פלטפורמה מבוססת Photoresist ביוסנסור אלקטרוכימי Microfluidic הסרט יבש: ייצור המכשיר, הכנה על שבב Assay, ותפעול המערכת
Summary
פלטפורמה ביוסנסור microfluidic תוכנן של מפוברק בטכנולוגיית photoresist הסרט יבש בעלות נמוכה עבור כימות מהיר ורגיש של analytes שונים. מערכת זו לשימוש יחיד מאפשרת מדידה אלקטרוכימי של–צ’יפ-משותק מבחני מקושרים-אנזים באמצעות הטכניקה להפסיק זרימה.
Abstract
בשנים האחרונות, סמן אבחון הפך כלי הכרחי לאבחון של מחלות אנושיות, במיוחד עבור האבחון בשלב של טיפול. פלטפורמה נוחה לשימוש, בעלות נמוכה חיישן רצוי מאוד למדוד סוגים שונים של analytes (למשל, סמנים ביולוגיים, הורמונים ותרופות) באופן כמותי, במיוחד. מסיבה זו, הסרט יבש photoresist טכנולוגיה – הפעלת זול, ייצור נתיישב, תפוקה גבוהה – שימש לייצור את החיישן microfluidic המוצג כאן. בהתאם התכולה יוצאת משמש לאחר מכן, פלטפורמה תכליתי היא מסוגלת לאתר סוגים שונים של מולקולות. עבור ייצור של המכשיר, אלקטרודות הפלטינה בנויות על רדיד גמיש פוליאימיד (PI) שלב תהליך רק חדר. מסכל PI משמש מצע עבור האלקטרודות, אשר הם מבודדים עם photoresist על בסיס אפוקסי. ערוץ microfluidic נוצר לאחר מכן על ידי פיתוח, למינציה של הסרט יבש foils photoresist (DFR) על גבי כשהפחד PI. באמצעות מחסום לעצור הידרופובי בערוץ, הערוץ מחולק לשני אזורים ספציפיים: מקטע הנייח וזמינותו מקושרים-אנזים, תא אלקטרוכימי מדידה לבדיקה האות amperometric.
הנייח על שבב bioassay מתבצע על ידי ספיחה של מולקולות השטח ערוץ. האנזים גלוקוז אוקסידאז משמש מתמר לדור אות אלקטרוכימי. בנוכחות המצע, גלוקוז, מופק מימן על-חמצני, אשר זוהה על האלקטרודה עבודה פלטינה. הטכניקה להפסיק זרימה מוחל לקבל הגברה של האות יחד עם זיהוי מהיר. מולקולות שונות ניתן למדוד באופן כמותי באמצעות מערכת microfluidic הציג, נותן אינדיקציה של סוגים שונים של מחלות, או, לענין הסמים טיפולית ניטור, דבר המקל על טיפול אישי.
Introduction
בשני העשורים האחרונים, הפכו יישומים אבחון יסודי ללימודים מעמיקים על הפיתוח של בריאות הציבור הכללית. באופן מסורתי, כלי אבחון מעבדה משמשים לאיתור מחלות. למרות שהם עדיין משחקת תפקיד מפתח באבחון של מחלות, בדיקות בשלב של טיפול (הדגימה) ביצע ליד החולה או על ידי המטופל עצמו הפך יותר ויותר שגרתי בשנים האחרונות. במיוחד במקרים כאלה הדורשים טיפול מיידי, כגון אוטם אקוטי או סוכרת ניטור, אישור מהיר של ממצא קליני הוא חיוני. לפיכך, יש צורך הולך וגדל עבור התקנים הדגימה. זה יכול להיות מופעל על ידי שאינם מומחים, במקביל שמסוגלים ביצוע מדויק במבחנה בדיקות אבחון בלה זמן קצר1,2,3,4 .
השיפורים המדהימים שכבר הושגו בתחום של הדגימה. עם זאת, יש עדיין אתגרים רבים להתגבר על5,–6,–7,–8. עבור פלטפורמה הדגימה. להיות משוגר בהצלחה בשוק וכדי להיות תחרותי עם בדיקות מעבדה, המכשיר חייב בתכלית האיסור למלא את הדרישות הבאות: (i) לספק תוצאות מבחן כמותי ומדויק עקביים עם מעבדה הממצאים; (ii) יש קצר לדוגמה-כדי-תוצאה פעמים, המאפשרים טיפול מיידי של החולה; (iii) כוללים טיפול מסובך ולא קל, אפילו כאשר מופעלים על ידי יחידים מיומנת, ודורשים התערבות משתמש הממוזערת; ו- (ד) מהווים יחידה נמוכים חיישן תוכנן עבור יישומים לשימוש יחיד. יתר על כן, ללא ציוד דיאגנוסטיקה הם חיוביים, בעיקר ב משאב מסכן סביבות3,4,6.
