Un Biochip elettrochimica Microfluidic-based per la libera-Label Ibridazione DNA Analysis
Summary
Vi presentiamo un biochip elettrochimico basato microfluidica-per la rilevazione ibridazione DNA. A seguito di ssDNA sonda funzionalizzazione, la specificità, sensibilità, e il limite di rilevazione sono studiati con obiettivi ssDNA complementari e non complementari. I risultati illustrano l'influenza degli eventi di ibridazione DNA sul sistema elettrochimico, con un limite di rilevazione di 3,8 nM.
Abstract
La miniaturizzazione delle procedure analitiche da banco in micro-scala offre vantaggi significativi per quanto riguarda il tempo di reazione, costi, e l'integrazione delle fasi di pre-elaborazione. Utilizzando questi dispositivi verso l'analisi degli eventi di ibridazione del DNA è importante perché offre una tecnologia per la valutazione in tempo reale dei biomarcatori presso il punto di cura per varie malattie. Tuttavia, quando l'impronta dispositivo diminuisce il dominio di vari aumenti di fenomeni fisici. Questi fenomeni influenzano la precisione di fabbricazione e l'affidabilità di funzionamento del dispositivo. Pertanto, vi è una grande necessità di fabbricare accuratamente e farli funzionare in modo riproducibile al fine di migliorare le prestazioni complessive. Qui, descriviamo i protocolli ei metodi utilizzati per la fabbricazione e il funzionamento di un biochip elettrochimica microfluidica-based per l'analisi accurata di eventi di ibridazione DNA. Il biochip è composto di due parti: un chip microfluidica contre micro-canali paralleli fatti di polidimetilsilossano (PDMS), e un Arrayed microchip elettrochimica 3 x 3. Gli eventi di ibridazione DNA vengono rilevati mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) analisi. L'analisi EIS consente variazioni di monitoraggio delle proprietà del sistema elettrochimico che sono dominanti in queste scale di lunghezza. Con la possibilità di monitorare le variazioni sia di trasferimento di carica e la resistenza diffusionale con il biosensore, dimostriamo la selettività di obiettivi ssDNA complementari, un limite di rilevazione calcolato di 3,8 nM, ed una cross-reattività 13% con altri ssDNA non complementare dopo 20 min di incubazione. Questa metodologia può migliorare le prestazioni dei dispositivi miniaturizzati da chiarire sul comportamento di diffusione al regime micro-scala e consentendo lo studio di eventi di ibridazione DNA.
Introduction
Lab-on-a-chip microfluidica (LOC) dispositivi offrono numerosi vantaggi in diagnostica clinica, il monitoraggio ambientale e la ricerca biomedica. Questi dispositivi utilizzano canali microfluidici per controllare il flusso del fluido alle regioni del chip dove una varietà di procedure può avvenire compresa la miscelazione dei reagenti, affinità di base vincolante, trasduzione del segnale, e la cella coltura 1-4. Microfluidica offre molti vantaggi rispetto ai tradizionali strumenti diagnostici clinici, quali lettori di piastra Elisa o elettroforetica saggi di gel shift. Dispositivi microfluidici richiedono 2 o 3 ordini di grandezza (nanolitri al contrario di microlitri) minor numero di reagenti per eseguire test simili. Inoltre, questi dispositivi possono aumentare la velocità con cui alcuni eventi biologici si verificano a causa del confinamento più piccolo della specie all'interno dei canali 5,6. In terzo luogo, i sensori possono essere integrati all'interno di dispositivi microfluidici che utilizzano tecniche di litografia e incisione, che possono fornire detectio senza etichettan. Infine, questi dispositivi sono poco costosi da produrre e richiedono poco lavoro da parte del tecnico di operare 7-10.
