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Articolo metodologico

Film secco basati su Photoresist biosensore elettrochimico Microfluidic Platform: Fabbricazione di dispositivi, saggio su chip preparazione e funzionamento del sistema

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⸱

DOI:

10.3791/56105

⸱

19 settembre 2017

 ,  ,  , 
1Department of Microsystems Engineering, University of Freiburg, 2Freiburg Materials Research Center, University of Freiburg, 3Department of Biosystems Science and Engineering, ETH Zurich

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

Una piattaforma di biosensore microfluidica è stata progettata e fabbricato con tecnologia photoresist film asciutto low-cost per la quantificazione rapida e sensibile di vari analiti. Questo sistema monouso consente la lettura elettrochimica di on-chip-immobilizzata analisi enzima-collegata mediante la tecnica della stop-flow.

Abstract

Negli ultimi anni, la diagnostica di biomarcatore è diventato uno strumento indispensabile per la diagnosi della malattia umana, soprattutto per la diagnostica point-of-care. Una piattaforma facile da usare e a basso costo sensore altamente è voluta per misurare vari tipi di analiti (ad es., biomarcatori, ormoni e farmaci) quantitativamente e in particolare. Per questo motivo, film secco photoresist tecnologia - abilitazione a buon mercato, fabbricazione di alto-rendimento e facile - utilizzata per fabbricare il biosensore microfluidici presentato qui. A seconda l'analisi biologica utilizzata in seguito, la piattaforma versatile è in grado di rilevare vari tipi di biomolecole. Per la fabbricazione del dispositivo, elettrodi di platino sono strutturati su una lamina flessibile poliimmide (PI) nel passaggio processo solo pulito. La lamina di PI funge da substrato per gli elettrodi, che sono isolati con un photoresist a base epossidica. Il canale di microfluidica viene generato successivamente dallo sviluppo di laminazione di fogli di photoresist (DFR) di film secco sul wafer PI. Utilizzando una barriera idrofoba arresto nel canale, il canale è suddiviso in due aree specifiche: una sezione di immobilizzazione per l'analisi enzima-collegata e una cella di misura elettrochimica per la lettura del segnale amperometrico.

L'immobilizzazione di analisi biologica su chip viene eseguita per l'adsorbimento di biomolecole alla superficie del canale. L'enzima ossidasi di glucosio è usato come un trasduttore per la generazione di segnale elettrochimico. In presenza di substrato, glucosio, perossido di idrogeno è prodotto, che è stata rilevata all'elettrodo di lavoro platino. La tecnica stop-flow è applicata per ottenere amplificazione del segnale con rilevamento rapido. Biomolecole differenti può essere misurata quantitativamente mediante il sistema introdotto microfluidica, dà un'indicazione dei vari tipi di malattie, o, per quanto riguarda farmaci terapeutici monitoraggio, facilitando una terapia personalizzata.

Introduzione

Durante le due decadi scorse, applicazioni diagnostiche sono diventati Elementare per studi approfonditi sullo sviluppo della salute pubblica globale. Tradizionalmente, strumenti di diagnostica di laboratorio sono utilizzati per la rilevazione di malattie. Anche se hanno ancora un ruolo chiave nella diagnosi di malattie, point-of-care testing (POCT) eseguita vicino al paziente o dal paziente stesso è diventato più facile e più comune negli ultimi anni. Soprattutto in questi casi che richiedono un trattamento immediato, come infarto miocardico o monitoraggio del diabete, la conferma veloce di un'individuazione clinica è essenziale. Quindi, c'è un crescente bisogno di dispositivi POCT che può essere azionato da non esperti e che sono contemporaneamente in grado di eseguire precisi in vitro test diagnostici in un breve periodo di tempo1,2,3,4 .

