Изготовление Трехмерная бумаги на основе микрожидком Устройства для иммуноанализа
Summary
Мы подробно метод для изготовления трехмерных бумажных микрожидкостных устройств для использования в разработке иммуноанализа. Наш подход к сборке устройства представляет собой тип многослойной структуры, добавка производства. Мы демонстрируем сэндвич иммуноанализа для получения репрезентативных результатов для этих видов бумажных устройств.
Abstract
Бумага фитили жидкости автономно за счет капиллярного действия. По кучность бумаги с гидрофобными барьерами, транспортировка жидкостей может контролироваться и направляться в слой бумаги. Кроме того, укладка нескольких слоев бумаги узорной создает сложные трехмерные микрожидкостных сети, которые могут поддержать развитие аналитических и биоаналитических анализов. Бумага на основе микрофлюидальные устройства недороги, портативный, легкий в использовании и не требуют внешнего оборудования для работы. В результате, они имеют большие перспективы в качестве платформы для точки оказания медицинской помощи диагностики. Для того, чтобы правильно оценить полезность и аналитическую производительность бумажных устройств, подходящие методы должны быть разработаны для обеспечения их производство является воспроизводимым и в масштабе, который подходит для лабораторных установок. В этой рукописи, способ для изготовления общей архитектуры устройства, которое может быть использовано для бумажных иммуноанализа описывается. Мы используем форму аддитивной изготовления уг (многослойное ламинирование) для подготовки устройства, которые содержат несколько слоев узорной бумаги и узорной клея. В дополнение к демонстрации надлежащего использования этих трехмерных бумажных микрофлюидальных устройств с иммуноанализа для хорионического гонадотропина человека (ХГЧ), ошибки в процессе производства, что может привести к отказам устройств обсуждаются. Мы ожидаем, что этот подход к технологии производства бумаги на основе устройства найдут широкое применение в разработке аналитических приложений, разработанных специально для условиях ограниченных ресурсов.
Introduction
Бумага широко доступен в диапазоне составов или классов, могут быть функционализированные для настройки его свойств, и может транспортировать жидкости автономно под действием капиллярных сил или впитывания. Если бумага с рисунком с гидрофобным веществом (например, фоторезист 1 или воск 2), впитывающее жидкости можно регулировать в пределах пространственно слоем бумаги. Например, приложенное водный образец может быть направлен на ряд различных зон, чтобы вступать в реакцию с химическими и биохимическими реагентами, хранящимся в бумаге. Эти бумажные микрофлюидальные устройства были продемонстрированы , чтобы быть полезной платформой для разработки портативных и недорогих аналитических анализов 3, 4, 5, 6, 7. Применение бумажных микрофлюидальных устройств включают в себя пункт-ухода диагностикиэф "> 8, мониторинг загрязнителей окружающей среды 9, обнаружение поддельных лекарственных средств 10, и делокализованы здравоохранения (или" телемедицина ") в ограниченных ресурсов установки 11.
Несколько слоев узорчатой бумаги могут быть собраны в единое устройство , где гидрофильные зоны из соседних слоев (то есть, выше или ниже) подключаются к образуют непрерывные жидкостных сети , чьи входы и выходы могут быть соединены или влево независимыми. 12 Каждый слой может содержать уникальный шаблон, который позволяет пространственное разделение реагентов и нескольких анализов , которые должны выполняться на одном устройстве. В результате трехмерная Микрожидкостных устройство не только способны впитывания жидкости, позволяющие аналитических анализов (например, функция печени тесты 13 и электрохимическую обнаружение малых молекул 14), но он может также вирпорт ряд сложных функций (например, клапаны 15 и 16 простых машин) , общие для традиционных микрофлюидальных подходов. Важно отметить, что из-за бумаги фитили жидкости под действием капиллярных сил, эти устройства могут работать с минимальными усилиями со стороны пользователя.
