干膜 Photoresist-based 电化学微流控生物传感器平台: 器件制备、片上检测制备及系统运行
Summary
利用低成本干膜光刻胶技术对各种分析进行快速、灵敏的定量化设计, 制备了微流控生物传感器平台。这种一次性系统允许通过停止流动技术在片上固定的酶联用的电化学读出。
Abstract
近年来, 生物标志物诊断成为诊断人类疾病的不可或缺的工具, 特别是对点诊断。一个易于使用和低成本的传感器平台是非常理想的测量各种类型的分析 (例如,生物标记物, 激素, 和药物) 定量和具体。由于这个原因, 干膜光刻胶技术-使廉价, 轻便, 和高通量制造-被用于制造微流体生物传感器在这里提出。根据随后使用的生物测定, 多功能平台能够检测各种类型的生物分子。在制造的设备, 铂电极是结构在一个灵活的聚酰亚胺 (PI) 箔在唯一的洁净室工艺步骤。PI 箔担当基体为电极, 用氧抗蚀剂绝缘。微流控通道随后由干膜光刻胶 (DFR) 箔在 PI 晶片上的发展和层压产生。通过在通道中使用疏水阻挡屏障, 将该通道分为两个特定区域: 酶链法的固定化切片和安培信号读出的电化学测量单元。
通过生物分子对通道表面的吸附, 进行了片上生物测定的固定化。葡萄糖氧化酶是一种用于电化学信号产生的传感器。在基体的存在下, 葡萄糖, 过氧化氢被生产, 在白金工作电极被发现。在快速检测的同时, 采用了停止流技术来获得信号放大。通过引入微流控系统, 可以定量地测量不同的生物分子, 从而指示不同类型的疾病, 或在治疗药物监测方面, 促进个性化治疗。
Introduction
在过去20年中, 诊断应用已成为 in-depth 研究全球公共卫生发展的基础。传统上, 实验室诊断工具用于检测疾病。尽管它们在疾病诊断方面仍然发挥着关键作用, 但在病人或病人附近进行的点试验 (POCT) 近年来已变得越来越普遍。特别是在需要立即治疗的情况下, 如急性心肌梗塞或糖尿病监测, 临床发现的快速确认是必不可少的。因此, 越来越需要 POCT 设备, 可以由非操作, 并且同时能够在短时间内执行精确的体外诊断测试,1,2,3,4.
在 POCT 领域已经取得了显著的进步。但是, 仍有许多挑战需要克服5、6、7、8。为了使 POCT 平台能够成功地投放市场并具有实验室诊断的竞争力, 该设备必须严格满足以下要求: (i) 提供与实验室相符的精确和定量的测试结果结果;(ii) 有较短的 sample-to-result 时间, 使病人可立即接受治疗;(iii) 功能简单, 易于操作, 即使由未经训练的个人操作, 并需要尽量减少用户干预;(iv) 由一个低成本的传感器单元组成, 用于一次性应用。此外, 无设备诊断是有利的, 主要在资源贫乏的环境中3,4,6。
由于这些苛刻的要求, 只有两个基于电化学检测的 POCT 系统 (例如,血糖试纸) 和侧流免疫 (例如,家庭妊娠测试) 已经成功投放市场, 以便远.然而, 这两个系统都有缺点, 如性能不佳 (即,血糖监测有不准确的测试结果和侧流分析只提供定性 (阳性或阴性) 测量结果)4, 6。传统的 POCT 系统的这些缺点导致了对开发新技术的需求不断增加, 这些技术提供了快速、低成本和定量检测, 在4,5。
为了应对 POCT 设备面临的这些挑战, DFR 技术最近被用于制造一次性和低成本的生物传感器9,10,11,12,13,14. 与软、液体平版印刷材料相比, 如 SU-8、DFRs 等, 具有许多优点: 它们 (i) 有多种组合物和厚度 (从几微米到几毫米);(ii) 有一个非常粗糙的表面积, 便于与各种材料粘合;(iii) 具有优异的厚度均匀性;(iv) 为大规模生产提供廉价、轻便和高通量的制造;(五) 容易用各种低成本的工具切割, 像一把简单的剪刀;和 (vi) 允许创建三维结构, 如微流控通道, 通过堆叠在彼此顶部的多个 DFR 层。
另一方面, DFRs 一般有一个相对较差的分辨率相比, 液体光刻, 这主要是由薄膜厚度和增加距离之间的面具和 DFR 由于保护箔, 这还使光散射.然而, 对于集成微流体传感器的制造, DFRs 是非常适合低成本的大规模生产。
因此, 我们在本工作中介绍了一种 DFR-based 电化学微流控生物传感器的制备和应用。详细的协议描述了生物传感器平台的每一个生产步骤, dna 模型检测的片上固定, 以及使用停止流技术的电化学读出。这个通用平台能够检测多种生物分子, 使用不同的化验技术 (例如,基因组学, cellomics, 蛋白质组学) 或化验格式 (例如,竞争性, 三明治, 或直接)。基于这样一个 DFR 平台, 我们的小组以前成功地证明了各种各样的分析的快速和敏感的定量, 包括抗生素13,15,16 (四环素,pristinamycin, 和？内酰胺抗生素), 肌钙蛋白 i17, 和物质 P18。
Protocol
Representative Results
Discussion
