Plate-forme microfluidique avec multiplexée Détection électronique pour le suivi spatial des particules

L’objectif global de cette procédure est de démontrer une plate-forme microfluidique qui combine la détection d’impulsions résistives avec la division en code, l’accès multiple au multiplexage, la détection et le dimensionnement des particules dans plusieurs canaux microfluidiques. Cette technologie, appelée CODES microfluidiques, peut aider à réaliser des dispositifs de puce de laboratoire entièrement intégrés et véritablement portables, bien adaptés aux tests sur le lieu de soins d’échantillons biologiques dans des environnements aux ressources limitées. Le principal avantage de cette technique est qu’elle peut suivre électroniquement la manipulation spatiale et temporelle des particules sur la puce microfluidique, éliminant ainsi le besoin d’un instrument externe tel qu’un microscope.

Notre technologie est compatible avec la lithographie douce et peut facilement être intégrée dans un dispositif microphotique où les particules sont fractionnées pour fournir une lecture électronique directe similaire au compteur Coulter. Pour commencer la construction du dispositif microfluidique, générez un ensemble de quatre codes d’or de sept bits. Concevez ensuite quatre dispositions d’électrodes uniques basées sur les codes d’or à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur ou de CAO tel qu’AutoCAD.

Enfin, faites fabriquer le Photomasked avec la disposition d’électrode conçue par un fournisseur de Photomask. Ensuite, faites tremper une plaquette de verre borosilicaté de quatre pouces dans une solution de piranha à 120 degrés Celsius pendant 20 minutes. Après le nettoyage, chauffez la gaufrette sur une plaque chauffante à 200 degrés Celsius pendant 20 minutes pour évaporer l’eau résiduelle.

Placez la gaufrette propre et sèche dans une essoreuse. Appliquez 2 millilitres de solution photosensible négative sur la plaquette et essorez la couche à 3000 tours par minute pendant 40 secondes. Faites sécher la plaquette enrobée de centrifugation sur une plaque chauffante à 150 degrés Celsius pendant une minute.

Couvrez la plaquette avec un masque chromé dans le motif d’électrode souhaité. Exposez la surface photosensible masquée à une lumière UV de 365 nanomètres pour atteindre 225 millijoules par centimètre carré. Faites cuire la résine photosensible exposée sur une plaque chauffante à 100 degrés Celsius pendant une minute.

Plongez la plaquette dans un révélateur photosensible pendant 15 secondes, puis lavez la plaquette à motif dans une douce pulvérisation d’eau déminéralisée et séchez la plaquette sous un jet d’azote gazeux. Ensuite, placez la plaquette à motifs dans un évaporateur métallique à faisceau d’électrons. Déposez une couche de chrome de 20 nanomètres d’épaisseur et une couche d’or de 80 nanomètres d’épaisseur sur la plaquette à raison d’un angström par seconde.

Ensuite, gravez la résine photosensible sous-jacente en chauffant par ultrasons la plaquette recouverte de métal dans de l’acétone pendant 30 minutes à 40 kilohertz et 100 % d’amplitude. À l’aide d’une scie à découper en dés, coupez la gaufrette en petits morceaux au besoin. Pour commencer à fabriquer le moule du canal microfluidique, nettoyez et séchez une plaquette de silicium de quatre pouces de la même manière que la plaquette de borosilicate décrite précédemment.

Placez la plaquette de silicium dans une machine à revêtir et appliquez quatre millilitres de solution photosensible négative. Essorez la plaquette à 500 tr/min pendant 15 secondes, puis à 1 000 tr/min pendant 15 secondes et enfin à 3 000 tr/min pendant 60 secondes. Placez la plaquette face vers le haut sur une lingette de salle blanche imbibée d’acétone pour éliminer la résine photosensible résiduelle à l’arrière et sur les bords de la plaquette.

Faites cuire la gaufrette à 65 degrés Celsius pendant une minute, puis à 95 degrés Celsius pendant deux minutes. Placez un motif de masque chromé pour les canaux microfluidiques sur la plaquette sèche. Exposez la résine photosensible à une lumière UV de 365 nanomètres à 180 millijoules par centimètre carré, puis faites cuire à nouveau la plaquette à 65 et 95 degrés Celsius pendant une et deux minutes respectivement.

Placez la plaquette à motifs dans un récipient de révélateur photosensible et secouez doucement le récipient pendant trois minutes. Rincez la plaquette développée à l’isopropanol et séchez-la sous un jet d’azote gazeux. Faites cuire la plaquette à 200 degrés Celsius pendant 30 minutes, puis utilisez un profilomètre pour vérifier que la photorésine de motif est uniformément épaisse sur la plaquette.

Placez la plaquette dans un dessiccateur sous vide avec 200 microlitres de trichlorosilane dans une boîte de Pétri non couverte. Laissez la plaquette reposer dans le dessiccateur avec le trichlorosilane pendant huit heures pour silaniser la surface de la plaquette. Pour commencer à assembler l’appareil, utilisez du ruban adhésif de salle blanche à usage général pour fixer le moule à plaquette de silicium dans une boîte de Pétri de 150 millimètres de diamètre.

Ajoutez 50 grammes d’un mélange de 10 à un de prépolymère de polydiméthylsiloxane dans la boîte de Pétri et dégazez le mélange dans un dessiccateur sous vide pendant une heure. Faites durcir le mélange dégazé à 65 degrés Celsius pendant au moins quatre heures. À l’aide d’un scalpel, découpez la couche de PDMS durcie, puis décollez la couche durcie du moule à l’aide d’une pince à épiler.

Coupez le PDMS en petits morceaux. Percez les trous des canaux microfluidiques d’entrée et de sortie à l’aide d’un perforateur à biopsie. Placez le motif de couche PDMS face vers le bas sur du ruban adhésif transparent pour nettoyer la surface micro-usinée.

Rincez le substrat en verre portant l’électrode préalablement préparé avec de l’acétone, de l’isopropanol et de l’eau désionisée. Séchez le substrat sous un courant d’azote gazeux. Placez la couche PDMS et le substrat dans un générateur de plasma RF réglé à 100 milliwatts avec les côtés de la micromachine vers le haut.

Activez les surfaces de la micromachine dans un plasma d’oxygène pendant 30 secondes. Ensuite, utilisez un microscope optique pour aligner la couche PDMS avec les électrodes de surface. Une fois alignés, laissez les surfaces entrer en contact physique pour sceller la couche PDMS sur le substrat de verre.

Il est crucial que le motif de l’électrode de revêtement sur le substrat de verre soit correctement aligné avec les canaux microfluidiques PDMS. Une fois correctement alignée, l’interaction de la particule avec l’électrode de surface générera une forme d’onde de code souhaitée pour le multiplexage. Faites cuire l’appareil assemblé à 70 degrés Celsius pendant cinq minutes, côté verre vers le bas.

Enfin, soudez les fils aux pastilles de contact de l’électrode pour terminer l’assemblage de l’appareil. Pour commencer l’expérience, placez le dispositif microfluidique sur une platine de microscope optique. Connectez l’électrode de référence de l’appareil au port de sortie du signal d’un amplificateur de verrouillage et appliquez une onde sinusoïdale de 400 kilohertz.

Connectez les électrodes positive et négative des capteurs à deux amplificateurs de transimpédance indépendants. Connectez les deux amplificateurs de transimpédance aux entrées de tension différentielle de l’amplificateur de verrouillage avec le signal de capteur positif à soustraire du signal de capteur négatif. Connectez la sortie du démodulateur de l’amplificateur de verrouillage à une unité d’acquisition de données.

Dans le logiciel d’acquisition de données, définissez un taux d’échantillonnage de 1 mégahertz pour la sortie de l’amplificateur de verrouillage. Installez une caméra à grande vitesse pour enregistrer optiquement le fonctionnement de l’appareil tel qu’il est vu au microscope. Prélevez une suspension cellulaire préparée dans une seringue.

Fixez la seringue d’échantillon dans un pousse-seringue et connectez la seringue au canal d’entrée. Dirigez le canal de sortie vers un conteneur à déchets. Utilisez le pousse-seringue pour entraîner la suspension des cellules à travers l’appareil à un débit constant tout en enregistrant le signal de modulation d’impédance.

Une fois l’expérience terminée, traitez les données électriques à l’aide d’un logiciel d’analyse. Comparez le signal électrique traité avec les images de la caméra haute vitesse pour créer une courbe d’étalonnage pour la taille de la cellule. Une suspension de cellule a été circulée à travers un dispositif de capteur microfluidique avec quatre modèles d’électrodes uniques dérivés de codes de capteurs orthogonaux.

Les quatre signaux des capteurs ont été enregistrés à partir d’une seule sortie électrique. Le capteur individuel associé à chaque signal enregistré a été identifié par corrélation des signaux du capteur enregistré avec tous les codes possibles, ce qui a produit des pics d’autocorrélation clairement distincts. Les formes d’onde produites par les signaux interférents lors de la détection simultanée de cellules dans les quatre canaux ont été résolues à l’aide d’un algorithme itératif.

Une forme d’onde enregistrée a été corrélée avec tous les codes possibles et le plus grand pic d’autocorrélation a été identifié. Le signal individuel correspondant du capteur a été reconstruit et soustrait de la forme d’onde d’entrée. Le signal résiduel a été transmis à l’itération suivante au fur et à mesure de l’entrée et le processus s’est poursuivi jusqu’à ce que le signal résiduel ne produise plus de pics d’autocorrélation.

Les signaux estimés ont été affinés sur la base d’un algorithme d’optimisation recherchant le meilleur ajustement entre les formes d’onde reconstruites et les formes d’onde enregistrées originales en utilisant l’approximation des moindres carrés. L’emplacement de la cellule, la taille et le temps nécessaire pour traverser le capteur ont ensuite été déterminés à partir du numéro de canal, de l’amplitude, de la durée et de la synchronisation relative des signaux de capteur estimés. La procédure a été validée par comparaison des signaux électriques avec les mesures optiques de la caméra à grande vitesse.

Une fois maîtrisée, cette technique est très facile à mettre en œuvre, car elle est très simple d’un point de vue matériel. Il n’a pas de composant actif sur puce. Il est directement compatible avec la lithographie douce et le traitement du signal repose sur un algorithme de calcul simple.

En suivant ce protocole, vous pouvez fabriquer des puces microfluidiques avec des capteurs électriques multiplexes basés sur un code et décoder des signaux électriques pour des mesures bioanalytiques. Cette technologie de détection électronique polyvalente et évolutive peut être facilement intégrée dans divers dispositifs microfluidiques pour réaliser des analyses quantitatives en suivant temporellement spatialement les particules pendant leur traitement sur la puce. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la conception, de la fabrication et de la mise en œuvre d’une technologie de codage microfluidique.