Piattaforma microfluidica con multiplex di rilevamento elettronico per spaziale monitoraggio di particelle
Summary
Abbiamo dimostrato una piattaforma microfluidica con una rete elettrodo superficie integrato che combina rilevamento di impulsi resistivo (RPS) con code division multiple access (CDMA), per multiplare rilevazione e dimensionamento delle particelle a più canali microfluidici.
Abstract
l'elaborazione microfluidica di campioni biologici in genere comporta manipolazioni differenziali di particelle in sospensione sotto vari campi di forza in modo da frazionare spazialmente il campione sulla base di una proprietà biologica di interesse. Per la distribuzione spaziale risultante da utilizzare come la lettura dosaggio, dispositivi microfluidici sono spesso sottoposti ad analisi microscopica richiede strumentazione complesso con più alto costo e ridotta portabilità. Per far fronte a questa limitazione, abbiamo sviluppato una tecnologia integrata di rilevamento elettronico per il rilevamento di particelle multiplex in diverse posizioni su un chip microfluidica. La nostra tecnologia, chiamata CODICI microfluidici, combina resistivo impulsi Sensing con Code Division Multiple Access per comprimere 2D informazioni spaziali in un segnale elettrico 1D. In questo articolo, vi presentiamo una dimostrazione pratica della tecnologia CODICI Microfluidic per rilevare e dimensioni cellule tumorali in coltura distribuito su più canali microfluidica. Comeconvalidato dal microscopia ad alta velocità, la nostra tecnologia può analizzare accuratamente popolazioni di cellule dense tutto elettronicamente senza bisogno di uno strumento esterno. Come tale, i codici microfluidici possono potenzialmente consentire dispositivi a basso costo integrati lab-on-a-chip che ben si adattano per il test point-of-care di campioni biologici.
Introduction
La rilevazione accurata e l'analisi di particelle biologiche, come cellule, batteri o virus in sospensione nel liquido è di grande interesse per una gamma di applicazioni 1, 2, 3. Ben abbinato dimensioni, dispositivi microfluidici offrono vantaggi unici per questo scopo come alta sensibilità, la manipolazione dei campioni dolce e microambiente ben controllata 4, 5, 6, 7. Inoltre, dispositivi microfluidici possono essere progettati per impiegare una combinazione di fluidodinamica e campi di forza di frazionare passivamente una popolazione eterogenea di particelle biologiche basate su varie proprietà 8, 9, 10, 11, 12. In quelle dispositivos, la distribuzione delle particelle risultante può essere usato come lettura, ma le informazioni spaziali è tipicamente accessibile esclusivamente tramite microscopia, limitando l'utilità pratica del dispositivo microfluidico legandola ad una infrastruttura di laboratorio. Pertanto, un sensore integrato che può facilmente segnalare mappatura spaziotemporale particelle ', come vengono manipolati in un dispositivo microfluidico, può potenzialmente consentire a basso costo, dispositivi integrati lab-on-a-chip che sono particolarmente interessanti per l'analisi di campioni in mobili , risorse limitate.
Elettrodi a film sottile sono stati utilizzati come sensori integrati in dispositivi microfluidici per varie applicazioni 13, 14. Pulse resistivo Sensing (RPS) è particolarmente attraente per il rilevamento integrato di piccole particelle nei canali microfluidica in quanto offre un meccanismo di rilevamento high-throughput robusto, sensibile, e direttamente da misure elettriche 15. In RPS, la modulazione impedenza tra una coppia di elettrodi, immersi in un elettrolita, viene usato come mezzo per rilevare una particella. Quando la particella passa attraverso un'apertura, di dimensioni dell'ordine di particella, il numero e l'ampiezza degli impulsi transitori della corrente elettrica sono usati per contare e particelle di dimensioni rispettivamente. Inoltre, la geometria del sensore può essere progettato con una risoluzione fotolitografica per modellare le forme d'onda di impulsi resistivi al fine di migliorare la sensibilità 16, 17, 18, 19 o per stimare la posizione verticale delle particelle in canali microfluidica 20.
Abbiamo recentemente introdotto un multiplex resistivo tecnologia di rilevamento degli impulsi semplice e scalabile, chiamato Microfluidic Coded Orthogonal rilevamento rilevando elettrico (CODICI microfluidici) 21. CODICI microfluidica si basa su unrete interconnessa di sensori resistivi, ciascuno costituito da una matrice di elettrodi microlavorati per modulare conduzione in modo unico, distinguibile, in modo da consentire multiplexing. Abbiamo specificatamente progettato ogni sensore per produrre segnali elettrici ortogonali simili ai codici digitali utilizzati in code division multiple access 22 (CDMA) reti di telecomunicazioni, in modo che il segnale individuale cardiofrequenzimetro resistivo può essere recuperato esclusivamente da una singola forma d'onda di uscita, anche se i segnali da diversi sensori interferiscono. In questo modo, la nostra tecnologia comprime informazioni spaziali 2D di particelle in un segnale elettrico 1D, permettendo il monitoraggio di particelle in diverse posizioni su un chip microfluidico, mantenendo sia complessità dispositivo- ed a livello di sistema al minimo.
In questo articolo, vi presentiamo un protocollo dettagliato per i metodi sperimentali e computazionali necessarie per utilizzare la tecnologia CODICI Microfluidic, così come rrisultati epresentative dal suo uso in analisi di campioni biologici simulati. Utilizzando i risultati di un dispositivo prototipo con quattro sensori multiplex come un esempio per spiegare la tecnica, forniamo protocolli sulla (1) il processo di microfabbricazione per creare dispositivi microfluidici con la tecnologia Microfluidic CODICI, (2) la descrizione del setup sperimentale compresa la elettronica, ottica e fluidico hardware, (3) l'algoritmo di decodifica segnali interferenti provenienti da sensori diversi, e (4) i risultati di rilevazione e l'analisi delle cellule tumorali nei canali microfluidici. Noi crediamo che utilizzando il protocollo dettagliato qui descritto, altri ricercatori possono applicare la nostra tecnologia per le loro ricerche.
Protocol
Representative Results
Discussion
Molteplici sensori resistivi sono stati precedentemente incorporati in chip microfluidici 28, 29, 30, 31, 32. In questi sistemi, sensori resistivi erano o non multiplexati 28, 29, 30, 31 o hanno richiesto singoli sensori necessari p…
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 |
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