生理学的研究のための全固体型イオン選択性電極（ASSISE）に基づき、多検体バイオチップ（MAB）

要約

導電性高分子（CP）トランスデューサから構築全固体型イオン選択電極（ASSISEs）液体培地における機能生涯の数ヶ月を提供します。ここでは、ラボオンチップ形式でASSISEsの製作と校正プロセスについて説明します。 ASSISEは、複雑な生物学的培地で長期保管した後、近ネルンスト傾斜プロファイルを維持していることが実証されています。

要約

環境、医学、農業、生物学、そして宇宙飛行研究のラボオンチップ（LOC）のアプリケーションは、複雑な生物学的メディア^1-4に長期保管に耐えることができ、イオン選択性電極（ISE）が必要です。全固体型イオン選択性電極（ASSISE）は、前述の用途に特に魅力的である。バッチ処理を可能にし、容易に構築、低メンテナンス、および（の可能性）小型化：電極は、以下の有利な特性を持つ必要があります。微細加工ASSISE H ^{+、Ca 2 +}の^を定量化するためのもの、と₃ CO ^2を-イオンが建設された。これは、貴金属電極層（ すなわち Pt）から、伝達層と、イオン選択性膜（ISM）層からなる。伝達層の機能は、測定可能な電気信号にイオン選択性膜の濃度依存性の化学ポテンシャルを伝達する。

T彼ASSISEの寿命は^5-7導電層/膜界面の電位を維持することに依存することがわかった。 ASSISEワーキング寿命を延長することにより、界面層に安定した電位を維持するために、我々は（PEDOT）銀/塩化銀の代わりに^7-9（銀/塩化銀）の導電性高分子（CP）、ポリ（3,4 -エチレンジオキシチオフェン）を利用変換器層として。我々は、多検体バイオチップ（MAB）（ 図1）と呼ばれるラボオンチップ形式でASSISEを構築した。

（測定範囲0.01ミリメートル- ^- 1 mM）を、およびCa ^{2 +（1} mMのに対数線形範囲0.01 mM）をテスト·ソリューションの校正は、MABはpH値（動作範囲のpHは4-9）、CO ₃ ^2を監視することができることを実証した。 pHのためのMABは藻類培地のほぼ1ヶ月保存した後に近いネルンストスロープ応答を提供します。炭酸塩バイオチップは、従来のイオン選択性電極と同様の電位差プロファイルを示す。生理学ogical測定は、微細藻類クロレラ尋常性モデル系の生物学的活性を監視するために用いられた。

MABは、サイズ、汎用性に利点を伝え、そして検体センシング機能を多重化、地球上または空間内で、多くの閉じ込められた監視状況にそれが適用されること。

バイオチップの設計と実験方法

バイオチップは、ディメンションで10×11ミリメートルで、作用電極（WES）と5のAg / AgCl参照電極（RES）として指定された9 ASSISEsを持っています。各ワーキング電極（WE）、直径240μmでかつ平等に、直径480ミクロンであるREを、から1.4ミリメートルに離間している。これらの電極は、0.5ミリメートル×0.5mmの寸法を有する電気接触パッドに接続されている。概略を図2に示されている。

サイクリックボルタンメトリー（CV）と定電流堆積方法はBioanalytic PEDOTを使用してフィルムをelectropolymerizeするために使用されるアル·システムズ（BASI）C3セルスタンド（ 図3）。 PEDOTフィルムの対イオンは、目的の分析物イオンに合わせて調整される。ポリ（スチレンスルホン酸）対イオン（PEDOT / PSS）とPEDOTは、H ⁺及びCO ₃ ²のために利用される^{- 、}硫酸（のCaSO ₄として溶液に添加）と、ワンは、Ca ^{2 +}のために利用されている。 PEDOT-コーティングの電気化学的特性は、WEは、レドックス活性溶液（フェリシアン化カリウムすなわち 2mMの（K ₃の_{Fe（CN）6））}でCVを用いて分析されている。 CVプロファイルに基づいて、ランドレス·シェフチク分析は、有効表面積^10を決定した。 1,500 rpmでスピンコーティングはMABワーキング電極（WES）で〜2μmの厚さのイオン選択膜（ISMS）をキャストするために使用されます。

