الفيلم الجافة على أساس مقاوم الضوء Biosensor موائع جزيئية الكهروكيميائية منصة: تصنيع الجهاز وإعداد مقايسة على شريحة، ونظام التشغيل
Summary
صمم منصة biosensor موائع جزيئية وملفقة استخدام تكنولوجيا مقاوم الضوء الفيلم جافة منخفضة التكلفة للتحديد الكمي لمختلف التحاليل السريعة والحساسة. يسمح هذا النظام تستخدم مرة واحدة لقراءات الكهروكيميائية لفحوصات المرتبط بالانزيم على-رقاقة-معطلة عن طريق تقنية وقف التدفق.
Abstract
وفي السنوات الأخيرة أصبح تشخيص العلامات البيولوجية أداة لا غنى عنها لتشخيص الأمراض البشرية، خاصة بالنسبة لعمليات تشخيص نقطة من الرعاية. الغاية هو المطلوب منصة استشعار سهلة الاستخدام ومنخفضة التكلفة لقياس أنواع مختلفة من تحليلها (مثلاً، المؤشرات الحيوية والهرمونات والمخدرات) الكمية، وعلى وجه التحديد. لهذا السبب، تم استخدام تكنولوجيا مقاوم الضوء الفيلم الجافة-تمكين رخيصة، تلفيق السطحية، والفائق-لتصنيع biosensor موائع جزيئية المعروضة هنا. اعتماداً على العينة المستخدمة بعد ذلك، منصة متعددة الاستخدامات قادرة على اكتشاف أنواع مختلفة من الجزيئات الحيوية. لتصنيع الجهاز، يتم تأسيسها أقطاب البلاتين في إحباط بوليميد مرنة (PI) في الخطوة العملية فقط في غرفة نظيفة. إحباط PI بمثابة ركيزة للأقطاب، التي هي معزولة مع مقاوم الضوء على أساس الإيبوكسي. بعد ذلك يتم إنشاء القناة موائع جزيئية التنمية والتصفيح من رقائق مقاوم الضوء (الترميد) فيلم الجافة على رقاقة PI. باستخدام حاجز وقف مسعور في القناة، يتم فصل القناة إلى مجالين محددين: قسم التثبيت للانزيم المرتبط بالانزيم وخلية قياس الكهروكيميائية لقراءات إشارة أمبيروميتريك.
تجميد العينة على شريحة يؤديها الامتزاز الجزيئات الحيوية على سطح القناة. إنزيم الجلوكوز أوكسيديز كمحول لتوليد الإشارات الكهروكيميائية. حضور الركازة، السكر، وتنتج بيروكسيد الهيدروجين، التي يتم الكشف عنها في مسرى العامل البلاتين. يتم تطبيق تقنية وقف تدفق للحصول على تضخيم الإشارات جنبا إلى جنب مع الكشف السريع. الجزيئات الحيوية المختلفة يمكن أن تقاس كمياً عن طريق نظام موائع جزيئية أدخلت، يعطي مؤشرا لأنواع مختلفة من الأمراض، أو، فيما يتعلق بالعقاقير العلاجية الرصد، وتيسير علاج شخصية.
Introduction
على مدى العقدين الماضيين، أصبحت التطبيقات التشخيصية الأولية لإجراء دراسات متعمقة في مجال الصحة العامة على الصعيد العالمي. عادة، يتم استخدام أدوات التشخيص المختبري للكشف عن الأمراض. على الرغم من أنها لا تزال تلعب دوراً رئيسيا في تشخيص الأمراض، العناية بنقطة اختبار (جريدتين) يؤديها قرب المريض أو من المريض نفسه وقد أصبح أمرا شائعا أكثر وأكثر في السنوات الأخيرة. خاصة في مثل هذه الحالات التي تتطلب العلاج الفوري، مثل احتشاء عضلة القلب الحاد أو رصد داء السكري، تأكيد استنتاج السريري السريع ضروري. ومن ثم، هناك حاجة متزايدة لجريدتين من الأجهزة التي يمكن أن تعمل غير الخبراء والتي في نفس الوقت قادرة على أداء اختبارات تشخيصية دقيقة في المختبر في وقت قصير1،2،3،4 .
