Name: 입자의 공간 추적을위한 멀티 플렉스 전자 감지와 미세 유체 플랫폼 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-13T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 54 s
Description: 학습하세요 마이크로플루이딕 CODES 플랫폼을 이용한 다중 입자 검출 및 크기 측정 방법입니다. 저항성 펄스 감지와 코드 분할 다중 접속 기술을 결합하여 외부 장비 없이 전자적으로 입자를 추적할 수 있습니다.

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이 연구는 National Science Foundation Award No. ECCS 1610995. 저자는 공유 시설 사용에 도움을 준 전자 및 나노 기술 연구소(Institute of Electronics and Nanotechnology)와 파커 H. 페티 생명공학 및 생명과학 연구소(Parker H. Petit Institute for Bioengineering and Bioscience) 직원들에게 감사의 뜻을 전합니다. 저자는 또한 원고 준비에 도움을 준 Chia-Heng Chu에게 감사를 표하고 싶습니다.

코딩 전극 1. 디자인 참고 :도 1a는 미세 패턴 전극의 3 차원 구조를 나타낸다. <ol><li> 미세 유체 채널 (23)을 인코딩하기위한 네 개의 7 비트 골드 코드 세트를 설계한다. <ol><li> 이 선형 피드백 시프트 레지스터 (의 LFSR), 원시 다항식을 나타내는 각을 구축합니다. </li><li> 7 비트 m의 -sequences의 바람직한 쌍을 생성하기 위해 상기의 LFSR을 사용한다. </li><li> 주기적 m의 -sequences의 바람직한 쌍을 이동하고 네 가지 골드 코드를 생성하는 모드 2에 추가합니다. </li></ol></li><li> 부호화 전극 (도 1b)의 레이아웃을 설계한다. <ol><li> 세 개의 코너에 양극, 음극, 및 참조 전극을 나타내는 세 개의 전극 단자를 배치합니다. </li><li> 루트 양극과 음극은 각각의 미세 채널의 양측에 추적. </li><li> 에 양극과 음극을 확장유일하게 할당 된 골드 코드 (그림 1C) 다음 전극 손가락으로 미세 유체 채널. </li><li> 양 및 음의 전극 핑거 사이에 기준 전극을 배치했다. </li><li> 코딩 영역 외부의 도통을 최소화하기 위해 먼 최 기준 전극 핑거로부터의 양 및 음의 전극 흔적을 놓는다. </li></ol></li></ol> 표면 전극 2. 마이크로 참고 :도 2b는 표면에 전극의 제조 프로세스를 나타낸다. <ol><li> 피라냐 용액 4 인치 붕규산 유리 웨이퍼 청소 (98 % 황산을 30 % 과산화수소 = 5 : 1)을 20 분 동안 모든 유기 오염물을 제거하기 위해 120 ℃에서. 20 분 잔류 물을 제거하기 위해 다음 200 ° C 뜨거운 접시에 웨이퍼를 놓습니다. </li><li> 회 전자에 웨이퍼를 전송합니다. 웨이퍼에 2ml의 네가티브 포토 레지스트를 분배 및도 3의 속도로 웨이퍼를 스핀균일하게 코팅하는 40 S 1.5 ㎛의 포토 레지스트 층이 웨이퍼 000 RPM. </li><li> 150 °의 C 뜨거운 접시에 웨이퍼를 놓고 1 분 동안 회전 포토 레지스트를 굽는다. </li><li> 마스크 얼 라이너를 사용하는 크롬 마스크를 통해 365 nm의 자외선 (225 mJ의 / cm 2)에 포토 레지스트를 노출. </li><li> 100 ℃로 핫 플레이트상에서 상기 웨이퍼를 놓고 1 분 동안 노출 된 포토 레지스트를 굽는다. </li><li> 15 초 동안 포토 레지스트 개발 (RD6)에서 웨이퍼를 침지하여 포토 레지스트를 개발한다. 조심스럽게 탈 (DI) 물을 뿌리지 웨이퍼를 세척한다. 압축 질소를 불어 건조. </li><li> 전자 빔 금속 증발기에 패터닝 된 포토 레지스트로 상기 웨이퍼를 배치하고, 3 × 10-6 Torr의베이스 압력에서 웨이퍼 상에 80 nm 두께의 금막 다음 20 nm 두께의 크롬 막을 증착 1 Å / s의 증착 속도. </li><li> 실내 기질에서 30 분 동안 100 %의 진폭을 가진 40 kHz의 주파수로 초음파 조 세트 아세톤으로 금속 코팅 된 웨이퍼를 담가기본이되는 포토 레지스트를 에칭 및 리프트 오프 과정을 완료 ature. </li><li> 기존의 다이 싱 톱을 사용하여 작은 조각으로 웨이퍼를 주사위입니다. </li></ol> 미세 유체 채널의 SU-8 몰드 3. 