자동화된 효소 연계 면역흡착제 분석기용 전기습식 기반 디지털 미세유체 분석 플랫폼
2020년 2월 23일
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.
개별 물방울의 활성화를 자동화하면 실험실 단위 작업의 복잡한 시퀀스를 하나의 칩으로 가져올 수 있습니다. 당사의 디지털 미세 유체 플랫폼은 바이러스 병원체의 신속한 현장 탐지를 다룹니다. 이 방법은 자기 면역 강수량과 결합하여 EWOD 기반 디지털 미세 유체를 사용하여 특정 항원의 정량적 검출을 기반으로합니다.
이 기여에서, 방법은 박테리아, 포자, 바이러스 및 단백질의 각종 농도를 포함하는 견본에 대하여 평가됩니다. 이 프로세스는 완전히 자동화되고 순차적이며 확장 가능하며 다재다능합니다. 특정 프로토콜의 요구 사항에 맞게 액적 볼륨의 순서와 물방울 볼륨을 수정할 수 있습니다.
항체 기반 감지를 완전히 회피하는 디지털 미세 유체 화 플랫폼은 자기 비드가 뉴클레오티드 서열의 캡처 및 검출을 위해 특정 aptamer를 운반하는 aptamer 바이오 센싱을 기반으로 잠재적 인 응용 프로그램에 구축 할 수 있습니다. 이 기술을 처음으로 시도할 때, 계면 활성제의 종류와 생화학 및 소수성 폴리머 코팅의 선택과 상호 작용하는 방법을 고려하는 것이 중요합니다. 디지털 미세 유체 또는 DMF 플랫폼에서 자석을 제거하고 벤치에 배치하는 것으로 시작합니다.
회전 스테이지에 깨끗한 작동 판을 놓고 크롬이 위쪽으로 향하여 접시를 오목한 스테이지의 왼쪽 상단 모서리와 정렬합니다. 47개의 접점 핀이 있는 패널을 사용하여 상단에서 작동 플레이트를 고정하여 플레이트를 제자리에 고정시키고 접촉 핀과의 정렬을 용이하게 합니다. 그런 다음 0.5 밀리미터 심과 2밀리미터 PMMA 분리기를 회전 스테이지에 플레이트하여 작동 및 커버 플레이트 사이의 제어된 간격을 제공합니다.
제안된 로딩 패드에 액적을 로드하려면 실행 중인 버퍼에서 패드당 1개의 액적을 사용하여 표시패드에 실행 버퍼에서 4개의 2.5 마이크로리터 방울을 알리쿼트합니다. 그런 다음 일산화수소 용액의 2.5 마이크로리터를 E 표시 패드에 공급합니다. 다음으로, Neutravidin의 알리쿼트 2.5 마이크로리터는 F, G 및 나는 각각 패드를 표시했다.
마지막으로, 알 수 없는 샘플의 알리쿼트 2.5 마이크로리터가 C 표시 패드에 표시되어 있다. 커버 플레이트를 둥근 오목 영역 옆에 있는 장비 표면에 놓고 측면으로 오목과 작동 판 위에 밀어 넣습니다. 커버 플레이트 위에 영구 자석을 놓고 두 개의 래치를 슬라이딩하여 고정한 다음 스테이지를 180도 회전한 다음 시각적으로 검사하여 로드된 액적물이 여전히 제자리에 있는지 확인합니다.
각 액적의 로딩 위치가 소프트웨어의 프로그래밍된 작동 순서와 일치하는지 확인합니다. 스크린된 광검출기를 회전 스테이지의 슬롯에 배치하고 케이블을 연결합니다. DMF 플랫폼에 뚜껑을 놓고 소프트웨어 인터페이스를 사용하여 프로그램 시퀀스를 시작합니다.
물방울 위치는 정전 용량 감지를 통해 기록되며 사용자 인터페이스에서 관찰할 수 있습니다. 프로그램 시퀀스는 인터페이스에 나타나는 메시지를 프롬프트하여 루미놀 액적액이 추출된 마그네틱 비드를 수집할 준비가 되어 있거나 검출 물방울을 검출 사이트로 이동할 준비가 되었다는 것을 운전자에게 알려줍니다. 두 경우 모두 진행하려면 작업자의 확인이 필요합니다.
