منصة ميكروفلويديك مع تعدد كشف الالكترونية لتتبع المكانية من الجسيمات
مارس 13, 2017
علينا أن نظهر منصة ميكروفلويديك مع شبكة القطب سطح المتكاملة التي تجمع بين الاستشعار عن نبض مقاوم (RPS) مع سي دي إم أيه (CDMA)، إلى تعدد كشف والتحجيم من الجزيئات في قنوات ميكروفلويديك متعددة.
الهدف العام من هذا الإجراء هو إظهار منصة موائع دقيقة تجمع بين استشعار النبض المقاوم وتقسيم الكود ، والوصول المتعدد لمضاعفة الكشف عن الجسيمات وحجمها في قنوات موائع دقيقة متعددة. يمكن أن تساعد هذه التقنية ، المسماة microfluidic CODES ، في تحقيق أجهزة رقاقة أدوات المختبر المتكاملة والمحمولة حقا والتي هي مناسبة تماما لاختبار نقطة الرعاية للعينات البيولوجية في بيئات محدودة الموارد. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنها يمكن أن تتبع إلكترونيا التلاعب المكاني والزماني للجزيئات الموجودة على شريحة الموائع الدقيقة ، مما يلغي الحاجة إلى أداة خارجية مثل المجهر.
تتوافق تقنيتنا مع الطباعة الحجرية الناعمة ويمكن دمجها بسهولة في جهاز ميكروفوتي حيث يتم تجزئة الجسيمات لتوفير قراءة إلكترونية مباشرة مشابهة لعداد كولتر. لبدء بناء جهاز الموائع الدقيقة ، قم بإنشاء مجموعة من أربعة ، سبعة رموز ذهبية. ثم صمم أربعة تخطيطات فريدة من نوعها للأقطاب الكهربائية بناء على الرموز الذهبية باستخدام تصميم بمساعدة الكمبيوتر ، أو برنامج CAD مثل AutoCAD.
أخيرا ، احصل على Photomasked مع تخطيط القطب الكهربائي المصمم الذي تم تصنيعه بواسطة مورد Photomask. بعد ذلك ، انقع رقاقة زجاجية من البورسليكات مقاس 4 بوصات في محلول سمكة المفترس من خمسة إلى واحد على حرارة 120 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة. بعد التنظيف ، سخني الرقاقة على طبق ساخن على حرارة 200 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة لتبخر الماء المتبقي.
ضع الرقاقة النظيفة والجافة في مغطى الدوران. ضع 2 مل من محلول مقاوم للضوء السلبي على الرقاقة وطبقة الدوران بمعدل 3000 دورة في الدقيقة لمدة 40 ثانية. جفف الرقاقة المطلية بالدوران على طبق ساخن على حرارة 150 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة.
قم بتغطية الرقاقة بقناع من الكروم في نمط القطب المطلوب. قم بتعريض السطح المقنع المقاوم للضوء لضوء الأشعة فوق البنفسجية 365 نانومتر للوصول إلى 225 مللي جول لكل سنتيمتر مربع. يخبز المقاوم للضوء المكشوف على طبق ساخن على حرارة 100 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة.
اغمر الرقاقة في مطور مقاوم للضوء لمدة 15 ثانية ، ثم اغسل رقاقة النمط برذاذ لطيف من الماء منزوع الأيونات وجفف الرقاقة تحت تيار من غاز النيتروجين. بعد ذلك ، ضع الرقاقة المزخرفة في مبخر معدني بشعاع إلكتروني. قم بإيداع طبقة كروم بسمك 20 نانومتر وطبقة ذهبية بسمك 80 نانومتر على الرقاقة بمعدل أنغستروم واحد في الثانية.
ثم قم بحفر مقاومة الضوء الأساسية عن طريق تسخين الرقاقة المطلية بالمعدن بالموجات فوق الصوتية في الأسيتون لمدة 30 دقيقة عند 40 كيلو هرتز و 100٪ السعة. استخدم منشار تقطيع الويفر إلى قطع أصغر حسب الحاجة. لبدء تصنيع قالب قناة الموائع الدقيقة ، قم بتنظيف وجفف رقاقة السيليكون مقاس أربعة بوصات بنفس طريقة رقاقة البورسليكات الموصوفة سابقا.