제작 참고 :도 2a는 미세 유체 채널 용 금형의 제조 공정을 도시한다. <ol><li> 청소 및 2.1에 기재된 방법과 동일한 방법을 이용하여 4 인치 실리콘 웨이퍼를 굽는다. </li><li> 회 전자에 웨이퍼를 전송합니다. 웨이퍼 상에 4 mL의 포토 레지스트를 따르십시오. 코트 포토 레지스트와 웨이퍼. <ol><li> 15 초 동안 500 rpm으로 상기 웨이퍼를 스핀. </li><li> 15 초 동안 1000 rpm으로 상기 웨이퍼를 스핀. </li><li> 60 (S)에 균일하게 도포 한 후, 15 ㎛의 두께의 포토 레지스트 층을 얻기 위해 3,000 rpm으로 상기 웨이퍼를 스핀. </li></ol></li><li> 클린 룸 닦아 아세톤에 배어에 웨이퍼 얼굴을 배치하고 뒷면과 웨이퍼의 가장자리에서 잔류 포토 레지스트를 제거합니다. </li><li> 뜨거운 PL에 웨이퍼를 이동소프트 베이킹에 대한 먹었다. 우선, 1 분 동안 65 ° C에서 웨이퍼 굽는다. 그런 다음 신속하게 95 ° C를 핫 플레이트에 웨이퍼를 이동하고 2 분 동안 굽는다. </li><li> 마스크 얼 라이너를 사용하여 크롬 마스크를 통해 365 nm의 자외선 (180 mJ의 / cm 2)에 포토 레지스트를 노출. </li><li> 1 분 동안 65 ° C에서 웨이퍼 다음 노출을 구워 2 분 후 95 ° C. </li><li> 개발자의 웨이퍼를 담가 부드럽게 3 분의 컨테이너를 흔들어. 그런 다음, 이소프로판올 알코올 (IPA)와 웨이퍼를 씻어 압축 질소를 불어를 건조. 흰 색의 잔류 물이 웨이퍼에 나타나면 다시 개발자로 젖어 긴 시간과 건조를 위해 개발. </li><li> 완전히 건조 30 분 동안 200 ° C 뜨거운 접시에 웨이퍼를 굽는다. </li><li> 균일 성을 보장하기 위해 웨이퍼를 가로 질러 여러 위치에서 프로파일로를 이용하여 패터닝 된 포토 레지스트의 두께를 측정한다. </li><li> 증착 기법을 이용하여 주형 웨이퍼 silanization합니다. TR 200 μL를 추가8 시간에 대한 SU-8 형 웨이퍼와 함께 진공 데시 케이 터에서 페트리 접시 대신 ichlorosilane. </li></ol> 미세 유체 장치의 CODES 4. 어셈블리 <ol><li> 150 mm 직경의 배양 접시에있는 금형으로 4 인치 실리콘 웨이퍼를 배치하고, 모서리에서 테이핑하여 고정한다. </li><li> 10의 비율로 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 예비 중합체 및 가교 결합제를 혼합 : 1이며, 페트리 접시에 50 g의 혼합물을 붓는다. 1 시간 동안 탈기 혼합물을 진공 데시 케이 터에서 페트리 접시를 놓은 다음, 적어도 4 시간 (도 2a)에 대해 65 ° C의 오븐에서 경화. </li><li> 메스를 사용하여 경화 된 PDMS 층을 잘라내어 집게를 사용하여 주형 웨이퍼를 떼어. 증명의 원리 장치의 크기는 대략 20mm × 7mm이다. 그 후, 생검 펀치를 사용하여 미세 유체 채널의 입구 및 출구에 대한 PDMS 내지 1.5 mm의 직경으로 펀치 구멍. </li><li> I 배치하여 PDMS 부분의 패턴면을 청소클린 룸 접착 테이프에 t. </li><li> 아세톤, IPA, 탈 이온수로 세척하여 표면 전극 부착 유리 기판을 세척하고 압축 질소를 사용하여 건조. </li><li> 100 mW에 설정되는 RF 플라즈마 발생기에 대향 각 부품의 미세 가공면을 30 초간 산소 플라즈마에 PDMS 표면과 유리 기판을 활성화. </li><li> 유리 기판 상에 표면 전극이 물리적으로 접촉 두 플라즈마 활성화 된 표면을 가지고 한 후, 광학 현미경을 이용하여 함께 PDMS 미세 유체 채널을 맞추고. </li><li> 핫 플레이트에 대향하는 유리 측에 5 분 동안 70 ℃ 핫 플레이트상에서 장치 굽는다. </li><li> 납땜 와이어와 전극의 접촉 패드를 연결한다. </li></ol> 시뮬레이션 된 생물학적 샘플 5. 준비 <ol><li> RPMI 1640에서 배양 HeyA8 인간 난소 암 세포는 37 ° C에서 10 % 소 태아 혈청 (FBS) 및 1 % 페니실린 - 스트렙토 마이신 CO 2 분위기에서 5 %로 보충그들은 80 %의 합류에 도달 할 때까지. </li><li> 유리 피펫을 사용하여 문화 플라스크에서 미디어를 대기음. 분배 후 흡인 1 배 인산 완충 식염수 (PBS)는 세포를 씻어. </li><li> 37 ° C에서 2 분간 트립신 용액 (/ V W) 부착 세포를 일시 중단 mL의 2에서 0.05 %로 세포를 품어. 그 후, 트립신을 중화하기 위해 배지 4 mL를 첨가. </li><li> 원심 분리기에서 5 분 동안 100 × g에서 세포 현탁액은 시험관에서 세포 펠렛. 