منصة ميكروفلويديك مع تعدد كشف الالكترونية لتتبع المكانية من الجسيمات
Summary
علينا أن نظهر منصة ميكروفلويديك مع شبكة القطب سطح المتكاملة التي تجمع بين الاستشعار عن نبض مقاوم (RPS) مع سي دي إم أيه (CDMA)، إلى تعدد كشف والتحجيم من الجزيئات في قنوات ميكروفلويديك متعددة.
Abstract
معالجة ميكروفلويديك من العينات البيولوجية عادة ما ينطوي على تلاعب التفاضلية من الجسيمات العالقة ضمن الحقول قوة مختلفة من أجل يجزئ مكانيا العينة على أساس الملكية البيولوجية من الفائدة. للتوزيع المكاني الناتجة لاستخدامها قراءات الفحص، وكثيرا ما تتعرض أجهزة ميكروفلويديك إلى التحليل المجهري تتطلب أجهزة معقدة مع ارتفاع التكاليف وتخفيض قابلية. لمعالجة هذا القيد، قمنا بتطوير تكنولوجيا الاستشعار إلكترونية متكاملة للكشف عن المضاعفة من الجسيمات في مواقع مختلفة على رقاقة ميكروفلويديك. لدينا التكنولوجيا، ودعا رموز ميكروفلويديك، تجمع نبض مقاوم الاستشعار مع سي دي إم أيه لضغط 2D المعلومات المكانية إلى إشارة كهربائية 1D. في هذه الورقة، ونحن تقديم دليل عملي لهذه التكنولوجيا رموز ميكروفلويديك للكشف عن وحجم الخلايا السرطانية مثقف توزيعها عبر قنوات ميكروفلويديك متعددة. مثلالمصادق عليها من قبل المجهر عالية السرعة، ويمكن للتكنولوجيا لدينا تحليل بدقة السكان الخلية كثيفة جميع إلكترونيا دون الحاجة إلى أداة خارجية. على هذا النحو، يمكن للرموز ميكروفلويديك يحتمل تمكين متكاملة من الأجهزة منخفضة التكلفة المختبر على واحد في رقاقة التي هي مناسبة تماما لاختبار نقطة من الرعاية من العينات البيولوجية.
Introduction
كشف دقيق وتحليل الجزيئات البيولوجية مثل الخلايا والبكتيريا أو الفيروسات العالقة في السائل هو من مصلحة كبيرة لمجموعة من التطبيقات 1، 2، 3. حسنا المطابقة في الحجم وأجهزة ميكروفلويديك توفر مزايا فريدة من نوعها لهذا الغرض مثل ذات حساسية عالية، لطيف التلاعب العينة والمكروية تسيطر عليها بشكل جيد، 4، 5، 6، 7. وبالإضافة إلى ذلك، أجهزة ميكروفلويديك يمكن أن تكون مصممة لاستخدام مزيج من ديناميات السوائل وحقول القوة ليجزئ بشكل سلبي على السكان غير متجانسة من الجزيئات البيولوجية على أساس الخصائص المختلفة 8، 9، 10، 11، 12. في تلك جهازالصورة، توزيع الجسيمات الناتجة يمكن أن تستخدم قراءات لكن المعلومات المكانية يمكن الوصول إليها عادة إلا من خلال المجهر، مما يحد من فائدة عملية للجهاز ميكروفلويديك من خلال ربطه إلى بنية تحتية المختبر. ولذلك، جهاز استشعار المتكاملة التي يمكن أن التقرير بسهولة رسم الخرائط الزمانية المكانية الجزيئات، كما يتم التلاعب فيها على جهاز ميكروفلويديك، من المحتمل أن تمكن منخفضة التكلفة ومتكاملة أجهزة المختبر على واحد في رقاقة التي هي جاذبية خاصة لاختبار عينات في الجوال ، المناطق ذات الموارد المحدودة.
