我们展示了一种集成表面电极网络的微流控平台，该平台结合了电阻脉冲传感（RPS）与码分多址（CDMA）技术，可实现多个微流控通道中颗粒的多重检测与尺寸测量。
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本文内容
摘要
摘要
生物样本的微流控处理通常涉及在不同力场下对悬浮颗粒进行差异化操控，从而根据感兴趣的生物特性实现样本的空间分离。为了将所得的空间分布用作检测读数，微流控装置通常需要进行显微分析，而这依赖于复杂且成本较高、便携性较差的仪器设备。为克服这一局限，我们开发了一种集成化电子传感技术，可在微流控芯片的不同位置对颗粒进行多重检测。我们的技术称为微流控编码检测技术（Microfluidic CODES），它将电阻脉冲传感与码分多址技术相结合，将二维空间信息压缩为一维电信号。本文展示了微流控编码检测技术在多个微流控通道中分布的培养癌细胞的检测与尺寸分析方面的实际应用。通过高速显微镜验证，该技术能够完全以电子方式准确分析高密度的细胞群体，无需依赖外部仪器。因此，微流控编码检测技术有望推动低成本、集成化的芯片实验室设备的发展，特别适用于生物样本的即时检测。
引言
准确检测和分析悬浮在液体中的细胞、细菌或病毒等生物颗粒，对于多种应用具有重要意义1,2,3。微流控装置在尺寸上与这些生物颗粒相匹配，为此目的提供了独特优势，例如高灵敏度、温和的样品操作以及高度可控的微环境4,5,6,7。此外，微流控装置可被设计为结合流体动力学与力场，以被动分离具有不同特性的异质性生物颗粒群体8,9,10,11,12。在这些装置中，颗粒的分布结果可用作读出信号，但空间信息通常只能通过显微镜获取，这使得微流控装置必须依赖实验室基础设施，从而限制了其实际应用。因此，若能集成一种传感器，可在颗粒于微流控装置上被操控的同时实时报告其时空分布信息，则有望实现低成本、....
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方案
1. 编码电极的设计
注意：图1a展示了微图案电极的三维结构。
- 为微流控通道的编码设计一组四个7位Gold码23。
- 构建两个线性反馈移位寄存器（LFSR），每个寄存器代表一个本原多项式。
- 利用LFSR生成一对优选的7位m-序列。
- 对这对优选的m-序列进行循环移位，并在模2下相加，以生成四个不同的Gold码。
- 设计编码电极的布局（图1b）。
- 在三个角落放置三个电极端子，分别代表正极、负极和参考电极。
- 将正极和负极电极走线布设在每条微流控通道的相对两侧。
- 将正极和负极电极延伸为电极指状结构，插入微流控通道中，并按照唯一指定的Gold码进行排列（图1c）。
- 将参考电极置于正极和负极电极指状结构之间。
- 将正极和负极电极走线远离最外侧的参考电极指状结构，以尽量减少编码区域外的电导。
2. 表面电极的微加工
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结果
一种微流控 CODES 装置，包含分布在四个微流控通道上的四个传感器，如图 1b所示。在该系统中，每个微流控通道的横截面设计为接近细胞尺寸，以确保（1）多个细胞无法并行通过电极，以及（2）细胞始终保持在电极附近，从而提高检测灵敏度。每个传感器被设计为生成唯一的 7 位数字编码。随后使用细胞悬液对该装置进行测试。记录到的对应于四个独立传感器的电信号及其相应的理想数字编码如图 4所示。记录信号与理想的方波脉冲高度吻合，尽管存在微小偏差。这些偏差源于多种因素的共同作用，包括共面电极间非均匀电场、不同电极对之间的耦合效应、细胞的球形形态，以及细胞在微流控通道中恒定的流动速度。我们基于记录的传感器信号建立了一个模板库。通过将记录信号与库中所有模板进行相关性比对，确定了产生最大自相关峰的模板（图 4）。由于各微流控通道的数字编码设计为相互正交，因此在此过程中可稳健地识别出显著的自相关峰。利用该方法，我们可计算确定细胞所通过的微流控通道、传感器信号持续时间，以及细胞的流动速度。
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讨论
此前，多个电阻脉冲传感器已被集成到微流控芯片中28,29,30,31,32。在这些系统中，电阻脉冲传感器要么未实现多路复用28,29,30,31，要么需要各个传感器在不同频率下独立驱动32。在这两种情况下，芯片上的每个电阻脉冲传感器都需要专用的外部连接，因此若不增加硬件复杂性，便无法集成大量传感器。微流控 CODES（Microfluidic CODES）的重要优势在于，它能够在结构简单的设备中，通过单一输出端口同.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作得到了美国国家科学基金会资助项目（编号：ECCS 1610995）的支持。作者感谢电子与纳米技术研究所及帕克·H·佩蒂特生物工程与生物科学研究所工作人员在使用共享设施方面提供的支持。作者还感谢Chia-Heng Chu在手稿准备过程中提供的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 98% 硫酸 | BDH Chemicals | BDH3074-3.8LP | |
| 30% 过氧化氢 | BDH Chemicals | BDH7690-3 | |
| 三氯硅烷 | Aldrich Chemistry | 235725-100G | |
| NR9-1500PY 负性光刻胶 | Furuttex | ||
| 光刻胶显影液 RD6 | Furuttex | ||
| 丙酮 | BDH Chemicals | BDH1101-4LP | |
| SU-8 2015 负性光刻胶 | Microchem | SU8-2015 | |
| SU-8 显影液 | Microchem | Y010200 | |
| 聚二甲基硅氧烷 (PDMS) | Dow Corning | 3097358-1004 | Sylgard 184 硅橡胶弹性体试剂盒 |
| 异丙醇 | BDH Chemicals | BDH1133-4LP | |
| RPMI 1640 培养基 | Corning Cellgro | 10-040-CV | |
| 胎牛血清 (FBS) | Seradigm | 1500-050 | |
| 青霉素-链霉素 | Amresco | K952-100ML | |
| 磷酸盐缓冲液 (PBS) | Corning Cellgro | 21-040-CM | |
| PHD 22/2000 注射泵 | Harvard Apparatus | 70-2001 | |
| HF2LI 锁相放大器 | Zurich Instrument | ||
| HF2TA 电流放大器 | Zurich Instrument | ||
| Eclipse Ti-U 显微镜 | Nikon Corporation | ||
| DS-Fi2 高清彩色相机 | Nikon Corporation | ||
| v7.3 高速相机 | Phantom | ||
| PCIe-6361 数据采集板 | National Instruments | 781050-01 | |
| BNC-2120 屏蔽连接器模块 | National Instruments | 777960-01 | |
| PX-250 等离子体处理系统 | Nordson MARCH |
参考文献
- De Roy, K., Clement, L., Thas, O., Wang, Y., Boon, N. Flow cytometry for fast microbial community fingerprinting. Water Res. 46 (3), 907-919 (2012).
- Vives-Rego, J., Lebaron, P., Nebe-von Caron, G. Current and future applications of flow cytometry in aquatic microbiology. FEM....
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重印与许可