그런 다음, 기음 뜨는 완전히. </li><li> 부드럽게 피펫 팅에 의해 기계적 해리 세포 덩어리까지 1 ~ 2 ㎖의 1X PBS의 세포를 다시 일시 중지합니다. </li><li> 피펫으로 세포 현탁액의 작은 금액을 그리기 및 혈구를 사용하여 세포의 수를 계산합니다. </li><li> 105 -10 106 세포 / ㎖의 최종 세포 농도로 시료를 준비하는 PBS로 세포 현탁액을 희석. </li></ol> 6. 미세 유체 CODES 장치를 실행 참고 : 인터넷을gure 3은 실험 구성도이다. <ol><li> 광학 현미경의 무대에 미세 유체 CODES 장치를 놓습니다. </li><li> 전자 함수 발생기를 사용하여 칩상의 상기 기준 전극에 400 kHz의 사인파를 적용한다. </li><li> 전압 신호를 각에서 전류 신호를 변환하는 두 개의 독립적 인 트랜스 임피던스 증폭기에 양극과 음극 감지 전극을 연결합니다. </li><li> 바이폴라 신호를 획득하기 위해 차동 전압 증폭기를 사용하여 음의 감지 전극 전압 신호와 양의 감지 전극 전압 신호를 뺀다. </li><li> 유효성 및 특성을 위해 상기 장치의 광학 기록 동작으로 고속 카메라를 사용한다. </li><li> 주사기 펌프를 이용하여 일정 유량 (50 ~ 1,000 μL / H)로 미세 유동 장치를 통해 CODES 세포 현탁액을 구동한다. </li><li> 로크 인 증폭기를 사용하여 임피던스 변조 신호를 측정한다. <ol><li> 심판에 대한 참조 AC 신호를 연결합니다잠금 기능 증폭기의 퍼런 입력. 입력 신호 잠금 기능 증폭기 차동 바이폴라 신호를 연결합니다. </li><li> 락 - 인 앰프 출력에서 ​​차동 신호의 RMS 진폭을 얻습니다. </li></ol></li><li> 추가 분석을 위해 데이터 수집 보드를 통해 컴퓨터에 1 MHz의 속도로 로크 인 증폭기 출력 신호를 샘플링. </li></ol> 센서 신호 7. 처리 <ol><li> 후 처리 및 디코딩을위한 MATLAB에 기록 된 전기 데이터를 전송합니다. </li><li> 고주파 잡음 (&gt; 2.5 kHz로)를 제거하는 버터 워스 필터 (MATLAB 내장 함수)를 이용하여 디지털 영역에서 기록 신호 필터. </li><li> 센서 신호에서 템플릿 코드 라이브러리를 생성합니다. <ol><li> 장치의 각 센서에 대응하는 대표 겹치지 코드 신호를 확인하고 별도의 파형 벡터와 같은 데이터 세트에서 이러한 신호 블록의 압축을 풉니 다. </li><li> 각 템플릿 코드 파형 벡터를 정규화그 힘에 의해. 신호 전력을 측정 MATLAB 내장 함수 (bandpower)를 사용한다. </li><li> 디지털 전극 위에 셀 흐름 속도의 변화를 수용하기 위해 다양한 기간 정규화 코드 신호의 버전을 생성하여 템플릿 라이브러리 확장 MATLAB 함수 (리샘플링)를 사용한다. </li></ol></li><li> 필터링 된 파형 (SNR&gt; 12dB 임계 값) 활동을 센서에 대응하는 신호 블록을 확인합니다. 임계 값에 따라 SNR과 파형은 잡음으로 처리 될 것이다. </li><li> 연속 간섭 제거에 기초한 반복적 알고리즘이 일반적으로 다중 사용자 CDMA 통신 네트워크 (24) (25)에 사용되는 기술을 이용하여 녹음 된 신호에서의 센서 활동 개별 블록을 디코딩. <ol><li> 내적 슬라이딩 사용하여 라이브러리에있는 모든 템플릿과 각 신호 블록의 상호 상관을 계산합니다. </li><li> larg의 생산 템플릿을 확인EST 자기 상관 피크가 지배적 개별 센서 코드 신호를 결정한다. 자기 상관 피크의 시간 및 진폭 모두를 기록한다. </li><li> 측정 된 자기 상관 피크 진폭에 기초하여 상기 식별 된 템플릿 코드를 스케일링한다 (단계 7.5.2로 결정됨) 타이밍 정보에 의해 추정 센서 코드 신호를 구축. </li><li> 원래의 데이터로부터 추정 된 센서 코드 신호를 뺀다. </li><li> 잔차 신호 수학적 0.5 이하가되는 상관 계수로 정의 템플릿 라이브러리에서 신호를 유사하지 않을 때까지, 7.5.1의 절차를 반복. </li></ol></li><li> 최적화 프로세스를 이용하여 단계 7.5로부터의 센서 신호의 초기 추정을 지금. <ol><li> 각 반복에서 추정 된 각각의 센서 신호를 가산함으로써 상기 신호를 재구성. </li><li> 기록 된 전기 신호에 가장 적합을 생산하는 최초 추정치 주위 개별 센서 신호의 진폭, 지속 시간과 타이밍을 스윕에 기초하여 최소 제곱 근사 26. </li></ol></li><li> 광학 이미지에 전기 신호를 보정하여 셀 크기에 추정 된 센서 신호의 진폭을 변환합니다. </li></ol>