MABは、藻類媒体150μlの体積を充填したマイクロ流体フローセルチャンバー中に含まれ、コンタクトパッドを電気的に（ 図 BASIシステムに接続されているURE 4）。 クロレラブルガリスの光合成活性は、周囲の明暗条件で監視されています。

プロトコル

1。ポリの調製（3,4 -エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（ナトリウム4 -スチレン）（PEDOT：PSS）H ⁺とCO ₃ ²用電解ソリューション^-イオン

1. 完全に分散するまで（約10秒）10ミリリットル脱イオン（DI）水と渦に^- 70mgのポリ（ナトリウム4 -スチレン）（のNa ⁺ PSS）を追加します。
2. 溶液が完全に混合されるまで、1.1のソリューション、ボルテックスに10.7μlの3,4 - ethlyenedioxythiophene（EDOT）を追加します。

2。硫酸カルシウム（PEDOT：のCaSO _4）のCa ²用電解液⁺イオンポリ（3,4 -エチレンジオキシチオフェン）の調製

1. 10ミリリットルのDI水と渦に136 mgのカルシウム硫酸（のCaSO _4）を追加し、ソリューションは、完全に分散させると乳白色表示されません。
2. 完全に混合されるまで、2.1、ボルテックスで液に10.7μlのEDOTを追加します。

3。 PEDOTベースの電解導電性ポリマー

1. バイオ分析システムズ（BASI）C3セルスタンド（ 図3）およびECイプシロンポテンショスタット/ガルバノスタット電解ための電気化学セルを形成するために使用される。溶存酸素を除去するために20分間電気化学セル及び窒素バブルでPSS電解液：EDOTを置きます。
2. 現在電気化学セルの対向電極の位置に白金ガーゼをクリップ。次いで、白金ガーゼに対向する作用電極との電気化学セルの作用電極の位置にMABをクリップ。 PSS電解液：のみ円形の電極をPEDOTに沈めれるようにMABの深さを調整します。平方電気接触パッドを使用してソリューションの接触を避ける。
3. BASI飽和銀/塩化銀（Ag / AgCl電極）電気化学セルの参照電極位置に電極を配置します。参照電極は、作業とcounteの間に含まれていないことを確認してくださいrは電極。
4. PEDOTの場合：PSS堆積：20分間バブル電気化学セルを、と0Vから単一のサイクリックボルタモグラムを実行するためにECイプシロンポテンショスタット/ガルバノスタットを使用 - ±100μAスケールで20 mVの/秒のスキャンレートで1.1V。
5. ためのPEDOT：のCaSO ₄堆積：バブル20分間電気化学セル、および30分間nAの814でクロノを実行するためにECイプシロンポテンショスタット/ガルバノスタットを使用しています。

4。 K ₃サンタフェのPEDOT系ポリマー複合体のサイクリックボルタンメトリー_（CN）6

1. 3.1から3.3まで、上記の手順を実行します。
2. ±10μAスケールでMV /秒（25、50、75、100、L25、150、175、200）のスキャン速度を変えて-653 mVのから853 mVまでシングルサイクリックボルタモグラムを実行するためにECイプシロンポテンショスタット/ガルバノスタットを使用してください。

5。表面機能化プロトコル

1. ステップ3のように、興味のあるイオンの特定預金導電性ポリマー共役。
2. ステップ6のように、イオン選択膜を適用します。

6。イオン選択性膜の応用

1. 真空スピナーチャック上センターMAB。
2. MABと実行の中心への預金100μlの膜。
3. 上下に5秒のランプで30秒間1,500 rpmでスピンコーターをスピンコートイオン選択性膜。
4. 30分間スピンコートMABに掃除機をかける、20分間70℃のオーブンでチップを焼く。

