Trockenen Film Photoresist-basierte elektrochemische mikrofluidischen Biosensor Plattform: Gerät Fertigung, On-Chip-Test Vorbereitung und Systembetrieb
Summary
Eine mikrofluidischen Biosensor-Plattform wurde entworfen und hergestellt mit kostengünstigen trocken Photoresist Filmtechnik für die rasche und sensible Quantifizierung der verschiedenen Analyten. Diese Einweg-System ermöglicht das elektrochemische Auslesen der Enzym-linked-Assays auf den Chip immobilisiert mittels der Stop-Flow-Technik.
Abstract
In den letzten Jahren wurde die Biomarker-Diagnose ein unverzichtbares Werkzeug für die Diagnose der Krankheit beim Menschen, vor allem für die Point-of-Care-Diagnostik. Eine einfach zu bedienende und kostengünstige Sensorplattform ist sehr erwünscht, um verschiedene Arten von Analyten (z. B. Biomarker, Hormonen und Medikamenten) quantitativ und speziell zu messen. Aus diesem Grund wurde trockenen Film Photoresist Technologie – billig, oberflächlich und Hochdurchsatz-Fertigung – die hier vorgestellten mikrofluidischen Biosensor Herstellung verwendet. Abhängig von der Bioassay anschließend verwendet ist die vielseitige Plattform in der Lage, verschiedene Arten von Biomolekülen zu erkennen. Für die Herstellung des Geräts sind Platin-Elektroden auf eine flexible Polyimid (PI) Folie im Prozessschritt nur Reinraum-strukturiert. Die PI-Folie dient als Substrat für die Elektroden, die mit einem Epoxy-basierte Photoresist isoliert sind. Der Mikrofluidik-Kanal wird später durch die Entwicklung und Kaschierung von trockenen Film Fotolack (DFR) Folien auf die PI-Wafer erzeugt. Mithilfe einer hydrophoben anhalten Barriere im Kanal der Kanal ist aufgeteilt in zwei Bereiche: eine Immobilisierung Abschnitt für die Enzym-linked-Assay und eine elektrochemische Messzelle für die konduktometrische Signal Anzeige.
Die auf dem Chip Bioassay Immobilisierung erfolgt durch die Adsorption von Biomolekülen, die Kanal-Oberfläche. Die Glukose-Oxidase-Enzym dient als ein Wandler für elektrochemische Signalerzeugung. In Anwesenheit des Substrates, Glukose, entsteht Wasserstoffperoxid, nachgewiesen ist, auf die Platin Arbeitselektrode. Die Stop-Flow-Technik wird angewendet, um die Signalverstärkung zusammen mit schnellen Nachweis zu erhalten. Verschiedenen Biomolekülen können quantitativ mit Hilfe des eingeführten mikrofluidischen Systems, geben einen Hinweis auf verschiedene Arten von Krankheiten oder in Bezug auf therapeutische Drug monitoring, erleichtert eine personalisierte Therapie gemessen werden.
Introduction
In den letzten zwei Jahrzehnten sind diagnostische Anwendungen für eingehende Studien über die Entwicklung der globalen öffentlichen Gesundheit elementar geworden. Traditionell werden Labor-Diagnose-Tools zur Erkennung von Krankheiten verwendet. Obwohl sie nach wie vor eine wichtige Rolle bei der Diagnose von Krankheiten spielen, Point-of-Care testing (POCT) durchgeführt, in der Nähe des Patienten oder durch den Patienten selbst in den letzten Jahren mehr und mehr alltäglich geworden. Vor allem in solchen Fällen, die eine sofortige Behandlung, wie akutem Myokardinfarkt oder Diabeteskontrolle, erfordern unbedingt die rasche Bestätigung der klinischen Befund. Daher gibt es ein wachsender Bedarf für POCT-Geräte, die von Laien bedient werden und sind gleichzeitig in der Lage präzise in-vitro- diagnostische Tests in kurzer Zeit1,2,3,4 .
Auf dem Gebiet der POCT haben bereits bemerkenswerte Verbesserungen erzielt werden. Allerdings gibt es noch viele Herausforderungen zu überwinden,5,6,7,8. Für POCT Plattform erfolgreich auf den Markt gebracht werden und mit Labordiagnostik wettbewerbsfähig zu sein, muss das Gerät streng die folgenden Anforderungen erfüllen: (i) liefern präzise und quantitative Testergebnisse, die mit Labor übereinstimmen Ergebnisse; (Ii) haben Sie kurze Beispielergebnis Zeiten, ermöglicht die sofortige Behandlung des Patienten; (Iii) verfügen über unkomplizierte und einfache Handhabung, auch wenn von ungeschulten Personen betrieben, und minimale Benutzereingriffe erfordern; und (iv) bestehen aus einer kostengünstigen Sensoreinheit für Einweg-Anwendungen konzipiert. Darüber hinaus sind Ausrüstung-kostenlose Diagnose günstig, vor allem in ressourcenarmen Umgebungen3,4,6.