עקב דרישות חמורות אלה, רק שתי מערכות הדגימה. מבוסס על זיהוי אלקטרוכימי (למשל, דם גלוקוז לבדוק רצועות) ועל זרימה לרוחב immunoassays (למשל, בדיקות הריון ביתית) בהצלחה שוגרו בשוק כל כך עד עכשיו. עם זאת, שתי מערכות סובלים חסרונות כגון ביצועים ירודים (קרי, ניטור גלוקוז בדם יש תוצאות הבדיקה אינה מדויקת, מבחני לרוחב זרימה רק מספקים תוצאות המדידה (חיובי או שלילי) איכותי)4, 6. אלה החסרונות של מערכות הדגימה קונבנציונאלי הובילו לדרישה גוברת על חקר טכנולוגיות חדשות מציעים זיהוי מהיר בעלות נמוכה, כמותיים בנקודת הטיפול4,5.
כדי לענות על האתגרים הללו מול התקנים הדגימה., טכנולוגיה DFR לאחרונה ננקטה להרכבת ביולוגיים חד פעמיות, בעלות נמוכה9,10,11,12, 13 , 14. לעומת חומרים ליטוגרפית נוזלי ורכים, כגון PDMS או סו-8, DFRs להציג יתרונות רבים: הם (i) זמינים במגוון רחב של יצירות, עוביים (מתוך כמה מיקרון עד כמה מילימטרים); (ii) יש פני שטח קשה מאוד, המאפשרת הדבקה על חומרים שונים; (iii) אחידות עובי מצוינת תכונה; (iv) מציעים ייצור זול נתיישב, תפוקה גבוהה לייצור המוני; (v) הם קל לחתוך עם כלים שונים בעלות נמוכה, כמו זוג פשוט מספריים; ו (vi) לאפשר את הקמת מבנים תלת-ממדיים, כגון ערוצי microfluidic, על-ידי סידור בערימה שכבות מרובות DFR אחד על גבי השני.
מצד שני, DFRs באופן כללי יש רזולוציה הדלה יחסית בהשוואה photoresists נוזלי, אשר נגרמת בעיקר על ידי עובי הסרט על ידי המרחק גדל בין המסכה את DFR עקב מסכל מגן, המאפשרת בנוסף אור פיזור. עדיין, על הייצור של microfluidic משולב ביולוגיים, DFRs מתאימים מאוד לייצור המוני בעלות נמוכה.
לכן, נוכח זה אנחנו עובדים על ייצור ויישום של ביוסנסור מבוססי DFR microfluidic אלקטרוכימי. פרוטוקול מפורט מתאר כל שלב בייצור של פלטפורמת ביוסנסור, את הנייח על שבב של וזמינותו של מודל המבוסס על ה-DNA, שלה readout אלקטרוכימי בטכניקה להפסיק זרימה. פלטפורמה אוניברסלית זו מאפשרת הגילוי של סוגים רבים של מולקולות, באמצעות טכנולוגיות שונות assay (למשל, גנומיקה, cellomics ו פרוטאומיקס) או תבניות assay (למשל, תחרותי, כריך או ישיר). מבוסס על פלטפורמה DFR כזה, הקבוצה שלנו בהצלחה הפגינו בעבר כימות מהיר ורגיש של analytes שונים, כולל אנטיביוטיקה13,15,16 (טטרציקלין, pristinamycin, אנטיביוטיקה ß lactam), טרופונין אני17, וחומר P18.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול המובאת כאן להרכבת ביוסנסור אלקטרוכימי microfluidic מאפשר ההתפתחות של פלטפורמה נמוכים, קומפקטי, קל לשימוש עבור הגילוי של מולקולות. בהתאם וזמינותו להשתמש לאחר מכן החיישן, ניתן להבחין מספר סמנים ביולוגיים שונים. זה הופך את הפלטפורמה מאוד תכליתי ומספק גישה רחבה לתחומים שונים של יישומים, ב…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להודות את הגרמני מחקר קרן (DFG) למימון חלקית לזה לעבוד תחת גרנט מספרים UR 70/10-01 ו- 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).