Поскольку реагенты могут быть сохранены в пределах трехмерной архитектуры бумажной основе устройства, сложные протоколы могут быть сведены к одному добавлением водного образца к устройству. Недавно мы представили общую архитектуру трехмерное устройство, которое может быть использовано для разработки бумажных иммуноанализа с использованием метода восковой печати для создания узорных слоев. 17, 18 Эти исследования были сосредоточены на том , как аспекты , связанные с конструкцией устройства-количества наложенных друг на друга слоев используется, состав слоев, и образец трехмерной микрожидком сети под контролем общей перпроизводительности таких иммуноанализа. В конечном счете, мы смогли использовать эти правила проектирования для содействия быстрому развитию мультиплексированного иммуноанализа 19. В этой рукописи, ранее разработанная для иммунологического анализа хорионического гонадотропина человека (ХГЧ; беременность гормон) 17 используется в качестве примера для иллюстрации стратегий , которые мы разработали для сборки и изготовления трехмерных бумажных иммуноанализа. Соответственно, мы ориентируемся на монтаже и эксплуатации устройства, а не разработке анализа.
В сэндвич иммуноанализа, который является форматом, используемым для обнаружения ХГЧ захвата антитела, специфичные к одной субъединице гормона наносят на твердую подложку, которая затем блокируют, чтобы ограничить неспецифической адсорбции образца или любого последующего реагента. Этот субстрат является наиболее часто полистирольный планшета дл (например, для твердофазного иммуноферментного анализа или ELISA). Затем образецдобавлены в лунку и оставляли выдерживаться в течение определенного периода времени. После тщательного промывания добавляют антитело, специфичное к другому субъединицей ХГЧ и позволили инкубировать. Это антитело обнаружения может быть конъюгирован с коллоидной частицы, фермент или флуорофором с целью получения измеримого сигнала. Хорошо снова промывают до интерпретации результаты анализа (например, с использованием планшет – ридера). В то время как коммерческие наборы полагаться на этот многоступенчатой трудоемкий процесс, все эти шаги могут быть быстро выполнены в бумажной основе микрожидкостных устройств с минимальным вмешательством к пользователю.
Устройство , используемое для ХГЧ иммунологического анализа включает в себя шесть активных слоев, которые, сверху вниз, используемые для добавления образца, сопряженного хранения, инкубации, захвата, промывка и блоттинга (рисунок 1). Образец дополнение слой изготовлен из качественной фильтровальной бумаги. Это облегчает введение жидкого образца и защищает реагенты в сопряженном ЛэR от загрязнения из окружающей среды или случайного контакта пользователем. Сопряженная слой (качественный бумажный фильтр) держит цвет по производству реагента (например, коллоидное золото-меченых антител) для иммуноферментного анализа. Инкубационный слой (качественный фильтровальная бумага) позволяет образец путешествовать в боковом направлении в пределах плоскости бумаги, чтобы способствовать связыванию аналита с реагентами до достижения следующего слоя, слой захвата. Слой захвата (нейлоновую мембрану) содержит лиганды, специфичные для анализируемого вещества, адсорбированного на материале. После того, как анализ завершен, то этот слой раскрывается для того, чтобы визуализировать законченного иммунокомплексными. Мыть слой (качественный фильтр бумаги) привлекает избыток жидкости в том числе свободных сопряженных реагентов вдали от поверхности слоя захвата в блот слой (толщиной хроматографической бумаги). Устройство шестислойный проводится совместно пятью слоями узорчатого, двухстороннюю клейкую: четыре слоя клея постоянного поддержания целостности ASSEMкровоточили устройство и один слой съемного клея облегчает отслаивание устройства для проверки результаты иммунологического анализа на слое захвата.
Для целей этой рукописи, мы используем только положительные и отрицательные контрольные образцы ХГЧ (0 мМЕ / мл и 81 мМЕ / мл, соответственно) для получения репрезентативных результатов бумажной основе иммуноферментного анализа, что позволяет специальный обсуждение взаимосвязи между способы изготовления и производительность устройства. В дополнение к демонстрации того, как успешно производить устройства, мы выделяем несколько производственных ошибок, которые могут привести к выходу из строя устройства или невоспроизводимых результатов анализа. Протокол и обсуждение подробно в этой рукописи предоставит исследователям ценную информацию о том, как на бумажной основе иммунологические разработаны и изготовлены. В то время как мы фокусируем нашу демонстрацию на иммуноанализа, мы ожидаем, что принципы, представленные здесь, будут широко полезны для изготовления трех-Дименасиональных на бумажной основе микрожидкостных устройств.
