydimethylsiloxane elastomer. J. Chem. Educ. 76 (4), 537-541 (1999).
  29. 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).
  30. Kwak, R., Guan, G., Peng, W. K., Han, J. Microscale electrodialysis: concentration profiling and vortex visualization. Desalination. 308, 138-146 (2013).
  31. Chambers, R. D., Santiago, J. G. Imaging and quantification of isotachophoresis zones using nonfocusing fluorescent tracers. Anal. Chem. 81, 3022-3028 (2009).
  32. Rasband, W. S. ImageJ. U.S. National Institutes of Health. , Bethesda, Maryland, USA. Available from: http://imagej.nih.gov/ij (2016).
  33. Minerick, A. R., Ostafin, A. E., Chang, H. C. Electrokinetic transport of red blood cells in microcapillaries. Electrophoresis. 23 (14), 2165-2173 (2002).
  34. 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).
  35. Rubinstein, S. M. Direct observation of a nonequilibrium electro-osmotic instability. Phys. Rev. Lett. 101, 236101(2008).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

Bioengineering120preconcentrationoverlimiting

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved