与复用电子检测的粒子的空间跟踪微流体平台
2017年3月13日
我们证明与结合电阻脉冲感测（RPS）与码分多址（CDMA）的综合表面电极网络的微流体平台，来复用在多个微流体通道的粒子的检测和大小。
该程序的总体目标是展示一个微流体平台，该平台将电阻脉冲传感与码分多址相结合，以多路复用多个微流体通道中颗粒的检测和尺寸测定。这项名为微流体 CODES 的技术可以帮助实现完全集成和真正便携的实验室器皿芯片设备，非常适合在资源有限的环境中对生物样品进行即时检测。这项技术的主要优点是它可以电子跟踪微流体芯片上粒子的空间、时间作，无需显微镜等外部仪器。
我们的技术与软光刻技术兼容，可以很容易地集成到微光设备中，在微光设备中对颗粒进行分馏，以提供类似于库尔特计数器的直接电子读数。要开始构建微流体设备，请生成一组 4 位、7 位的金代码。然后使用计算机辅助设计或 AutoCAD 等 CAD 软件，根据金代码设计四个独特的电极布局。
最后，让 Photomask 供应商使用设计的电极布局进行 Photomask。接下来，将 4 英寸硼硅酸盐玻璃晶片浸泡在 120 摄氏度的 5 比 1 食人鱼溶液中 20 分钟。清洁后，将硅片放在热板上以 200 摄氏度加热 20 分钟，以蒸发残留的水分。
将干净、干燥的晶圆放入旋涂机中。将 2 毫升负性光刻胶溶液涂在晶圆上，并以每分钟 3000 转的速度旋涂 40 秒。将旋涂的晶圆放在 150 摄氏度的热板上干燥 1 分钟。
用所需电极图案的镀铬掩模覆盖晶圆。将掩蔽的光刻胶表面暴露在 365 纳米紫外光下，以获得每平方厘米 225 毫焦耳的光。将曝光的光刻胶在 100 摄氏度的热板上烘烤 1 分钟。
将晶圆浸入光刻胶显影剂中 15 秒，然后用温和的去离子水喷雾清洗图形晶圆，并在氮气流下干燥晶圆。接下来，将图案化的晶圆放入电子束金属蒸发器中。以每秒 1 埃的速率将 20 纳米厚的铬层和 80 纳米厚的金层沉积到晶圆上。
然后通过超声波将金属涂层晶圆在丙酮中以 40 kHz 和 100% 振幅加热 30 分钟来蚀刻底层光刻胶。根据需要使用切割机将晶圆切割成更小的块。要开始制造微流体通道模具，请按照与前面描述的硼硅酸盐晶片相同的方式清洁和干燥 4 英寸的硅晶片。
将硅晶片放入旋涂机中，并涂上 4 毫升负性光刻胶溶液。以 500 rpm 的速度旋转涂覆晶圆 15 秒，然后以 1， 000 rpm 的速度旋转涂层 15 秒，最后以 3， 000 rpm 的速度旋转涂层 60 秒。将晶圆正面朝上放在浸泡了丙酮的洁净室抹布上，以去除晶圆背面和边缘的残留光刻胶。
将威化饼在 65 摄氏度下烘烤 1 分钟，然后在 95 摄氏度下烘烤 2 分钟。将微流体通道的镀铬掩模图案放在干燥的晶圆上。将光刻胶以每平方厘米 180 毫焦耳的 365 纳米紫外线照射，然后分别在 65 和 95 摄氏度下再次烘烤晶圆 1 分钟和 2 分钟。
将图案化的晶圆放入装有光刻胶显影剂的容器中，轻轻摇晃容器 3 分钟。用异丙醇冲洗显影的晶片，并在氮气流下干燥晶片。在 200 摄氏度下烘烤晶圆 30 分钟，然后使用轮廓仪检查图案光刻胶是否在整个晶圆上均匀变厚。
将晶片放入真空干燥器中，并将 200 微升三氯氢硅放入未加盖的培养皿中。让晶片与三氯氢硅一起在干燥器中静置 8 小时，以使晶片表面硅烷化。要开始组装设备，请使用通用洁净室胶带将硅晶片模具固定在直径为 150 毫米的培养皿中。
将 50 克 10 比 1 的聚二甲基硅氧烷预聚物混合物加入培养皿中，并在真空干燥器中对混合物脱气 1 小时。将脱气的混合物在 65 摄氏度下固化至少 4 小时。用手术刀切出固化的 PDMS 层，然后用镊子将固化层从模具上剥离。
将 PDMS 切成小块。用活检打孔器在入口和出口微流体通道孔上打孔。将 PDMS 层图案正面朝下放在透明室内胶带上，以清洁微加工表面。
用丙酮、异丙醇和去离子水冲洗先前制备的带有电极的玻璃基板。在氮气流下干燥基材。将 PDMS 层和衬底放入设置为 100 毫瓦的射频等离子发生器中，微机侧面朝上。
在氧气等离子体中激活微机表面 30 秒。接下来，使用光学显微镜将图案 PDMS 层与表面电极对齐。对齐后，让表面进行物理接触，以将 PDMS 层密封到玻璃基板上。
玻璃基板上的涂层电极图案与 PDMS 微流体通道正确对齐至关重要。正确对齐后，粒子与表面电极的相互作用将产生所需的多路复用代码波形。将组装好的设备在 70 摄氏度下烘烤 5 分钟，玻璃面朝下。
最后将电线焊接到电极接触垫上以完成器件组装。要开始实验，请将微流体装置放在光学显微镜载物台上。将设备参比电极连接到锁相放大器的信号输出端口，并施加 400 kHz 的正弦波。
将正负传感器电极连接到两个独立的跨阻放大器。将两个跨阻放大器连接到锁相放大器的差分电压输入端，并从传感器负信号中减去正传感器信号。将锁相放大器的解调器输出连接到数据采集单元。
在数据采集软件中，将锁相放大器输出的采样率设置为 1 兆赫兹。设置高速相机以光学记录显微镜下看到的设备运行。将准备好的细胞悬液吸入注射器中。
将样品注射器固定在注射泵中，并将注射器连接到入口通道。将出口通道对准废物容器。使用注射泵以恒定流速驱动细胞悬液通过设备，同时记录阻抗调制信号。
实验完成后，使用分析软件处理电气数据。将处理后的电信号与来自高速相机的图像进行比较，以创建单元大小的校准曲线。细胞悬液流经微流体传感器装置，该装置具有源自正交传感器代码的四个独特电极图案。
所有四个传感器信号均来自单个电输出。通过将记录的传感器信号与所有可能的代码相关联来识别与每个记录信号相关的单个传感器，从而产生清晰可区分的自相关峰。使用迭代算法解决所有四个通道中同时检测小区的干扰信号产生的波形。
将记录的波形与所有可能的码相关联，并确定最大的自相关峰。从输入波形中重建和减去相应的单个传感器信号。残差信号作为输入传递到下一次迭代，该过程继续进行，直到残差信号没有产生自相关峰。
根据优化算法对估计的信号进行优化，使用最小二乘近似寻求重建波形和原始记录波形之间的最佳拟合。然后，根据估计传感器信号的通道数、幅度、持续时间和相对时间确定单元位置、大小和穿过传感器的时间。通过将电信号与来自高速相机的光学测量值进行比较来验证该程序。
一旦掌握，这种技术就很容易实现，因为从硬件的角度来看它非常简单。它没有有源片上元件。它与软光刻直接兼容，信号处理依赖于简单的计算算法。
按照此协议，您可以使用基于代码的多路复用电传感器制造微流体芯片，并解码电信号以进行生物分析测量。这种多功能、可扩展的电子传感技术可以很容易地集成到各种微流体设备中，通过在芯片上处理颗粒时对其进行空间时间跟踪来实现定量分析。看完这个视频，你应该对如何设计、制造和实现微流体 CODES 技术有一个很好的了解。
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概述
本研究展示了一种集成电阻脉冲感应与码分多址（CDMA）的微流控平台，用于在多个微流控通道中多路复用检测和测量颗粒。该技术被称为微流控CODES，旨在提供便携式实验室芯片设备，适用于资源有限环境下的即时检测。
研究的主要组成部分
科学领域
- 微流控
- 颗粒检测
- 即时检测
背景
- 微流控设备对于生物样品分析至关重要。
- 传统方法通常需要显微镜等外部仪器。
- 电阻脉冲感应可以实现颗粒大小测量和检测。
- 码分多址能够实现多路复用功能。
研究目的
- 开发一个能够增强颗粒检测的微流控平台。
- 消除颗粒分析中对外部仪器的需求。
- 创建一种与软光刻法兼容的技术，便于集成。
使用的方法
- 生成四个七位金码用于电极设计。
- 使用CAD软件设计独特的电极布局。
- 将平台集成到微光子器件中。
- 实现颗粒操控的电子跟踪。
主要结果
- 微流控平台成功实现了颗粒检测的多路复用。
- 消除了对外部仪器的需求。
- 实现了类似库尔特计数器的直接电子读数。
- 该技术适用于即时检测应用。
结论
- 微流控CODES为颗粒分析提供了一种新颖的方法。
- 该平台对资源有限的环境具有优势。
- 未来的应用可能包括更广泛的生物测试功能。
常见问题
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