Protocol
Representative Results
Discussion
Определение воспроизводимый стратегии производства является одним из важнейших компонентов развития анализа. 22 Мы используем последовательный, слой за слоем подход к производству трехмерных бумажных микрожидкостных устройств. В отличие от тех методов , которые применя?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by Tufts University and by a generous gift from Dr. James Kanagy. This material is based upon work supported by the National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program under Grant No. (DGE-1325256) that was awarded to S.C.F. D.J.W. was supported by a U.S. Department of Education GAANN fellowship. We thank Dr. Jeremy Schonhorn (JanaCare), Dr. Jason Rolland (Carbon3D), and Rachel Deraney (Brown University) for helping develop the design of the three-dimensional paper-based microfluidic device and immunoassay.
Materials
| Illustrator CC | Adobe | to design patterns for layers of paper and adhesive | |
| Xerox ColorQube 8580 printer | Amazon | B00R92C9DI | to print wax patterns onto layers of paper and Nylon |
| Isotemp General Purpose Heating and Drying Oven | Fisher Scientific | 15-103-0509 | to melt wax into paper |
| Artograph LightTracer | Amazon | B000KNHRH6 | to assist with alignment of layers |
| Apache AL13P laminator | Amazon | B00AXHSZU2 | to laminate layers together |
| Graphtec CE6000 Cutting Plotter | Graphtec America | CE6000-40 | to pattern adhesive films |
| Swingline paper cutter | Amazon | B0006VNY4C | to cut paper or devices |
| Epson Perfection V500 photo scanner | Amazon | B000VG4AY0 | to scan images of readout layer |
| economy plier-action hole punch | McMaster-Carr | 3488A9 | to remove alignment holes |
| Whatman chromatogrpahy paper, Grade 4 | Sigma Aldrich | WHA1004917 | |
| Fisherbrand chromatography paper (thick) | Fisher Scientific | 05-714-4 | to function as blot layer |
| Immunodyne ABC (0.45 µm pore size ) | Pall Corporation | NBCHI3R | to function as material for capture layer |
| removable/permanent adhesive-double faced liner | FLEXcon | DF021621 | to facilitate peeling |
| permanent adhesive-double faced liner | FLEXcon | DF051521 | |
| wax liner | FLEXcon | FLEXMARK 80 D/F PFW LINER | to assist with patterning adhesive |
| acrylic sheet | McMaster-Carr | 8560K266 | to fabricate frame |
| self-adhesive sheets | Fellowes | CRC52215 | to use as protective slip |
| absolute ethanol | VWR | 89125-172 | to sanitize work area |
| bovine serum albumin | AMRESCO | 0332 | |
| Sekisui Diagnostics OSOM hCG Urine Controls | Fisher Scientific | 22-071-066 | to use as positive and negative samples |
| anti-β-hCG monoclonal antibody colloidal gold conjugate (clone 1) | Arista Biologicals | CGBCG-0701 | to treat conjugate layer |
| goat anti-α-hCG antibody | Arista Biologicals | ABACG-0500 | to treat capture layer |
| 10X phosphate buffered saline | Fisher Scientific | BP3991 | |
| Oxoid skim milk powder | Thermo Scientific | OXLP0031B | |
| Tween 20 | AMRESCO | M147 |
References
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Wiley, B. J., Gupta, M., Whitesides, G. M. FLASH: A rapid method for prototyping paper-based microfluidic devices. Lab Chip. 8 (12), 2146-2150 (2008).
- Carrilho, E., Martinez, A. W., Whitesides, G. M. Understanding wax printing: a simple micropatterning process for paper-based microfluidic devices. Anal. Chem. 81 (16), 7091-7095 (2009).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Butte, M. J., Whitesides, G. M. Patterned paper as a platform for inexpensive, low-volume, portable bioassays. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (8), 1318-1320 (2007).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Whitesides, G. M. Diagnostics for the developing world: microfluidic paper-based analytical devices. Anal. Chem. 82 (1), 2-10 (2010).
- Cate, D. M., Adkins, J. A., Mettakoonpitak, J., Henry, C. S. Recent developments in paper-based microfluidic devices. Anal. Chem. 87 (1), 19-41 (2015).
- Li, X., Ballerini, D. R., Shen, W. A perspective on paper-based microfluidics: Current status and future trends. Biomicrofluidics. 6, 011301 (2012).
- Lisowski, P., Zarzycki, P. K. Microfluidic paper-based analytical devices (µPADs) and micro total analysis systems (µTAS): Development, applications and future trends. Chromatographia. 76, 1201-1214 (2013).
