Completamente dispositivo automatizzato centrifuga Microfluidic per il rilevamento di proteine Ultrasensitive da sangue intero
Summary
This protocol demonstrates how to achieve femto molar detection sensitivity of proteins in 10 µL of whole blood within 30 min. This can be achieved by using electrospun nanofibrous mats integrated in a lab-on-a-disc, which offers high surface area as well as effective mixing and washing for enhanced signal-to-noise ratio.
Abstract
Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) is a promising method to detect small amount of proteins in biological samples. The devices providing a platform for reduced sample volume and assay time as well as full automation are required for potential use in point-of-care-diagnostics. Recently, we have demonstrated ultrasensitive detection of serum proteins, C-reactive protein (CRP) and cardiac troponin I (cTnI), utilizing a lab-on-a-disc composed of TiO2 nanofibrous (NF) mats. It showed a large dynamic range with femto molar (fM) detection sensitivity, from a small volume of whole blood in 30 min. The device consists of several components for blood separation, metering, mixing, and washing that are automated for improved sensitivity from low sample volumes. Here, in the video demonstration, we show the experimental protocols and know-how for the fabrication of NFs as well as the disc, their integration and the operation in the following order: processes for preparing TiO2 NF mat; transfer-printing of TiO2 NF mat onto the disc; surface modification for immune-reactions, disc assembly and operation; on-disc detection and representative results for immunoassay. Use of this device enables multiplexed analysis with minimal consumption of samples and reagents. Given the advantages, the device should find use in a wide variety of applications, and prove beneficial in facilitating the analysis of low abundant proteins.
Introduction
Diverse piattaforme per la diagnosi della malattia sono stati sviluppati sulla base di materiali su scala nanometrica 1,2, come nanofili, 3 nanoparticelle, nanotubi 4, 5 e nanofibre (NFS) 6-8. Questi nanomateriali offrono ottime prospettive nella progettazione di nuove tecnologie per saggi biologici altamente sensibili per le loro proprietà fisico-chimiche uniche. Ad esempio, mesoporosa zinco nanofibre ossido sono stati utilizzati per la rivelazione sensibile femto-molare di biomarcatori cancro al seno. 9 Recentemente, nanomateriali a base di biossido di titanio (TiO 2) sono stati esplorati per applicazioni bioanalitici 10 considerando la loro stabilità chimica, 11 denaturazione proteica trascurabile , 12 e biocompatibilità. 13 Inoltre, i gruppi idrossilici sulla superficie di TiO 2 facilitare modificazione chimica e l'attacco covalente di biomolecole. 14,15 modellato TiO 2 thin film 16 o TiO 2 nanotubi 17 sono stati utilizzati per migliorare la sensibilità di rilevazione di una proteina bersaglio, aumentando l'area superficiale; Tuttavia, il processo di fabbricazione è piuttosto complessa e richiede attrezzature costose. D'altra parte, NFS elettrofilate stanno ricevendo attenzione a causa della loro elevata area superficiale, così come processo semplice e di fabbricazione a basso costo; 18,19 ancora, la caratteristica fragile o allentato del NF mat elettrofilate TiO 2 rende difficile da gestire e integrazione con dispositivi microfluidici. 6,20 Pertanto, le TiO2 tappetini NF sono stati raramente utilizzati in applicazioni bioanalitiche, in particolare quelle che richiedono condizioni di lavaggio difficili.
In questo studio, per superare queste limitazioni, abbiamo sviluppato una nuova tecnologia per il trasferimento del elettrofilate NF stuoie sulla superficie di un substrato bersaglio utilizzando uno strato adesivo polidimetilsilossano sottile (PDMS). Furthermore, abbiamo dimostrato con successo l'integrazione di elettrofilate TiO 2 NF stuoie su un dispositivo microfluidico centrifuga in policarbonato (PC). Utilizzando questo dispositivo, una rivelazione sensibile alto, completamente automatizzato e integrato di proteina C-reattiva (CRP) e troponina I cardiaca (cTnI) è stata raggiunta entro 30 minuti da solo 10 ml di sangue intero. 