Notevoli miglioramenti sono già stati raggiunti nel campo della POCT. Tuttavia, ci sono ancora molte sfide da superare5,6,7,8. Per una piattaforma POCT per essere lanciato con successo sul mercato ed essere competitivi con diagnostica di laboratorio, il dispositivo deve rigorosamente rispettare i seguenti requisiti: (i) fornire risultati precisi e quantitativa che siano coerenti con laboratorio Risultati; (ii) avere breve esempio di risultato volte, consentendo il trattamento immediato del paziente; (iii) offrono la gestione semplice e facile, anche se operati da inesperte e richiedono l'intervento dell'utente ridotta a icona; e (iv) è composto da un'unità di sensori a basso costo progettata per applicazioni monouso. Inoltre, privo di attrezzatura diagnostica è favorevoli, soprattutto in ambienti poveri di risorse3,4,6.

A causa di questi requisiti severi, solo due sistemi POCT basate sulla rilevazione elettrochimica (ad es., strisce reattive per glicemia) e il test immunologici di flusso laterale (ad es., prove di gravidanza domestiche) sono stati lanciati con successo sul mercato così lontano. Tuttavia, entrambi i sistemi soffrono di svantaggi quali la riduzione delle prestazioni (cioè, monitoraggio della glicemia ha risultati di prova inaccurati e flusso laterale saggi forniscono solo risultati di misurazione qualitativa (positiva o negativa))4, 6. Questi inconvenienti dei sistemi convenzionali di POCT hanno portato ad una crescente domanda di esplorare nuove tecnologie che offrono funzionalità di rilevamento veloce, basso costo e quantitativa nel punto di cura4,5.

Per soddisfare queste sfide dispositivi POCT, tecnologia DFR è stato recentemente impiegata per la fabbricazione di biosensori monouso e basso costo9,10,11,12, 13 , 14. rispetto ai materiali litografici morbidi e liquidi, ad esempio PDMS o SU-8, DFRs presentano molti vantaggi: (i) sono disponibili in una varietà di composizioni e spessori (da pochi micron ad alcuni millimetri); (ii) hanno una superficie molto ruvida, che facilita l'adesione ai vari materiali; (iii) uniformità di spessore eccellente caratteristica; (iv) offrono la fabbricazione a basso costo, facile e ad alta produttività per la produzione di massa; (v) sono facili da tagliare con vari strumenti di basso costo, come un semplice paio di forbici; e (vi) consentono la creazione di strutture tridimensionali, quali canali microfluidici, impilando strati multipli di DFR in cima a vicenda.

D'altra parte, DFRs in generale hanno una risoluzione relativamente povera rispetto i photoresists liquidi, che è principalmente causati dallo spessore del film e l'aumento della distanza tra la maschera e il DFR dovuto la pellicola protettiva, che consente inoltre di luce scattering. Ancora, per la produzione di biosensori di microfluidica integrata, DFRs sono particolarmente adatte per la produzione di massa di basso costo.

Pertanto, vi presentiamo in questo lavoro la fabbricazione e l'applicazione di un biosensore DFR-based microfluidic elettrochimica. Il protocollo dettagliato descrive ogni fase di produzione della piattaforma biosensore, l'immobilizzazione su chip di un saggio del modello basati sul DNA e sua lettura elettrochimica usando la tecnica stop-flow. Questa piattaforma universale consente il rilevamento di numerosi tipi di biomolecole, utilizzando tecnologie diverse analisi (ad es., genomica, cellomics e proteomica) o formati di dosaggio (ad es., competitivo, panino o diretta). Basato su una piattaforma di DFR, il nostro gruppo precedentemente dimostrato con successo la quantificazione rapida e sensibile di analiti vari, tra cui antibiotici13,15,16 (tetraciclina, pristinamicina e gli antibiotici ß-lattamici), troponina I17e18di sostanza P.

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Protocollo

1. fabbricazione della tecnologia microfluidica biosensore utilizzando DFR

  1. cialde di preparazione della PI.
    1. Taglio una PI substrato nella 6 - in cialde tonde. Mettere la cialda di PI in un forno a 120 ° C per circa 1 h per cuocere una disidratazione.
  2. Primo passo fotolitografia per il processo di Lift-off.
    1. Programma spin-spalmatrice a un tempo di 30 s filatura a 3.000 giri/min, con un'accelerazione di 2.000 giri/min/s. posto il wafer di PI su spin-coater e risolvere il problema, applicare il vuoto. Pipettare 2 mL di un resist, consentendo il processo di Lift-off e avviare il programma di spin coater. Rimuovere la cialda da spin-coater e soft-cuocia il wafer di PI su una piastra calda per 2 min a 100 ° C.
    2. Regolare la maschera desiderata per patterning gli elettrodi sul wafer PI con l'occhio nudo ed esporlo alla luce di 2 UV 400 mJ/cm (365 nm). Posto la cialda in una ciotola riempita con uno sviluppatore di resistere di corrispondenza su agitatore orbitale e lasciarlo agitare leggermente per 1 min.
    3. Dopo il resist in eccesso viene rimosso, è possibile utilizzare una doccia per sciacquare il wafer di PI con acqua deionizzata (acqua deionizzata) su una panchina umida e asciugarlo in seguito usando aria compressa.
  3. Deposizione di platino per la formazione degli elettrodi.
    1. Utilizzare un processo di deposizione di vapore fisico standard al deposito 200 nm di platino sul wafer 19.
    2. Mettere la cialda in una ciotola. Aggiungere il remover corrispondente nella ciotola e rimuovere il fotoresist sganciabile agitando leggermente la cialda su agitatore orbitale fino tutti platinum in eccesso viene rimosso. Sciacquare e asciugare la cialda di PI come descritto al punto 1.2.3.
  4. Seconda fase Fotolitografia: formando lo strato dell'isolamento.
    1. Mettere la cialda di PI in forno preriscaldato a 120 ° C per 5 min disidratare it.
    2. Programma il primo passo di una spin coater per 5 s di filatura tempo a 500 giri/min. Programmare il secondo passo per 30 s a 4.000 giri/min, con un'accelerazione di 700 giri/min/s.
    3. Posizionare la cialda di PI su spin-coater e risolvere il problema, applicare il vuoto. Dispensare 4 mL di un'appropriata base epossidica photoresist prima di iniziare il programma di spin coater.
    4. Soft-cuocia il wafer rivestito per 3 min a 95 ° C su una piastra calda.
    5. Regolare la maschera per il livello di isolamento sul wafer utilizzando gli indicatori di allineamento rispettivi e una lente oculare. Esporre la cialda a 100 mJ/cm 2 UV luce (365 nm).
    6. Per cuocere un post-esposizione, posizionare la cialda su un piatto caldo preriscaldato per 2 min a 95 ° C.
    7. Inserire la cialda in una ciotola e sviluppare la resistenza con uno sviluppatore adatto (ad es., 1-metossi-2-propil-acetat per 2 min, nel caso di SU-8) su agitatore orbitale.
    8. Prima sciacquare la cialda di PI con isopropanolo e poi risciacquare e asciugare come descritto al punto 1.2.3.
    9. Rigido-cuocia il photoresist in forno per 3 ore a 150 ° C.
  5. Assistita da plasma pulizia degli elettrodi.
    1. Per rimuovere i residui di photoresist, utilizzare il plasma ad ossigeno con un'unità di plasma standard. Avviare il programma di lavaggio, alimentato a bassa frequenza 200-W con il 100% O 2 flusso, un tasso di sccm 250 e un tempo totale di 3 min.
    2. Inserire la cialda PI camera plasma, difficoltà la cialda sulla piastra con messa a terra con coperchi in vetro e avviare il processo al plasma.
  6. Argento e deposizione di cloruro d'argento: creazione dell'elettrodo di riferimento su chip a.
    1. Passivazione il contatto platino pastiglie del wafer con un nastro adesivo UV sensibili. Tagliare il foglio a strisce lunghe cm 5 mm di larghezza e 11 e allegarli al wafer, proteggendo le parti di non essere depositato con argento.
    2. Per la deposizione di argento, mettere un bagno ad ultrasuoni (35 kHz) in una cappa e un contenitore di soluzione elettrolitica argento (100 g/L Ag, pH 12,5) inserire la vasca. Impostare il bagno a ultrasuoni a temperatura ambiente e il potere di 10%.
      Attenzione: Soluzioni di elettroliti d'argento sono altamente tossici e devono essere maneggiati con estrema cura. I fumi non devono mai essere inalati.
    3. Collegare il contatto di massa degli elettrodi di riferimento a una fonte di corrente costante. Collegare l'elettrodo contatore, un filo d'argento che è immerso nella soluzione dell'elettrolito d'argento, all'origine corrente utilizzando cavi di collegamento standard.
    4. Impostare la sorgente di corrente a DC e una densità di corrente di -4,5 mA/cm 2, con un tasso di deposizione d'argento di circa 0,3 µm/min iniziare il bagno ad ultrasuoni e lasciate in origine corrente per 10 minuti la cialda di risciacquo con acqua DI
    5. Per la clorazione dell'elettrodo di riferimento, inserire un vaso di soluzione di cloruro di potassio (KCl) 0,1 M nel bagno ad ultrasuoni. Collegare il contatto di massa di un elettrodo di platino che è immersa nella soluzione KCl con la fonte di corrente costante e il wafer.
    6. Impostare la sorgente di corrente a DC e una densità di corrente di + 0,6 mA/cm 2, con un tasso di deposizione di circa 0.075 µm/min avviare il bagno ad ultrasuoni e lasciate che la sorgente di corrente per un minimo di 7,5
    7. Sciacquare e asciugare il PI di wafer, come descritto al punto 1.2.3.
    8. Rimuovere il nastro UV sensibili dopo un UV (365 nm) esposizione di 300 mJ/cm 2 e risciacquare ed asciugare la cialda di PI, nuovamente come descritto nel passo 1.2.3.
  7. Terzo passo di fotolitografia: utilizzando DFRs per creare i canali microfluidici.
    1. Tagliare gli strati DFR necessari a una dimensione simile a quella del wafer (20 x 20 cm 2). Fissare la maschera desiderata sull'unità di esposizione e allineare lo strato DFR sulla maschera utilizzando l'occhio nudo. Illuminare il resistere con 250 mJ/cm 2 UV luce (365 nm).
    2. Rimuovere la pellicola protettiva del photoresist e sviluppare il resistere per circa 2 min (a seconda delle strutture) in una soluzione di carbonato di sodio (Na 2 CO 3) 1% mediante un bagno ad ultrasuoni standard (35 kHz) preriscaldato a 42 ° C e una potenza sonora del 100%. Per interrompere immediatamente la reazione, agitare il resist per 1 min in un bagno di HCl 1% su agitatore orbitale. Sciacquare e asciugare ogni strato DFR, come descritto al punto 1.2.3.
      Nota: In totale, quattro strati DFR devono essere elaborati come indicato al punto 1.7: strato di un canale, un rivestimento protettivo e due strati di retro (impedendo il biosensore di piegatura alla fine).
  8. Strati di laminazione del DFR sul substrato PI.
    1. Posizionare la cialda di PI su una lamina di overhead di trasparenza e fissarlo con nastro adesivo standard. Regolare il livello del DFR canale sul wafer PI sotto un microscopio, utilizzando le strutture di allineamento rispettivi.
    2. Per la laminazione, utilizzare una plastificatrice a caldo standard del rotolo e preriscaldare il rullo superiore a 100 ° C e la bobina inferiore a 60 ° C. impostare la pressione a 3 bar, con una velocità di avanzamento di 0,3 m/min posto la cialda con lo strato DFR fisso al centro la plastificatrice e avviarlo; Il DFR viene spinto attraverso la plastificatrice. Ripetere il passaggio dopo aver ruotato la cialda di 180°.
    3. Per evitare la flessione del biosensore, laminato due strati retro sviluppati su wafer seguendo passaggi 1.8.1-1.8.2.
  9. Impiegando una barriera idrofoba fermarsi e il chip di sigillamento.
    1. Rimuovi lo strato protettivo dal lato anteriore del canale DFR laicier posizionando il nastro adesivo standard ad una estremità del DFR e tirandolo verso l'alto. Utilizzare un mano dispenser con tubi di 0,004 per versare piccole goccioline di politetrafluoroetilene disciolto nei pozzetti dello strato isolante. Per sigillare il chip microfluidici, laminato lo strato di copertura DFR sul livello di canale, come descritto al punto 1.8.
  10. Hard-cottura biosensore microfluidici.
    1. Rimuovi tutto protettivo sventa sulla copertina e retro strati DFR. I biosensori tagliate a strisce utilizzando un normale paio di forbici. Curare le patatine in forno a 160 ° C per 3 h.

2. Procedura di dosaggio immobilizzazione su chip

  1. adsorbimento dell'avidina nella zona del canale immobilizzazione.
    1. Preparare una soluzione di avidina 100 µ g/mL in soluzione tampone fosfato 10 mM (PBS) ad un pH di 7,4.
    2. Erogare 2 µ l della soluzione avidina sull'ingresso del biosensore.
      Nota: Il canale è riempito da forze capillari fino a quando il fluido raggiunge la barriera di arresto idrofobo.
    3. Per garantire che la fluidica continua a fermarsi alla barriera durante il tempo di incubazione intero, dispensare 2 µ l di acqua DI sull'uscita del chip. Incubare il chip a 25 ° C per 1 h in un contenitore chiuso.
    4. Rimuovere i reagenti in eccesso attraverso l'entrata del chip applicando un vuoto. Lavare il canale con 50 µ l di tampone di lavaggio (PBS con 0.05% Tween 20), erogata in uscita mentre viene applicato il vuoto. Asciugare il canale per 30 s mentre viene applicato il vuoto.
  2. Blocco nell'area di canale per inibire il grippaggio aspecifiche.
    1. Preparare una soluzione di albumina di siero bovino (BSA) di 1% in PBS di 10mm a pH 7.4.
    2. Pipetta 2 µ l della soluzione di BSA 1% su ingresso e 2 µ l di acqua distillata all'uscita del canale. Incubare il chip a 25 ° C per 1 h in un contenitore chiuso. Rimuovere i reagenti in eccesso e asciugare il canale come descritto al punto 2.1.4.
  3. I oligos di incubazione di DNA etichettati con biotina e 6-FAM.
    1. Preparare diverse concentrazioni (0,001-5 µM) della soluzione di DNA in 10mm PBS a pH 7.4.
    2. Erogare 2 µ l di una concentrazione della soluzione del DNA in ingresso e 2 µ l di acqua deionizzata sulla presa. Incubare il chip a 25 ° C per 15 min in un contenitore chiuso.
    3. Ripetere il punto 2.3.2 per le altre concentrazioni di DNA mediante biosensore ulteriori fiches.
    4. Rimuovere i reagenti in eccesso e asciugare il canale come descritto al punto 2.1.4.
  4. Immobilizzazione di GOx-etichettato anticorpi 6-FAM.
    1. Formulare una concentrazione di 5 µ g/mL di anticorpi di 6-FAM in 10mm PBS a pH 7.4.
    2. Introdurre 2 µ l della soluzione dell'anticorpo per l'ingresso e 2 µ l di acqua deionizzata per la presa del canale. Incubare gli anticorpi con etichettati a 25 ° C per 15 min in un contenitore chiuso. Rimuovere i reagenti in eccesso, come descritto al punto 2.1.4.

3. Amperometrico segnale rilevamento utilizzando la tecnica Stop-flow

  1. preparazione della soluzione di substrato per rilevazione elettrochimica.
    1. Formulare una soluzione di glucosio 40mm in PBS 0.1 M a pH 7.4 in acqua ultra-pura.
    2. Per il trattamento preliminare, preparare una soluzione di PBS 0.1 M a pH 7.4 in acqua ultra-pura.
  2. Trattamento preliminare degli elettrodi lavoro.
    1. Usare il supporto di chip su misura per consentire il facile posizionamento delle chip e una connessione elettrica e fluidica.
    2. Collegare elettricamente il biosensore per il potenziostato. Garantire il contatto fluidico del canale microfluidico per una pompa a siringa e il serbatoio del reagente utilizzando l'adapter su misura e tubi. Avviare il computer portatile che è collegato al potenziostato e avviare il controller di pompe siringa, controllo del flusso fluidic attraverso il chip.
    3. Avviare la pompa a siringa manualmente, con 0.1 M PBS ad una portata di 20 µ l/min. Presso l'elettrodo di lavoro contro l'elettrodo di riferimento su chip, applicare una tensione alternata di 0,8 e -0,05 V per 5 s ciascuno per 30 cicli. In seguito, si ossidano l'elettrodo di lavoro applicando una tensione di 0,8 V per 60 s.
  3. Della lettura di dosaggio usando la tecnica stop-flow.
    1. Per avviare la lettura del segnale di test, attendere il segnale di corrente misurato si stabilizzi. Arrestare la pompa a siringa e passare il reagente da 0.1 M PBS per la soluzione di glucosio di 40 mM e avviare il software presso il controllore della pompa siringa; fermerà automaticamente il flusso per 1, 2 o 5 min e quindi riavvia nuovamente il flusso. Osservare il picco di corrente risultante.
      Nota: Per l'analisi dei dati, il picco di corrente o la carica del picco può essere considerata, come descritto nel modello di una lettura del segnale elettrochimico ( Figura 2).