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다중 펄스 저항 센서는 이전에 미세 유체 칩 28, 29, 30, 31, 32에 포함되었다. 이러한 시스템에서, 저항 펄스 센서 중 28, 29, 30, 31 멀티플렉싱되지 않은 또는 개별 센서 (32) 상이한 주파수로 구동 될 필요. 두 경우에 전용의 외부 접속은 칩의 각 저항 펄스 센서가 필요하고, 따라서 많은 수의 센서가 큰 하드웨어 복잡도없이 통합 될 수 없었다....

이러한 액체 현탁 세포, 박테리아 또는 바이러스와 같은 생물학적 입자의 정확한 검출 및 분석 애플리케이션 (1, 2), (3)의 범위의 큰 관심사이다. 크기가 잘 일치, 마이크로 유체 장치는 고감도, 부드러운 시료 조작하고 잘 제어 된 미세 4, 5, 6, 7 등이 목적에 독특한 이점을 제공한다. 또한, 마이크로 유체 장치는 수동적으로 다양한 특성 8, 9, 10, 11, 12에 기초하여 생물학적 입자의 이종 집단을 분별 유체 역학 및 포스 필드의 조합을 사용하도록 설계 될 수있다. 그 장치에S는, 생성 된 입자 분포를 판독로서 사용될 수 있지만, 공간 정보는 랩 기반으로 묶어서 미세 유동 장치의 실용성을 제한 만 현미경을 통해 일반적으로 접근 할 수있다. 따라서, 그들은 마이크로 유체 장치를 조작하는 것처럼 쉽게, 입자 &#39;시공간 매핑을보고 할 수있는 통합 된 센서는 잠재적으로 저가의 모바일 샘플의 테스트에 특히 매력적이다 통합 된 랩 온어 칩 장치를 활성화 할 수 있습니다 자원 제한 설정. 박막 전극은 다양한 어플리케이션 (13), (14) 마이크로 유체 장치에 통합 센서로서 사용되어왔다. 저항 펄스 감지 (RPS)는이 전기 측정 (15)에서 직접, 강력한 민감하고 높은 처리량 감지 메커니즘을 제공으로 미세 유체 채널 작은 입자의 통합 감지에 특히 매력적이다. RPS에서는 전해액에 침지 한 쌍의 전극 간의 임피던스 변조는, 입자를 검출하기위한 수단으로 사용된다. 입자가 개구를 통과 할 때, 입자 정도의 크기, 개수 및 전류의 과도 펄스의 진폭은 각각 셀 크기 입자에 사용된다. 또한, 센서 감도 형상은 16, 17, 18, 19을 향상 시키거나 미세 유체 채널 (20)에 입자의 수직 위치를 추정하기 위해 저항 펄스 파형을 형성하기 위해 포토 리소 그래픽 해상도로 설계 될 수있다. 우리는 최근 전기 감지 (미세 유체 CODES) (21)에 의해 미세 유체 부호화 직교 검출라는 확장 가능하고 간단한 멀티 플렉스 저항 펄스 감지 기술을 도입했습니다. 미세 유체 CODES는에 의존저항 펄스 센서 네트워크 상호 다중화 가능하도록 각각 고유하게 구별 도통 변조 미세 가공 전극의 배열로 이루어진. 우리는 특히 코드 분할 다중 접속에 사용 된 디지털 코드와 유사 직교하는 전기 신호를 생성하도록 각각의 센서를 디자인했다 (22) (CDMA) 통신 네트워크, 개별 저항 펄스 센서 신호는 유일하게 하나의 출력 파형으로부터 복구 될 수 있도록 짝수 신호로부터하다면 다른 센서를 방해합니다. 이러한 방식으로, 우리의 기술은 최소한의 장치 - 시스템 레벨 복잡성을 유지하면서, 미세 유체 칩상의 다른 위치에서의 입자의 모니터링을 허용하는, 1 차원 전기 신호로 입자의 2 차원 공간 정보를 압축한다. 본 논문에서는 실험 및 전산 미세 유체 CODES 기술을 사용하는 데 필요한 방법뿐만 아니라 연구에 대한 자세한 프로토콜을 제시시뮬레이션 된 생체 시료 분석에서의 사용에서 epresentative 결과. 기술을 설명하기 위해 예로서 네 개의 다중 센서 시제품 장치로부터의 결과를 사용하여, 우리는 (2) 실험 구성의 설명을 포함하는 미세 유체 CODES 기술 마이크로 유체 장치를 생성하는 (1)에 미세 가공에 프로토콜들을 제공 할 전자 광학 및 유체 하드웨어, (3) 다른 센서로부터의 간섭 신호를 디코딩하기위한 컴퓨터 알고리즘, (4) 검출 및 미세 유체 채널의 암세포의 분석 결과. 우리는 상세한 프로토콜을 사용하여 여기에 설명 된 것을, 다른 연구자가 자신의 연구에 우리의 기술을 적용 할 수 있습니다 생각합니다.