ضع رقاقة السيليكون في مغطي تدور وقم بتطبيق أربعة ملليلتر من محلول مقاوم للضوء السلبي. قم بتدوير الرقاقة عند 500 دورة في الدقيقة لمدة 15 ثانية ، ثم عند 1 ، 000 دورة في الدقيقة لمدة 15 ثانية ، وأخيرا عند 3 ، 000 دورة في الدقيقة لمدة 60 ثانية. ضع الرقاقة ووجهها لأعلى على منديل غرفة نظيف مبلل بالأسيتون لإزالة المقاومة الضوئية المتبقية من الخلف وحواف الرقاقة.
اخبزي الرقاقة على حرارة 65 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة ثم على 95 درجة مئوية لمدة دقيقتين. ضع نمط قناع الكروم لقنوات الموائع الدقيقة على الرقاقة الجافة. قم بتعريض مقاومة الضوء لضوء الأشعة فوق البنفسجية 365 نانومتر عند 180 مللي جول لكل سنتيمتر مربع ثم اخبز الرقاقة مرة أخرى عند 65 و 95 درجة مئوية لمدة دقيقة ودقيقتين على التوالي.
ضع الرقاقة المزخرفة في حاوية من مطور مقاوم للضوء وقم بهز الحاوية برفق لمدة ثلاث دقائق. اشطف الرقاقة المطورة في الأيزوبروبانول وجفف الرقاقة تحت تيار من غاز النيتروجين. اخبزي الرقاقة على حرارة 200 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة ، ثم استخدمي مقياس التذوق للتأكد من أن النمط المقاوم للضوء سميك بشكل موحد عبر الرقاقة.
ضع الرقاقة في مجفف مفرغ مع 200 ميكرولتر من ثلاثي كلوروسيلان في طبق بتري مكشوف. اسمح للرقاقة بالجلوس في المجفف مع ثلاثي كلوروسيلان لمدة ثماني ساعات لتجميل سطح الرقاقة. لبدء تجميع الجهاز ، استخدم شريط غرفة نظيف للأغراض العامة لتثبيت قالب رقاقة السيليكون في طبق بتري بقطر 150 ملم.
أضف 50 جراما من خليط 10 إلى واحد من البوليمر البوليمر البولي ثنائي ميثيل سيلوكسان إلى طبق بتري وقم بإزالة الخليط في مجفف فراغ لمدة ساعة واحدة. عالج الخليط منزوع الغازات عند 65 درجة مئوية لمدة أربع ساعات على الأقل. استخدم مشرطا لقطع طبقة PDMS المعالجة ثم قشر الطبقة المعالجة من القالب بالملاقط.
قطع PDMS إلى قطع صغيرة. قم بثقب فتحات قناة الموائع الدقيقة في مدخل ومخرج باستخدام أداة ثقب الخزعة. ضع نمط طبقة PDMS ووجهه لأسفل على شريط غرفة شفاف لتنظيف السطح الدقيق.
اشطف الركيزة الزجاجية الحاملة للقطب الكهربائي المعدة مسبقا بالأسيتون والأيزوبروبانول والماء منزوع الأيونات. جفف الركيزة تحت تيار من غاز النيتروجين. ضع طبقة PDMS والركيزة في مولد بلازما RF مضبوطة على 100 مللي واط مع توجيه جوانب الماكينة الدقيقة لأعلى.
قم بتنشيط أسطح الماكينة الدقيقة في بلازما الأكسجين لمدة 30 ثانية. بعد ذلك ، استخدم مجهرا ضوئيا لمحاذاة طبقة PDMS النمطية مع الأقطاب الكهربائية السطحية. بمجرد المحاذاة ، اسمح للأسطح بالتلامس الجسدي لإغلاق طبقة PDMS على الركيزة الزجاجية.
من الأهمية بمكان أن يتم محاذاة نمط قطب الطلاء على الركيزة الزجاجية بشكل صحيح مع قنوات الموائع الدقيقة PDMS. بمجرد محاذاة الجسيمات بشكل صحيح ، سيولد تفاعل الجسيمات مع القطب السطحي شكل موجة رمز مطلوب لتعدد الإرسال. اخبز الجهاز المجمع على حرارة 70 درجة مئوية لمدة خمس دقائق ، مع الجانب الزجاجي لأسفل.
أخيرا ، قمبلحام الأسلاك إلى وسادات التلامس الكهربائي لإنهاء تجميع الجهاز. لبدء التجربة ، ضع جهاز الموائع الدقيقة على مرحلة المجهر البصري. قم بتوصيل القطب المرجعي للجهاز بمنفذ خرج الإشارة لمكبر الصوت القفل وقم بتطبيق موجة جيبية 400 كيلو هرتز.