Rilevamento libero-Label in genere viene eseguita utilizzando un trasduttore ottico o elettrico. Dispositivi ottici possono presentare migliori prestazioni di rilevamento a causa della minore interferenza con analiti nel campione. Tuttavia, le loro prestazioni è compromessa nel caso in cui lo sfondo del campione ha la stessa lunghezza d'onda di risonanza del sensore 11. Ci sono molti vantaggi di utilizzare segnali elettrici per eseguire il rilevamento biologico e chimico in sistemi microfluidici. La fabbricazione è intrinsecamente meno complicata dato che questi sensori in genere richiedono solo elettrodi fantasia per operare. Inoltre, i segnali elettrici possono essere interfacciati direttamente con la maggior parte delle apparecchiature di misura, mentre altre modalità di segnalazione possono richiedere un trasduttore per convertire il segnale 12-15. Sensori elettrici comunemente misurano variazioni di impedance 16,17, capacità 18, o redox di attività 19. Tuttavia, le nuove sfide che si presentano come tali sistemi sono miniaturizzati. Le sfide più importanti da superare comprendono: preparazione del campione e la miscelazione dei fluidi (a causa del basso volume del campione e il numero di Reynolds), effetti fisici e chimici (tra cui forze capillari, rugosità superficiale, le interazioni chimiche tra i materiali da costruzione e di analiti), basso rapporto segnale a-rumore (prodotto dalla zona ridotta superficie e di volume) 20-23, e il potenziale interferenza da analiti elettro-attivi in campioni biologici complessi (ad esempio, sangue e saliva). Ulteriori analisi di questi effetti si tradurrà in linee guida per una realizzazione accurata e il funzionamento di questi dispositivi in modo riproducibile che potrebbero migliorare la loro performance complessiva.
Rilevazione ibridazione DNA è ampiamente utilizzato per diagnosticare malattie genetiche 24,25 e varie forme di cancer 26. Ogni anno, più ceppi di influenza sono identificati nei pazienti che utilizzano i risultati di tecniche di ibridazione del DNA 27. Il virus dell'influenza da solo incide per 36.000 morti ogni anno negli Stati Uniti 28. Tali esempi potrebbero beneficiare di un dispositivo da banco microfluidica in grado di eseguire le stesse tecniche di analisi come un lettore di piastre o gel shift assay con basso volume del campione e ad una frazione del costo senza sacrificare la sensibilità o la specificità. A causa dei numerosi vantaggi del libero-label rilevamento elettrochimico, è stato ampiamente utilizzato per il rilevamento di eventi di ibridazione DNA 29,30. Una configurazione in cui gli elettrodi macro-scala (nella gamma millimetro) sono immersi in bicchieri con la soluzione di interesse può essere utilizzato per fornire dati molto sensibili riguardanti la cinetica di legame delle singole sequenze di DNA non recuperabili alle loro sequenze complementari corrispondenti. Recentemente, ci sono stati alcuni progressi nella incorporando rilevamento elettrochimico in microfluidics per ibridazione DNA. Gli studi sono stati condotti per quanto riguarda la cinetica di ibridazione 31 e l'integrazione di sensori per il rilevamento a 15 canali microfluidici. Tuttavia, esiste ancora la necessità di un rapido throughput elevato dispositivo di microfluidica in grado di analizzare gli eventi di ibridazione DNA in parallelo senza complicate fasi di preparazione del campione.
Il dispositivo presentato in questo lavoro fornisce una piattaforma che permette molteplici interazioni siano proiettati in parallelo e senza complicate fasi di preparazione del campione. Il nostro protocollo presenta come microfluidica basata biochip elettrochimici sono microfabbricati con sistemi micro-elettromeccanici (MEMS), la tecnologia 32,33. Descriviamo il processo di fabbricazione sia del chip microfluidico, fatta di polidimetilsilossano (PDMS), e il chip elettrochimica, costituito da una matrice di elettrodi. La funzionalizzazione chimica del biochip con sonde ssDNA si rivolge anche. Infine, il Abillità del biosensore per rilevare in modo specifico e analizzare obiettivi ssDNA è dimostrata. Nel complesso, il biochip elettrochimica basata microfluidica-è una tecnica rapida e di analisi high-throughput. Può essere usato per studiare le interazioni tra le molecole biologiche e trasduttori di conduzione, e può essere utilizzata in una varietà di applicazioni lab-on-a-chip.