Name: merging ion concentration polarization between juxtaposed ion exchange membranes to block the propagation of the polarization zone
Uploaded: 2017-02-23T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 6 s
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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).

양이온 교환 1. 제작 미세 유체 칩을 멤브레인 통합 <ol><li> 실리콘 마스터의 준비 <ol><li> 디자인 실리콘 마스터 두 종류 : 양이온 교환 수지와 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)와 마이크로 채널을 구축하기위한 다른 하나의 패턴. 주 : 세부 형상은 단계 1.3.1 및 1.4.1에 대해 설명한다. </li><li> 종래의 포토 리소그래피 (27)을 에칭 깊은 반응성 이온을 사용하여 실리콘 마스터를 제작. </li><li> 30 분 동안 진공 항아리에 트리클로로 실란 (~ 30 μL)와 미세 패턴 실리콘 주인을 silanization합니다. 주의 : 트리클로로 실란은 가연성이며 급성 독성 (흡입, 경구 섭취)을 가진 자연 발화성 액체이다. </li></ol></li><li> PDMS 금형의 제조 <ol><li> 10에서 경화제와 실리콘 엘라스토머 기재 믹스 : 1의 비율이 미 경화 PDMS로 컵을 배치(30 ~ 40 mL의 실리콘 4의 웨이퍼에 미세 복제에 대한) 30 분 동안 진공 항아리에 거품을 제거합니다. 주 : 실리콘베이스는 비닐 그룹과 백금 계 촉매로 종료 실록산 올리고머가 포함되어 있습니다. 경화제는 세 가지 실리콘 - 수소 결합 (28)이 올리고머 가교가 포함되어 있습니다. </li><li> 실리콘 마스터의 비경 PDMS를 부어 송풍기 거품을 제거하고, 대류 오븐에서 2 시간 동안 80 ° C에서 PDMS 치료. </li><li> 칼과 PDMS 모양을 제대로 실리콘 마스터에서 경화 된 PDMS를 분리하고 (그림 2a와 b에 나타낸 바와 같이, 제곱 모양을 ⅳ). </li></ol></li><li> 양이온 교환 막을 패터닝 <ol><li> 상기 두 개의 병렬 미세 채널에 수직 PDMS 몰드의 절반을 절단하여 2.0 mm 생검 펀치로 PDMS 채널의 단부에 구멍을 펀치. 참고 : 양이온 선택적 막을 패터닝을위한 PDMS 금형은 두 파가하기 병렬 마이크로 채널 (폭 : 100 μm의; 높이 : 50 μm의, 채널 간 거리 : 100 μm의, 그림 1a). 금형의 원래 형상은 절단 선을 따라 주형 분리 미러링 상상 될 수있다. L 모양의 마이크로 채널은 중복없이 두 개의 구멍을 펀칭 권장합니다. </li><li> 유리 슬라이드와 테이프로 PDMS 금형 및 송풍기를 청소하고 그들 사이의 가역적 인 첨부 파일을 생성하기 위해 유리 슬라이드에 금형을 넣어. </li><li> 마이크로 플로우 패터닝 기술 (29)에 따르면, 단계 분리 된 채널의 개방 단부에서의 양이온 교환 수지 1.3.1 릴리스 ~ 10 μL (도 1B). 펀치 구멍에 주사기 머리를 놓고 플런저 (그림 1b에서 검은 색 화살표)를 당겨; 부드러운 부압 양이온 교환 수지를 끌어, 수지는 두 채널을 채울 것이다. 주 : 마이크로 채널의 높이보다 큰 15 것을 권장합니다81; m, 수지의 점도가 채널을 채우기 위해 고압을 필요로하기 때문이다. 한편, 패터닝 된 이온 선택성 막보다 두껍게 1 ㎛가되기 때문에 높이가 100 μm의 초과하지 않도록 더 나은; 이러한 두꺼운 막은 막과 PDMS 채널 (13) 사이에 갭을 생성 할 수있다. </li><li> 패터닝 된 수지를 건드리지 않고 PDMS 몰드를 분리하고 수지에서 용매를 증발시켜 5 분 동안 95 ℃에서 가열에 유리 슬라이드를 배치했다. 주 : 상기 패터닝 된 막의 두께는, &lt;1 ㎛보다 일반적으로 작다. 금형 부드럽게 개방형 측에 금형 힌지에 의해 분리 된 (점선와 그림 1b에 화살표)된다. 이 수지를 충전 한 후 금형 미만의 1 분을 분리하는 것이 가장 좋습니다. 몰드 몇 분 후에 분리되는 경우, 두꺼운 막을 얻을 수 있지만 인해 모세관 효과에 오목한 형상을 가질 것이다. </li><li> 불필요한 떼어면도날을 가진 패터닝 된 막의 부분을 구분 라인 패턴 (도 1C)를 만드는. 주 : 여기에 사용 된 양이온 교환 물질은 강, 유리에 접착되지 않는 패턴을 의미하는 그룹 퍼 플루오르있다. 따라서, 간단한 방법 블레이 딩 용이 막의 불필요한 부분을 제거 할 수있다. </li></ol></li><li> 마이크로 멤브레인 패터닝 된 기판의 통합 <ol><li> 마이크로 채널의 말단에 두 개의 구멍을 막 패턴을 단계 130에서 제작 한 막 - 패터닝 된 기판 상에 PDMS 채널 접합 후에 위치 할 다른 두 개의 구멍 펀치. 주 : PDMS 마이크로 채널이 하나의 채널을 갖는다 (: 50-100 μm의, 높이 : 폭 10 μm의), 그러나 그것은 이웃하는 채널 (도 1D)의 단부에 결합된다. </li><li> W (100)와 50 mTorr로 40 초 동안 즉시 산소 플라즈마 처리 후의 박막 패터닝 기판에 PDMS 마이크로 채널 접합. 주 : 마이크로의 중앙에 수직으로 패턴 막을 놓습니다. </li></ol></li></ol> 2. ICP 예비 농도 <ol><li> 실험을위한 준비 <ol><li> 1-100 밀리미터의 KCl, 1 mM의 NaCl을 포함하여 여러 시험 용액을 제조 (PH ~ 7), 1 mM의 염화나트륨 및 0.2 mM의 염산 (약 pH 3.7), 1 mM의 염화나트륨 및 0.2 mM의 수산화 나트륨 (PH의 혼합물의 혼합물을 ~ 10.3), 및 1X 인산염 완충 식염수. </li><li> 테스트 솔루션에 음으로 하전 된 형광 염료 (~ 1.55 μM)를 추가합니다. 주 : 염료 충전 전류 (30), (31)에 기여하지 않도록 첨가 된 염료의 농도는 염 이온 (&lt;10 μM)보다 훨씬 낮아야한다. </li><li> 상기 채널 중 하나를 저장조의 샘플 용액로드 및 용액과 채널을 채우는 다른 저장조에 부압을 적용한다. 연구에 의해 유체 역학적으로 두 개의 저수지를 연결큰 방울을 eleasing 것은 채널 (도 2a)을 따라 압력 구배를 제거한다. </li><li> 저수지의 ICP 효과를 보상하기 위해 주사기 또는 피펫을 사용하여 완충 용액 (1 M KCl을, 1 M의 NaCl)에, 양이온 교환 패턴에 연결되어있는 두 개의 저장조를 채운다. </li><li> 두 패턴 화 막 (오른쪽 왼쪽 저장조 캐소드에서 애노드)를 통해 상기 저장소에서 와이어를 배치하고, 소스 측정 유닛 (도 2a)로 연결한다. </li></ol></li><li> 유도 결합 플라스마 현상과 ICP의 농축의 시각화 <ol><li> 반전 표면 형광 현미경에 ICP 장치를로드합니다. 전압 (0.5100 V)를 적용하고, 소스 측정 유닛과 전류 반응을 측정한다. </li><li> 전하 결합 소자 카메라로 형광 이미지를 캡처 및 이미징 소프트웨어 (32)를 사용하여 형광 강도를 분석한다. </li></ol></li></ol>