- Pollock, N. R., et al. A paper-based multiplexed transaminase test for low-cost, point-of-care liver function testing. Sci. Transl. Med. 4 (152), 152ra129 (2012).
- Mentele, M. M., Cunningham, J., Koehler, K., Volckens, J., Henry, C. S. Microfluidic paper-based analytical device for particulate metals. Anal. Chem. 84 (10), 4474-4480 (2012).
- Weaver, A. A., et al. Paper analytical devices for fast field screening of beta lactam antibiotics and antituberculosis pharmaceuticals. Anal. Chem. 85 (13), 6453-6460 (2013).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Carrilho, E., Thomas, S. W., Sindi, H., Whitesides, G. M. Simple telemedicine for developing regions: camera phones and paper-based microfluidic devices for real-time, off-site diagnosis. Anal. Chem. 80 (10), 3699-3707 (2008).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Whitesides, G. M. Three-dimensional microfluidic devices fabricated in layered paper and tape. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105 (50), 19606-19611 (2008).
- Vella, S. J., et al. Measuring markers of liver function using a micro-patterned paper device designed for blood from a fingerprick. Anal Chem. 84 (6), 2883-2891 (2012).
- Nie, Z., Deiss, F., Liu, X., Akbulut, O., Whitesides, G. M. Integration of paper-based microfluidic devices with commercial electrochemical readers. Lab Chip. 10 (22), 3163-3169 (2010).
- Martinez, A. W., et al. Programmable diagnostic devices made from paper and tape. Lab Chip. 10 (19), 2499-2504 (2010).
- Connelly, J. T., Rolland, J. P., Whitesides, G. M. "Paper machine" for molecular diagnostics. Anal. Chem. 87 (15), 7595-7601 (2015).
- Schonhorn, J. E., Fernandes, S. C., Rajaratnam, A., Deraney, R. N., Rolland, J. P., Mace, C. R. A device architecture for three-dimensional, patterned paper immunoassays. Lab Chip. 14 (24), 4653-4658 (2014).
- Fernandes, S. C., Logounov, G. S., Munro, J. B., Mace, C. R. Comparison of three indirect immunoassay formats on a common paper-based microfluidic device architecture. Anal. Methods. 8 (26), 5204-5211 (2016).
- Deraney, R. N., Mace, C. R., Rolland, J. P., Multiplexed Schonhorn, J. E. patterned-paper immunoassay for detection of malaria and dengue fever. Anal. Chem. 88 (12), 6161-6165 (2016).
- Abramoff, M., Magalhaes, P. J., Ram, S. J. Image processing with ImageJ. Biophotonics Int. 11 (7), 36-42 (2004).
- Derda, R., et al. Multizone paper platform for 3D cell cultures. PLoS ONE. 6 (5), e18940 (2011).
- Mace, C. R., Deraney, R. N. Manufacturing prototypes for paper-based diagnostic devices. Microfluid. Nanofluidics. 16 (5), 801-809 (2014).
- Liu, H., Crooks, R. M. Three-dimensional paper microfluidic devices assembled using the principles of origami. J. Am. Chem. Soc. 133 (44), 17564-17566 (2011).
- Kalish, B., Tsutsui, H. Using Adhesive patterning to construct 3D paper microfluidic devices. J. Vis. Exp. (110), e53805 (2016).
- Scida, K., Cunningham, J. C., Renault, C., Richards, I., Crooks, R. M. Simple, sensitive, and quantitative electrochemical detection method for paper analytical devices. Anal. Chem. 86 (13), 6501-6507 (2014).
- Lewis, G. G., DiTucci, M. J., Baker, M. S., Phillips, S. T. High throughput method for prototyping three-dimensional, paper-based microfluidic devices. Lab Chip. 12 (15), 2630-2633 (2012).
- Kalish, B., Tsutsui, H. Patterned adhesive enables construction of nonplanar three-dimensional paper microfluidic circuits. Lab Chip. 14 (22), 4354-4361 (2014).
- Camplisson, C. K., Schilling, K. M., Pedrotti, W. L., Stone, H. A., Martinez, A. W. Two-ply channels for faster wicking in paper-based microfluidic devices. Lab Chip. 15 (23), 4461-4466 (2015).