وقد حققت بالفعل تحسينات ملحوظة في ميدان جريدتين. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من التحديات للتغلب على5،6،،من78. لمنصة جريدتين تكون أطلقت بنجاح في السوق وتكون قادرة على المنافسة مع التشخيص المختبري، الجهاز دقة يجب أن تفي بالمتطلبات التالية: (ط) توفير نتائج الاختبار الدقيق والكمية التي تتوافق مع المختبرات النتائج التي توصل إليها؛ (ثانيا) قد قصيرة عينة-إلى-نتيجة مرات، مما يتيح معالجة فورية للمريض؛ (ثالثا) ميزة غير معقدة وسهلة المناولة، حتى عندما كانت تعمل بالأفراد غير المدربين، وتتطلب تدخل المستخدم مصغر؛ و (رابعا) تتألف من وحدة الاستشعار منخفضة التكلفة مصممة لتطبيقات تستخدم مرة واحدة. وعلاوة على ذلك، خالية من معدات التشخيص مواتية، لا سيما في بيئات فقيرة الموارد3،،من46.
بسبب هذه الاحتياجات الشديدة، سوى نظامين جريدتين استناداً إلى كشف الكهروكيميائية (مثلاً، شرائط اختبار الدم الجلوكوز) والتدفق الأفقي تحديدكم (مثل اختبارات الحمل المنزلية) بنجاح بدأت في السوق حتى الآن. غير أن كلا النظامين تعاني من عيوب مثل ضعف الأداء (أي الدم الجلوكوز رصد نتائج الاختبار غير دقيقة وفحوصات التدفق الأفقي فقط توفر نتائج القياس النوعي (الإيجابية أو السلبية))4، 6. هذه المآخذ على النظم التقليدية في جريدتين أدت إلى تزايد طلب على استكشاف التكنولوجيات الجديدة أن تقدم كشف سريعة ومنخفضة التكلفة والكمية عند نقطة الرعاية4،5.
ولمواجهة هذه التحديات التي تواجه الأجهزة جريدتين، تكنولوجيا الترميد مؤخرا واستخدمت لتصنيع أجهزة الاستشعار المتاح ومنخفضة التكلفة9،10،،من1112، 13 , 14-مقارنة بمواد معدني لينة والسائلة، مثل PDMS أو سو-8، دفرس يقدم العديد من الفوائد: (ط) كانت متوفرة في مجموعة متنوعة من التراكيب وسمك (من بضعة ميكرونات إلى عدة ملليمترات)؛ (ثانيا) بمساحة تقريبية جداً، مما يسهل الانضمام إلى مختلف المواد؛ (ثالثا) ميزة سمك ممتازة التوحيد؛ (رابعا) توفر التلفيق رخيصة وسهلة، والفائق لوسائل الإنتاج؛ (v) هي سهلة لقص مع مختلف أدوات منخفضة التكلفة، مثل زوج بسيط من مقص؛ و (سادسا) يسمح بإنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد، مثل قنوات موائع جزيئية، التراص طبقات الترميد متعددة فوق بعضها البعض.
من ناحية أخرى، قد دفرس عموما قرار فقيرة نسبيا بالمقارنة مع مقاومات الضوء السائل، الذي هو أساسا الناجم عن سمك الفيلم وزيادة المسافة بين القناع والترميد بسبب إحباط الواقية، الذي يمكن بالإضافة إلى ذلك الضوء نثر. لا يزال، لتصنيع أجهزة الاستشعار موائع جزيئية متكاملة، دفرس عالية مناسبة لإنتاج منخفضة التكلفة.
ولذلك، نحن الموجودين في هذا العمل على تصنيع وتطبيق بيوسينسور على أساس الترميد موائع جزيئية الكهروكيميائية. يصف البروتوكول مفصلاً كل خطوة إنتاج منهاج بيوسينسور، والتثبيت على الرقاقة مقايسة نموذج القائم على الحمض النووي، وقراءات الكهروكيميائية استخدام تقنية وقف التدفق. ويتيح هذا المنبر العالمي الكشف عن العديد من أنواع من الجزيئات الحيوية، باستخدام تكنولوجيات الإنزيم مختلفة (مثلاً، علم الجينوم، سيلوميكس، والبروتينات) أو صيغ التحليل (مثلاً، قادرة على المنافسة، وساندويتش، أو مباشرة). استناداً إلى منصة الترميد، مجموعتنا سابقا بنجاح أثبت التقدير الكمي السريع والحساسة للتحاليل المختلفة، بما في ذلك المضادات الحيوية13،،من1516 (التتراسيكلين، بريستيناميسين، والمضادات الحيوية ß-لاكتام)، تروبونين أنا17، ومضمون ف18.