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	<li>Probstein, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Physicochemical Hydrodynamics: An Introduction. , (2003).</li><li>Strathmann, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Ion-Exchange Membrane Separation Processes. , (2004).</li><li>Dydek, E. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Overlimiting+Current+in+a+Microchannel.">Overlimiting Current in a Microchannel.</a> Phys. Rev. Lett. 107 (11), 118301 (2011).</li><li>Kwak, R., Pham, V. S., Lim, K. M., Han, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shear+flow+of+an+electrically+charged+fluid+by+ion+concentration+polarization:+scaling+laws+for+electroconvective+vortices.">Shear flow of an electrically charged fluid by ion concentration polarization: scaling laws for electroconvective vortices.</a> Phys. Rev. Lett. 110 (11), 114501 (2013).</li><li>Rubinstein, I., Zaltzman, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electro-osmotically+induced+convection+at+a+permselective+membrane.">Electro-osmotically induced convection at a permselective membrane.</a> Phys. Rev. E. 62 (2), 2238-2251 (2000).</li><li>Kwak, R., Kim, S., Han, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous-flow+biomolecule+and+cell+concentrator+by+ion+concentration+polarization.">Continuous-flow biomolecule and cell concentrator by ion concentration polarization.</a> Anal. Chem. 83 (19), 7348-7355 (2011).</li><li>Jeon, H., Lee, H., Kang, K. H., Lim, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ion+concentration+polarization-based+continuous+separation+device+using+electrical+repulsion+in+the+depletion+region.">Ion concentration polarization-based continuous separation device using electrical repulsion in the depletion region.</a> Sci.Rep. 3, 3483 (2013).</li><li>Kim, S. J., Ko, S. H., Kang, K. H., Han, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+seawater+desalination+by+ion+concentration+polarization.">Direct seawater desalination by ion concentration polarization.</a> Nat. Nanotechnol. 5 (4), 297-301 (2010).</li><li>MacDonald, B. D., Gong, M. M., Zhang, P., Sinton, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Out-of-plane+ion+concentration+polarizationfor+scalable+water+desalination.">Out-of-plane ion concentration polarizationfor scalable water desalination.</a> Lab Chip. 14 (4), 681-685 (2014).</li><li>Schoch, R. B., Han, J. Y., Renaud, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transport+phenomena+in+nanofluidics.">Transport phenomena in nanofluidics.</a> Rev.Mod. Phys. 80 (3), 839-883 (2008).</li><li>Kim, S. J., Song, Y. A., Han, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanofluidic+concentration+devices+for+biomolecules+utilizing+ion+concentration+polarization:+theory,+fabrication,+and+applications.">Nanofluidic concentration devices for biomolecules utilizing ion concentration polarization: theory, fabrication, and applications.</a> Chem. Soc. Rev. 39 (3), 912-922 (2010).</li><li>Mai, J. Y., Miller, H., Hatch, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatiotemporal+mapping+of+concentration+polarization+Induced+pH+changes+at+nanoconstrictions.">Spatiotemporal mapping of concentration polarization Induced pH changes at nanoconstrictions.</a> ACS Nano. 6 (11), 10206-10215 (2012).</li><li>Kim, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tunable+ionic+transport+for+a+triangular+nanochannel+in+a+polymeric+nanofludic+system.">Tunable ionic transport for a triangular nanochannel in a polymeric nanofludic system.</a> ACS Nano. 7 (1), 740-747 (2013).</li><li>Mangano Syed, A., Mao, L., Han J, P., Song, Y. -. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Creating+sub-50+nm+nanofluidic+junctions+in+a+PDMS+microchip+via+self-assembly+process+of+colloidal+silica+beads+for+electrokinetic+concentration+of+biomolecules.">Creating sub-50 nm nanofluidic junctions in a PDMS microchip via self-assembly process of colloidal silica beads for electrokinetic concentration of biomolecules.</a> Lab Chip. 14, 4455-4460 (2014).</li><li>Wang, Y. C., Stevens, A. L., Han, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Million-fold+preconcentration+of+proteins+and+peptides+by+nanofluidic+filter.">Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter.</a> Anal. Chem. 77 (14), 4293-4299 (2005).</li><li>Lee, J. H., Cosgrove, B. D., Lauffenburger, D. A., Han, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfludic+concentration-enhanced+cellular+kinase+activity+assay.">Microfludic concentration-enhanced cellular kinase activity assay.</a> J. Am. Chem. Soc. 131 (30), 10340-10341 (2009).</li><li>Cheow, L. F., Han, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+signal+enhancement+for+sensitive+aptamer+affinity+probe+electrophoresis+assay+using+electrokinetic+concentration.">Continuous signal enhancement for sensitive aptamer affinity probe electrophoresis assay using electrokinetic concentration.</a> Anal. Chem. 83 (18), 7086-7093 (2011).</li><li>Ko, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanofluidic+preconcentration+device+in+a+straight+microchannel+using+ion+concentration+polarization.">Nanofluidic preconcentration device in a straight microchannel using ion concentration polarization.</a> Lab Chip. 12 (21), 4472-4482 (2012).</li><li>Gong, M. M., Nosrati, R., Gabriel, M. C. S., Zini, M., Sinton, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+DNA+analysis+with+paper-based+ion+concentration+polarization.">Direct DNA analysis with paper-based ion concentration polarization.</a> J. Am. Chem. Soc. 137 (43), 13913-13919 (2015).</li><li>Hong, S., Kwak, R., Kim, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Paper-based+flow+fractionation+system+applicable+to+preconcentration+and+field-flow+separation.">Paper-based flow fractionation system applicable to preconcentration and field-flow separation.</a> Anal. Chem. 88 (3), 1682-1687 (2016).</li><li>Han, S. I., Hwang, K. S., Kwak, R., Lee, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+paper-based+biomolecule+preconcentrator+based+on+ion+concentration+polarization.">Microfluidic paper-based biomolecule preconcentrator based on ion concentration polarization.</a> Lab Chip. 16, 2219-2227 (2016).</li><li>Zangle, T. A., Mani, A., Santiago, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theory+and+experiments+of+concentration+polarization+and+ion+focusing+at+microchannel+and+nanochannel+interfaces.">Theory and experiments of concentration polarization and ion focusing at microchannel and nanochannel interfaces.</a> Chem. Soc. Rev. 39 (3), 1014-1035 (2010).</li><li>Mani, A., Bazant, M. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deionization+shocks+in+microstructures.">Deionization shocks in microstructures.</a> Phys. Rev. E. 84, 061504 (2011).</li><li>Slouka, Z., Senapati, S., Chang, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+systems+with+ion-selective+membranes.">Microfluidic systems with ion-selective membranes.</a> Annu. Rev.Anal. Chem. 7, 317-335 (2014).</li><li>Kirby, B. J., Hasselbrink, E. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Zeta+potential+of+microfluidic+substrates:+1.+Theory,+experimental+techniques,+and+effects+on+separations.">Zeta potential of microfluidic substrates: 1. Theory, experimental techniques, and effects on separations.</a> Electrophoresis. 25 (2), 187-202 (2004).</li><li>Kwak, R., Kang, J. Y., Kim, T. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatiotemporally+defining+biomolecule+preconcentration+by+merging+ion+concentration+polarization.">Spatiotemporally defining biomolecule preconcentration by merging ion concentration polarization.</a> Anal. Chem. 88 (1), 988-996 (2016).</li><li>Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+prototyping+of+microfluidic+systems+in+poly(dimethylsiloxane).">Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane).</a> Anal. Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).</li><li>Campbell, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Replication+and+compression+of+surface+structures+with+polydimethylsiloxane+elastomer.">Replication and compression of surface structures with polydimethylsiloxane elastomer.</a> J. Chem. Educ. 76 (4), 537-541 (1999).</li><li>Lee, J. H., Song, Y. A., Han, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiplexed+proteomic+sample+preconcentration+device+using+surface-patterned+ion-selective+membrane.">Multiplexed proteomic sample preconcentration device using surface-patterned ion-selective membrane.</a> Lab Chip. 8 (4), 596-601 (2008).</li><li>Kwak, R., Guan, G., Peng, W. K., Han, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microscale+electrodialysis:+concentration+profiling+and+vortex+visualization.">Microscale electrodialysis: concentration profiling and vortex visualization.</a> Desalination. 308, 138-146 (2013).</li><li>Chambers, R. D., Santiago, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+and+quantification+of+isotachophoresis+zones+using+nonfocusing+fluorescent+tracers.">Imaging and quantification of isotachophoresis zones using nonfocusing fluorescent tracers.</a> Anal. Chem. 81, 3022-3028 (2009).</li><li>Minerick, A. R., Ostafin, A. E., Chang, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrokinetic+transport+of+red+blood+cells+in+microcapillaries.">Electrokinetic transport of red blood cells in microcapillaries.</a> Electrophoresis. 23 (14), 2165-2173 (2002).</li><li>Phan, D. -. T., Shaegh, S. A. M., Yang, C., Nguyen, N. -. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sample+concentration+in+a+microfluidic+paper-based+analytical+device+using+ion+concentration+polarization.">Sample concentration in a microfluidic paper-based analytical device using ion concentration polarization.</a> Sens. Actuators B. 222, 735-740 (2016).</li><li>Rubinstein, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+observation+of+a+nonequilibrium+electro-osmotic+instability.">Direct observation of a nonequilibrium electro-osmotic instability.</a> Phys. Rev. Lett. 101, 236101 (2008).</li><li>Ouyang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+platform+for+assessment+of+therapeutic+proteins+using+molecular+charge+modulation+enhanced+electrokinetic+concentration+assays.">Microfluidic platform for assessment of therapeutic proteins using molecular charge modulation enhanced electrokinetic concentration assays.</a> Anal. Chem. 88, 9669-9677 (2016).</li><li>Cheow, L. F., Sarkar, A., Kolitz, S., Lauffenburger, D., Han, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detecting+kinase+activities+from+single+cell+lysate+using+concentration-enhanced+mobility+shift+assay.">Detecting kinase activities from single cell lysate using concentration-enhanced mobility shift assay.</a> Anal. Chem. 86, 7455-7462 (2014).</li><li>Chen, C. -. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancing+protease+activity+assay+in+droplet-based+microfluidics+using+a+biomolecule+concentrator.">Enhancing protease activity assay in droplet-based microfluidics using a biomolecule concentrator.</a> J. Am. Chem. Soc. 133, 10368-10371 (2011).</li><li>Kwak, R., Pham, V. S., Kim, B., Lan, C., Han, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+salt+removal+by+unipolar+ion+conduction+in+ion+concentration+polarization+desalination.">Enhanced salt removal by unipolar ion conduction in ion concentration polarization desalination.</a> Sci. Rep. 6, 25349 (2016).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

