Plataforma de microfluidos con multiplexado de detección electrónica para el seguimiento espacial de las partículas
Summary
Demostramos una plataforma de microfluidos con una red de electrodo de superficie integrado que combina detección de pulso resistivo (RPS) con división de código de acceso múltiple (CDMA), para multiplexar la detección y el tamaño de las partículas en múltiples canales de microfluidos.
Abstract
procesamiento de muestras biológicas de microfluidos típicamente implica manipulaciones diferenciales de partículas en suspensión en virtud de diversos campos de fuerza con el fin de fraccionar espacialmente la muestra en base a una propiedad biológica de interés. Para la distribución espacial resultante para ser utilizado como la lectura del ensayo, los dispositivos de microfluidos a menudo se sometieron a análisis microscópico que requiere instrumentación compleja con mayor coste y la reducción de la portabilidad. Para hacer frente a esta limitación, se ha desarrollado una tecnología de detección electrónico integrado para la detección multiplexada de partículas en diferentes ubicaciones en un chip microfluídico. Nuestra tecnología, conocidos como códigos de microfluidos, combina pulso resistiva de detección con Acceso Múltiple por División de Código para comprimir la información espacial 2D en una señal eléctrica 1D. En este trabajo, presentamos una demostración práctica de la tecnología microfluídica CÓDIGOS para detectar y células cancerosas cultivadas tamaño distribuida a través de múltiples canales de microfluidos. Comovalidado por la microscopía de alta velocidad, nuestra tecnología puede analizar con precisión las poblaciones de células densas todo electrónicamente sin la necesidad de un instrumento externo. Como tal, los códigos de microfluidos pueden permitir potencialmente bajo coste dispositivos integrados lab-on-a-chip que están bien adaptados para la prueba de punto de atención de las muestras biológicas.
Introduction
La detección exacta y el análisis de las partículas biológicas tales como células, bacterias o virus en suspensión en el líquido es de gran interés para una serie de aplicaciones 1, 2, 3. Bien adaptado en tamaño, los dispositivos de microfluidos ofrecen ventajas únicas para este propósito, tales como alta sensibilidad, manipulación de la muestra suave y bien controlada microambiente 4, 5, 6, 7. Además, los dispositivos de microfluidos pueden ser diseñados para emplear una combinación de dinámica de fluidos y campos de fuerza para fraccionar pasivamente una población heterogénea de partículas biológicas en base a varias propiedades 8, 9, 10, 11, 12. En los dispositivoss, la distribución de partículas resultante se puede utilizar como lectura, pero la información espacial es típicamente accesible sólo a través de microscopía, lo que limita la utilidad práctica del dispositivo de microfluidos atándolo a una infraestructura de laboratorio. Por lo tanto, un sensor integrado que puede reportar fácilmente mapeo espacio-temporal partículas ', ya que son manipulados en un dispositivo de microfluidos, potencialmente puede permitir a bajo costo, dispositivos integrados lab-on-a-chip que son particularmente atractivo para el análisis de muestras en móvil , entornos con recursos limitados.
Electrodos de película delgada han sido utilizados como sensores integrados en dispositivos de microfluidos para diversas aplicaciones 13, 14. Pulso resistiva Sensing (RPS) es particularmente atractivo para la detección integrada de pequeñas partículas en los canales de microfluidos, ya que ofrece un mecanismo de detección de alto rendimiento robusto, sensible, y directamente a partir de mediciones eléctricas 15. En RPS, la modulación de impedancia entre un par de electrodos, inmerso en un electrolito, se utiliza como un medio para detectar una partícula. Cuando la partícula pasa a través de una abertura, de tamaño del orden de la partícula, el número y la amplitud de impulsos transitorios de la corriente eléctrica se utilizan para contar y partículas de tamaño, respectivamente. Por otra parte, la geometría de sensor puede ser diseñado con una resolución fotolitográfica para dar forma a las formas de onda de pulso de resistencia con el fin de aumentar la sensibilidad 16, 17, 18, 19 o para estimar la posición vertical de las partículas en los canales de microfluidos 20.
Recientemente hemos introducido una tecnología de detección de pulsos multiplexado resistivo escalable y sencilla llamada microfluídica Coded Ortogonal detección por detección eléctrica (CÓDIGOS microfluidos) 21. CÓDIGOS microfluidos se basa en unared interconectada de sensores de pulso resistivos, cada uno compuesto de una serie de electrodos micromaquinados para modular la conducción de una manera única, distinguibles, a fin de permitir la multiplexación. Hemos diseñado específicamente cada sensor para producir señales eléctricas ortogonales similares a los códigos digitales utilizados en división de código de acceso múltiple 22 (CDMA) las redes de telecomunicaciones, de modo que la señal de sensor de pulso resistiva individuo se puede recuperar de forma única a partir de una sola forma de onda de salida, incluso si las señales de diferentes sensores interfieren. De esta forma, nuestra tecnología comprime la información espacial en 2D de partículas en una señal eléctrica 1D, lo que permite el seguimiento de las partículas en diferentes ubicaciones en un chip microfluídico, manteniendo tanto del dispositivo y del sistema de nivel de complejidad a un mínimo.
En este trabajo, presentamos un protocolo detallado para métodos experimentales y computacionales necesarios para utilizar la tecnología de microfluidos CÓDIGOS, así como rresultados epresentante de su uso en el análisis de muestras biológicas simuladas. Utilizando los resultados de un prototipo de dispositivo con cuatro sensores multiplexados como un ejemplo para explicar la técnica, proporcionamos protocolos sobre (1) el proceso de microfabricación para crear dispositivos de microfluidos con la tecnología CÓDIGOS microfluidos, (2) la descripción de la configuración experimental que incluye el hardware electrónico, óptico, y fluídico, (3) el algoritmo de computadora para la decodificación de señales de interferencia de diferentes sensores, y (4) los resultados de la detección y el análisis de las células de cáncer en los canales de microfluidos. Creemos que utilizando el protocolo detallado se describe aquí, otros investigadores pueden aplicar nuestra tecnología para su investigación.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sensores resistivos múltiples previamente se han incorporado en los chips de microfluidos 28, 29, 30, 31, 32. En estos sistemas, sensores de pulso de resistencia fueron, o bien no multiplexadas 28, 29, 30, 31 o que requieren sensor…
Divulgazioni
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 |
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