Микрожидкостных Платформа с уплотненными электронным детектором для пространственного слежения частиц
Summary
Мы демонстрируем микрожидком платформу с интегрированной поверхности электрода сети, которая сочетает в себе резистивный импульса зондирования (RPS) с множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), мультиплексирование обнаружение и определение размеров частиц в нескольких микроканалов.
Abstract
Микрожидкостных обработки биологических образцов, как правило, включает в себя дифференциальные манипуляции взвешенных частиц в различных силовых полях, чтобы пространственно фракционирования образца, основанный на биологическом свойстве интерес. Для результирующее пространственное распределение для использования в качестве аналитического считывания, микрофлюидальные устройства часто подвергаются микроскопическому анализу требует сложного приборы с более высокой стоимостью и уменьшенной переносимости. Для устранения этого ограничения, мы разработали интегрированную электронную технологию зондирования для мультиплексированного обнаружения частиц в различных местах на микрожидком чипе. Наша технология, получившая название микрожидком КОДЫ, сочетает в себе резистивный импульсного зондирования с кодовым разделением множественного доступа для сжатия 2D пространственной информации в 1D электрический сигнал. В этой статье мы представляем практической демонстрацией Микрожидкостных технологии КОДОВ для обнаружения и размера культивируемые раковые клетки распределены по нескольким микроканалов. В видеподтверждено высокоскоростном микроскопии, наша технология может точно анализировать плотные клеточные популяции все в электронном виде без необходимости внешнего устройства. Таким образом, Микрожидкостных КОДЫ потенциально может позволить недорогие интегрированные устройства лаборатории-на-чипе, которые хорошо подходят для тестирования точки оказания медицинской помощи биологических образцов.
Introduction
Точное обнаружение и анализ биологических частиц , таких как клетки, бактерии или вирусы , взвешенных в жидкости представляет большой интерес для целого ряда приложений 1, 2, 3. Хорошо подобранная по размеру, микрофлюидальные устройства предлагают уникальные преимущества для этой цели , такие как высокая чувствительность, нежные манипуляции образца и хорошо контролируемой микросреде 4, 5, 6, 7. Кроме того, микрофлюидальные устройства могут быть разработаны , чтобы использовать комбинацию динамики жидкости и силовых полей пассивно фракционирования гетерогенную популяцию биологических частиц на основе различных свойств 8, 9, 10, 11, 12. В те устройствас, результирующее распределение частиц может быть использован в качестве считыванием но пространственной информации, как правило, доступны только через микроскопии, что ограничивает практическую полезность микрожидком устройства, связывая его к лабораторной инфраструктуре. Таким образом, встроенный датчик, который может легко сообщать о пространственно-временного отображения частиц ", так как они манипулируют на микрожидком устройстве, потенциально может дать недорогой, интегрированные устройства лаборатории-на-чипе, которые особенно привлекательны для тестирования образцов в мобильном телефоне , ограниченных ресурсов.
Тонкопленочных электродов использовались в качестве встроенных датчиков в микрофлюидальных устройств для различных применений , 13, 14. Резистивный Pulse Sensing (RPS) является особенно привлекательным для интегрированного зондирования малых частиц в микроканалов , как это предлагает надежный, чувствительный, и механизм обнаружения высокой пропускной способностью непосредственно из электрических измерений 15, В RPS, модуляция импеданса между парой электродов, погружают в электролит, используется в качестве средства для обнаружения частицы. Когда частица проходит через отверстие, размером от порядка частицы, число и амплитуда переходных импульсов в электрический ток используются для подсчета и частиц размера, соответственно. Кроме того, геометрия датчика может быть разработан с разрешением фотолитографии для формирования резистивных формы сигналов импульсов с целью повышения чувствительности 16, 17, 18, 19 или оценить вертикальное положение частиц в микроканалов 20.