Durch diese strengen Anforderungen haben nur zwei POCT-Systeme basierend auf elektrochemischen Detektion (z. B. Blutzuckerteststreifen) und lateral Flow Immunoassays (z. B. Schwangerschaftstests) erfolgreich auf dem Markt so eingeführt weit. Beide Systeme leiden jedoch Nachteile, wie schlechte Leistung (z. B. Blutzucker-monitoring hat ungenaue Testergebnisse und lateral Flow Assays liefern nur qualitative (positiv oder negativ) Messergebnisse)4, 6. Diese Nachteile herkömmlicher POCT-Systeme führten zu einer steigenden Nachfrage auf die Erforschung neuer Technologies, die schnelle, kostengünstige und quantitative Erfassung am Point of Care4,5anbieten.
Um diese Herausforderungen POCT-Geräte zu erfüllen, ist DFR Technologie vor kurzem für die Herstellung von Einweg- und kostengünstige Biosensoren9,10,11,12, beschäftigt 13 , 14. im Vergleich zu weich und flüssig lithografischen Materialien, wie z. B. PDMS oder SU-8, DFRs präsentieren viele Vorteile: sie (i) sind erhältlich in einer Vielzahl von Kompositionen und stärken (von wenigen µm bis mehrere Millimeter); (Ii) haben Sie eine sehr raue Oberfläche, die Haftung auf verschiedenen Materialien erleichtert; (Iii) Feature ausgezeichnete Dicke Gleichförmigkeit; (iv) bieten Sie billige, einfache und Hochdurchsatz-Fertigung für die Massenproduktion; (V) sind leicht mit verschiedenen kostengünstigen Tools, wie eine einfache Schere schneiden; und (vi) für die Erstellung von dreidimensionalen Strukturen, z. B. mikrofluidische Kanäle ermöglichen durch mehrere DFR Schichten übereinander stapeln.
Auf der anderen Seite haben DFRs im Allgemeinen eine relativ schlechte Auflösung im Vergleich zu flüssigen Photoresists, hervorgerufen vor allem durch die Schichtdicke und der erhöhten Abstand zwischen der Maske und der DFR aufgrund der Schutzfolie, die zusätzlich Licht ermöglicht Streuung. Dennoch sind für die Fertigung von integrierten mikrofluidischen Biosensoren, DFRs bestens geeignet für die kostengünstige Massenproduktion.
Deshalb arbeiten wir in diesem vorliegenden die Herstellung und Anwendung von einem elektrochemischen mikrofluidischen DFR-basierten Biosensor. Das ausführliche Protokoll beschreibt jeden Produktionsschritt der Biosensor-Plattform, die auf dem Chip Immobilisierung von einem DNA-basierte Modell-Assay und seinen elektrochemischen auslesen mit Hilfe der Stop-Flow-Technik. Dieses universelle Plattform ermöglicht die Erkennung von zahlreichen Arten von Biomolekülen, mit verschiedenen Assay-Technologien (z. B. Genomik, Cellomics und Proteomics) oder Assay-Formate (z.B. Wettbewerb, Sandwich, oder direkt). Basierend auf einer DFR Plattform, zeigte unsere Fraktion zuvor erfolgreich die rasche und sensible Quantifizierung der verschiedenen Analyten, einschließlich Antibiotika13,15,16 (Tetracyclin, pristinamycinresistente, und ß-Lactam-Antibiotika), Troponin ich17und Substanz P18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Protokoll für die Herstellung von einem mikrofluidischen elektrochemische Biosensor hier vorgestellten ermöglicht die Entwicklung einer Low-Cost, kompakt und einfach zu bedienende Plattform für die Erkennung von Biomolekülen. Abhängig von der Test anschließend auf der Biosensor verwendet können mehrere verschiedene Biomarker erkannt werden. Dies macht die Plattform sehr vielseitig und bietet breite Zugriff auf verschiedene Anwendungsbereiche von standard-diagnostische Tests (z. B. das Vorhandensein vo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchte der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die teilweise Finanzierung dieser Arbeit unter Grant Zahlen UR 70/10-01 und 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).