화학 발광 반응에 의해 생성 된 빛 강도는 광검출기에 의해 판독되고 실시간으로 기록됩니다. 프로토콜최적화를 위한 시각적 모드에서 작동하려면 소프트웨어 인터페이스를 사용하여 프로그램 시퀀스를 시작합니다. 자동 액적 작동은 구슬의 자기 추출, 구슬 재서스펜션 및 혼합과 같은 각 중요한 분석 단계에 대해 칩에 시각화할 수 있습니다.
메시지가 표시되면, 회전 스테이지의 슬릿에 스캔 할 수 스캔 된 광검출기를 장착합니다. 소켓에 핀을 삽입하여 스캔한 포토디텍의 케이블을 연결합니다. DMF 플랫폼에 뚜껑을 놓고 분석작업을 다시 시작합니다.
물방울은 정전 용량 감지를 통해 모니터링되며 사용자 인터페이스에서 관찰할 수 있습니다. 장비를 청소하려면 DMF 플랫폼 뚜껑을 열고 스테이지를 180도 회전합니다. 자석 케이스를 풀고 회전 단계에서 자석을 제거합니다.
핀셋으로 슬립에서 실리콘 웨이퍼를 제거하고 증류수로 헹구습니다. 그런 다음 압축 공기로 건조하고 웨이퍼를 저장하고 재사용할 수있는 페트리 접시에 놓습니다. 마이크로피펫을 사용하여 표면에 닿지 않고 패드에서 액체 폐기물을 제거하고 흡수성 용지를 사용하여 작동 판에서 액체를 심음하여 표면을 청소하십시오.
작동 전압 충격을 조사하기 위해 버퍼의 액적액이 다양한 작동 전압에서 구동되었고 모션이 기록되었습니다. Vrms와 평균 속도 사이의 상관 관계가 입증되었고 특정 Vrms 값 후에 속도 고원이 관찰되었습니다. Vrms에 대한 높은 값을 사용할 때 작동 플레이트의 수명이 감소했습니다.
추출 실험실 단위 작동을 위해, 중단된 구슬을 포함하는 액적은 혼합 영역의 중간에 분리 부위로 구동되었다. 그런 다음 자석이 칩에 접근하고 구슬에 초점을 맞추기 위해 자동으로 활성화되었습니다. 다음으로, 물방울은 쓰레기 패드쪽으로 이동하여 구슬을 남겼습니다.
EWOD 칩의 추출 및 혼합 실험실 장치 작업은 6~10분 만에 병원균을 연속검출하여 소형화된 신속하고 재현가능한 시료 처리를 용이하게 하였다. 인큐베이션 시간 및 컨쥬게이트 농도는 분석에 대한 최적의 조건을 찾기 위해 다양했다. 밀리리터당 2마이크로그램의 인큐베이션 시간 160초와 컨쥬게이트 농도가 최상의 신호 대 잡음 비율을 달성한 것으로 나타났습니다.
프로토콜의 변형은 원하는 수준의 자동화를 달성하기 위해 도입될 수 있습니다. 8단계 ELISA는 바실러스 위축 포자와 MS2 박테리오파지와 같은 다른 항원을 검출하는 데 사용되었다. 한편, 10단계 프로토콜은 대장균을 정량화하는 데 사용되었다.
적용된 전압, 데이터 및 시약의 농도가 방울의 활성화와 칩에 대한 성공적인 자기 분리에 최적지 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 정확한 측정을 위해서는 비드 바인딩 용량을 고려해야 하며, 아닐리바이트의 직렬 희석이 필요할 수 있습니다. 항체의 모형을 교환하여, 하나는 결과 단면도에서 보고된 하나에서 다른 병원체를 검출할 수 있었습니다.
이 방법은 또한 바이오마커 검출 또는 치료 시점 진단을 위해 예를 들어 적용될 수 있었습니다. 이미 제시된 응용 프로그램 외에도 이 시스템은 공중 병원균을 현장 감지하여 개발되었습니다. DMF는 액적 볼륨이 최근에 개발한 다른 샘플러의 출력과 일치하기 때문에 이 응용 분야에 이상적인 플랫폼입니다.
개요
이 연구는 바이러스성 병원체의 신속 검출을 위한 전기적 습윤 기반 디지털 미세 유체 플랫폼을 제시합니다. 이 방법은 자기 면역침전과 자동화된 액적 조작을 통합하여 효율적인 샘플 처리를 가능하게 합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 미세 유체 공학
- 병원체 검출
- 자동화된 실험실 프로세스
배경
- 전기적 습윤 기반 유전체(EWOD) 기술은 정밀한 액적 제어를 허용합니다.