وقد استخدمت أقطاب رقيقة كما أجهزة الاستشعار المدمجة في أجهزة ميكروفلويديك لمختلف التطبيقات 13 و 14. نبض مقاوم الاستشعار (RPS) جذابة بشكل خاص للاستشعار متكاملة من جزيئات صغيرة في قنوات ميكروفلويديك، حيث أنها توفر آلية قوية وحساسة، والكشف عن الإنتاجية العالية مباشرة من القياسات الكهربائية 15. في الديرة، وتعديل مقاومة بين زوج من الأقطاب الكهربائية، منغمسين في المنحل بالكهرباء، ويستخدم كوسيلة للكشف عن الجسيمات. عندما يمر الجسيمات من خلال فتحة، الحجم بناء على أمر من الجسيمات، يتم استخدام عدد واتساع النبضات عابرة في التيار الكهربائي لحساب وحجم الجسيمات، على التوالي. وعلاوة على ذلك، هندسة استشعار يمكن أن تكون مصممة مع قرار الطباعة التصويرية لتشكيل الطول الموجي نبض مقاوم من أجل تعزيز حساسية 16، 17، 18، 19 أو لتقدير الوضع الرأسي للجسيمات في قنوات الموائع الدقيقة 20.
وأدخلنا مؤخرا مقاوم المضاعفة تكنولوجيا الاستشعار عن نبض قابلة للوبسيطة تسمى ميكروفلويديك الأكواد متعامد كشفها بواسطة الاستشعار الكهربائية (رموز ميكروفلويديك) 21. رموز الموائع الدقيقة تعتمد علىشبكة مترابطة من أجهزة الاستشعار نبض مقاوم، يتألف كل منها من مجموعة من الأقطاب الكهربائية مجهريا لتعديل التوصيل بطريقة ومميزة فريدة من نوعها، وذلك لتمكين مضاعفة. لقد صممت خصيصا لكل جهاز استشعار لإنتاج إشارات كهربائية المتعامدة مماثلة لرموز الرقمية المستخدمة في سي دي إم أيه 22 (CDMA) شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية، بحيث الفردية إشارة استشعار نبض مقاوم يمكن استرداد فريد من الموجي الناتج واحد، حتى لو إشارات من أجهزة استشعار مختلفة تتداخل. وبهذه الطريقة، لدينا التكنولوجيا الكمادات المعلومات المكانية 2D من الجسيمات إلى إشارة كهربائية 1D، والسماح رصد الجسيمات في مواقع مختلفة على رقاقة ميكروفلويديك، مع الحفاظ على حد سواء تعقيد device- وعلى مستوى النظام إلى الحد الأدنى.
في هذه الورقة، نقدم بروتوكول مفصلة عن الطرق التجريبية والحسابية اللازمة لاستخدام التكنولوجيا رموز ميكروفلويديك، وكذلك صالنتائج epresentative من استخدامه في تحليل العينات البيولوجية المحاكاة. استخدام النتائج من جهاز النموذج مع أربعة أجهزة استشعار المضاعفة كمثال لشرح هذه التقنية، ونحن نقدم البروتوكولات على (1) عملية التصنيع الدقيق لإنشاء أجهزة ميكروفلويديك مع التكنولوجيا رموز ميكروفلويديك، (2) وصف الإعداد التجريبية بما في ذلك الإلكترونية، والبصرية، وفلويديك الأجهزة، (3) خوارزمية الكمبيوتر من أجل فك رموز التدخل إشارات من أجهزة الاستشعار المختلفة، و (4) نتائج من كشف وتحليل الخلايا السرطانية في القنوات ميكروفلويديك. ونحن نعتقد أن استخدام بروتوكول مفصلة وصفها هنا، يمكن للباحثين الآخرين تطبيق التكنولوجيا لدينا لأبحاثهم.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد سبق أن أدرجت أجهزة استشعار نبض مقاوم متعددة في رقائق ميكروفلويديك 28، 29، 30، 31، 32. في هذه الأنظمة، وإما غير المضاعفة أجهزة استشعار نبض مقاوم 28، …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by National Science Foundation Award No. ECCS 1610995. The authors would like to thank the Institute of Electronics and Nanotechnology and the Parker H. Petit Institute for Bioengineering and Bioscience staff for their support in using shared facilities. The authors also would like to thank Chia-Heng Chu for his help in preparing the manuscript.