우리는 10,000 배 달성 제조 프로토콜과인가 전압 (0.5 내지 V), 이온 강도 (1-100 mM)을 범위의 시공간 정의 된 예비 집 신기의 성능과의 pH (3.7-10.3)를 설명했다 10 분 내에서 염료 및 단백질의 농축. 이전 ICP 장치 등으로, 농축 성능은 높은 전압에서 더 낮은 이온 강도로된다. 우리가 여기에서 고려할 수있는 하나의 추가 매개 변수는이 양이온 교환막 사이의 거리입니다. 우리는 층간 막 거리를 증가 시키면, 전계가 농축 속도 (26)의 감소의 결과로, 동일한인가 전압에 따라 감소한다. 본 연구에 사용 된 마이크로 플로우 패터닝 기술 (29)은 패터닝 양이온 교환 수지에 대한 강력한 방법이므로 마이크로 유체 시스템에 이온 교환 물질을 통합 금 표준 방법 중 하나이다. 엔evertheless, 짧은 막간 거리 (미만인 수백 마이크로 미터) 두 병치 양이온 교환 막을 제조 할 필요가있다. 1.3.3-1.3.4 단계에서, 상기 양이온 교환 수지는 액상이다. 따라서, 두 개의 미세 채널에서 수지가 축소 될 수 있고, 채널의 개방 단부에 남은 수지 강하는 몰드 착탈시 범람있다 (단계 1.3.4.). 높은 패턴 충실도 두 양이온 교환막을 구축하기 위해 상대적으로 높은 점도 (용매의 양이온 교환 물질의 20 %)로 수지를 사용하고 신중 지정된 분리 방향과 탈착 공정을 설정한다. 이 플랫폼의 높은 운영 유연성이 증명되었다하더라도, 독자는 운영 창에서 넓은 범위에서 최적의 조건을 확인하는 방법에 대한 염려 할 수 있습니다. 하나의 대표 절충은 농축 속도 및 ICP 효과의 안정성 사이이다. 할 수있는곽 등의 알에 그림 5에서 볼 수. 26, 높은인가 전압 (&gt; 50 V)을 신속하게 목표 응축 수있다; 그러나, 이것은 또한 시료 농축의 안정성을 감소 공핍 영역 (1 ㎜ /도 7a에서의 pH 7)에 강한 소용돌이를 유도한다. 따라서, 농축 속도가 33을 예측하기 어려워진다. 현재 단계에서, 우리는 안정적인 예측 및 시공간으로 고정 농축에 대한 상대적으로 낮은 전압 (&lt;30 V) 및 이온 강도 (&lt;10 밀리미터)와 실험 조건을 사용하는 것이 좋습니다. 농축 속도 및 농축 정도 플러그의 안정성 간의 트레이드 오프는 비선형의 ICP 소스 (표면 전도 EOF 및 전기 삼투 불안정성)에 관한 것이다. 비교적 작은 전압 (&lt;50 V)에서의 비선형 ICP의 주요 소스 공핍 영역의 코 히어 런트 와류 쌍을 생성 EOF이다 (도 3b), 이는 르안정적인 농축에 광고를 게재합니다. 비교적 높은 전압 (&gt; 50 V)에서, 비선형 ICP의 주요 소스는 전기 삼투하는 불안정성의 농축의 안정성을 감소 혼란 다중 와류를 생성 변경된다. 최근, 종이 기반 플랫폼은 ICP 등의 판 등에 의해 개발되었다. 34, 공 등. 19 일 및 한 등. 21. 미세 다공성 구조와 이러한 용지 장치는 전기 삼투 불안정성 4 35 억제 및 안정성 문제를 해소 할 수있다. 그러나, 용지 채널의 크기는 일반적으로 종래의 미세 유체 채널보다 더 큰 약 0.5 mm이다. 임의의 섬유 네트워크와이 넓은 용지 채널은 농축 정도 플러그의 불규칙한 움직임을 발생합니다. 이것은 종이 기반 ICP의 예비 집 신기에 피할 수 있었다 최소 기능 때문에(종이 채널을 구축 즉, 제조 방법) 왁스 패턴 종이 절단의 크기는 몇 백 마이크로 미터에 관한 것입니다. 유도 결합 플라스마 예비 집 신기는 다양한 바이오 에이전트 preconcentrating biomicrofluidic위한 다양한 플랫폼에 사용되어왔다; 각종 분석의 신호를 증폭하는 단계; 이러한 치료 용 단백질 36, 펩티드 37, 등 검출 대상 (17)을 압 타머, 38 효소. 이러한 이전 작품 형광 표지 된 생체 분자를 대상으로. 우리는 실제 운전 조건 지정 (즉, 전압을 유량)을 농축 사이트를 유지하기 위해, 우리는 먼저 예비 집 신기 대상에 적절한 조건을 찾아 낼 필요가 없기 때문이다. 이전 연구에서 벗어나지 병합 ICP 현상은 높은 유연성을 유지하면서, 우리는 항상 작동 조건의 넓은 범위의 농축 정도 플러그를 고정 할 수 있도록ICP 장치. 예를 들어, 우리는 접선 유체 흐름과 병합 ICP 시스템을 조절할 수 있고, 연속 흐름 모드 (39)로 동작한다. 이것은 우리가 지금 시각화 악기와 추적자를 사용하지 않고 탐지 기술이없는 레이블을 ICP의 예비 집 신기의 애플리케이션을 확장 할 수 있음을 나타냅니다. 시공간 제어 성의 독특한 장점은 중합 효소 연쇄 반응 기계 및 질량 분광계와 같은 일반적인 탁상 플랫폼 갖는 ICP 장치를 통합하는 강한 상업적 기회를 제공한다.

