Fizyolojik Araştırma All-katı hal İyon seçici elektrotlar (Assise) dayanarak Çok analit Biochip (MAB)

Özet

Bir iletken polimer (CP) dönüştürücü inşa All-katı hal iyon seçici elektrotlar (ASSISEs) sıvı ortamda fonksiyonel ömür boyu birkaç ay sağlar. Burada, bir laboratuar-on-a-chip biçimde ASSISEs ve imalat ve kalibrasyon süreci tanımlamak. Assise karmaşık biyolojik medyada uzun süre saklandıktan sonra yakın bir Nernst eğimi profil korumuştur için gösterilmiştir.

Özet

Çevre, biyomedikal, tarım, biyolojik ve uzay araştırma Lab-on-a-chip (LOC) uygulamaları karmaşık biyolojik medya ^1-4 uzun süreli depolama dayanabilir bir iyon-seçici elektrot (İMKB) gerektirir. Bir all-katı hal iyon seçici elektrot (Assise) söz konusu uygulamalar için özellikle çekici. Toplu işlem için izin, kolay inşaat, düşük bakım ve (potansiyel) minyatür: elektrot aşağıdaki uygun özelliklere sahip olmalıdır. Bir microfabricated Assise H ^+, Ca ^{2 +} ve CO ₃ ² ölçülmesi için tasarlanmıştır ^- iyonları inşa edilmiştir. Bu soy-metal elektrot katmanı (örneğin Pt), bir iletim katmanı ve bir iyon seçici membran (ISM) tabakadan oluşur. Transdüksiyon katman işlevlerine ölçülebilir bir elektrik sinyaline dönüştürür, iyon seçici membran konsantrasyona bağımlı bir kimyasal potansiyel transdüksiyonu için.

To bir Assise ömrünü kat / membran arayüzü ^5-7 iletken de potansiyel korumak bağlı bulunmuştur. Assise çalışma ömrünü uzatmak ve böylece ara yüzey katmanlarında stabil potansiyelleri korumak için, (Ag / AgCl) gümüş / gümüş klorür yerine iletken polimer (CP), poli (3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT) ^7-9 kullanılmaktadır Transdüser katmanı olarak anlaşılacaktır. Biz çoklu analit Biochip (MAB) (Şekil 1) adı verilen bir Lab-on-a-çip biçiminde Assise inşa edilmiştir.

(Ölçülen aralığı 0.01 mM - ^- 1 mM) ve Ca ^{2 +} (1 mM log-lineer aralığı 0.01 mM) testi çözümleri kalibrasyon MAB pH (çalışma aralığı pH 4-9), CO ₃ ² izleyebilirsiniz göstermiştir. PH MAB alg ortamda yaklaşık bir ay depolama sonra yakın bir Nernst eğimi tepki verir. Karbonat bioçipler geleneksel bir iyon seçici elektrot edilene benzer bir potansiyometrik bir profil göstermektedir. Physiological ölçümler modeli sisteminin biyolojik aktivite, mikroalg Chlorella vulgaris izlemek için kullanılmıştır.

MAB boyutu, çok yönlülük bir avantaj taşır, ve analit algılama yeteneği çoğaltılmış, yeryüzünde ya da uzayda, birçok sınırlı izleme durumlara uygulanabilir hale.

Biochip Tasarım ve Deneysel Yöntemler

Biochip boyutta 10 x 11 mm ve çalışma elektrotlar (Wes) ve 5 Ag / AgCl referans elektrot (RES) olarak belirlenen 9 ASSISEs vardır. Her çalışma elektrot (WE) çapı 240 mikron ve eşit çapı 480 mikron olan RES, 1.4 mm aralıklı. Bu elektrotlar, 0,5 mm x 0,5 mm arasında bir boyut ile elektriksel temas pedleri bağlanır. Şekil 2'de şematik olarak gösterilmiştir.