قم بتوصيل أقطاب المستشعر الموجبة والسالبة بمكبرات صوت مستقلة. قم بتوصيل كل من مضخمات العبور ب مدخلات الجهد التفاضلي لمضخم القفل مع إشارة المستشعر الموجبة المراد طرحها من إشارة المستشعر السالبة. قم بتوصيل إخراج مزيل التشكيل لمضخم القفل بوحدة الحصول على البيانات.
في برنامج الحصول على البيانات ، قم بتعيين معدل أخذ العينات لإخراج مكبر الصوت للقفل بمقدار 1 ميغا هرتز. قم بإعداد كاميرا عالية السرعة لتسجيل تشغيل الجهاز بصريا كما هو موضح تحت المجهر. ارسم معلق خلية معد في حقنة.
قم بتأمين عينة المحقنة في مضخة حقنة وقم بتوصيل المحقنة بقناة المدخل. قم بتوجيه قناة المخرج إلى حاوية النفايات. استخدم مضخة الحقنة لدفع تعليق الخلية عبر الجهاز بمعدل تدفق ثابت أثناء تسجيل إشارة تعديل المقاومة.
بعد الانتهاء من التجربة ، قم بمعالجة البيانات الكهربائية باستخدام برنامج التحليل. قارن الإشارة الكهربائية المعالجة بالصور من الكاميرا عالية السرعة لإنشاء منحنى معايرة لحجم الخلية. تم تدفق تعليق الخلية من خلال جهاز استشعار ميكروفلويديك بأربعة أنماط قطب كهربائي فريدة مشتقة من رموز المستشعر المتعامدة.
تم تسجيل جميع إشارات المستشعر الأربعة من خرج كهربائي واحد. تم تحديد المستشعر الفردي المرتبط بكل إشارة مسجلة من خلال ارتباط إشارات المستشعر المسجلة بجميع الرموز الممكنة ، مما أنتج قمم ارتباط تلقائي يمكن تمييزها بوضوح. تم حل الأشكال الموجية الناتجة عن الإشارات المتداخلة من الكشف المتزامن للخلايا في جميع القنوات الأربع باستخدام خوارزمية تكرارية.
تم ربط شكل الموجة المسجل بجميع الرموز الممكنة وتم تحديد أكبر ذروة ارتباط ذاتي. أعيد بناء إشارة المستشعر الفردية المقابلة وطرحها من شكل موجة الإدخال. تم تمرير الإشارة المتبقية إلى التكرار التالي كإدخال واستمرت العملية حتى لم تنتج الإشارة المتبقية أي قمم ارتباط تلقائي.
تم تنقيح الإشارات المقدرة بناء على خوارزمية تحسين تبحث عن أفضل ملاءمة بين الأشكال الموجية المعاد بناؤها وأشكال الموجة الأصلية المسجلة باستخدام تقريب المربعات الصغرى. ثم تم تحديد موقع الخلية وحجمها ووقتها لعبور المستشعر من رقم القناة والسعة والمدة والتوقيت النسبي لإشارات المستشعر المقدرة. تم التحقق من صحة الإجراء من خلال مقارنة الإشارات الكهربائية بالقياسات البصرية من الكاميرا عالية السرعة.
بمجرد إتقانها ، تكون هذه التقنية سهلة التنفيذ للغاية ، لأنها بسيطة للغاية من منظور الأجهزة. لا يحتوي على مكون نشط على الرقاقة. وهو متوافق بشكل مباشر مع الطباعة الحجرية الناعمة وتعتمد معالجة الإشارة على خوارزمية حسابية بسيطة.
باتباع هذا البروتوكول ، يمكنك تصنيع رقائق الموائع الدقيقة باستخدام مستشعرات كهربائية متعددة الإرسال قائمة على الكود وفك تشفير الإشارات الكهربائية لقياس التحليل الحيوي. يمكن دمج تقنية الاستشعار الإلكترونية متعددة الاستخدامات والقابلة للتطوير بسهولة في العديد من أجهزة الموائع الدقيقة لتحقيق المقايسات الكمية عن طريق تتبع الجسيمات المكانية الزماني أثناء معالجتها على الشريحة. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تصميم وتصنيع وتنفيذ تقنية رموز الموائع الدقيقة.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
النظرة العامة
توضح هذه الدراسة منصة مصغرة للسوائل تندمج بين استشعار النبضات المقاومة مع الوصول المتعدد بتقسيم الكود (CDMA) لكشف متعدد الجزيئات وتحديد حجمها في عدة قنوات مصغرة للسوائل. تهدف هذه التقنية، التي يطلق عليها مصغرات السوائل CODES، إلى تسهيل استخدام أجهزة الرقائق المختبرية المحمولة المناسبة لاختبار نقطة الرعاية في البيئات منخفضة الموارد.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- مصغرات السوائل
- كشف الجزيئات
- اختبار نقطة الرعاية
الخلفية
- تعد أجهزة مصغرات السوائل ضرورية لتحليل العينات البيولوجية.