Materials
| 98% Sulfuric Acid | BDH Chemicals | BDH3074-3.8LP | |
| 30% Hydrogen Peroxide | BDH Chemicals | BDH7690-3 | |
| Trichlorosilane | Aldrich Chemistry | 235725-100G | |
| NR9-1500PY Negative Photoresist | Furuttex | ||
| Resist Developer RD6 | Furuttex | ||
| Acetone | BDH Chemicals | BDH1101-4LP | |
| SU-8 2015 Negative Photoresist | Microchem | SU8-2015 | |
| SU-8 Developer | Microchem | Y010200 | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | 3097358-1004 | Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit |
| Isopropyl Alcohol | BDH Chemicals | BDH1133-4LP | |
| RPMI 1640 | Corning Cellgro | 10-040-CV | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Seradigm | 1500-050 | |
| Penicillin-Streptomycin | Amresco | K952-100ML | |
| Phosphate-Buffered Saline (PBS) | Corning Cellgro | 21-040-CM | |
| PHD 22/2000 Syringe Pump | Harvard Apparatus | 70-2001 | |
| HF2LI Lock-in Amplifier | Zurich Instrument | ||
| HF2TA Current Amplifier | Zurich Instrument | ||
| Eclipse Ti-U Microscope | Nikon Corporation | ||
| DS-Fi2 High-Definition Color Camera | Nikon Corporation | ||
| v7.3 High-speed Camera | Phantom | ||
| PCIe-6361 Data Acquisition Board | National Instruments | 781050-01 | |
| BNC-2120 Shielded Connector Block | National Instruments | 777960-01 | |
| PX-250 Plasma Treatment System | Nordson MARCH |
References
- De Roy, K., Clement, L., Thas, O., Wang, Y., Boon, N. Flow cytometry for fast microbial community fingerprinting. Water Res. 46 (3), 907-919 (2012).
- Vives-Rego, J., Lebaron, P., Nebe-von Caron, G. Current and future applications of flow cytometry in aquatic microbiology. FEMS Microbiol Rev. 24 (4), 429-448 (2000).
- Alvarez-Barrientos, A., Arroyo, J., Cantón, R., Nombela, C., Sánchez-Pérez, M. Applications of flow cytometry to clinical microbiology. Clin Microbiol Rev. 13 (2), 167-195 (2000).
- Toner, M., Irimia, D. Blood-on-a-chip. Annu Rev Biomed Eng. 7, 77-103 (2005).
- Mehling, M., Tay, S. Microfluidic cell culture. Current Opin Biotech. 25, 95-102 (2014).
- Sarioglu, A. F., et al. A microfluidic device for label-free, physical capture of circulating tumor cell clusters. Nat Methods. 12 (7), 685-691 (2015).
- Cermak, N., et al. High-throughput measurement of single-cell growth rates using serial microfluidic mass sensor arrays. Nat Biotechnol. , (2016).
- Gossett, D., et al. Label-free cell separation and sorting in microfluidic systems. Anal Bioanal Chem. 397 (8), 3249-3267 (2010).
- Tsutsui, H., Ho, C. Cell separation by non-inertial force fields in microfluidic systems. Mech Res Commun. 36 (1), 92-103 (2009).
- Edwards, T. L., Gale, B. K., Frazier, A. B. A microfabricated thermal field-flow fractionation system. Anal Chem. 74 (6), 1211-1216 (2002).
- Wang, M. M., et al. Microfluidic sorting of mammalian cells by optical force switching. Nat Biotechnol. 23 (1), 83-87 (2005).
- Shields, C. W., Reyes, C. D., López, G. P. Microfluidic cell sorting: a review of the advances in the separation of cells from debulking to rare cell isolation. Lab Chip. 15 (5), 1230-1249 (2015).
