Plataforma microfluídico com multiplexada detecção electrónica do Ordenamento do Rastreamento de Partículas
Summary
Nós demonstramos uma plataforma de microfluidos com uma rede de eléctrodo de superfície integrada que combina a detecção de impulsos resistiva (RPS) com acesso múltiplo por divisão de código (CDMA), para multiplexar detecção e dimensionamento de partículas em vários canais de microfluidos.
Abstract
processamento de microfluidos de amostras biológicas normalmente envolve manipulações diferenciais de partículas suspensas sob vários campos de força, a fim de fracionar espacialmente a amostra com base em uma propriedade biológica de interesse. Para a distribuição espacial resultante para ser utilizado como a leitura de ensaio, dispositivos microfluidicos são muitas vezes sujeitas a análise microscópica requerendo instrumentação complexa com maior custo e portabilidade reduzida. Para resolver esta limitação, temos desenvolvido uma tecnologia de detecção electrónico integrado para a detecção de partículas multiplexado em locais diferentes num chip de microfluidos. A nossa tecnologia, chamada CÓDIGOS microfluídicos, combina pulso resistiva Sensing com Code Division Multiple Access para comprimir 2D informação espacial em um sinal elétrico 1D. Neste artigo, apresentamos uma demonstração prática da tecnologia CÓDIGOS microfluídicos para detectar e tamanho células cancerosas cultivadas distribuído por vários canais microfluídicos. Comovalidado pela microscopia de alta velocidade, a tecnologia pode analisar com precisão todas as populações de células densas electronicamente, sem a necessidade de um instrumento externo. Como tal, os códigos microfluídicos pode potencialmente permitir que dispositivos de baixo custo integrados lab-on-a-chip que estão bem adaptados para os testes point-of-care de amostras biológicas.
Introduction
A detecção precisa e análise de partículas biológicas tais como células, bactérias ou vírus em suspensão no líquido é de grande interesse para uma série de aplicações de 1, 2, 3. Bem combinado em tamanho, dispositivos microfluídicos oferecem vantagens únicas para este fim, como de alta sensibilidade, a manipulação da amostra gentil e microambiente bem controlados 4, 5, 6, 7. Além disso, os dispositivos de microfluidos podem ser concebidos para empregar uma combinação de dinâmica de fluidos e campos de força para fraccionar passivamente uma população heterogénea de partículas biológicas baseadas em diversas propriedades de 8, 9, 10, 11, 12. Naqueles dispositivos, a distribuição de partículas resultante pode ser utilizado como leitura da informação espacial, mas é, tipicamente, acessíveis apenas por meio de microscopia, o que limita a utilidade prática do dispositivo de microfluidos, amarrando-o para uma infra-estrutura de laboratório. Por isso, um sensor integrado que pode prontamente relatório de mapeamento espaço-temporal das partículas, à medida que são manipuladas em um dispositivo de microfluidos, pode potencialmente permitir a baixo custo, dispositivos de Lab-on-a-chip integrado que são particularmente atraente para o ensaio das amostras em Mobile , contextos de recursos limitados.
Eléctrodos de película fina têm sido usadas como sensores integrados em dispositivos de microfluidos para várias aplicações 13, 14. Pulso de detecção resistiva (RPS) é particularmente atraente para detecção integrada das pequenas partículas em canais de microfluidos, uma vez que oferece um mecanismo robusto, sensível, e detecção de alto rendimento directamente a partir de medições eléctricas 15. Em RPS, a modulação da impedância entre um par de eléctrodos, imersos num electrólito, é utilizado como um meio para detectar uma partícula. Quando a partícula passa através de uma abertura, de tamanho da ordem da partícula, o número e amplitude de impulsos transientes na corrente eléctrica que são utilizados para contar e partículas de tamanho, respectivamente. Além disso, a geometria do sensor pode ser concebido com uma resolução de fotolitografia a forma de onda de impulso resistivas, a fim de aumentar a sensibilidade de 16, 17, 18, 19 ou para estimar a posição vertical de partículas em canais de microfluidos 20.