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le nostre procedure dimostrano la fabbricazione di un biochip elettrochimica basata microfluidica e il suo utilizzo per l'analisi di eventi di ibridazione del DNA. Attraverso un processo di microfabbricazione alta resa controllata sviluppiamo un dispositivo costituito da canali microscala, integrato con un insieme di trasduttori elettrochimici. Abbiamo ideato parametri di elaborazione controllate per la procedura di fotolitografia del chip elettrochimica e lo stampo canale microfluidica attraverso un approccio itera…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono il Robert W. Deutsch Fondazione, la Defense Threat Reduction Agency (DTRA), e la National Science Foundation Emerging frontiere della ricerca e innovazione (EFRI) per il sostegno finanziario. Gli autori ringraziano anche il Maryland Nanocenter e il suo Fablab per il supporto impianto di camera bianca.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Material | |||
| 4'' Silicon wafer | Ultrasil | 4-5664 | Single side polished; P-type; Boron doped; Orientation 1-0-0; Thickness 500 micron; Resistance 10-20 ohm*cm |
| Shipley 1813 photoresist ("PR1") | Microchem | positive photoresist | |
| AZ5214 photoresist ("PR2") | Hoechst Celanse | positive photoresist | |
| SU-8 50 photoresist ("PR3") | Microchem | negative photoresist | |
| Gold etchant | Transene | TFA | No dilution |
| Chromium etchant | Transene | 1020AC | No dilution |
| PDMS elastomer | Dow Corning | 3097366 1004 | |
| PDMS curing agent | Dow Corning | 3097358 1004 | |
| Biopsy punching tool | Healthlink | BP20 | |
| Tygon flexible tubing | Cole Parmer | R 3603 | .015" |
| Tygon flexible adapter | Cole Parmer | 06417-41 | .0625" |
| 1 mL syringe | Beckton-Dickenson | 301025 | |
| Monobasic potassium phosphate | Fluka | 1551139 | |
| Potassium phosphate dibasic anhydrous | Sigma | RES20765-A7 | |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| tris(2-carboxyethyl)phosphine | Aldrich | C4706 | |
| 6-mercapto-1-hexanol | Aldrich | 451088 | |
| 20x concentrated saline-sodium citrate buffer | Sigma | 93017 | |
| Potassium hexacyanoferrate(III) | Aldrich | 455946 | |
| Sodium ferrocyanide | Aldrich | CDS001589 | |
| Target ssDNA #1 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-/5ThioMC6-D/AAAGCTCCGATAGCGCTCCG TGGACGTCCC-3’ |
| Complementary ssDNA #1 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-GGGACGTCCACGGAGCGCTA TCGGAGCTTT-3’ |
| Target ssDNA #2 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-/5ThioMC6-D/ACGCGTCAGGTCATTGACGA ATCGATGAGT-3’ |
| Complementary ssDNA #2 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-ACTCATCGATTCGTCAATGA CCTGACCCGT-3’ |
| Target ssDNA #3 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-/5ThioMC6-D/ACCTAGATCCAGTAGTTAGA CCCATGATGA-3’ |
| Complementary ssDNA #3 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-TCATCATGGGTCTAACTACT GGATCTAGGT-3’ |
| Instrument | |||
| Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) | Oxford Instruments | PlasmaLab System 100 | Chamber pressure 1000 mTorr, Tempreture 200 celsius degrees, RF power 20 W, Gasses: a) N2O flow rate 710 sccm; b) a composition of 5% SiH4 and 95% N2 gasses flow rate 170 sccm, SiO2 growth rate 690 Angstrom/minute. |
| DC sputtering unit | AJA International | ATC 1800-V | For Chrome: Chamber pressure 10 mTorr, Argon flow rate 20 sccm, Supplied DC power 200 W, Sputter rate 10 nm/min. For Gold: Chamber pressure 10 mTorr, Argon flow rate 20 sccm, Supplied DC power 200 W, Sputter rate 36 nm/min. |
| E-beam evaporation system | Denton | Custom-built | For Titanium: Chamber pressure <2E-6 Torr, Supplied power to the e-gun 7.5k W, Filament current 150-200 mA, Evaporation rate 6-10 Angstrom/second. For Platinum: Chamber pressure <2E-6 Torr, Supplied power to the e-gun 7.5k W, Filament current 150-200 mA, Evaporation rate 2-3 Angstrom/second. |
| Potentiostat | CH Instruments | 660D | |
| Syringe pump | KD Scientific | KDS230 |
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