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Risultati

Progettazione e fabbricazione della piattaforma microfluidica biosensore:

La fabbricazione dei chip microfluidici biosensore è realizzata a livello di wafer da tecniche fotolitografiche standard impiegando strati multipli di DFR. Questa strategia di fabbricazione si basa sulla laminazione degli strati sviluppati di DFRs su un substrato di platino-fantasia di PI, formando i canali microfluidici. Un breve riassunto raffiguranti le fa...

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Discussione

Il protocollo presentato qui per la realizzazione di un biosensore elettrochimico di microfluidica consente lo sviluppo di una piattaforma di basso costo, compatta e facile da usare per la rilevazione di biomolecole. A seconda del dosaggio utilizzato in seguito il biosensore, diversi biomarcatori diversi possono essere rilevati. Questo rende la piattaforma molto versatile e offre ampio accesso ai vari campi di applicazioni, dai test diagnostici standard (ad esempio, determinare la presenza di malattie specifiche...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

Gli autori vorrei ringraziare la Fondazione di ricerca tedesca (DFG) per finanziare parzialmente questo lavoro sotto Grant numeri UR 70/10-01 e UR 70/12-01.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Materiale
PyraluxDuPontAP8525RUtilizzato come substrato di poliimmide
MA-N 1420Tecnologia Micro ResistMA-N1420Lift-off resit per definire la deposizione di platino
Ma-D 533sMicro Resist TechnologyMaD533SSviluppatore per MA-N1420
Platinum--Materiale dell'elettrodo e del cuscinetto di contatto
Ma-R 404sMicro Resist TechnologyMaR404SRemover per MA-N1420
SU-8 3005MicroChem Corp.SU-8-3005Fotoresist per definire l'area dell'elettrodo e come isolante
acetato di 1-metossi-2-propanoloSigma-Aldrich108-65-6Sviluppatore per SU-8 3005
2-propanoloVWR8.18766.2500Rimozione dello sviluppatore SU-8
1020RUltron Systems Inc.1020RNastro adesivo sensibile ai raggi UV per la protezione dei pattini di contatto
Arguna SDegussa1935Per la deposizione dell'argento sull'elettrodo di riferimento
KClMethrom62308.020Per la clorurazione dell'elettrodo di riferimento in argento
PyraluxDuPontPC1025Fotoresist a film secco
Carbonato di sodioFluka71352Sviluppatore per Pyralux PC1025
Acido cloridricoSigma-Aldrich30720Per completare lo sviluppo del DFR
Teflon AF 1600DuPontAF1600Per l'utilizzo della barriera di arresto
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Attrezzatura
PA104MegaElectronics-Bubbleetch tank
FED 53Binder9010-0018Forno
SPIN150APT-Spincoater
Prä zithermHarry Gestigkeit GmbHPZ 28-2Piastra riscaldante
HellasBungard Elektronik40000Unità di esposizione
Tetra30-LF-PCDiener-Plasma
unit Univex 500Leybold-Unitàdi deposizione di vapore fisica
Agitatore S4ELMI-Agitatoreorbitale
Sonorex Super 10 PBandelin783Bagno sonico
6221 DC e ACKeithley-Sorgentedi corrente
HRL 350Ozatec-Unitàdi laminazione
Penna sottovuotoEFD-Pennaa vuoto

Riferimenti

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