<table><tbody><tr><td>98% 황산&nbsp; &nbsp; &nbsp;</td><td>BDH 화학</td><td>BDH3074-3.8LP</td><td></td></tr><tr><td>30% 과산화수소&nbsp; &nbsp;</td><td>BDH Chemicals</td><td>BDH7690-3</td><td></td></tr><tr><td>Trichlorosilane</td><td>Aldrich Chemistry</td><td>235725-100G</td><td></td></tr><tr><td>NR9-1500PY 네거티브 포토레지스트</td><td>Furuttex</td><td></td><td></td></tr><tr><td>레지스트 개발자 RD6</td><td>Furuttex</td><td></td><td></td></tr><tr><td>아세톤</td><td>BDH 화학</td><td>BDH1101-4LP</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 2015 네거티브 포토레지스트</td><td>Microchem</td><td>SU8-2015</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 현상액</td><td>Microchem</td><td>Y010200</td><td></td></tr><tr><td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>3097358-1004</td><td>Sylgard 184 실리콘 엘라스토머 키트</td></tr><tr><td>이소프로필 알코올</td><td>BDH 화학 물질</td><td>BDH1133-4LP</td><td></td></tr><tr><td>RPMI 1640</td><td>Corning Cellgro</td><td>10-040-CV</td><td></td></tr><tr><td>소 태아 혈청 (FBS)</td><td>Seradigm</td><td>1500-050</td><td></td></tr><tr><td>페니실린-스트렙토마이신</td><td>Amresco</td><td>K952-100ML</td><td></td></tr><tr><td>인산염 완충 식염수(PBS)</td><td>Corning Cellgro</td><td>21-040-CM</td><td></td></tr><tr><td>PHD 22/2000 주사기 펌프</td><td>Harvard Apparatus</td><td>70-2001</td><td></td></tr><tr><td>HF2LI 락인 증폭기</td><td>취리히 악기</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HF2TA 전류 증폭기</td><td>취리히 악기</td><td></td><td></td></tr><tr><td>이클립스 Ti-U 현미경</td><td>니콘 주식회사</td><td></td><td></td></tr><tr><td>DS-Fi2 고화질 컬러 카메라&nbsp;</td><td>Nikon Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>v7.3 고속 카메라</td><td>팬텀</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PCIe-6361 데이터 수집 보드&nbsp;</td><td>내쇼날인스트루먼트</td><td>781050-01</td><td></td></tr><tr><td>BNC-2120 차폐 커넥터 블록</td><td>내쇼날인스트루먼트</td><td>777960-01&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>PX-250 플라즈마 처리 시스템</td><td>Nordson MARCH&nbsp;</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

입자의 공간 추적을위한 멀티 플렉스 전자 감지와 미세 유체 플랫폼

Microfluidic Platform with Multiplexed Electronic Detection for Spatial Tracking of Particles

생물학적 시료의 미세 가공은 일반적으로 공간적으로 관심의 생물학적 특성에 기초하여 샘플을 분별하기 위해 다양한 역장 하에서 현탁 입자의 차등 조작을 포함한다. 얻어진 공간적 분포 분석 판독으로 사용되기 위해서는, 마이크로 유체 장치는 종종 높은 비용 및 감소 된 휴대 복잡한 장비를 요구 현미경 분석을 실시한다. 이러한 한계를 해결하기 위해 마이크로 유체 칩상의 다른 위치에서의 입자의 다중 검출을위한 집적 형 전자 감지 기술을 개발했다. 미세 유체 CODES라는 우리의 기술은 1 차원 전기 신호로 2 차원 공간 정보를 압축하는 코드 분할 다중 접속과 저항 펄스 감지를 결합합니다. 본 논문에서는 미세 유동 CODES 기술의 실제 데모 검출 크기 배양 암세포 여러 미세 유체 채널을 통해 분배 제시한다. 같이고속 현미경에 의해 확인, 우리의 기술은 정확한 외부 장비의 필요없이 모든 전자 밀집 세포 집단을 분석 할 수있다. 이와 같이, 미세 유체 CODES 잠재적으로 생물학적 시료의 시점 관리 테스트에 적합 저비용 집적 랩 온어 칩 장치를 활성화 할 수있다.

네 개의 미세 유체 채널을 통해 분산 센서 4 이루어지는 미세 유체 CODES 장치는도 1b에 도시된다. (1) 복수의 셀을 병렬 및 (2) 세포를 전극에 가까이 유지 감도를 증가시키는 전극을 통해 통과 할 수 있도록이 시스템에서, 각 미세 유체 채널의 단면은 셀의 크기에 가깝도록 설계된 . 각각의 센서는 독특한 7 비트의 디지털 코드를 생성하도록 설계된다. 이 장치는 다음 세포 현탁액을 사용하여 시험 하였다. 네 개의 개별 센서에 대응하는 기록 된 전기 신호는 그림 4에 관련 이상적인 디지털 코드로 표시됩니다. 작은 편차가 존재하는 동안 기록 된 신호는 밀접하게, 이상적인 사각 펄스와 일치합니다. 이러한 편차는 서로 다른 전극 쌍의 구형 간의 결합, 공면 전극 사이의 불균일 한 전기장을 포함한 여러 가지 요소의 조합에 기인세포뿐만 아니라, 미세 유체 채널의 셀의 일정한 유속. 우리는 코딩 센서 신호를 기반으...

우리는 다수의 미세 채널에서 입자의 검출 및 사이징 다중화, 코드 분할 다중 접속 (CDMA)과 저항 펄스 센서 (RPS)를 결합하는 집적 표면 전극 네트워크와 미세 유체 플랫폼을 보여준다.

Microfluidic processing of biological samples typically involves differential manipulations of suspended particles under various force fields in order to ...