- تتطلب الطرق التقليدية غالبًا أدوات خارجية مثل المجاهر.
- يسمح استشعار النبضات المقاومة بتحديد حجم الجزيئات وكشفها.
- يمكن الوصول المتعدد بتقسيم الكود من قدرات المضاعفة.
هدف الدراسة
- تطوير منصة مصغرة للسوائل تعزز كشف الجزيئات.
- التخلص من الحاجة إلى أدوات خارجية في تحليل الجزيئات.
- إنشاء تقنية متوافقة مع الطباعة الدقيقة الناعمة لسهولة الدمج.
الطرق المستخدمة
- توليد أربعة أكواد ذهبية من سبعة بتات لتصميم القطب الكهربائي.
- تصميم تخطيطات أقطاب كهربائية فريدة باستخدام برامج تصميم بمساعدة الحاسوب.
- دمج المنصة في جهاز مصغر للضوء.
- تنفيذ تتبع إلكتروني لمعالجة الجزيئات.
النتائج الرئيسية
- نجحت المنصة المصغرة للسوائل في مضاعفة كشف الجزيئات.
- تم تحقيق التخلص من الأدوات الخارجية.
- تم إثبات القراءة الإلكترونية المباشرة المشابهة لعداد كولتر.
- تعد التقنية مناسبة لتطبيقات نقطة الرعاية.
الاستنتاجات
- تقدم مصغرات السوائل CODES نهجًا جديدًا لتحليل الجزيئات.
- تعد المنصة مفيدة للبيئات منخفضة الموارد.
- قد تشمل التطبيقات المستقبلية قدرات فحص بيولوجية أوسع.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Microfluidic CODES enables electronic spatial tracking of particles without external instrumentation, addressing a key bottleneck in portable bioanalytical systems. By compressing 2D spatial data into a 1D electrical signal via resistive pulse sensing and CDMA, the platform supports low-cost, integrated lab-on-a-chip designs suitable for point-of-care testing in resource-limited settings. This approach enhances assay accessibility and reduces dependency on complex microscopy infrastructure.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through electronic sizing and spatial tracking of particles in multiplexed channels.
- Operational Value: Supports biological de-risking by providing direct electronic readouts of particle distribution without microscopy.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows by generating quantitative, spatially resolved particle data.
- Operational Value: Addresses assay standardization and reproducibility through electronic signal multiplexing and code-based decoding.
- Strategic Value: Enhances screening readiness and scalability by enabling parallel particle analysis across multiple microfluidic channels.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant systems by allowing electronic monitoring of particle behavior in microfluidic environments.
- Operational Value: Ensures translational continuity from discovery to preclinical validation via consistent electronic readouts.
- Strategic Value: Facilitates risk-adjusted advancement decisions through reliable, instrument-free particle sizing and localization.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum by enabling hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking through electronic particle tracking.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by electronically resolving particle location, size, and timing across channels.
- Screening: Delivers assay readiness and quantitative outputs via multiplexed electrical signals decoded using orthogonal gold codes.
- Analytics: Provides statistical outputs such as signal correlation and autocorrelation peak analysis for distinguishing simultaneous particle events.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by enabling consistent, electronically derived particle metrics without external instrumentation.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform technology compatible with soft lithography and adaptable to various microfluidic designs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in particle sizing and spatial distribution through electronic signal reconstruction.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability via code-division multiplexing and soft lithography compatibility.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk by eliminating instrument-dependent variability.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on reliable, electronically generated particle data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, electrode design, and signal processing algorithms.
- Depends on instrumentation for photolithography, metal evaporation, and plasma bonding during device assembly.
- Necessitates cross-team standardization in electrode layout design and code generation for reproducible multiplexing.
- Involves adaptation considerations when scaling across different microfluidic channel geometries and particle types.
- Practical limitations include the need for cleanroom facilities and precise alignment of electrode patterns with microfluidic channels.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:03
Surface Electrode Microfabrication
3:19
Microfluidic Channel Mold Fabrication
5:20
Microfluidic Channel Fabrication and Microfluidic Device Assembly
7:28
Running the Microfluidic Device and Data Analysis
9:10
Results: Determination of Cell Flow Rate and Size from Microfluidic Device Electrical Signals
10:52
Conclusion