7。 pHと炭酸とPEDOT-PSS導電性高分子複合体（CO ₃ ^{2 - ）}のキャリブレーションイオン選択性膜

1. 条件10μMの炭酸水素ナトリウム（NaHCO _3を ）と藻類のメディアで5 mMの塩化カリウム（塩化カリウム）でMAB一晩。
2. マイクロ流体フローセルチップホルダーにMABを挿入します。
3. 初期pH値または濃度（CO ₃ ²用などのpH 4または10μM ^{- ）}で5ミリリットルの試験溶液を注入する。 BUBを削除フローセルチップホルダーからBLES。
4. フローセル電気治具上にフローセルチップホルダーを置きます。
5. ECイプシロンソフトウェアを開き、開回路電位（OP）モードに入ります。 300分、±1Vの電圧スケール、および10 kHzのカットオフ周波数までの時間を設定し、値ごとに2秒を記録します。
6. MABは、キャリブレーション処理を続行する前に、（フラットラインを探してください）​​安定させます。
7. MABが安定したら、試験溶液をフローセルをフラッシュし、校正されるべき次の濃度を注入液（pH5又は₃ CO ^2を 25μM ^{- ）。}全く泡がフローセルに入ることを許可されていないことを確認してください。 pHが6、7、8、9またはCO ₃ ²について、ステップ7.5お ​​よび7.6を繰り返す^- 50の濃度、75、100、250、500、750、および1,000μM。
8. 最後の濃度が実行された後、窒素空気とMABとドライを削除します。
9. 次の使用まで、新鮮な空調ソリューションにMABバックを置きます。

8。 PEDOTの校正： _塩化カルシウムでのCaSO ₄導電性高分子共役

1. 条件0.1 MのCaCl ₂および10μMのNaNO ₃ 7mlの中で一晩MAB。
2. 7.10から7.2に似た手順に従ってください。ステップ8.3で、0.01のCaCl ₂の初期濃度と炭酸テストソリューションを交換してください。 0.05、0.1、0.5、1および10mMの試験溶液濃度について、この手順を繰り返します。

結果

PEDOTのサイクリックボルタモグラム（CV）結果の例：PSSとそれに対応するカソードピーク電流（I _P）対スキャン速度（V _1/2）は、それぞれ図5aおよび5bに示されている。 PEDOT：様々なスキャンレートおよびそのカソードピーク電流でのCaSO _4は表示されません。 PSSとPEDOT：ランドレス-シェフチク分析^10、固体接触PEDOTの実...

ディスカッション

MABバイオチップは、Pt電極、測定可能な電気信号に関心のイオン濃度を伝達したとの組合せにPEDOTベースCP共役伝達層の上にISMから構成さASSISEsで構成されています。安定した電極電位はCP層とISM層の両方によって定義される。両方の層はまた、MABと測定された電気信号の品質（ノイズ、ドリフト）の作業寿命を決定する。

PEDOTは、そのイオンと電子特性（その酸化形態で?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
3,4-Ethylenedioxythiophene	Sigma-Aldrich	483028
Poly(sodium 4-styrenesulfonate)	Sigma-Aldrich	243051
EC epsilon galvanostat/potentiostat	Bioanalytical Systems Inc.	e2P
Saturated Ag/AgCl reference electrode	Bioanalytical Systems Inc.	MF-2052
Pt gauze	Alfa Aesar	10283
Potassium ferricyanide	Sigma-Aldrich	P-8131
Potassium nitrate	J.T. Baker	3190-01
Sodium bicarbonate	Mallinckrodt/ Macron	7412-12
Sodium carbonate	Sigma-Aldrich	S-7127
Calcium chloride	J.T. Baker	1311-01
Potassium chloride	Sigma-Aldrich	P9541
Calcium sulphate	Sigma-Aldrich	237132
C3 cell stand	Bioanalytical Systems Inc.	EF-1085
Flow-cell chip holder			Custom, courtesy of NASA Ames
Flow-cell electrical fixture			Custom, courtesy of NASA Ames
Table 2. Specific reagents and equipment.