이온 농도 분극 (ICP)의 이온 농도 기울기 1, 2 부가 전위 강하의 결과로 이온 투과성 막에 농축 이온 고갈 중에 발생하는 현상을 말한다. 이 농도 구배는 직선이며, 더 높은 전압이 막에 이온 농도까지 (오믹 체제)인가로 급격하게 제로 (제한 체제)에 접근한다. 확산이 제한된 상태에서, 기울기 (및 대응하는 이온 플럭스) / 최대화 한 포화되는 것으로 알려져있다. 전압 (또는 전류) 더 증가 할 때, 종래의 이해를 넘어, overlimiting 전류가 존 경계 1,3- 평평한 공핍 영역과 매우 날카로운 농도 기울기로 관측되었다. 평면 영역은 매우 낮은 이온 농도를 갖고 있지만 표면 전도 전자 osmoti<html> C 흐름 (EOF) 및 / 또는 전기 삼투 불안정 이온 플럭스를 촉진하고 overlimiting 전류 3, 4, 5를 유도한다. 6, 7, 8, 9 및 / 또는 preconcentrates 걸러 정전 장벽, 10, 11을 대상으로 흥미롭게 평탄 공핍 영역이 작용한다. (전기적 중성을 만족 용) 대전 입자의 표면 전하를 선별하는 이온의 양이 부족하기 때문에, 입자가이 공핍 영역을 통과하기 때문에 그 경계에서 줄 수 없다. 이 비선형 ICP 효과는, 막 10, 11, 12, 13, 다양한 종류의 일반적인 현상&gt; 14 기하학 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; 연구자 여과 6, 7, 8의 다양한 형태를 개발할 수 있었던 이유는, 9이며 상기 비선형 ICP를 이용하여 10, 11, 농축 장치. 심지어 높은 유연성 및 견고성 여전히 비선형 ICP 장치에 대한 운전 조건을 명확히하기위한 실용적인 도전이다. 유도 결합 플라스마의 비선형 체제 신속 음극쪽으로 이동하는 음이온의 변위를 야기하는 양이온 교환 막을 통해 양이온을 제거한다. 로그 결과, 평탄 공핍 영역은 충격 전파 22 연상하는 빨리 전파한다. 마니 등. 이 역동적 인 탈 이온화 (또는 고갈) (23)를 충격했다. 이온 공핍 영역의 확장을 방지 지정된 위치에서 촬상 대상 preconcentrate 것은 예를 들면, 확장 영역 (24)에 대해 EOF 또는 압력 구동 흐름을 적용하여 필요하다. Zangle 등은. 22은 1 차원 모델에서 ICP 전파 기준을 명확히하고, 고도로 전기 영동 이동도 17, 이온 강도 (18) 등의 pH 25, 및에 의존한다. 이것은 적절한 작동 조건 샘플 조건에 따라 변경 될 것을 나타냅니다. 여기, 우리는 spatiotemp 내 목표를 preconcentrates 신규 ICP 플랫폼을위한 상세 설계 및 실험 프로토콜을 제시구두 위치 (26)을 정의했다. 이온 공핍 영역의 확장이없이 작동 시간의 지정된 위치에 고정 농축 플러그두고 이온 풍부 영역에 의해인가 전압, 이온 강도 및 pH가 차단된다. 상세한 영상 프로토콜은 미세 유체 소자로 양이온 교환막를 통합하고, 종래에 비해 새로운 ICP 플랫폼 농축 성능을 입증하기 위해 단순한 방법을 도시하기위한 것이다.

<table><tbody><tr><td>Sylgard 184 Silicone Elastomer kit</td><td>Dow Corning</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Trichlorosilane</td><td>Sigma Aldrich</td><td>175552</td><td>Highly toxic</td></tr><tr><td>Nafion perfluorinated resin, 20 wt%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>527122</td><td></td></tr><tr><td>Sodium chloride</td><td>Sigma Aldrich</td><td>71394</td><td></td></tr><tr><td>Potassium chloride</td><td>Sigma Aldrich</td><td>60121</td><td></td></tr><tr><td>Alexa Fluor 488 carboxylic acid, succinimidyl ester</td><td>Invitrogen</td><td>A20000</td><td></td></tr><tr><td>Isothiocyanate-conjugated albumin</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A9771</td><td></td></tr><tr><td>Phosphate buffer saline, 1x</td><td>Wengene</td><td>LB004-02</td><td></td></tr><tr><td>Tween 20</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P1379</td><td></td></tr><tr><td>Epifluorescence microscope</td><td>Olympus</td><td>IX-71</td><td></td></tr><tr><td>Charged-coupled device camera</td><td>Hamamtsu Co.</td><td>ImageEM X2</td><td></td></tr><tr><td>Source measurement unit</td><td>Keithley Instruments</td><td>2635A</td><td></td></tr><tr><td>Covance-MP</td><td>Femto Science</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

merging ion concentration polarization between juxtaposed ion exchange membranes to block the propagation of the polarization zone

이온 농도 분극 (ICP) 현상은 미량의 생체 시료를 preconcentrate하는 가장 지배적 인 우세한 방법 중 하나입니다. 유도 결합 플라스마 충전 생체 분자 (즉, 이온 고갈 영역)에 대한 비 침습적 영역을 유도하고, 대상은이 지역 경계에 농축 정도 할 수 있습니다. ICP로 농축 높은 성능에도 불구하고, 비 증식 이온 공핍 영역의 동작 조건을 검색하는 것이 곤란하다. 이 좁은 운영 창을 극복하기 위해, 우리는 최근 시공간으로 고정 농축을위한 새로운 플랫폼을 개발했다. 단 이온 고갈 사용 방법 이전과는 달리,이 플랫폼은 이온 공핍 영역의 전파를 중지 ICP (즉, 이온 농축)의 반대 극성을 이용한다. 공핍 영역이있는 농축 영역을 마주하여 두 영역이 함께 병합하고 멈춘다. 본 논문에서는이 시공간으로 정의 ICP의 platf을 구축 할 수있는 자세한 실험 프로토콜을 설명ORM 종래 장치들과 그들을 비교함으로써 새로운 플랫폼의 농축 동력학을 특성화. 질적 이온의 농도 프로파일 및 현재 시간 응답이 성공적으로 병합 ICP 및 독립형 ICP의 다른 다이나믹 캡처. 만 ~ 5 V로 농축 위치를 고정 할 수있는 통상적 인 것과 대조적으로, 새로운 플랫폼은 동작 조건의 넓은 범위 내의 특정 위치에서 목표 응축 플러그를 생성 할 수있다 : 전압 (0.5 내지 V), 이온 강도 (1-100 mM)을하여 pH (3.7-10.3).