Мы недавно ввели масштабируемой и простой мультиплексированный резистивной технологии импульсного зондирования под названием Микрожидкостных закодированных с ортогональным обнаружения электрическими зондированию (микрожидком кодов) 21. Микрожидком КОДЫ полагается навзаимосвязанную сеть резистивных датчиков пульса, каждый из которых состоит из множества электродов микромеханического для модуляции проводимости в уникальном, различимым способом, с тем чтобы позволить мультиплексирование. Мы специально разработаны каждый датчик для получения ортогональных электрических сигналов , аналогичных цифровых кодов , используемых в множественного доступа с кодовым разделением каналов 22 (CDMA) телекоммуникационные сети, так что индивидуальный сигнал резистивный датчик импульсов может быть однозначно восстанавливается из одного выходного сигнала, даже если сигналы от различные датчики мешают. Таким образом, наша технология сжимает 2D пространственной информации частиц в электрический сигнал 1D, что позволяет контролировать частиц в различных местах на микрожидком чипе, сохраняя при этом как Device- и на системном уровне сложности к минимуму.
В этой статье мы представляем подробный протокол для экспериментальных и расчетных методов, необходимых для использования Микрожидкостных технологии кодексах, а также гepresentative результаты его использования при анализе моделируемых биологических образцов. Используя результаты от прототипа устройства с четырьмя мультиплексированных датчиков в качестве примера, чтобы объяснить технику, мы предоставляем протоколы о (1) процесса микротехнологий для создания микрожидкостных устройств с Микрожидкостных технологии кодексах, (2) описание экспериментальной установки, включая электронной, оптической и жидкостный аппаратных средств, (3) компьютерный алгоритм для декодирования сигналов помех от различных датчиков, и (4) результаты обнаружения и анализа раковых клеток в микроканалов. Мы считаем, что использование подробный протокол, описанный здесь, другие исследователи могут применять нашу технологию для своих исследований.
Protocol
Representative Results
Discussion
Несколько резистивными датчиками импульсов ранее были включены в микрофлюидальных чипы 28, 29, 30, 31, 32. В этих системах, резистивные датчики импульсов либо не были мультиплексированы 28,</su…
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 |
References
- De Roy, K., Clement, L., Thas, O., Wang, Y., Boon, N. Flow cytometry for fast microbial community fingerprinting. Water Res. 46 (3), 907-919 (2012).
- Vives-Rego, J., Lebaron, P., Nebe-von Caron, G. Current and future applications of flow cytometry in aquatic microbiology. FEMS Microbiol Rev. 24 (4), 429-448 (2000).
- Alvarez-Barrientos, A., Arroyo, J., Cantón, R., Nombela, C., Sánchez-Pérez, M. Applications of flow cytometry to clinical microbiology. Clin Microbiol Rev. 13 (2), 167-195 (2000).
- Toner, M., Irimia, D. Blood-on-a-chip. Annu Rev Biomed Eng. 7, 77-103 (2005).
- Mehling, M., Tay, S. Microfluidic cell culture. Current Opin Biotech. 25, 95-102 (2014).
- Sarioglu, A. F., et al. A microfluidic device for label-free, physical capture of circulating tumor cell clusters. Nat Methods. 12 (7), 685-691 (2015).
- Cermak, N., et al. High-throughput measurement of single-cell growth rates using serial microfluidic mass sensor arrays. Nat Biotechnol. , (2016).
- Gossett, D., et al. Label-free cell separation and sorting in microfluidic systems. Anal Bioanal Chem. 397 (8), 3249-3267 (2010).
- Tsutsui, H., Ho, C. Cell separation by non-inertial force fields in microfluidic systems. Mech Res Commun. 36 (1), 92-103 (2009).
- Edwards, T. L., Gale, B. K., Frazier, A. B. A microfabricated thermal field-flow fractionation system. Anal Chem. 74 (6), 1211-1216 (2002).
- Wang, M. M., et al. Microfluidic sorting of mammalian cells by optical force switching. Nat Biotechnol. 23 (1), 83-87 (2005).
- Shields, C. W., Reyes, C. D., López, G. P. Microfluidic cell sorting: a review of the advances in the separation of cells from debulking to rare cell isolation. Lab Chip. 15 (5), 1230-1249 (2015).