Temos recentemente introduziu uma tecnologia de detecção de pulso resistiva multiplexado escalável e simples chamado Microfluidic Coded Orthogonal Detecção por Sensoriamento Elétrica (CODES microfluídicos) 21. CÓDIGOS microfluídicos depende de umrede interligada de sensores de pulso resistivos, cada um consistindo de uma matriz de eléctrodos de micromecânica para modular a condução de uma maneira única, distinguível, de modo a permitir a multiplexação. Temos concebido especificamente cada sensor para produzir sinais eléctricos ortogonais semelhantes aos códigos digitais usados no Code Division Multiple Access 22 (CDMA) de redes de telecomunicações, de modo que o sinal do sensor de pulso resistivas individuais podem ser recuperados de forma única a partir de uma única forma de onda de saída, mesmo se os sinais a partir de diferentes sensores interferir. Desta forma, a nossa tecnologia comprime informação espacial 2D de partículas num sinal eléctrico 1D, permitindo a monitorização de partículas em diferentes localizações sobre um chip de microfluidos, mantendo tanto a complexidade do dispositivo e ao nível do sistema a um nível mínimo.
Neste artigo, apresentamos um protocolo detalhado para métodos experimentais e computacionais necessárias para utilizar a tecnologia CÓDIGOS Microfluidic, bem como representative resultados da sua utilização em análises de amostras biológicas simulado. Utilizando os resultados de um dispositivo protótipo com quatro sensores multiplexados como um exemplo para explicar a técnica, nós fornecemos protocolos sobre (1) o processo de microfabricação para criar dispositivos microfluídicos com a tecnologia microfluídica CODES, (2) a descrição da configuração experimental, incluindo a hardware electrónico, óptico, e fluidificada, (3) o algoritmo de computador para descodificar sinais de interferência de diferentes sensores, e (4) os resultados de detecção e análise de células cancerosas em canais de microfluidos. Acreditamos que a utilização do protocolo detalhado descrito aqui, outros pesquisadores podem aplicar nossa tecnologia para suas pesquisas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vários sensores de pulso resistivas foram previamente incorporados em chips microfluídicos 28, 29, 30, 31, 32. Nestes sistemas, sensores de pulso resistivas ou não foram multiplexados 28, 29, 30, 31 ou eles necessários sensores …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by National Science Foundation Award No. ECCS 1610995. The authors would like to thank the Institute of Electronics and Nanotechnology and the Parker H. Petit Institute for Bioengineering and Bioscience staff for their support in using shared facilities. The authors also would like to thank Chia-Heng Chu for his help in preparing the manuscript.
Materials
| 98% Sulfuric Acid | BDH Chemicals | BDH3074-3.8LP | |
| 30% Hydrogen Peroxide | BDH Chemicals | BDH7690-3 | |
| Trichlorosilane | Aldrich Chemistry | 235725-100G | |
| NR9-1500PY Negative Photoresist | Furuttex | ||
| Resist Developer RD6 | Furuttex | ||
| Acetone | BDH Chemicals | BDH1101-4LP | |
| SU-8 2015 Negative Photoresist | Microchem | SU8-2015 | |
| SU-8 Developer | Microchem | Y010200 | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | 3097358-1004 | Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit |
| Isopropyl Alcohol | BDH Chemicals | BDH1133-4LP | |
| RPMI 1640 | Corning Cellgro | 10-040-CV | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Seradigm | 1500-050 | |
| Penicillin-Streptomycin | Amresco | K952-100ML | |
| Phosphate-Buffered Saline (PBS) | Corning Cellgro | 21-040-CM | |
| PHD 22/2000 Syringe Pump | Harvard Apparatus | 70-2001 | |
| HF2LI Lock-in Amplifier | Zurich Instrument | ||
| HF2TA Current Amplifier | Zurich Instrument | ||
| Eclipse Ti-U Microscope | Nikon Corporation | ||
| DS-Fi2 High-Definition Color Camera | Nikon Corporation | ||
| v7.3 High-speed Camera | Phantom | ||
| PCIe-6361 Data Acquisition Board | National Instruments | 781050-01 | |
| BNC-2120 Shielded Connector Block | National Instruments | 777960-01 | |
| PX-250 Plasma Treatment System | Nordson MARCH |
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