Droge Film elektrochemische Microfluidic Biosensor fotoresist gebaseerde Platform: Apparaat Fabrication, On-chip Assay voorbereiding en werking van het systeem
Summary
Een microfluidic biosensor platform is ontworpen en vervaardigd met behulp van goedkope droge film fotoresist technologie voor snelle en gevoelige kwantificering van verschillende analyten. Deze eenmalig gebruik-systeem zorgt voor de elektrochemische uitlezing van enzyme-linked tests aan-chip-geïmmobiliseerd door middel van de techniek van de stop-flow.
Abstract
In de afgelopen jaren werd biomerker diagnostiek een onmisbaar instrument voor de diagnose van ziekten bij de mens, met name voor de point-of-care-diagnostiek. Een eenvoudig te gebruiken en low cost sensor-platform is zeer gewenst voor het meten van verschillende soorten analyten (bijvoorbeeld biomarkers, hormonen en drugs) kwantitatief en specifiek. Om deze reden, werd droge film fotoresist technologie – waardoor goedkoop, facile en high-throughput fabricage – gebruikt voor de vervaardiging van de microfluidic biosensor hier gepresenteerd. Afhankelijk van de bioassay gebruikt daarna, is het veelzijdige platform voor het opsporen van verschillende soorten biomoleculen van. Voor de fabrikatie van het apparaat, zijn platina-elektroden gestructureerd op een flexibele polyimide (PI) folie in de processtap die alleen schoon-kamer. De PI-folie dient als een substraat voor de elektroden, die zijn geïsoleerd met een epoxy gebaseerde fotoresist. Het microfluidic-kanaal wordt vervolgens gegenereerd door de ontwikkeling en lamineren van droge film fotoresist (DFR) folie op de PI wafer. Met behulp van een hydrofobe stoppen belemmering in het kanaal, het kanaal is onderverdeeld in twee specifieke gebieden: een immobilisatie sectie voor de enzym-verbonden bepaling en een meting van de elektrochemische cel voor de amperometrische signaal uitlezing.
De op de chip bioassay immobilisatie wordt uitgevoerd door de adsorptie van de biomoleculen aan de oppervlakte van het kanaal. Het enzym glucose oxidase wordt gebruikt als een transducer voor elektrochemische signaal generatie. In aanwezigheid van het substraat, glucose, wordt waterstofperoxide geproduceerd, die wordt gedetecteerd bij het platina werken-elektrode. De stop-flow-techniek is toegepast om te verkrijgen signaal versterking samen met snelle detectie. Verschillende biomoleculen kunnen kwantitatief worden gemeten door middel van het geïntroduceerde microfluidic systeem, geven een indicatie van verschillende soorten ziekten, of, met betrekking tot de therapeutische drug monitoring, een gepersonaliseerde therapie te vergemakkelijken.
Introduction
In de afgelopen twee decennia geworden diagnostische toepassingen voor elementaire voor diepgaande studies over de ontwikkeling van de wereldwijde volksgezondheid. Traditioneel worden laboratorium diagnostische hulpprogramma’s gebruikt voor het opsporen van ziekten. Hoewel ze nog steeds een belangrijke rol bij het diagnosticeren van ziekten spelen, point-of-care testen (POCT) uitgevoerd in de buurt van de patiënt of door de patiënt zelf is in de afgelopen jaren meer en meer gemeengoed geworden. Met name in dergelijke gevallen die onmiddellijke behandeling, zoals acuut myocardinfarct of diabetes controle, vereisen is de snelle bevestiging van een klinische bevinding essentieel. Vandaar, is er een groeiende behoefte aan POCT apparaten dat kan worden bediend door niet-deskundigen en die kunnen in het gelijktijdig uitvoeren van nauwkeurige in vitro diagnostische tests in een korte tijd1,2,3,4 .
Opmerkelijke verbeteringen hebben reeds bereikt op het gebied van POCT. Er zijn echter nog veel uitdagingen te overwinnen van5,6,7,8. Voor een POCT platform te worden met veel succes gelanceerd op de markt en te kunnen concurreren met laboratorium diagnostiek, het apparaat moet strikt voldoen aan de volgende eisen voldoen: (i) bieden nauwkeurige en kwantitatieve testresultaten die consistent met laboratorium zijn bevindingen; (ii) hebben korte monster-naar-result tijden, waardoor de onmiddellijke behandeling van de patiënt; (iii) functie ongecompliceerd en gemakkelijk behandeling, zelfs wanneer die worden geëxploiteerd door ongeoefende personen, en vereist de tussenkomst van de geminimaliseerde gebruiker; en (iv) bestaan uit een low cost sensor-eenheid ontworpen voor eenmalig gebruik toepassingen. Bovendien zijn diagnose apparatuur-vrij gunstig, voornamelijk in resource-poor omgevingen3,4,6.