- 자기 비드는 검출 방법의 민감도를 향상시킬 수 있습니다.
- 효소 결합 면역흡착 시험(ELISA)은 병원체 식별을 위한 일반적인 기술입니다.
- 미세 유체 공학의 자동화는 실험실 워크플로우를 간소화할 수 있습니다.
연구 목적
- 병원체 검출을 위한 완전히 자동화된 디지털 미세 유체 플랫폼을 개발하기 위해.
- 다양한 병원체에 대한 플랫폼의 성능을 평가하기 위해.
- 향상된 검출 민감도를 위해 분석 조건을 최적화하기 위해.
사용된 방법
- EWOD 기술을 사용한 자동화된 액적 작동.
- 샘플 준비를 위한 자기 면역침전.
- 액적 이동 및 분석 진행의 실시간 모니터링.
- 배양 시간 및 시약 농도의 최적화.
주요 결과
- 플랫폼은 다양한 농도의 병원체를 성공적으로 검출했습니다.
- 최적의 조건은 160초 배양 시간 및 2 µg/mL 접합체 농도로 확인되었습니다.
- 자동화된 프로세스는 분석 시간을 6-10분으로 단축했습니다.
- 액적 작동의 시각적 모니터링은 정전 용량 감지를 통해 달성되었습니다.
결론
- 디지털 미세 유체 플랫폼은 신속한 병원체 검출에 효과적입니다.
- 자동화는 실험실 분석의 재현성과 효율성을 향상시킵니다.
- 미래 응용 분야에는 압타머 기반 바이오센싱 기술이 포함될 수 있습니다.
자주 묻는 질문
Executive Industry Relevance
This electrowetting-based digital microfluidic platform enables rapid, automated ELISA for pathogen detection, reducing assay time to 6-10 minutes with minimal reagent volumes. The integration of magnetic immunoprecipitation and real-time monitoring supports high-throughput screening and reproducible results, addressing bottlenecks in early-stage target validation and assay development. Its scalability and adaptability to various antigens enhance predictive confidence in lead identification and preclinical triage.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through quantitative antigen detection across bacteria, spores, viruses, and proteins.
- Operational Value: Supports biological de-risking by providing reproducible, miniaturized sample processing with consecutive detection steps.
- Predictive Value: Optimized conditions (160-second incubation, 2 µg/mL conjugate) improve signal-to-noise ratio, aiding portfolio decisions based on robust functional data.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems via magnetic bead-based antigen capture, enabling downstream screening applications.
- Operational Value: Ensures assay standardization through automated droplet actuation and capacitive sensing, enhancing reproducibility across runs.
- Scalability: Microfluidic design allows reagent conservation and platform reuse, supporting scalable compound evaluation workflows.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Connects discovery to preclinical validation through consistent, quantitative pathogen detection in disease-relevant systems.
- Mechanistic De-risking: Reduces ambiguity in target engagement by isolating antigen-antibody interactions on a controlled microfluidic interface.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables data-driven go/no-go decisions via rapid, multiplexed pathogen quantification.
Pipeline & Workflow Integration
The platform integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical work, supporting hypothesis testing and assay readiness.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and pathway clarification via quantitative detection of specific antigens using EWOD and magnetic immunoprecipitation.
- Screening: Delivers assay readiness through automated, sequential droplet manipulation and real-time monitoring of critical steps like bead extraction and mixing.
- Analytics: Provides quantitative chemiluminescent readouts via photodetector, enabling comparison of antigen concentrations and assay conditions.
- Translational Research: Supports preclinical continuity by generating reproducible pathogen detection data adaptable to biomarker applications.
- Enterprise Reuse: Designed as a modular, scalable platform for repeated use across multiple targets and pathogen types.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through precise, quantitative antigen detection.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability via automated droplet control and minimal reagent consumption.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced biological risk in early development.
- Portfolio Impact: Risk-based prioritization enabled by rapid, multiplexed pathogen profiling.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidics, immunassay design, and surface chemistry optimization.
- Needs EWOD actuation hardware, magnetic actuation system, photodetector for chemiluminescence, and software for sequence control.
- Demands cross-team standardization of droplet volumes, surfactant compatibility, and hydrophobic coating selection.
- Requires adaptation considerations when switching antibody types or applying to aptamer-based biosensing.
- Practical limitations include voltage-dependent actuation longevity and the need for optimal surfactant-biochemistry-polymer interactions.