멤브레인 통합 마이크로 유체 예비 집 신기의 개략적 인 제조 단계는도 1에 도시된다. 제조에 대한 상세한 설명은 프로토콜에 주어진다. 디자인과 시공간으로 정의 된 예비 집 신기 (26)의 장치 이미지는 종래의 예비 집 신기 (11) (그림 2)의 것과 대조된다. 시공간 정의 된 예비 집 신기의 ICP 현상은 전류 - 전압 응답 시간과 형광 강도 프로파일 (도 3-4)의 관점에서 연구되었다. 유도 결합 플라스마 단일 막 예비 집 신기 (3), (11), 세 개의 다른 정권과 현상 (오믹, 제한 및 overlimiting) 전류 - 전압 곡선에서 관찰되었다 유사 : 0.5 V (오믹 한정) 및 5 V (overlimiting) . 그러나, 비 인습적 인 현재 복구했다이온 농축 이온 공핍 영역이 병합으로 현재 시간에서 검출 된 곡선. 다음으로, ICP의 농축은 시공간으로 정의 된 예비 집 신기 (그림 5)과 종래의 멤브레인 장치 (그림 6)와 다른 시간과 전압에서 시험 하였다. 농축 역학 형광 이미지, 현재 시간 응답 및 다른 거리와 시간 이상 형광 강도 그래프에 의해 정량화 하였다. 두 플랫폼을 비교하면 새 ICP 플랫폼은 항상 두 양이온 선택성 막 패턴 사이 타겟 (형광 색소)를 수집하는 장점을 보여준다. 또한,이 농축 플러그가 작동 조건의 넓은 범위 (도면에서 병합 ICP 된 예비 집 신기의 가용성을 확인하는 다른 이온 강도 (1-100 mM의 염화나트륨) 및 pH 값 (3.7-10.3)에서 동일하게 유지하는 것이 확인되었다 7). 그림 8에서, 10,000 배의 단백질 preconcentrATION도 증명되었다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig1.jpg" /> 도 양이온 교환막 통합 마이크로 유체 칩의 제조 단계 1. 29 막의 패터닝 된 유리 기판을 산소 플라즈마 처리 (d)에 의해 PDMS 마이크로 채널과 결합는 - PDMS 몰드 마이크로 플로우 패터닝 기술 (C A)를 사용하여 양이온 교환 수지를 충전 한 후. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55313/55313fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig2.jpg" /> 그림 시공간 정의 된 예비 집 신기 (a)와 종래의 예비 집 신기 2. 회로도 (b). (a)에서 회전자 새로운 플랫폼은 두 개의 막 패턴 (I), 이온 고갈 사이에 / 농축 영역은 개발 및 선형과 함께 합병 (옴과 정권을 제한, ⅱ) 또는 비선형 (정권을 overlimiting, ⅲ) 농도 프로파일을. 세 현재 정권 이온 농축 구역 블록 공핍 영역 및 대상의 전파 (중공 원; I) 이온 고갈과 보충 영역 (나는 곡선, 점선)의 계면에서의 농축 정도된다. PDMS의 채널의 벽은 음으로 대전되고,이 전계에 따라 두 개의 양이온 교환막 사이의 전기 삼투 흐름 (EOF)을 생성한다. EOF를 지속적으로 고갈과 보충 영역의 계면쪽으로 목표를 제공한다. (b) 종래의 플랫폼에서, 단지 이온 공핍 영역이 선형으로 막 근처 개발 (오믹 정권 제한, II)는 비선형 (정권 overlimiting; III)의 농도 구배. EOF가 대상을 제공 바와 같이, 농축 알그래서 공핍 영역의 경계에서 발생하지만,이 영역 (및 농축 정도 플러그) (검은 화살표; I) 멀리 양이온 교환막으로 이동한다. 이는 이온 풍부 영역없이 여기 이온 농도의 증가가 있다는 것을 알 수있다 (II-III). (AB)에서, 상기 장치는 화상을 (IV)를 나타낸다. C 0은 초기의 이온 농도를 나타낸다. V +와 G는 각각 양극과 음극을 나타낸다. 미국 화학 협회의 허가를 참조 26t에서 재판. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55313/55313fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig3.jpg" /> 그림 3. 두 개의 양이온 교환 막을 사이에 ICP 현상을 병합. (a)는 전류 - 전압 곡선은 세 가지 regim를 도시ES는 (옴은 제한 및 overlimiting). 현재의 반응은 3 회 반복하여 0.25 V마다 40 S, 이산 간격으로 전압을 램핑에 의해 측정된다. 오류 바로 현재의 응답의 표준 편차를 나타냅니다. (b는 c) 세 정권 형광 화상 (b)와 채널 (C)의 중간에서 &#39;AA 따라 강도 프로파일을 얻었다. 노란색, 점선 상자는 양이온 선택 막의 위치를 ​​나타냅니다. 1.55 μM (1 μg의 / mL)을 음으로 하전 된 형광 염료와 1 mM의 KCl을 용액을 사용 하였다. 미국 화학 협회의 허가를 참조 (26)로부터 재판. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55313/55313fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig4.jpg" /> 그림 4. <stroNG&gt; 이온 고갈과 농축 영역을 병합 과도 역학. (a, b)는 오믹 한정 체제에서, 선형 농도 구배 &lt;(1S) 양이온 교환막으로부터 (1S을하고 서로 겹치지)&gt; 성장. overlimiting 정권에서 (다)의 두 ICP 영역은 더 빠르게 (0.2 초에서 검은 색 화살표) 고갈 충격과 (&lt;0.6의) 병합됩니다. (d - F)의 응답은 전류가 초기에 의한 낮은 전기 전도도에 대응 저농도 공핍 영역의 성장에 적하 보여 현재 시간. 현재 강하는 다음 인해 두 막 사이에 밀폐 된 와류에 의해 대류 전송에 회수된다. 미국 화학 협회의 허가 참조 된 26 일부터 재판. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55313/55313fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> &lt;유지-together.within 페이지 = &quot;1&quot;&gt; : FO P 클래스 = &quot;jove_content&quot; <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig5.jpg" /> 그림 5. 시공간 5, 10에서 농축 고정, 20 V. (A - C) 병합 된 ICP의 형광 이미지와 현재 시간 응답 (D - F) 시간 (0 ~ 100의) 이상. 노랑, 점선은 양이온 교환막의 위치를 ​​나타낸다. (g) 시간 경과 형광 강도 프로파일 ( &#39;AA) 마이크로 채널을 따라 그려. 피크 강도는 시간이 고정 된 위치에, 통과 증가한다. (시간) 피크 강도 배 (즉, 초기 형광 강도보다 몇 배 이상). 높은 전압에서 빠른 EOF 이온 고갈과 보충 영역의 계면쪽으로 목표를 제공하므로 농축 속도가 증가한다. 20 V에서의 스파이크가 고갈 충격에 의해 유도된다 ( <strong&gt;도 4c). 이 염료를 푸시으로하는 형광 염료가 충격 경계에 축적된다. 공핍 충격 피크 강도 곡선에서 스파이크를 생성 이온 풍부 영역을 충족 할 때 초기 축적 후 다소 분산된다. 도 4c에서 볼 수있는 바와 같이, 0.8 s의 피크는 0.4 S에서보다 넓게 하였다. 왼쪽 피온 패턴 (도 2a)의 좌측이 전기적으로 부유하고, 축적 된 염료가 확산 할 수 있기 때문일. 미국 화학 협회의 허가를 참조 (26)로부터 재판. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55313/55313fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 6" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig6.jpg" /> 5, 10 및 20 V에서 종래의 ICP 예비 집 신기도 6 ICP 현상. (a - c) 이온 공핍 영역의 형광 이미지 및 현재 시간 응답 (d - f)는 시간 경과 (0-100 S). 공핍 영역 및 농축 플러그의 전파 명확 형광 이미지를 시각화한다. 현재 복구에도 overlimiting 정권에 발생하지 않도록 따라서, 와류는 제한되지 않습니다. 황색, 점선은 양이온 교환막의 위치를 ​​표시한다. (g) 시간 경과 형광 강도 프로파일 ( &#39;AA) 마이크로 채널을 따라 그려. 시간이 지남에 따라, 피크 강도는 증가하지만, 위치는 막으로부터 멀리 이동한다. 종래의 ICP 장치 (H) 피크 강도 배. 염료가 농축 정도되었을 때 형광 강도가 증가하기 때문에 병합 ICP 장치 (도 5H)과 달리, ICP 영역의 한정 없이는 강도 스파이크 없다. t의 증가그 강도가 배 (특정 전압) 동시에 병합 ICP 장치와 유사하다 피크. 이 농축 정도 플러그가 제 위치에 유지되는 시간은 농축 성능에 결정적임을 나타낸다. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55313/55313fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 7" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig7.jpg" /> 다양한 이온 강도에서 그림 7. 시공간으로 정의 농축 (1-100 mM의 염화나트륨) 및 pH 값 (3.7-10.3). (a) 50 V. 된대로 동작 100 초 후에 얻어지는 형광 이미지를 볼 수 있고, 농축 플러그의 위치는 강도 이온 높은하에 약해져, 비록 두 개의 양이온 교환막 (황색 점선) 사이에 여전히 강도와 강한 산성 또는 염기성의해결책. (나, 다)의 피크 강도의 위치와 강도 배 (예. 몇 번 더 초기 강도보다) 하나의 조건 (1, 10, 20, 10에서 50 매핑, 100 V., 100 밀리미터 및 / 또는 pH를 3.7, 7, 10), 네 개의 전압 조건에 대응하여 4 개의 데이터 포인트가 존재한다. 보다 높은 전압에서보다 높은 피크가 모든 경우에 배 강화있다. 100 V는 피크 강도가 이미 피크 강도 프로파일에서 50 V.에서 (인해 카메라의 포화) 가장 높은 값을 접촉하기 때문에 1 mM의 염화나트륨 (pH가 7)에서 시험하지 않은 피크 영역은도 1, 식별 오차 막대 (b, c)로 표시되는 피크 강도, % 미만. 높은 전압과 강한 EOF 높은 강도 접어 선명 농축 플러그, 우측의 피크 위치를 이동. 회색 박스는 양이온 교환막의 위치를 ​​나타낸다. 0의 거리 (a)는 X 축의 원점을 나타내고, (b, c), 이는 인왼쪽 양이온 교환막의 오른쪽 가장자리에. 거리의 원점 왼쪽 멤브레인의 오른쪽 에지이다. 미국 화학 협회의 허가를 참조 (26)로부터 재판. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55313/55313fig7large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 8" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig8.jpg" /> 시공간으로 고정 된 단백질 농축 8. 데모 그림. 1X 인산 완충 생리 식염수에 FITC 알부민 (1 μg의 / ㎖)을 사용 하였다. 0.1 % 트윈 20과 같은 비특이적 인 결합을 방지하기 위해 첨가 하였다. 농축 거의 높은 이온 강도 (그림 7)에서 달성되지 않기 때문에, 우리는 피온 패턴 (200 μm의)의 폭을 두 배로 좁은 PDMS 채널 (50 μm의)를 사용했다. 이와 같이, ICP의 농축의 성능에 의해 향상시켰다이온 통로를 확대하여 채널 이온의 절대량을 감소시킬 수있다. 100 V의 최대 형광 강도를 평균화의인가 전압에서 두 개의 양이온 교환막 사이의 영역 흰 점선 박스로 추적 하였다. 동작 10 분 이내에, 단백질은 각각 10,000 및 100 배 preconcentrations를 나타내는, 10 ㎎ / ㎖ (피크) 및 ~ 0.1 ㎎ / ㎖ (평균화)까지시켜 농축 하였다. 삽입 된 형광 화상은 0, 10, 20 분에서 얻었다. 본 연구에서는 20 분 작업은 표적 분자를 preconcentrate에 충분했다, 그래서 우리는 더 이상 운영 시간을 포함하지 않았다. 미국 화학 협회의 허가를 참조 (26)로부터 재판. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55313/55313fig8large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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Merging Ion Concentration Polarization between Juxtaposed Ion Exchange Membranes to Block the Propagation of the Polarization Zone