Als gevolg van deze strenge eisen, hebt slechts twee POCT systemen op basis van elektrochemische detectie (bijvoorbeeld bloed glucose test strips) en laterale-flow-immunoassay (bijvoorbeeld thuis zwangerschapstesten) is gestart op de markt dus veel. Maar beide systemen lijdt aan nadelen zoals slechte prestaties (dat wil zeggen bloed glucose monitoring heeft onjuiste testresultaten en laterale stroom testen alleen kwalitatieve (positief of negatief) meetresultaten)4, 6. Deze nadelen van conventionele POCT systemen hebben geleid tot een toenemende vraag over het verkennen van nieuwe technologieën die snelle, goedkope en kwantitatieve detectie op het punt van zorg4,5 bieden.
Om te voldoen aan deze uitdagingen POCT apparaten, heeft DFR technologie onlangs gewerkt voor de fabricage van biosensoren besteedbaar en goedkope9,10,11,12, 13 , 14. in vergelijking met zachte en vloeibare lithografische materialen, zoals PDMS of SU-8, DFRs presenteren veel voordelen: ze (i) zijn verkrijgbaar in een verscheidenheid aan composities en diktes (van een paar microns tot enkele millimeters); (ii) hebben een zeer ruwe oppervlakte, dat vergemakkelijkt de hechting aan diverse materialen; (iii) functie uitstekende dikte uniformiteit; (iv) bieden goedkope facile en high-throughput fabricage voor massaproductie; (v) zijn gemakkelijk te snijden met verschillende laaggeprijsde hulpmiddelen, zoals een eenvoudige paar van schaar; en (vi) toestaan voor het creëren van driedimensionale structuren, zoals microfluidic kanalen, door het stapelen van meerdere DFR lagen op elkaar.
Aan de andere kant, hebben DFRs in het algemeen een relatief lage resolutie ten opzichte van vloeibare photoresists, die voornamelijk veroorzaakt wordt door de laagdikte en door de grotere afstand tussen het masker en de DFR als gevolg van de beschermende folie, waarmee bovendien licht verstrooiing. Toch, voor de vervaardiging van geïntegreerde microfluidic biosensoren, DFRs zijn zeer geschikt voor goedkope massaproductie.
Daarom werken we aanwezig in dit de fabricage en de toepassing van een elektrochemische microfluidic DFR gebaseerde biosensor. Het gedetailleerd protocol beschrijft elke stap van de productie van de biosensor platform, de immobilisatie op de chip van een model op basis van DNA-test en de elektrochemische uitlezing met behulp van de stop-flow-techniek. Deze universele platform laat de opsporing van talrijke soorten biomoleculen, met behulp van verschillende assay technologieën (b.v., genomics, cellomics en proteomics) of assay formaten (bijvoorbeeld, concurrerende, sandwich, of direct). Gebaseerd op een dergelijke DFR platform, onze fractie eerder succesvol gebleken de snelle en gevoelige kwantificering van verschillende analyten, met inbegrip van antibiotica13,15,16 (tetracycline, pristinamycin, en ß-lactam antibiotica), troponine ik17, en stof P18.
Protocol
Representative Results
Discussion
De ontwikkeling van een goedkope, compact en eenvoudig te gebruiken platform voor de detectie van biomoleculen kunnen via het protocol hier gepresenteerd voor de fabrikatie van een elektrochemische biosensor van microfluidic. Afhankelijk van de bepaling op de biosensor daarna gebruikt, kunnen verscheidene verschillende biomerkers worden gedetecteerd. Dit maakt het platform zeer veelzijdig en biedt brede toegang tot verschillende toepassingsgebieden, van standaard diagnostische tests (bijvoorbeeld bepalen van de …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedank het Duitse Research Foundation (DFG) voor gedeeltelijk financiering dit werk onder Grant nummers UR 70/10-01 en UR 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).
