微流体为基础的电化学生物芯片的无标记的DNA杂交分析
Summary
我们提出了一个微流体为基础的电化学生物芯片的DNA杂交检测。以下的ssDNA探针官能化，特异性，灵敏度和检测极限进行了研究具有互补和非互补ssDNA的目标。结果表明在电化学系统中的DNA杂交事件的影响，以3.8纳米的检测极限。
Abstract
分析台式程序进入微规模的小型化提供显著优点在关于反应时间，成本和集成的预处理步骤。利用这些设备对的DNA杂交事件的分析是重要的，因为它提供了一种技术，生物标志物的实时评估，在点的护理各种疾病。然而，当该装置的足迹减少的各种物理现象的增加的优势地位。这些现象影响了制造精度和设备的运行可靠性。因此，存在很大的需求，以改善总体性能精确制造和操作中的可重现的方式处理这些装置。在这里，我们描述的协议和用于制造和微流体为基础的电化学生物芯片的DNA的杂交事件的准确分析的操作方法。生物芯片是由两部分组成：一个微流体芯片与三个平行的微通道进行聚二甲基硅氧烷（PDMS），以及一个3×3阵列的电化学微芯片。采用电化学阻抗谱（EIS）分析，检测到的DNA杂交的事件。 EIS的分析，可以在电化学系统中是主要的，在这些尺度的特性的监视的变化。与以监测电荷转移和扩散阻力与生物传感器的变化的能力，我们证明以下20分钟的选择性互补的单链DNA靶，380纳米的计算检测限，并且13％的交叉反应性与其他非互补单链DNA孵化。这种方法可以通过阐明上扩散在微观尺度制度的行为，以及允许的DNA杂交事件的研究提高微型设备的性能。
Introduction
微流控芯片实验室级芯片（LOC）的设备提供众多优势，在临床诊断，环境监测和生物医学研究。这些器件利用微流体通道，以控制流体流动的芯片，其中各种程序可发生包括试剂的混合，基于结合亲和力，信号转导和细胞培养1-4的区域。微流控技术提供了许多优点比传统的临床诊断工具，如微孔板读者或电泳凝胶迁移实验。微流体器件需要的大小为2〜3个数量级（纳升，而不是微升）更少的试剂来执行类似分析。此外，这些设备可以增加通过其中的一些生物学事件的发生是由于在物种内的通道5,6越小约束的速度。第三，传感器可以在使用光刻技术和蚀刻技术的微流体装置，其可以提供无标记detectio被集成ñ。最后，这些装置是廉价的，以产生与需要的操作7-10技术人员的部分少的工作。
标签的检测通常是使用光学或电气传感器执行。光学器件可以是由于与样品中的分析物低干扰呈现更好的感测性能。然而，他们的表现受到损害的情况下样品的背景具有相同的共振波长的传感器11。有许多优点，使用电信号来执行生物和化学检测在微流体系统中。制造本质上是较不复杂的，因为这些传感器通常只需要图案化电极来操作。此外，电信号可以直接与具有最高的测量设备，而其它信号模式可能要求换能器的信号12-15转换。电子传感器通常测量的变化impedancê16,17，电容18，或氧化还原活性19。然而，新的挑战表示为这些系统的小型化。要克服的最重要的挑战包括：样品制备和流体（由于低的样品体积和雷诺数）的混合，物理和化学作用（包括毛细管力，表面粗糙度，建筑材料和分析物之间的化学相互作用），低信号 – 噪比20-23，并从复杂的生物样品（ 例如 ，血液和唾液）中电活性分析物的潜在干扰（通过减小的表面积和体积。生产）。这些影响进一步的调查将导致在可重复的方式处理这些设备，将改善其整体性能的精确制造和操作指南。
用于DNA杂交检测广泛诊断遗传性疾病24,25和各种形式的CANC呃26。每年，流感多株被确定使用从DNA杂交技术，结果27例患者。流感病毒就占每年36,000人死亡，在美国28。这样的例子可能受益于在不牺牲灵敏度或特异性可以执行相同的分析技术如用低的样品体积的板读取器或凝胶移位分析，并在成本的一小部分台式微流体装置。由于无标记的电化学传感的许多优点，它已被广泛地用于检测DNA杂交事件29,30。其中宏观尺度的电极（在毫米范围内）浸在烧杯中与感兴趣的溶液A的设置可以被用于提供关于单链DNA序列的结合动力学它们匹配的互补序列非常敏感数据。最近，一直在结合电化学传感MICR几进展ofluidics的DNA杂交。研究已经完成对杂交动力学31和传感器整合在微流体通道检测15。然而，仍然需要一种能够分析DNA杂交事件在平行无需复杂的样品制备步骤的快速高通量微流体装置。
在这项工作中提出的设备提供了一个平台，允许多个交互并行，没有复杂的样品制备步骤进行筛选。我们的协议介绍如何微流体为基础的电化学生物芯片的微细加工和微机电系统（MEMS）技术32,33。我们描述的两个微流体芯片，聚二甲基硅氧烷制成（PDMS），以及电化学芯片的制造过程中，由电极阵列。生物芯片的化学官能与单链DNA探针也被解决。最后，ABIL生物传感器的性特异性检测和分析的ssDNA目标是证明。总体而言，微流体为基础的电化学生物芯片是一种快速和高通量分析技术。它可以被用于研究生物分子和导电换能器之间的相互作用，并能在各种上实验室芯片应用中使用。
Protocol
Representative Results
Discussion
我们的方法展示出一种微流体为基础的电化学生物芯片的制造和利用的DNA杂交的事件分析。通过高收益率来控制微细加工过程中，我们开发包括集成电化学传感器阵列微型通道的设备。我们已经通过迭代的方法设计用于电化学芯片和微流体通道模具的光刻过程控制处理参数。这些步骤为其他微型分析仪器未来创造的指导方针。重要的是，它们提供了一种方法，以优化各种生物感测的参数，如信号 …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者承认罗伯特·W·德基金会，国防威胁降低局（DTRA）和美国国家科学基金会新兴前沿研究和创新（EFRI）的资金支持。作者还感谢马里兰州Nanocenter及其Fablab洁净室设施的支持。
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Material | |||
| 4'' Silicon wafer | Ultrasil | 4-5664 | Single side polished; P-type; Boron doped; Orientation 1-0-0; Thickness 500 micron; Resistance 10-20 ohm*cm |