Döngüsel voltametri (CV) ve galvanostatik birikimi yöntemleri Bioanalytic kullanarak PEDOT filmler electropolymerize için kullanılıral Sistemleri A.Ş. (BASI) C3 hücre standı (Şekil 3). PEDOT film için karşı-iyon ilgi analit iyon göre hazırlanmıştır. Poli (styrenesulfonate) bir karşı iyon (PEDOT / PSS) bir PEDOT H ⁺ ve CO ₃ ² için kullanılmaktadır ^-, sülfat (CaSO _4, çözeltiye ilave edildi) ile bir ^{Ca2 +} için kullanılır ise. PEDOT kaplı elektrokimyasal özellikleri WE redoks-aktif çözeltisi (potasyum ferrisiyanür örneğin, 2 mm (K ₃ Fe (CN) ₆₎₎ CVS kullanılarak analiz edilir. CV profiline göre, Randles-Sevcik analizi etkili yüzey alanı ¹⁰ belirlemek için kullanılmıştır. 1.500 rpm Spin-kaplama MAB çalışma elektrotlar (Wes) üzerinde ~ 2 mikron kalınlığında iyon seçici membranlar (BGYS) döküm için kullanılır.

MAB alg orta 150 ul hacmi ile dolu bir mikroakışkan akış hücre odası bulunan, temas pedleri elektriksel (Şekil BASI sistemine bağlıure 4). Chlorella vulgaris fotosentetik aktivite ortam ışığı ve karanlık ortamlarda izlenir.

Protokol

1. Poli (sodyum 4-styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) ^- İyonlar H ⁺ ve CO için Elektropolimerizasyon Çözüm ₃ ² Poli (3,4-etilendioksitiyofen) hazırlanması

1. Tamamen (yaklaşık 10 saniye) dağınık kadar 10 ml deiyonize (DI) su ve vorteks ^- 70 mg poli (sodyum 4-styrenesulfonate) (Na ⁺ PSS) ekleyin.
2. Çözüm tamamen karıştırılır kadar 1.1 çözüm ve vorteks 10.7 ul 3,4-ethlyenedioxythiophene (EDOT) ekleyin.

2. Kalsiyum sülfat (PEDOT: CaSO ₄₎ Ca ² Elektropolimerizasyon Çözüm ⁺ iyonları Poli (3,4-etilendioksitiyofen) hazırlanması

1. 10 ml DI su ve vorteks için 136 mg kalsiyum sülfat (CaSO _4), çözüm tamamen dağıtmak ve sütlü görünür olmayacaktır.
2. Tamamen karışık kadar 2.1 ve girdap içinde çözüme 10.7 ul EDOT ekleyin.

3. PEDOT tabanlı elektrokimyasalİletken Polimer

1. Bir Biyoanalitik Sistemleri A.Ş. (BASI) C3 hücre standı (Şekil 3) ve EC epsilon potansiyostat / galvanostat elektropolimerizasyonla için elektrokimyasal hücre oluşturmak için kullanılır. Çözünmüş oksijen çıkarmak için 20 dakika boyunca, elektrokimyasal hücre ve azot kabarcık PSS elektrokimyasal çözeltisi: EDOT yerleştirin.
2. Şimdi, elektrokimyasal hücrenin karşıt elektrot pozisyonunda bir platin gazlı bez klibi. Daha sonra, platin-gazlı bakan çalışan elektrot ile, elektrokimyasal hücrenin çalışan elektrot pozisyonunda MAB klibi. PSS elektropolimerizasyonla çözüm: Sadece yuvarlak elektrotlar PEDOT batmış, böylece MAB derinliğini ayarlayın. Kare elektrik temas yastıkları ile çözüm temastan kaçının.
3. Bir BASI doymuş gümüş / gümüş klorür (Ag / AgCl '), elektrokimyasal hücrenin referans elektrot konumda elektrot yerleştirin. Referans elektrot çalışma ve counte arasında olduğundan emin olunr elektrotlar.
4. PEDOT için: PSS birikimi: Kabarcık elektrokimyasal 20 dakika için hücre ve 0V tek döngülü voltamogram çalıştırmak için EC epsilon potansiyostat / galvanostat kullanımı - 20 bir tarama hızı ile 1.1V bir ± 100 uA ölçekte mV / sn.
5. Için PEDOT: CaSO ₄ biriktirme: Kabarcık 20 dakika için elektrokimyasal hücre, ve 30 dakika nA 814 de kronopotansiyometri çalıştırmak için EC epsilon potansiyostat / galvanostat kullanın.

4. K ₃ Fe PEDOT tabanlı Polimer Konjugatlarının Voltametri (CN) ₆

1. 3,1-3,3 yukarıdaki adımları gerçekleştirin.
2. Bir ± 10 uA ölçekte mV / sn (25, 50, 75, 100, l25, 150, 175, 200) bir tarama oranları değişen -653 mV 853 mV tek döngüsel voltamogramları çalıştırmak için EC epsilon potansiyostat / galvanostat kullanın .