작동 조건에 관계없이 상기 ICP 대역의 전파를 정지 할 수있는 신규 한 이온 농도 분극 (ICP) 플랫폼에 대한 프로토콜을 설명한다. 플랫폼의 독특한 능력은 ICP 현상이 극성은 이온 고갈과 농축, 병합의 사용에있다.

나란히 이온 교환 멤브레인 사이의 이온 농도 분극을 병합하면 편광 영역의 전파를 차단하는

The ion concentration polarization (ICP) phenomenon is one of the most prevailing methods to preconcentrate low-abundance biological samples. The ICP ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.4K 조회수.  Korea Institute of Science and Technology.  작동 조건에 관계없이 상기 ICP 대역의 전파를 정지 할 수있는 신규 한 이온 농도 분극 (ICP) 플랫폼에 대한 프로토콜을 설명한다. 플랫폼의 독특한 능력은 ICP 현상이 극성은 이온 고갈과 농축, 병합의 사용에있다. 

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The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and polar dielectric liquids. These bridges are unique from capillary bridges in that they exhibit extensibility beyond a few millimeters, have complex bi-directional mass transfer patterns, and emit non-Planck infrared radiation. A number of common solvents can form such bridges as well as low conductivity solutions and colloidal suspensions. The macroscopic behavior is governed by electrohydrodynamics and provides a means of studying fluid flow phenomena without the presence of rigid walls. Prior to the onset of a liquid bridge several important phenomena can be observed including advancing meniscus height (electrowetting), bulk fluid circulation (the Sumoto effect), and the ejection of charged droplets (electrospray). The interaction between surface, polarization, and displacement forces can be directly examined by varying applied voltage and bridge length. The electric field, assisted by gravity, stabilizes the liquid bridge against Rayleigh-Plateau instabilities. Construction of basic apparatus for both vertical and horizontal orientation along with operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

Horizontal and vertical electrohydrodynamic liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields and polar dielectric liquids. The construction of basic apparatus and operational examples, including thermographic images, for three liquids (e.g., water, DMSO, and glycerol) is presented.