| Shipley 1813 photoresist ("PR1") | Microchem | positive photoresist | |
| AZ5214 photoresist ("PR2") | Hoechst Celanse | positive photoresist | |
| SU-8 50 photoresist ("PR3") | Microchem | negative photoresist | |
| Gold etchant | Transene | TFA | No dilution |
| Chromium etchant | Transene | 1020AC | No dilution |
| PDMS elastomer | Dow Corning | 3097366 1004 | |
| PDMS curing agent | Dow Corning | 3097358 1004 | |
| Biopsy punching tool | Healthlink | BP20 | |
| Tygon flexible tubing | Cole Parmer | R 3603 | .015" |
| Tygon flexible adapter | Cole Parmer | 06417-41 | .0625" |
| 1 mL syringe | Beckton-Dickenson | 301025 | |
| Monobasic potassium phosphate | Fluka | 1551139 | |
| Potassium phosphate dibasic anhydrous | Sigma | RES20765-A7 | |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| tris(2-carboxyethyl)phosphine | Aldrich | C4706 | |
| 6-mercapto-1-hexanol | Aldrich | 451088 | |
| 20x concentrated saline-sodium citrate buffer | Sigma | 93017 | |
| Potassium hexacyanoferrate(III) | Aldrich | 455946 | |
| Sodium ferrocyanide | Aldrich | CDS001589 | |
| Target ssDNA #1 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-/5ThioMC6-D/AAAGCTCCGATAGCGCTCCG TGGACGTCCC-3’ |
| Complementary ssDNA #1 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-GGGACGTCCACGGAGCGCTA TCGGAGCTTT-3’ |
| Target ssDNA #2 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-/5ThioMC6-D/ACGCGTCAGGTCATTGACGA ATCGATGAGT-3’ |
| Complementary ssDNA #2 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-ACTCATCGATTCGTCAATGA CCTGACCCGT-3’ |
| Target ssDNA #3 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-/5ThioMC6-D/ACCTAGATCCAGTAGTTAGA CCCATGATGA-3’ |
| Complementary ssDNA #3 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-TCATCATGGGTCTAACTACT GGATCTAGGT-3’ |
| Instrument | |||
| Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) | Oxford Instruments | PlasmaLab System 100 | Chamber pressure 1000 mTorr, Tempreture 200 celsius degrees, RF power 20 W, Gasses: a) N2O flow rate 710 sccm; b) a composition of 5% SiH4 and 95% N2 gasses flow rate 170 sccm, SiO2 growth rate 690 Angstrom/minute. |
| DC sputtering unit | AJA International | ATC 1800-V | For Chrome: Chamber pressure 10 mTorr, Argon flow rate 20 sccm, Supplied DC power 200 W, Sputter rate 10 nm/min. For Gold: Chamber pressure 10 mTorr, Argon flow rate 20 sccm, Supplied DC power 200 W, Sputter rate 36 nm/min. |
| E-beam evaporation system | Denton | Custom-built | For Titanium: Chamber pressure <2E-6 Torr, Supplied power to the e-gun 7.5k W, Filament current 150-200 mA, Evaporation rate 6-10 Angstrom/second. For Platinum: Chamber pressure <2E-6 Torr, Supplied power to the e-gun 7.5k W, Filament current 150-200 mA, Evaporation rate 2-3 Angstrom/second. |