- Gawad, S., Schild, L., Renaud, P. Micromachined impedance spectroscopy flow cytometer for cell analysis and particle sizing. Lab Chip. 1 (1), 76-82 (2001).
- Haandbæk, N., Bürgel, S. C., Heer, F., Hierlemann, A. Characterization of subcellular morphology of single yeast cells using high frequency microfluidic impedance cytometer. Lab Chip. 14 (2), 369-377 (2014).
- Bayley, H., Martin, C. Resistive-pulse sensing-from microbes to molecules. Chem Rev. 100 (7), 2575-2594 (2000).
- Polling, D., Deane, S. C., Burcher, M. R., Glasse, C., Reccius, C. H. Coded electrodes for low signal-noise ratio single cell detection in flow-through impedance spectrophy. , 3-7 (2010).
- Javanmard, M., Davis, R. W. Coded corrugated microfluidic sidewalls for code division multiplexing. IEEE Sensors J. 13 (5), 1399-1400 (2013).
- Balakrishnan, K. R., et al. Node-pore sensing: a robust, high-dynamic range method for detecting biological species. Lab Chip. 13 (7), 1302-1307 (2013).
- Emaminejad, S., Talebi, S., Davis, R. W., Javanmard, M. Multielectrode sensing for extraction of signal from noise in impedance cytometry. IEEE Sensors J. 15 (5), 2715-2716 (2015).
- Spencer, D., Caselli, F., Bisegna, P., Morgan, H. High accuracy particle analysis using sheathless microfluidic impedance cytometry. Lab Chip. 16 (2016), 2467-2473 (2016).
- Liu, R., Wang, N., Kamili, F., Sarioglu, A. Microfluidic CODES: a scalable multiplexed electronic sensor for orthogonal detection of particles in microfluidic channels. Lab Chip. 16 (8), 1350-1357 (2016).
- Buehrer, R. Code Division Multiple Access (CDMA). Synthesis Lectures on Communications. 1 (1), 1-192 (2006).
- Proakis, J. . Digital Communications. , (1989).
- Patel, P., Holtzman, J. Analysis of a simple successive interference cancellation scheme in a DS/CDMA system. IEEE J Sel Areas Commun. 12 (5), 796-807 (1994).
- Hui, A., Letaief, K. Successive interference cancellation for multiuser asynchronous DS/CDMA detectors in multipath fading links. IEEE Trans Commun. 46 (3), 384-391 (1998).
- Whittle, P. Prediction and regulation by linear least-square methods. J Macroecon. 7 (1), 126 (1985).
- Whitesides, G., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., Ingber, D. Soft lithography in biology and biochemistry. Annu Rev Biomed Eng. 3 (1), 335-373 (2001).
- Zhe, J., Jagtiani, A., Dutta, P., Hu, J., Carletta, J. A micromachined high throughput Coulter counter for bioparticle detection and counting. J Micromech Microeng. 17 (2), 304-313 (2007).
- Song, Y., Yang, J., Pan, X., Li, D. High-throughput and sensitive particle counting by a novel microfluidic differential resistive pulse sensor with multidetecting channels and a common reference channel. Electrophoresis. 36 (4), 495-501 (2015).
- Watkins, N., et al. Microfluidic CD4+ and CD8+ T lymphocyte counters for point-of-care HIV diagnostics using whole blood. Sci Transl Med. 5 (214), 214ra170 (2013).
- Chen, Y., et al. Portable Coulter counter with vertical through-holes for high-throughput applications. Sensor Actuat B-Chem. 213, 375-381 (2015).
- Jagtiani, A., Carletta, J., Zhe, J. An impedimetric approach for accurate particle sizing using a microfluidic Coulter counter. J Micromech Microeng. 21 (4), 045036 (2011).
- Gold, R. Optimal binary sequences for spread spectrum multiplexing (Corresp). IEEE Trans. Inform. Theory. 13 (4), 619-621 (1967).
- Dinan, E., Jabbari, B. Spreading codes for direct sequence CDMA and wideband CDMA cellular networks. IEEE Commun Mag. 36 (9), 48-54 (1998).