폴라 유전체 액체에서 특히 전기 교량의 준비

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

연구

공학

On-chip Isotachophoresis for Separation of Ions and Purification of Nucleic Acids

Electrokinetic techniques are a staple of microscale applications because of their unique ability to perform a variety of fluidic and electrophoretic processes in simple, compact systems with no moving parts. Isotachophoresis (ITP) is a simple and very robust electrokinetic technique that can achieve million-fold preconcentration1,2 and efficient separation and extraction based on ionic mobility.3 For example, we have demonstrated the application of ITP to separation and sensitive detection of unlabeled ionic molecules (e.g. toxins, DNA, rRNA, miRNA) with little or no sample preparation4-8 and to extraction and purification of nucleic acids from complex matrices including cell culture, urine, and blood.9-12
ITP achieves focusing and separation using an applied electric field and two buffers within a fluidic channel system. For anionic analytes, the leading electrolyte (LE) buffer is chosen such that its anions have higher effective electrophoretic mobility than the anions of the trailing electrolyte (TE) buffer (Effective mobility describes the observable drift velocity of an ion and takes into account the ionization state of the ion, as described in detail by Persat et al.13). After establishing an interface between the TE and LE, an electric field is applied such that LE ions move away from the region occupied by TE ions. Sample ions of intermediate effective mobility race ahead of TE ions but cannot overtake LE ions, and so they focus at the LE-TE interface (hereafter called the "ITP interface"). Further, the TE and LE form regions of respectively low and high conductivity, which establish a steep electric field gradient at the ITP interface. This field gradient preconcentrates sample species as they focus. Proper choice of TE and LE results in focusing and purification of target species from other non-focused species and, eventually, separation and segregation of sample species.
We here review the physical principles underlying ITP and discuss two standard modes of operation: "peak" and "plateau" modes. In peak mode, relatively dilute sample ions focus together within overlapping narrow peaks at the ITP interface. In plateau mode, more abundant sample ions reach a steady-state concentration and segregate into adjoining plateau-like zones ordered by their effective mobility. Peak and plateau modes arise out of the same underlying physics, but represent distinct regimes differentiated by the initial analyte concentration and/or the amount of time allotted for sample accumulation.
We first describe in detail a model peak mode experiment and then demonstrate a peak mode assay for the extraction of nucleic acids from E. coli cell culture. We conclude by presenting a plateau mode assay, where we use a non-focusing tracer (NFT) species to visualize the separation and perform quantitation of amino acids.

Isotachophoresis (ITP) is a robust electrokinetic separation and preconcentration technique with applications ranging from toxin detection to sample preparation. We review the physical principles of ITP and the methodology of applying this technique to two specific example applications: separation and detection of small molecules and purification of nucleic acids from cell culture lysate.

이온의 분리 및 핵산의 정화를위한 온칩 Isotachophoresis

Electrokinetic techniques are a staple of microscale applications because of their unique ability to perform a variety of fluidic and electrophoretic ...

생체공학

Preparation of Artificial Bilayers for Electrophysiology Experiments

Planar lipid bilayers, also called artificial lipid bilayers, allow you to study ion-conducting channels in a well-defined environment. These bilayers can be used for many different studies, such as the characterization of membrane-active peptides, the reconstitution of ion channels or investigations on how changes in lipid bilayer properties alter the function of bilayer-spanning channels.  Here, we show how to form a planar bilayer and how to isolate small patches from the bilayer, and in a second video  will also demonstrate a procedure for using gramicidin channels to determine changes in lipid bilayer elastic properties.   We also demonstrate the individual steps needed to prepare the bilayer chamber, the electrodes and how to test that the bilayer is suitable for single-channel measurements.

Planar lipid bilayers, also called artificial lipid bilayers, allow you to study ion-conducting channels in a well-defined environment. Here, we demonstrate the individual steps needed to prepare the bilayer chamber, the electrodes and how to test that the bilayer is suitable for single-channel measurements.

전기 생리학 실험을위한 인공 Bilayers의 준비

Planar lipid bilayers, also called artificial lipid bilayers, allow you to study ion-conducting channels in a well-defined environment. These bilayers can ...

생물학

Label-free Isolation and Enrichment of Cells Through Contactless Dielectrophoresis

Dielectrophoresis (DEP) is the phenomenon by which polarized particles in a non-uniform electric field undergo translational motion, and can be used to direct the motion of microparticles in a surface marker-independent manner. Traditionally, DEP devices include planar metallic electrodes patterned in the sample channel. This approach can be expensive and requires a specialized cleanroom environment. Recently, a contact-free approach called contactless dielectrophoresis (cDEP) has been developed. This method utilizes the classic principle of DEP while avoiding direct contact between electrodes and sample by patterning fluidic electrodes and a sample channel from a single polydimethylsiloxane (PDMS) substrate, and has application as a rapid microfluidic strategy designed to sort and enrich microparticles. Unique to this method is that the electric field is generated via fluidic electrode channels containing a highly conductive fluid, which are separated from the sample channel by a thin insulating barrier. Because metal electrodes do not directly contact the sample, electrolysis, electrode delamination, and sample contamination are avoided. Additionally, this enables an inexpensive and simple fabrication process.
cDEP is thus well-suited for manipulating sensitive biological particles. The dielectrophoretic force acting upon the particles depends not only upon spatial gradients of the electric field generated by customizable design of the device geometry, but the intrinsic biophysical properties of the cell. As such, cDEP is a label-free technique that avoids depending upon surface-expressed molecular biomarkers that may be variably expressed within a population, while still allowing characterization, enrichment, and sorting of bioparticles.
Here, we demonstrate the basics of fabrication and experimentation using cDEP. We explain the simple preparation of a cDEP chip using soft lithography techniques. We discuss the experimental procedure for characterizing crossover frequency of a particle or cell, the frequency at which the dielectrophoretic force is zero. Finally, we demonstrate the use of this technique for sorting a mixture of ovarian cancer cells and fluorescing microspheres (beads).

Contactless dielectrophoresis (cDEP) achieves sorting and enrichment of particles via their intrinsic dielectric properties. Fluidic electrode channels replace metallic electrodes traditional to DEP, suiting cDEP to non-damaging sterile characterization and sorting of biological particles. We demonstrate how to prepare a cDEP microdevice and conduct cell characterization and sorting experiments.

비접촉식 유전을 통해 라벨이없는 분리 및 세포의 농축

Dielectrophoresis (DEP) is the phenomenon by which polarized particles in a non-uniform electric field undergo translational motion, and can be used to ...

의학

Generation and Control of Electrohydrodynamic Flows in Aqueous Electrolyte Solutions

To drive electrohydrodynamic (EHD) flows in aqueous solutions, the separation of cation and anion transport pathways is essential because a directed electric body force has to be induced by ionic motions in liquid. On the other hand, positive and negative charges attract each other, and electroneutrality is maintained everywhere in equilibrium conditions. Furthermore, an increase in an applied voltage has to be suppressed to avoid water electrolysis, which causes the solutions to become unstable. Usually, EHD flows can be induced in non-aqueous solutions by applying extremely high voltages, such as tens of kV, to inject electrical charges. In this study, two methods are introduced to generate EHD flows induced by electrical charge separations in aqueous solutions, where two liquid phases are separated by an ion-exchange membrane. Due to a difference in the ionic mobility in the membrane, ion concentration polarization is induced between both sides of the membrane. In this study, we demonstrate two methods. (i) The relaxation of ion concentration gradients occurs via a flow channel that penetrates an ion-exchange membrane, where the transport of the slower species in the membrane selectively becomes dominant in the flow channel. This is a driving force to generate an EHD flow in the liquid. (ii) A long waiting time for the diffusion of ions passing through the ion-exchange membrane enables the generation of an ion-dragged flow by externally applying an electric field. Ions concentrated in a flow channel of a 1 x 1 mm2 cross-section determine the direction of the liquid flow, corresponding to the electrophoretic transport pathways. In both methods, the electric voltage difference required for an EHD flow generation is drastically reduced to near 2 V by rectifying the ion transport pathways.

The rectification of ion transport pathways is an effective method to generate one-directional ion-dragged electrohydrodynamic flows. By setting an ion-exchange membrane in a flow channel, an electrically polarized condition is generated and causes a liquid flow to be driven when an electric field is externally applied.

To drive electrohydrodynamic (EHD) flows in aqueous solutions, the separation of cation and anion transport pathways is essential because a directed ...