| Potentiostat | CH Instruments | 660D | |
| Syringe pump | KD Scientific | KDS230 |
Riferimenti
- Hong, J., Edel, J. B., deMello, A. J. Micro- and nanofluidic systems for high-throughput biological screening. Drug Discov. Today. 14, 134-146 (2009).
- Sun, Y., Kwok, Y. C. Polymeric microfluidic system for DNA analysis. Anal. Chim. Acta. 556, 80-96 (2006).
- Xu, Y., Yang, X., Wang, E. Review: aptamers in microfluidic chips. Anal. Chim. Acta. 683, 12-20 (2010).
- Yang, W., Woolley, A. T. Integrated multiprocess microfluidic systems for automating analysis. J. Lab. Automat. 15, 198-209 (2010).
- Gervais, T., Jensen, K. F. Mass transport and surface reactions in microfluidic systems. Chem. Eng. Sci. 61, 1102-1121 (2006).
- Song, H., Ismagilov, R. F. Millisecond kinetics on a microfluidic chip using nanoliters of reagents. J. Am. Chem. Soc. 125, 14613-14619 (2003).
- Jiang, H., Weng, X. A., Li, D. Q. Microfluidic whole-blood immunoassays. Microfluid. Nanofluid. 10, 941-964 (2011).
- Dutse, S. W., Yusof, N. A. Microfluidics-based lab-on-chip systems in DNA-based biosensing: an overview. Sensors. 11, 5754-5768 (2011).
- Dittrich, P. S., Manz, A. Lab-on-a-chip: microfluidics in drug discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 5, 210-218 (2006).
- Craighead, H. Future lab-on-a-chip technologies for interrogating individual molecules. Nature. 442, 387-393 (2006).
- Hunt, H. K., Armani, A. M. Label-free biological and chemical sensors. Nanoscale. 2, 1544-1559 (2010).
- Dukkipati, V. R., Pang, S. W. Integrated microfluidic system for DNA analysis. IEEE-NANO 2006. Sixth IEEE Conference on Nanotechnology. 1, 162-165 (2006).
- Fang, T. H., et al. Real-time PCR microfluidic devices with concurrent electrochemical detection. Biosens. Bioelectron. 24, 2131-2136 (2009).
- Pavlovic, E., et al. Microfluidic device architecture for electrochemical patterning and detection of multiple DNA sequences. Langmuir. 24, 1102-1107 (2008).
- Xu, X., Zhang, S., Chen, H., Kong, J. Integration of electrochemistry in micro-total analysis systems for biochemical assays: recent developments. Talanta. 80, 8-18 (2009).
- Cai, H., Lee, T. M. -. H., Hsing, I. M. Label-free protein recognition using an aptamer-based impedance measurement assay. Sensor. Actuat. B-Chem. 114, 433-437 (2006).
- Iliescu, C., Poenar, D. P., Carp, M., Loe, F. C. A Microfluidic device for impedance spectroscopy analysis of biological samples. Sensor. Actuat. B-Chem. 123, 168-176 (2007).