이 절차의 전반적인 목표는 저항성 펄스 센싱과 코드 분할 다중 접속을 결합하여 여러 미세유체 채널 내 입자의 검출 및 크기 측정을 다중화하는 미세유체 플랫폼을 시연하는 것입니다. 마이크로플루이딕 CODES라고 명명된 이 기술은 자원이 제한된 환경에서 생물학적 시료의 현장 진단 검사에 적합하고 완전히 통합된 진정한 휴대용 랩온어칩 장치를 구현하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 미세유체 칩 상에서 입자의 공간적, 시간적 조작을 전자적으로 추적할 수 있어 현미경과 같은 외부 장비가 필요 없다는 점입니다.본 기술은 소프트 리소그래피와 호환되며, 입자를 분획하여 쿨터 카운터(Coulter counter)와 유사한 직접적인 전자 판독값을 제공하는 미세광학 장치에 쉽게 통합될 수 있습니다. 미세유체 장치 제작을 시작하려면 4세트의 7비트 골드 코드(gold codes)를 생성하십시오. 그런 다음 AutoCAD와 같은 컴퓨터 보조 설계(CAD) 소프트웨어를 사용하여 해당 골드 코드를 기반으로 4가지 고유한 전극 레이아웃을 설계하십시오.마지막으로, 설계된 전극 레이아웃이 적용된 포토마스크를 포토마스크 공급업체를 통해 제작합니다. 다음으로, 4인치 붕규산 유리 웨이퍼를 120 °C의 5:1 피라냐 용액에 20분 동안 담급니다. 세척 후, 웨이퍼를 핫플레이트에서 200 °C로 20분 동안 가열하여 잔류 수분을 증발시킵니다.깨끗하고 건조한 웨이퍼를 스핀 코터에 놓습니다. 2 milliliters의 음성 포토레지스트 용액을 웨이퍼에 도포하고 3000 revolutions per minute의 속도로 40 seconds 동안 스핀 코팅합니다. 스핀 코팅된 웨이퍼를 150 degrees Celsius의 핫플레이트에서 1분 동안 건조합니다.원하는 전극 패턴의 크롬 마스크로 웨이퍼를 덮습니다. 마스킹된 포토레지스트 표면에 365 nm UV 광선을 조사하여 225 mJ/cm²의 에너지를 전달합니다. 노광된 포토레지스트를 핫플레이트에서 100 °C로 1분 동안 베이크합니다.웨이퍼를 포토레지스트 현상액에 15초 동안 담근 후, 패턴 웨이퍼를 초순수로 가볍게 세척하고 질소 가스 흐름 하에서 건조합니다. 다음으로, 패턴 처리된 웨이퍼를 전자빔 금속 증착기에 넣습니다. 초당 1 Å의 속도로 웨이퍼 위에 20 nm 두께의 크롬 층과 80 nm 두께의 금 층을 증착합니다.그 다음, 금속이 코팅된 웨이퍼를 아세톤에 넣고 40 kHz, 100% 진폭에서 30분 동안 초음파 가열하여 하부의 포토레지스트를 식각합니다. 다이싱 소(dicing saw)를 사용하여 웨이퍼를 필요한 크기로 작게 절단합니다. 미세 유체 채널 몰드 제작을 시작하려면, 앞서 설명한 붕규산 유리 웨이퍼와 동일한 방식으로 4인치 실리콘 웨이퍼를 세척하고 건조합니다.실리콘 웨이퍼를 스핀 코터에 넣고 4 mL의 음성 포토레지스트 용액을 도포합니다. 웨이퍼를 500 rpm에서 15초 동안, 이어서 1,000 rpm에서 15초 동안, 마지막으로 3,000 rpm에서 60초 동안 스핀 코팅합니다. 웨이퍼의 뒷면과 가장자리에 남아 있는 포토레지스트를 제거하기 위해 아세톤을 적신 클린룸 와이퍼 위에 웨이퍼의 윗면이 위를 향하도록 놓습니다.웨이퍼를 65 °C에서 1분 동안 굽고, 이어서 95 °C에서 2분 동안 굽습니다. 건조된 웨이퍼 위에 미세유체 채널을 위한 크롬 마스크 패턴을 올립니다. 포토레지스트를 365 nm UV 광원에 180 mJ/cm²로 노광한 후, 웨이퍼를 다시 65 °C에서 1분, 95 °C에서 2분 동안 각각 굽습니다.패턴이 형성된 웨이퍼를 포토레지스트 현상액이 담긴 용기에 넣고 3분 동안 용기를 부드럽게 흔들어 줍니다. 현상된 웨이퍼를 isopropanol로 헹구고 질소 가스 스트림 하에서 웨이퍼를 건조시킵니다. 웨이퍼를 200 °C에서 30분 동안 베이킹한 후, 단차 측정기(profilometer)를 사용하여 패턴 포토레지스트의 두께가 웨이퍼 전체에 걸쳐 균일한지 확인합니다.웨이퍼를 뚜껑을 열어둔 페트리 접시에 200 µL의 trichlorosilane과 함께 진공 데시케이터에 넣습니다. 웨이퍼 표면을 실란화하기 위해 trichlorosilane과 함께 데시케이터 내에 8시간 동안 둡니다. 장치 조립을 시작하려면, 범용 클린룸 테이프를 사용하여 150 mm 직경의 페트리 접시에 실리콘 웨이퍼 몰드를 고정합니다.10:1 비율로 혼합된 polydimethylsiloxane 프리폴리머 50 grams를 페트리 접시에 넣고 진공 데시케이터에서 1시간 동안 혼합물의 기포를 제거합니다. 기포가 제거된 혼합물을 65 °C에서 최소 4시간 동안 경화시킵니다. 