Plate-forme microfluidique avec multiplexée Détection électronique pour le suivi spatial des particules
Summary
Nous démontrons une plate-forme microfluidique avec un réseau d'électrodes de surface intégrée qui combine la détection d'impulsions résistif (SRP) avec la division accès multiple par code (CDMA), pour multiplexer la détection et le dimensionnement des particules en plusieurs canaux microfluidiques.
Abstract
traitement microfluidique d'échantillons biologiques implique généralement des manipulations différentielles de particules en suspension dans le cadre de divers champs de force afin de fractionner spatialement l'échantillon basée sur une propriété biologique d'intérêt. Pour la distribution spatiale résultante à utiliser comme l'indicateur de dosage, des dispositifs microfluidiques sont souvent soumis à une analyse microscopique nécessite une instrumentation complexe, avec un coût plus élevé et une portabilité réduite. Pour remédier à cette limitation, nous avons développé une technologie intégrée de détection électronique pour la détection multiplex de particules à différents emplacements sur une puce microfluidique. Notre technologie, appelée CODES microfluidiques, combine Pulse Resistive Sensing avec Code Division Multiple Access pour compresser 2D information spatiale en un signal électrique 1D. Dans cet article, nous présentons une démonstration pratique de la technologie CODES microfluidique pour détecter et les cellules cancéreuses en culture de taille répartie sur plusieurs canaux microfluidiques. Commevalidé par la microscopie à haute vitesse, notre technologie peut analyser avec précision les populations de cellules denses tout électronique sans la nécessité d'un instrument externe. En tant que tel, les CODES microfluidiques peuvent potentiellement permettre à des appareils à faible coût intégrés lab-on-a-chip qui sont bien adaptés pour l'analyse d'échantillons biologiques au point de soins.
Introduction
Détection précise et l' analyse des particules biologiques tels que des cellules, des bactéries ou des virus en suspension dans un liquide est d' un grand intérêt pour une gamme d'applications 1, 2, 3. Eh bien appariés en taille, des dispositifs microfluidiques offrent des avantages uniques à cet effet tels que haute sensibilité, la manipulation de l' échantillon doux et microenvironnement bien contrôlée 4, 5, 6, 7. En outre, les dispositifs microfluidiques peuvent être conçus pour utiliser une combinaison de dynamique des fluides et des champs de force passive pour fractionner une population hétérogène de particules biologiques en fonction de diverses propriétés 8, 9, 10, 11, 12. Dans les dispositifs, la distribution des particules résultant peut être utilisé en tant que lecture, mais l'information spatiale est généralement accessible uniquement par microscopie, ce qui limite l'utilité pratique du dispositif microfluidique en l'attachant à une infrastructure de laboratoire. Par conséquent, un capteur intégré qui peut facilement rapporter la cartographie spatio-temporelle de particules, car ils sont manipulés sur un dispositif microfluidique, peut potentiellement permettre à un faible coût, des dispositifs intégrés de laboratoire sur une puce qui sont particulièrement attrayants pour les essais d'échantillons dans le mobile , les paramètres de ressources limitées.
Des électrodes à couches minces ont été utilisés comme des capteurs intégrés dans des dispositifs microfluidiques pour diverses applications , 13, 14. Pulse Resistive Sensing (RPS) est particulièrement intéressante pour la détection intégrée de petites particules dans les canaux microfluidiques car il offre un mécanisme de détection à haut débit robuste, sensible, et directement à partir de mesures électriques 15. Dans le SRP, la modulation de l'impédance entre une paire d'électrodes immergées dans un électrolyte, est utilisé comme moyen pour détecter une particule. Lorsque la particule passe à travers une ouverture, dimensionnée de l'ordre de la particule, le nombre et l'amplitude des impulsions transitoires dans le courant électrique sont utilisés pour compter et de particules de taille, respectivement. En outre, la géométrie du capteur peut être conçu avec une résolution de photolithographie pour former des formes d' ondes d'impulsions résistives en vue d'améliorer la sensibilité 16, 17, 18, 19 ou d'estimer la position verticale de particules dans des canaux microfluidiques 20.
Nous avons récemment mis en place une technologie de détection d' impulsion résistive multiplexé évolutive et simple appelé microfluidique Coded Orthogonal Détection par détection électrique (CODES microfluidiques) 21. CODES microfluidiques repose sur uneréseau interconnecté de capteurs d'impulsions résistif, chacun consistant en une matrice d'électrodes micro-usinés pour moduler la conduction d'une manière distinguable unique, de manière à permettre le multiplexage. Nous avons spécialement conçu chaque capteur pour produire des signaux électriques orthogonales similaires aux codes numériques utilisés dans la division de code d' accès multiple 22 (CDMA) des réseaux de télécommunication, de sorte que le signal individuel de capteur d'impulsion résistive peut être récupéré uniquement à partir d' une seule forme d' onde de sortie, même si des signaux de différents capteurs interfèrent. De cette façon, notre technologie comprime l'information spatiale 2D de particules en un signal électrique 1D, ce qui permet la surveillance des particules à différents endroits sur une puce microfluidique, tout en gardant à la fois la complexité du périphérique et du niveau du système à un minimum.
Dans cet article, nous présentons un protocole détaillé pour les méthodes expérimentales et informatiques nécessaires pour utiliser la technologie CODES microfluidique, ainsi que rrésultats epresentative de son utilisation dans l'analyse d'échantillons biologiques simulés. En utilisant les résultats d'un prototype d'appareil avec quatre capteurs multiplexés comme un exemple pour expliquer la technique, nous fournissons des protocoles sur (1) le processus de microfabrication pour créer des dispositifs microfluidiques avec la technologie microfluidique CODES, (2) la description du dispositif expérimental, y compris la matériels électroniques, optiques et fluidiques, (3) l'algorithme d'ordinateur pour décoder des signaux brouilleurs provenant de différents capteurs, et (4) les résultats de détection et d'analyse des cellules cancéreuses dans des canaux microfluidiques. Nous croyons que l'utilisation du protocole détaillé décrit ici, d'autres chercheurs peuvent appliquer notre technologie pour leur recherche.
Protocol
Representative Results
Discussion
Plusieurs capteurs d'impulsions résistives ont déjà été incorporés dans les puces microfluidiques 28, 29, 30, 31, 32. Dans ces systèmes, des capteurs d'impulsions résistives ont été soit non multiplexées 28, 29, 30, 31<…
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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