- Gawad, S., Schild, L., Renaud, P. Micromachined impedance spectroscopy flow cytometer for cell analysis and particle sizing. Lab Chip. 1 (1), 76-82 (2001).
- Haandbæk, N., Bürgel, S. C., Heer, F., Hierlemann, A. Characterization of subcellular morphology of single yeast cells using high frequency microfluidic impedance cytometer. Lab Chip. 14 (2), 369-377 (2014).
- Bayley, H., Martin, C. Resistive-pulse sensing-from microbes to molecules. Chem Rev. 100 (7), 2575-2594 (2000).
- Polling, D., Deane, S. C., Burcher, M. R., Glasse, C., Reccius, C. H. Coded electrodes for low signal-noise ratio single cell detection in flow-through impedance spectrophy. , 3-7 (2010).
- Javanmard, M., Davis, R. W. Coded corrugated microfluidic sidewalls for code division multiplexing. IEEE Sensors J. 13 (5), 1399-1400 (2013).
- Balakrishnan, K. R., et al. Node-pore sensing: a robust, high-dynamic range method for detecting biological species. Lab Chip. 13 (7), 1302-1307 (2013).
- Emaminejad, S., Talebi, S., Davis, R. W., Javanmard, M. Multielectrode sensing for extraction of signal from noise in impedance cytometry. IEEE Sensors J. 15 (5), 2715-2716 (2015).
- Spencer, D., Caselli, F., Bisegna, P., Morgan, H. High accuracy particle analysis using sheathless microfluidic impedance cytometry. Lab Chip. 16 (2016), 2467-2473 (2016).
- Liu, R., Wang, N., Kamili, F., Sarioglu, A. Microfluidic CODES: a scalable multiplexed electronic sensor for orthogonal detection of particles in microfluidic channels. Lab Chip. 16 (8), 1350-1357 (2016).
- Buehrer, R. Code Division Multiple Access (CDMA). Synthesis Lectures on Communications. 1 (1), 1-192 (2006).
- Proakis, J. . Digital Communications. , (1989).
- Patel, P., Holtzman, J. Analysis of a simple successive interference cancellation scheme in a DS/CDMA system. IEEE J Sel Areas Commun. 12 (5), 796-807 (1994).
- Hui, A., Letaief, K. Successive interference cancellation for multiuser asynchronous DS/CDMA detectors in multipath fading links. IEEE Trans Commun. 46 (3), 384-391 (1998).
- Whittle, P. Prediction and regulation by linear least-square methods. J Macroecon. 7 (1), 126 (1985).
- Whitesides, G., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., Ingber, D. Soft lithography in biology and biochemistry. Annu Rev Biomed Eng. 3 (1), 335-373 (2001).
- Zhe, J., Jagtiani, A., Dutta, P., Hu, J., Carletta, J. A micromachined high throughput Coulter counter for bioparticle detection and counting. J Micromech Microeng. 17 (2), 304-313 (2007).
- Song, Y., Yang, J., Pan, X., Li, D. High-throughput and sensitive particle counting by a novel microfluidic differential resistive pulse sensor with multidetecting channels and a common reference channel. Electrophoresis. 36 (4), 495-501 (2015).
- Watkins, N., et al. Microfluidic CD4+ and CD8+ T lymphocyte counters for point-of-care HIV diagnostics using whole blood. Sci Transl Med. 5 (214), 214ra170 (2013).
- Chen, Y., et al. Portable Coulter counter with vertical through-holes for high-throughput applications. Sensor Actuat B-Chem. 213, 375-381 (2015).
- Jagtiani, A., Carletta, J., Zhe, J. An impedimetric approach for accurate particle sizing using a microfluidic Coulter counter. J Micromech Microeng. 21 (4), 045036 (2011).
- Gold, R. Optimal binary sequences for spread spectrum multiplexing (Corresp). IEEE Trans. Inform. Theory. 13 (4), 619-621 (1967).
- Dinan, E., Jabbari, B. Spreading codes for direct sequence CDMA and wideband CDMA cellular networks. IEEE Commun Mag. 36 (9), 48-54 (1998).