메스로 경화된 PDMS 층을 잘라낸 후 핀셋으로 몰드에서 경화된 층을 떼어냅니다.PDMS를 작은 조각으로 자릅니다. 생검 펀치(biopsy puncher)를 사용하여 유체 유입구와 유출구 마이크로플루이딕 채널 구멍을 뚫습니다. 마이크로 가공된 표면을 세척하기 위해 PDMS 층의 패턴 면이 아래로 향하게 하여 투명 룸 테이프 위에 놓습니다.이전에 준비한 전극 지지 유리 기판을 아세톤, 이소프로판올, 탈이온수로 헹굽니다. 질소 가스 기류 하에서 기판을 건조합니다. PDMS 층과 기판을 마이크로머신 면이 위를 향하게 하여 100 mW로 설정된 RF 플라즈마 발생기에 넣습니다.산소 플라스마를 이용하여 마이크로머신 표면을 30초 동안 활성화합니다. 다음으로 광학 현미경을 사용하여 패턴 PDMS 층을 표면 전극에 맞게 정렬합니다. 정렬이 완료되면 표면들이 물리적으로 접촉하게 하여 PDMS 층을 유리 기판 위에 밀봉합니다.유리 기판의 코팅 전극 패턴이 PDMS 미세 유체 채널과 정확하게 정렬되는 것이 매우 중요합니다. 적절하게 정렬되면, 표면 전극과 입자의 상호작용을 통해 다중화를 위한 원하는 코드 파형이 생성됩니다. 조립된 장치를 유리 면이 아래로 향하게 하여 70 °C에서 5분 동안 베이크하십시오.마지막으로 전극 접촉 패드에 전선을 납땜하여 장치 조립을 완료합니다. 실험을 시작하려면 미세유체 장치를 광학 현미경 스테이지 위에 놓으십시오. 장치의 기준 전극을 락인 앰플리파이어(lock-in amplifier)의 신호 출력 포트에 연결하고 400 kilohertz 사인파를 인가합니다.양극 및 음극 센서 전극을 두 개의 독립적인 트랜스임피던스 증폭기에 연결합니다. 두 트랜스임피던스 증폭기를 록인 증폭기의 차동 전압 입력단에 연결하며, 이때 양극 센서 신호가 음극 센서 신호에서 감해지도록 합니다. 록인 증폭기의 복조기 출력을 데이터 수집 장치에 연결합니다.데이터 수집 소프트웨어에서 락인 증폭기 출력의 샘플링 속도를 1 Megahertz로 설정합니다. 현미경으로 관찰되는 장치의 작동 모습을 광학적으로 기록할 수 있도록 고속 카메라를 설치합니다. 준비된 세포 현탁액을 주사기로 흡입합니다.시료 주사기를 주사기 펌프에 고정하고 주사기를 입구 채널에 연결합니다. 출구 채널은 폐기물 용기로 향하게 합니다. 임피던스 변조 신호를 기록하는 동안 주사기 펌프를 사용하여 일정한 유속으로 세포 현탁액을 장치로 흘려보냅니다.실험 완료 후, 분석 소프트웨어를 사용하여 전기 데이터를 처리하십시오. 처리된 전기 신호를 고속 카메라의 이미지와 비교하여 세포 크기에 대한 검량선을 작성하십시오. 직교 센서 코드에서 유도된 네 가지 고유한 전극 패턴이 있는 미세유체 센서 장치에 세포 현탁액을 흘려보냈습니다.네 가지 센서 신호 모두 단일 전기 출력에서 기록되었습니다. 기록된 각 신호와 연관된 개별 센서는 기록된 센서 신호와 모든 가능한 코드 간의 상관관계를 통해 식별되었으며, 이를 통해 명확하게 구별 가능한 자기상관 피크가 생성되었습니다. 네 개 채널 모두에서 세포가 동시에 검출되어 간섭 신호에 의해 생성된 파형은 반복 알고리즘을 통해 분해되었습니다.기록된 파형을 가능한 모든 코드와 상관 분석하고, 가장 큰 자기상관 피크를 식별하였습니다. 이에 해당하는 개별 센서 신호를 재구성하여 입력 파형에서 뺐습니다. 잔여 신호를 다음 반복 단계의 입력값으로 전달하였으며, 잔여 신호에서 더 이상 자기상관 피크가 나타나지 않을 때까지 이 과정을 반복하였습니다.추정된 신호는 최소제곱법(least squares approximation)을 사용하여 재구성된 파형과 원래 기록된 파형 사이의 최적 적합도를 찾는 최적화 알고리즘을 기반으로 정밀하게 조정되었습니다. 이후 추정된 센서 신호의 채널 번호, 진폭, 지속 시간 및 상대적 타이밍을 통해 세포의 위치, 크기, 센서를 통과하는 시간을 결정하였습니다. 이 절차는 전기적 신호를 고속 카메라의 광학 측정값과 비교함으로써 검증되었습니다.이 기술은 하드웨어 관점에서 매우 단순하기 때문에, 일단 숙달되면 구현하기가 매우 쉽습니다. 칩 상에 활성 구성 요소가 없으며, 소프트 리소그래피와 직접적으로 호환되고 신호 처리는 간단한 계산 알고리즘에 의존합니다.본 프로토콜을 통해 코드 기반 다중 전기 센서가 포함된 미세유체 칩을 제작하고, 생분석 측정을 위한 전기 신호를 해독할 수 있습니다. 이 다재다능하고 확장이 가능한 전자 감지 기술은 다양한 미세유체 장치에 쉽게 통합되어, 칩 상에서 처리되는 입자들을 시공간적으로 추적함으로써 정량적 분석을 구현할 수 있게 합니다. 이 영상을 시청한 후에는 미세유체 CODES 기술을 설계, 제작 및 구현하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.