5. Yüzey fonksiyonlandırmalar Protokolü

1. Aşama 3'de olduğu gibi ilgi iyonları için özel Deposit iletken polimer eşleniği.
2. Adım 6'da gösterildiği gibi, iyon seçici membran uygulanır.

6. İyon seçici Membran uygulaması

1. Vakum spinner ayna ortalamak MAB.
2. MAB ve çalışma ortasındaki üzerine Mevduat 100 ul membran.
3. 5 saniye rampa yukarı ve aşağı ile 30 saniye boyunca 1500 rpm'de spin lak ile Spin-kat iyon seçici membran.
4. 30 dakika için spin kaplı MAB vakum ve 20 dakika boyunca 70 ° C sıcaklıkta bir fırın içinde çip fırında.

7. İyon seçici Membran ^- pH ve karbonat ile PEDOT-PSS İletken Polimer Konjuge (CO ₃ ²⁾ kalibrasyonu

1. Durum 10 uM sodyum bikarbonat _(NaHCO3) ve alg ortam içerisinde 5 mM potasyum klorid (KCl) gece boyunca MAB.
2. Mikroakışkan akış hücreli yonga yuvasına MAB yerleştirin.
3. Başlangıç ​​pH değeri veya konsantrasyon (CO ₃ ² örneğin pH 4 veya 10 mcM ^-) ile 5 ml test çözümü enjekte edilir. Bub çıkarınakış hücre çip sahibinin Gide.
4. Akış-hücresi elektrik fikstür üzerine akış hücreli çip tutucu yerleştirin.
5. AK epsilon yazılımı açın ve açık devre potansiyeli (OP) moduna girmek. 300 dakika, ± 1V için gerilim ölçeği ve 10 kHz için kesim frekansı için zaman ayarlayın ve değer her 2 sn kaydedin.
6. MAB Kalibrasyon işlemi ile devam etmeden önce (düz çizgi arayın) stabilize olsun.
7. MAB stabilize sonra, test çözümü ile akış hücresi yıkayın ve kalibre bir sonraki konsantrasyon enjekte (pH 5 veya ₃ ² CO 25 mcM ^-). Hava kabarcığı akış hücresi girmesine izin emin olun. PH 6, 7, 8 ve 9 ya da CO ₃ ² adım için 7.5 ve 7.6 tekrar ^- 50 konsantrasyonları, 75, 100, 250, 500, 750 ve 1000 uM.
8. Son konsantrasyon çalıştırıldıktan sonra, nitrojen hava ile MAB ve kuru çıkarın.
9. MAB geri sonraki kullanıma kadar taze klima çözüm içine yerleştirin.

8. PEDOT kalibrasyonu: CaCl ₂ CaSO ₄ İletken Polimer Konjuge

1. Durum 0.1 M _CaCI2 ve 10 uM NaNO ₃ 7 ml de gece boyunca MAB.
2. 7,10-7,2 benzer adımları izleyin. Adım 8.3, 0.01 mM _CaCl2 bir ilk konsantrasyon ile karbonat test çözümü değiştirin. Test çözelti 0.05 konsantrasyonları, 0.1, 0.5, 1 ve 10 mM için tekrarlayın.

Sonuçlar

PEDOT bir siklik voltamogram (CV) sonuç bir örnek: PSS ve onun karşılık gelen katodik akım tepe noktası (ı _p) genel tarama hızı (v _1/2), sırasıyla Şekiller 5a ve 5b'de gösterilmektedir. PEDOT: Çeşitli tarama hızları ve katodik pik akımda CaSO ₄ gösterilmez. PSS ve PEDOT: Randles-Sevcik analizi ^10, katı temas PEDOT etkin yüzey alanları kullanılarak iyon-seçici membran olmayan CaSO _4,

Tartışmalar

MAB biochip bir Pt elektrot, ölçülebilir bir elektrik sinyaline ilgi iyonik konsantrasyonu transduces hangi kombinasyonu bir PEDOT tabanlı CP konjuge iletimi katmanı tepesine bir ISM inşa edilir ASSISEs oluşur. Durağan bir elektrot potansiyeli CP katmanı ve ISM tabakasının her ikisi de tanımlandığı gibidir. Her iki tabaka da MAB ve ölçülen elektrik sinyali kalitesi (gürültü, kayması) çalışma süresi belirler.

PEDOT hem de iyonik ve elektronik özellikleri (kendi oksi...

Malzemeler

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.