在这里提出的用于制造微流体电化学生物传感器的协议, 使开发一个低成本, 紧凑, 易于使用的平台, 用于检测分子。根据随后在生物传感器上使用的化验, 可以检测到几种不同的生物标志物。这使得该平台非常通用, 可以广泛地访问各种应用程序领域, 从标准诊断测试 (例如,确定医生办公室的特定疾病的存在) 到点应用程序 (例如,对患者进行治疗性药物监测以进行个体化药物治疗)。特?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者希望感谢德国研究基金会 (DFG) 在赠款号 ur 70/10-01 和 ur 70/12-01 的部分资助这项工作。
Materials
| Material | |||
| Pyralux | DuPont | AP8525R | Used as polyimide substrate |
| MA-N 1420 | Micro Resist Technology | MA-N1420 | Lift-off resit to define the platinum depostion |
| Ma-D 533s | Micro Resist Technology | MaD533S | Developer for MA-N1420 |
| Platinum | – | – | Electrode and contact pad material |
| Ma-R 404s | Micro Resist Technology | MaR404S | Remover for MA-N1420 |
| SU-8 3005 | MicroChem Corp. | SU-8-3005 | Photoresist to define the electrode area and as insulation |
| 1-methoxy-2-propanol acetate | Sigma-Aldrich | 108-65-6 | Developer for SU-8 3005 |
| 2-Propanol | VWR | 8.18766.2500 | Removing of the SU-8 developer |
| 1020R | Ultron Systems Inc. | 1020R | UV sensitive adhesive tape for protection of contact pads |
| Arguna S | Degussa | 1935 | For Silver depostion on reference electrode |
| KCl | Methrom | 62308.020 | For chloridation of the silver reference electrode |
| Pyralux | DuPont | PC1025 | Dry film photoresist |
| Sodium carbonat | Fluka | 71352 | Developer for Pyralux PC1025 |
| Hydrogen chloride | Sigma-Aldrich | 30720 | To top the development of the DFR |
| Teflon AF 1600 | DuPont | AF1600 | For employing the stopping barrier |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| PA104 | Mega Electronics | – | Bubble etch tank |
| FED 53 | Binder | 9010-0018 | Oven |
| SPIN150 | APT | – | Spin coater |
| Präzitherm | Harry Gestigkeit GmbH | PZ 28-2 | Hot plate |
| Hellas | Bungard Elektronik | 40000 | Exposure unit |
| Tetra30-LF-PC | Diener | – | Plasma unit |
| Univex 500 | Leybold | – | Physical vapor deposition unit |
| Shaker S4 | ELMI | – | Orbital shaker |
| Sonorex Super 10 P | Bandelin | 783 | Sonic bath |
| 6221 DC and AC | Keithley | – | Current source |
| HRL 350 | Ozatec | – | Laminator unit |
| Vaccum pen | EFD | – | Vacuum pen |
References
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