Protocol
Representative Results
Discussion
يتيح البروتوكول المعروضة هنا لتلفيق biosensor الكهروكيميائية موائع جزيئية تطوير منصة منخفضة التكلفة والمدمجة، وسهلة الاستخدام للكشف عن الجزيئات الحيوية. اعتماداً على المقايسة تستخدم بعد ذلك على بيوسينسور، ويمكن الكشف عن العديد من المؤشرات الحيوية المختلفة. وهذا يجعل المنصة متعددة جداً ويو…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أود أن أشكر مؤسسة البحوث الألمانية (DFG) للتمويل جزئيا هذا العمل في إطار منحة أرقام أور 70/10/01 وجولة أوروغواي 70/12-01.
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
- Spindel, S., Sapsford, K. E. Evaluation of optical detection platforms for multiplexed detection of proteins and the need for point-of-care biosensors for clinical use. Sensors (Basel). 14 (12), 22313-22341 (2014).
- Luppa, P. B., Bietenbeck, A., Beaudoin, C., Giannetti, A. Clinically relevant analytical techniques, organizational concepts for application and future perspectives of point-of-care testing. Biotechnol Adv. 34 (3), 139-160 (2016).
- Gauglitz, G. Point-of-Care Platforms. Annu Rev Anal Chem. 7 (1), 297-315 (2014).
- Jung, W., Han, J., Choi, J. W., Ahn, C. H. Point-of-care testing (POCT) diagnostic systems using microfluidic lab-on-a-chip technologies. Microelectron Eng. 132, 46-57 (2014).
- Yager, P., et al. Microfluidic diagnostic technologies for global public health. Nature. 442 (7101), 412-418 (2006).
- Fu, E., Yager, P., Floriano, P. N., Christodoulides, N., McDevitt, J. T. Perspective on diagnostics for global health. IEEE Pulse. 2 (6), 40-50 (2011).
- Yager, P., Domingo, G. J., Gerdes, J. Point-of-care diagnostics for global health. Ann Rev Biomed Eng. 10, 107-144 (2008).
- Dincer, C., Bruch, R., Kling, A., Dittrich, P. S., Urban, G. A. Multiplexed point-of-care testing – xPOCT. Trends Biotechnol. 35, (2017).
- Horak, J., Dincer, C., Bakirci, H., Urban, G. A disposable dry film photoresist-based microcapillary immunosensor chip for rapid detection of Epstein-Barr virus infection. Sens Actuators B Chem. 191, 813-820 (2014).
- Jobst, G., Gamp, T. Method for the fabrication of a "lab on chip" from photoresist material for medical diagnostic applications. US patent. , (2010).
- Kling, A., Dincer, C., Armbrecht, L., Horak, J., Kieninger, J., Urban, G. Electrochemical microfluidic platform for simultaneous multi-analyte detection. Procedia Eng. 120, 916-919 (2015).
- Armbrecht, L., Dincer, C., Kling, A., Horak, J., Kieninger, J., Urban, G. Self-assembled magnetic bead chains for sensitivity enhancement of microfluidic electrochemical biosensor platforms. Lab Chip. 15, 4314-4321 (2015).
- Dincer, C., et al. Designed miniaturization of microfluidic biosensor platforms using the stop-flow technique. Analyst. 141, 6073-6079 (2016).
- Weltin, A., Kieninger, J., Enderle, B., Gellner, A. K., Fritsch, B., Urban, G. A. Polymer-based, flexible glutamate and lactate microsensors for in vivo applications. Biosens Bioelectron. 61, 192-199 (2014).
- Kling, A., et al. Multianalyte Antibiotic Detection on an Electrochemical Microfluidic Platform. Anal Chem. 88 (20), 10036-10043 (2016).
- Bruch, R., et al. Clinical on-site monitoring of ß-lactam antibiotics for a personalized antibiotherapy. Sci Rep. , (2017).
- Horak, J., Dincer, C., Qelibari, E., Bakirci, H., Urban, G. Polymer-modified microfluidic immunochip for enhanced electrochemical detection of troponin i. Sens Actuators B Chem. 209, 478-485 (2015).
- Horak, J., Dincer, C., Bakirci, H., Urban, G. Sensitive, rapid and quantitative detection of substance P in serum samples using an integrated microfluidic immunochip. Biosens Bioelectron. 58, 186-192 (2014).
- Mattox, D. M. . Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. , (2010).