21 A causa della combinata vantaggi delle proprietà della FN e la piattaforma centrifuga, il saggio esposti un'ampia gamma dinamica di sei ordini di grandezza da 1 pg / ml (~ 8 fM) a 100 ng / ml (~ 0,8 pm) con un limite inferiore di rilevamento di 0,8 pg / ml (~ 6 fM) per CRP e una gamma dinamica di 10 pg / ml (~ 0,4 pM) a 100 ng / ml (~ 4 nM) con un limite di rilevazione di 37 pg / ml (~ 1,5 pM) per cTnI. Questi limiti di rilevabilità sono ~ 300 ~ e 20 volte inferiore rispetto ai loro corrispondenti risultati convenzionali ELISA. Questa tecnica può essere applicata per la rilevazione di eventuali proteine bersaglio, con anticorpi appropriati. Nel complesso, questo dispositivo could contribuiscono notevolmente alla diagnostica in vitro e saggi biochimici poiché può rilevare rare quantità di proteine bersaglio con grande sensibilità anche da piccole quantità di campioni biologici; ad esempio, 10 ml di sangue intero. Sebbene abbiamo dimostrato solo la rilevazione di proteine del siero utilizzando ELISA in questo studio, la tecnologia di trasferimento e l'integrazione dei elettrofilate NFs con dispositivi microfluidici potrebbe essere più ampiamente applicato in altre reazioni biochimiche che richiedono una grande superficie per alta sensibilità di rilevazione.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il saggio su TiO 2 NF disco integrato è una tecnica rapida, economica e conveniente per la rilevazione ultrasensibile di basse proteine abbondanti presenti in molto basso volume di sangue. Questa tecnica ha il vantaggio di utilizzare piccoli volumi di campione (10 microlitri) ed è suscettibile di analisi di campioni multipli simultaneamente. Questo fornisce un grande potenziale come dispositivo di multiplexing immunologico. Il dispositivo ha il vantaggio che non richiede Campione fasi di pretrattament…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla Fondazione per la Ricerca Nazionale di Corea (NRF) sovvenzioni (2013R1A2A2A05004314, 2012R1A1A2043747), una sovvenzione da parte della Corea Salute Technology R & S del progetto, Ministero della Salute e del Welfare (A121994) e IBS-R020-D1 finanziata dal governo coreano.
Materials
| Si wafer | LG SILTRON | Polished Wafer, test grade | Dia. (mm) = 150, orientation = <100>, dopant = boron, RES(Ohm-cm) = 1 – 30, thickness (μm) = 650 – 700 |
| Polycarbonate (PC) | Daedong Plastic | PCS#6900 | Thickness (mm) = 1 and 5 |
| Titanium tetraisopropoxide, 98%, | Sigma-Aldrich | 205273 | |
| Polyvinylpyrrolidone, Mw = 1,300,000 | Sigma-Aldrich | 437190 | |
| Acetic acid | Sigma-Aldrich | 320099 | |
| Anhydrous ethanol | Sigma-Aldrich | 459836 | |
| Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilane | Sigma-Aldrich | 448931 | |
| PDMS and curing agent | Dow Corning | SYLGARD 184 | |
| GPDES | Gelest Inc | SIG5832.0 | |
| Ethanol | J T Baker | ||
| FE-SEM | FEI | Nova NanoSEM | |
| X-ray photoelectron spectroscopy | ThermoFisher | K-alpha | |
| 3D modeling machine | M&I CNC Lab, Korea | CNC milling machine | |
| Wax-dispensing machine | Hanra Precision Eng. Co. Ltd., Korea | Customized | |
| Double-sided adhesive tape | FLEXcon, USA | DFM 200 clear 150 POLY H-9 V-95 | |
| Cutting plotter | Graphtec Corporation, Japan | Graphtec CE3000-60 MK2 | |
| Spin coater | MIDAS | SPIN-3000D | |
| Furnace (calcination) | R. D. WEBB COMPANY | WEBB 99 | |
| Rheometer (Tack test) | Thermo Scientific | Haake MARS III – ORM Package | |
| Oxygen plasma system | FEMTO | CUTE | |
| Monoclonal mouse antihuman hsCRP | Hytest Ltd., Finland | 4C28 | (clone # C5) |
| Monoclonal mouse anti-cTnI | Hytest Ltd., Finland | 4T21 | (clone # 19C7) |
| HRP conjugated goat polyclonal anti-hsCRP | Abcam plc., MA | ab19175 | |
| HRP conjugated mouse monoclonal anti-cTnI | Abcam plc., MA | ab24460 | (clone # 16A11) |
| hsCRP | Abcam plc., MA | ab111647 | |
| cTnI | Fitzgerald, MA | 30-AT43 | |
| Bovine Albumin | Sigma-Aldrich | A7906 | |
| PBS | Amresco Inc | E404 | |
| Blood collection tubes | BD vacutainer | 367844 | K2 EDTA 7.2 mg plus blood collection tubes |
| SuperSignal ELISA femto | Invitrogen | 37074 | |
| Modular multilabel plate reader | Perkin Elmer | Envision 2104 | |
| Disc operating machine | Hanra Precision Eng. Co. Ltd., Korea | Customized | |
| Photomultiplier tube (PMT) | Hamamatsu Photonics | H1189-210 | |
| AutoCAD | AutoDesk | Version 2012 | Design software |
| SolidWorks 3D CAD software | SOLIDWORKS Corp. | Version 2013 | 3D Design software, |
| Edgecam | Vero software | version 2009.01.06928 | Code generating software |
| DeskCNC | Carken Co. | version 2.0.2.18 | CNC milling machine software |
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