- Prakash, S. B., Abshire, P. Tracking cancer cell proliferation on a CMOS capacitance sensor chip. Biosens. Bioelectron. 23, 1449-1457 (2008).
- Yamaguchi, A., et al. Rapid fabrication of electrochemical enzyme sensor chip using polydimethylsiloxane microfluidic channel. Anal. Chim. Acta. 468, 143-152 (2002).
- Beebe, D. J., Mensing, G. A., Walker, G. M. Physics and applications of microfluidics in biology. Annu. Rev. Biomed. Eng. 4, 261-286 (2002).
- Mariella, R. Sample preparation: the weak link in microfluidics-based biodetection. Biomed. Microdevices. 10, 777-784 (2008).
- Bhushan, B. . Springer handbook of nanotechnology. , (2010).
- Ghallab, Y. H., Badawy, W. . Lab-on-a-chip: Techniques, circuits, and biomedical applications. , (2010).
- Chee, M., et al. Accessing genetic information with high-density DNA arrays. Science. 25, 610-614 (1996).
- Ma, K. -. S., Zhou, H., Zoval, J., Madou, M. DNA hybridization detection by label free versus impedance amplifying label with impedance spectroscopy. Sensor. Actuat. B-Chem. 114, 58-64 (2006).
- Ito, T., Hosokawa, K., Maeda, M. Detection of single-base mismatch at distal end of DNA duplex by electrochemical impedance spectroscopy. Biosens. Bioelectron. 22, 1816-1819 (2007).
- Kao, L. T. -. H., et al. Multiplexed detection and differentiation of the DNA strains for influenza A (H1N1 2009) using a silicon-based microfluidic system. Biosens. Bioelectron. 26, 2006-2011 (2011).
- Li, J., Chen, S., Evans, D. H. Typing and subtyping influenza virus using DNA microarrays and multiplex reverse transcriptase PCR. J. Clin. Microbiol. 39, 696-704 (2001).
- Gautier, C., et al. Hybridization-induced interfacial changes detected by non-faradaic impedimetric measurements compared to faradaic approach. J. Electroanal. Chem. 610, 227-233 (2007).
- Ma, Y., Jiao, K., Yang, T., Sun, D. Sensitive PAT gene sequence detection by nano-SiO2/p-aminothiophenol self-assembled films DNA electrochemical biosensor based on impedance measurement. Sensor. Actuat. B-Chem. 131, 565-571 (2008).
- Kim, J. H. -. S., Marafie, A., Jia, X. -. Y., Zoval, J. V., Madou, M. J. Characterization of DNA hybridization kinetics in a microfluidic flow channel. Sensor. Actuat. B-Chem. 113, 281-289 (2006).
- Dykstra, P. H., Roy, V., Byrd, C., Bentley, W. E., Ghodssi, R. Microfluidic electrochemical sensor array for characterizing protein interactions with various functionalized surfaces. Anal. Chem. 83, 5920-5927 (2011).
- Ben-Yoav, H., Dykstra, P. H., Bentley, W. E., Ghodssi, R. A Microfluidic-based electrochemical biochip for label-free diffusion-restricted DNA hybridization analysis. Biosens. Bioelectron. 38, 114-120 (2012).
- Wink, T., van Zuilen, S. J., Bult, A., van Bennekom, W. P. Self-assembled monolayers for biosensors. Analyst. 122, 43R-50R (1997).
- McEwen, G. D., Chen, F., Zhou, A. Immobilization, hybridization, and oxidation of synthetic DNA on gold surface: Electron transfer investigated by electrochemistry and scanning tunneling microscopy. Anal. Chim. Acta. 643, 26-37 (2009).
- Arinaga, K., Rant, U., Tornow, M., Fujita, S., Abstreiter, G., Yokoyama, N. The role of surface charging during the coadsorption of mercaptohexanol to DNA layers on gold: Direct observation of desorption and layer reorientation. Langmuir. 22, 5560-5562 (2006).
- Katz, E., Willner, I. Probing biomolecular interactions at conductive and semiconductive surfaces by impedance spectroscopy: Routes to impedimetric immunosensors, DNA-sensors, and enzyme biosensors. Electroanalysis. 15, 913-947 (2003).