Paper-Based Preconcentration and Isolation of Microvesicles and Exosomes

Microvesicles and exosomes are small membranous vesicles released to the extracellular environment and circulated throughout the body. Because they contain various parental cell-derived biomolecules such as DNA, mRNA, miRNA, proteins, and lipids, their enrichment and isolation are critical steps for their exploitation as potential biomarkers for clinical applications. However, conventional isolation methods (e.g., ultracentrifugation) cause significant loss and damage to microvesicles and exosomes. These methods also require multiple repetitive steps &#160;of ultracentrifugation, loading, and wasting of reagents. This article describes a detailed method to fabricate an origami-paper-based device (Exo-PAD) designed for the effective enrichment and isolation of microvesicles and exosomes in a simple manner. The unique design of the Exo-PAD, consisting of accordion-like multifolded layers with convergent sample areas, is integrated with the ion concentration polarization technique, thereby enabling fivefold enrichment of the microvesicles and exosomes on specific layers. In addition, the enriched microvesicles and exosomes are isolated by simply unfolding the Exo-PAD.

Presented is a protocol to fabricate a paper-based device for the effective enrichment and isolation of microvesicles and exosomes.

마이크로베식및 엑소좀의 종이 기반 전농도 및 격리

Microvesicles and exosomes are small membranous vesicles released to the extracellular environment and circulated throughout the body. Because they ...

생화학

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, compliant and biomimetic nature of this deformation, actuators made of the laminate have received increasing interest in soft robotics and (bio)medical applications. However, methods to easily fabricate the active material in large (even industrial) quantities and with a high batch-to-batch and within-batch repeatability are needed to transfer the knowledge from laboratory to industry. This protocol describes a simple, industrially scalable and reproducible method for the fabrication of ionic carbon-based electromechanically active capacitive laminates and the preparation of actuators made thereof. The inclusion of a passive and chemically inert (insoluble) middle layer (e.g., a textile-reinforced polymer network or microporous Teflon) distinguishes the method from others. The protocol is divided into five steps: membrane preparation, electrode preparation, current collector attachment, cutting and shaping, and actuation. Following the protocol results in an active material that can, for example, compliantly grasp and hold a randomly shaped object as demonstrated in the article.

This article describes a fast and simple manufacturing process of ionic electromechanically active composite materials for actuators in biomedical, biomimetic and soft robotics applications. The key fabrication steps, their importance for the actuators&#39; final properties, and some of the main characterization techniques are described in detail.

탄소 기반 이온 전기 기계적 활성 연액추에이터 제작

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, ...

Ion-Exchange Membranes for the Fabrication of Reverse Electrodialysis Device

Reverse electrodialysis (RED) is an effective way to generate power by mixing two different salt concentrations in water using cation-exchange membranes (CEM) and anion-exchange membranes (AEM). The RED stack is composed of an alternating arrangement of the cation-exchange membrane and anion-exchange membrane. The RED device acts as a potential candidate for fulfilling the universal demand for future energy crises. Here, in this article, we demonstrate a procedure to fabricate a reverse electrodialysis device using laboratory-scale CEM and AEM for power production. The active area of the ion-exchange membrane is 49 cm2. In this article, we provide a step-by-step procedure for synthesizing the membrane, followed by the stack&#39;s assembly and power measurement. The measurement conditions and net power output calculation have also been explained. Furthermore, we describe the fundamental parameters that are taken into consideration for obtaining a reliable outcome. We also provide a theoretical parameter that affects the overall cell performance relating to the membrane and the feed solution. In short, this experiment describes how to assemble and measure RED cells on the same platform. It also contains the working principle and calculation used for estimating the net power output of the RED stack using CEM and AEM membranes.

We demonstrate the fabrication of a reverse electrodialysis device using a cation-exchange membrane (CEM) and anion-exchange membrane (AEM) for power generation.

역전기분해 장치 제조를 위한 이온 교환 멤브레인

Reverse electrodialysis (RED) is an effective way to generate power by mixing two different salt concentrations in water using cation-exchange membranes ...

Temperature-Controlled Assembly and Characterization of a Droplet Interface Bilayer

The droplet interface bilayer (DIB) method for assembling lipid bilayers (i.e., DIBs) between lipid-coated aqueous droplets in oil offers key benefits versus other methods: DIBs are stable and often long-lasting, bilayer area can be reversibly tuned, leaflet asymmetry is readily controlled via droplet compositions, and tissue-like networks of bilayers can be obtained by adjoining many droplets. Forming DIBs requires spontaneous assembly of lipids into high density lipid monolayers at the surfaces of the droplets. While this occurs readily at room temperature for common synthetic lipids, a sufficient monolayer or stable bilayer fails to form at similar conditions for lipids with melting points above room temperature, including some cellular lipid extracts. This behavior has likely limited the compositions&#8212;and perhaps the biological relevance&#8212;of DIBs in model membrane studies. To address this problem, an experimental protocol is presented to carefully heat the oil reservoir hosting DIB droplets and characterize the effects of temperature on the lipid membrane. Specifically, this protocol shows how to use a thermally conductive aluminum fixture and resistive heating elements controlled by a feedback loop to prescribe elevated temperatures, which improves monolayer assembly and bilayer formation for a wider set of lipid types. Structural characteristics of the membrane, as well as the thermotropic phase transitions of the lipids comprising the bilayer, are quantified by measuring the changes in electrical capacitance of the DIB. Together, this procedure can aid in evaluating biophysical phenomena in model membranes over various temperatures, including determining an effective melting temperature (TM) for multi-component lipid mixtures. This capability will thus allow for closer replication of natural phase transitions in model membranes and encourage the formation and use of model membranes from a wider swath of membrane constituents, including those that better capture the heterogeneity of their cellular counterparts.

This protocol details the use of a feedback temperature-controlled heating system to promote lipid monolayer assembly and droplet interface bilayer formation for lipids with elevated melting temperatures, and capacitance measurements to characterize temperature-driven changes in the membrane.

온도 제어 어셈블리 및 방울 인터페이스 Bilayer의 특성화

The droplet interface bilayer (DIB) method for assembling lipid bilayers (i.e., DIBs) between lipid-coated aqueous droplets in oil offers key benefits ...

Application of Electrophysiology Measurement to Study the Activity of Electro-Neutral Transporters

The transport of ions through cell membranes ensures the fine control of ion content within and outside the cell that is indispensable for cell survival. These transport mechanisms are mediated by the activities of specialized transporter proteins. Specifically,pH dynamics are finely controlled by plasma membrane proton (H+) extrusion systems, such as the Na+/H+ exchanger (NHE) protein family. Despite extensive efforts to study the mechanisms underlying NHE regulation, our current understanding of the biophysical and molecular properties of the NHE family is inadequate because of the limited availability of methods to effectively measure NHE activity. In this manuscript, we used H+-selective electrodes during whole-cell patch clamping recording to measure NHE-induced H+ flux. We proposed this approach to overcome some limitations of typically used methods to measure NHE activity, such as radioactive uptake and fluorescent membrane permeants. Measurement of NHE activity using the described method enables high sensitivity and time resolution and more efficient control of intracellular H+ concentrations. H+-selective electrodes are based on the fact that transporter activity creates an ion gradient in close proximity to the cell membrane. An H+-selective electrode moving up to and away from the cell membrane in a repetitive, oscillatory fashion records a voltage difference that is dependent on H+ flux. While H+-selective electrodes are used to detect H+ flux moving out of the cell, the patch clamp method in the whole-cell configuration is used to control the intracellular ion composition. Moreover, application of the giant patch clamp technique allows modification of the intracellular composition of not only ions but also lipids. The transporter activity of NHE isoform 3 (NHE3) was measured using this technical approach to study the molecular basis of NHE3 regulation by phosphoinositides.

This manuscript describes the applications of proton-selective electrodes and patch clamping methods to measure the activity of proton transport systems. These methods overcome some limitations of techniques commonly used to study proton transport activity, such as moderate sensitivity, time resolution and insufficient intracellular milieu control.

전기 중립 전송기의 활동을 연구 전기 생리학 측정의 응용

The transport of ions through cell membranes ensures the fine control of ion content within and outside the cell that is indispensable for cell survival. ...