microfluidic-platform-with-multiplexed-electronic-detection-for

Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

이 문서에서는, 우리는 유체 흐름에 따라 입자의 구속을위한 microfluidic 기반의 방법을 제시한다. 우리는이를 통합 microdevice에 임의의 입자의 감금 및 미세 조작을 가능하게, 피드백 제어 메커니즘을 사용하여 유체의 정체 지점에 안정적인 입자 트래핑을 보여줍니다.

단일 입자 Microfluidic 기반 유체 트랩

그들은 kHz에서 속도 저렴 picoliter, 자기들에게만 혈관을 생성할 수 있기 때문에 비말 기반 microfluidic 플랫폼은 높은 처리량 실험을위한 유망한 후보자 있습니다. 빠르고, 민감하고 고해상도 형광 spectroscopic 방법과의 통합을 통해 이러한 시스템 내에서 발생하는 정보의 다량은 효율적으로 추출 무력화하고 이용하실 수 있습니다.

microfluidic 비말 플랫폼 형광 검출 방법

이 비디오는 자기 나노 입자 기반 면역 분석을 위한 미세유체 시스템을 보여줍니다. 감지 시스템은 채널 내에 자기 트랩을 통합한 미세유체 장치를 사용합니다. 1차 항체와 과산화효소 접합 2차 항체에 결합된 항원 코팅된 자성 나노입자로 구성된 사전 형성된 면역복합체가 채널로 도입됩니다. 면역복합체는 외부 자기장을 가할 때 다공성 자기 트랩에 포획됩니다. 과산화효소(peroxidase)에 의한 촉매 작용 시 형광을 방출하는 형광성 기질을 사용하여 포획된 면역복합체를 현미경으로 검출합니다.

미세유체 소자를 이용한 자성 나노입자 기반 면역분석법

이 문서에서 우리는 단일 세포 분석을위한 마이크로 유체 칩을 제시한다. 그것은 수있는 세포 내 단백질, 효소, 조효소, 형광 분석이나 면역에 의해 두 번째 메신저의 정량화.

단일 세포의 다목적 화학 분석을위한 미세 유체 칩

이 프로토콜은 미세유체 소자를 사용하여 자동화된 소량(0.15–1.5ml) 입자 분리를 수행하기 위한 시스템 아키텍처를 설명하고 음향 유체 소자 성능 및 작동을 최적화하는 방법에 대해 설명합니다.

미세 유체 정밀 작은 볼륨 샘플 처리를위한 플랫폼 및 음향 마이크로 디바이스로 구분 생물 입자 크기의 사용

우리는 폴리디메틸실록산(PDMS)에서 두 마이크로채널 사이에 나노유체 접합을 생성하기 위해 실리카 콜로이드 나노입자의 간단한 자기 조립 기술을 제안합니다. 이 기술을 사용하여 기공 크기가 ~45nm인 나노다공성 비드 멤브레인을 마이크로채널 내부에 구축하고 DNA 샘플의 동전기 사전 농축에 적용했습니다.

콜로이드 입자의 자기 조립 과정을 통해 PDMS 미세 유체 칩의 하위 50 Nm의 나노 유체 접합 만들기

미세 바이오 센서 플랫폼 설계 및 다양 한 analytes의 신속 하 고 민감한 정량화에 대 한 낮은 비용 드라이 필름 포토 레지스트 기술을 사용 하 여 조작. 이 단일 사용 시스템 중지 흐름 기술에 의하여 효소 연결 된 분석 실험에-칩-움직일의 전기 판독을 허용합니다.

드라이 필름 포토 레지스트 기반 전기 화학 미세 바이오 센서 플랫폼: 장치 제작, 온 칩 시험 준비 및 시스템 운영

전기 습윤 기반 디지털 미세 유체는 마이크로 리터 볼륨 액적의 명백한 접촉 각도에서 전압 구동 변화를 활용하여 조작을 용이하게하는 기술입니다. 이를 기능화된 자기 비드와 결합하면 효소 연결 면역흡착 분석(ELISA)을 사용하여 병원균의 시료 준비 및 식별을 위한 여러 실험실 단위 작업의 통합이 가능합니다.

자동화된 효소 연계 면역흡착제 분석기용 전기습식 기반 디지털 미세유체 분석 플랫폼

우리는 미세 유체 플랫폼에서 모세혈관 보조 어셈블리를 사용하여 박테리아 및 콜로이드와 같은 액체에 매달려있는 미세 크기의 물체를 폴리디메틸실록산 기판에 규정 된 배열로 패턴화하는 기술을 제시합니다.

순차모세혈관 보조 어셈블리를 통한 미생물 및 미생물 입자의 패터닝

이 논문은 세포외 소포 하위 집합의 특성화를 위해 처리량이 증가한 차세대 다중 매개변수 분석 플랫폼을 제안합니다. 이 방법은 마이크로어레이 바이오칩에 갇힌 소포 표적을 검증하기 위해 원자력 현미경에 의한 도량형 및 형태역학적 분석과 라만 분광법의 결합을 기반으로 합니다.

세포외 소포 하위 집합 분석을 위한 Multiplexed Surface Plasmon Resonance Imaging Chip의 다중 모드 분석 플랫폼

이 프로토콜은 개별 인간 말초 혈액 단핵 세포의 사이토카인 분비 역학을 정량적으로 측정하기 위한 고급 미세유체 플랫폼을 설명합니다. 이 플랫폼은 예를 들어 지질다당류로 자극된 각 개별 세포에 대해 최대 3개의 사이토카인(IL-6, TNFα 및 IL-1β)을 병렬로 측정합니다.

개별 다기능성 세포의 동시 및 순차적 사이토카인 분비를 해결하기 위한 미세유체 접근법 

학습하세요 마이크로플루이딕 CODES 플랫폼을 이용한 다중 입자 검출 및 크기 측정 방법입니다. 저항성 펄스 감지와 코드 분할 다중 접속 기술을 결합하여 외부 장비 없이 전자적으로 입자를 추적할 수 있습니다.

입자의 공간 추적을위한 멀티 플렉스 전자 감지와 미세 유체 플랫폼

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