Microfluïdische Platform met multiplexverzending elektronische detectie voor ruimtelijke Tracking van Deeltjes
13 maart 2017
We tonen een microfluïdische platform met een geïntegreerde oppervlakte-elektrode netwerk resistieve pulse sensing (RPS) met code division multiple access (CDMA) combineert, om detectie en afmeting van deeltjes in meerdere microkanalen multiplexen.
Het algemene doel van deze procedure is om een microfluïdische platform te demonstreren dat weerstand puls sensing combineert met code division multiple access om de detectie en bemeting van deeltjes in meerdere microfluïdische kanalen te multiplexen. Deze technologie, genaamd microfluïdische CODES, kan helpen bij het realiseren van volledig geïntegreerde en echt draagbare labware chipapparaten die goed geschikt zijn voor point of care testen van biologische monsters in omgevingen met beperkte middelen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat het elektronisch de ruimtelijke, temporele manipulatie van deeltjes op de microfluïdische chip kan volgen, waardoor de behoefte aan een extern instrument zoals een microscoop wordt geëlimineerd.
Onze technologie is compatibel met zachte lithographie en kan gemakkelijk worden geïntegreerd in een microfotonisch apparaat waar deeltjes worden gefractioneerd om een directe elektronische uitlezing te bieden, vergelijkbaar met een Coulter-teller. Om te beginnen met de constructie van het microfluïdische apparaat, genereer een set van vier, zeven bit goud codes. Ontwerp vervolgens vier unieke elektrode-indelingen op basis van de goudcodes met behulp van een computer-aided design, of CAD-software zoals AutoCAD.
Laten de fotomasker met de ontworpen elektrode-indeling vervolgens door een fotomaskerleverancier worden vervaardigd. Week vervolgens een vier inch borosilicaat glas wafer in een vijf op één piranha-oplossing bij 120 graden Celsius gedurende 20 minuten. Na het reinigen, verwarm de wafer op een hot plate bij 200 graden Celsius gedurende 20 minuten om resterend water te verdampen.
Plaats de schone, droge wafer in een spin coater. Breng 2 milliliter negatieve fotoresistoplossing aan op de wafer en spin coat bij 3000 omwentelingen per minuut gedurende 40 seconden. Droog de spin-gecoate wafer op een hot plate bij 150 graden Celsius gedurende één minuut.
Bedek de wafer met een chroommasker in de gewenste elektrode-indeling. Exposeer het gemaskerde fotoresistoppervlak aan 365 nanometer UV-licht om 225 millijoule per centimeter vierkant te bereiken. Bak vervolgens het blootgestelde fotoresist op een hot plate bij 100 graden Celsius gedurende één minuut.
Dompel de wafer in fotoresistontwikkelaar gedurende 15 seconden, spoel vervolgens de patroonwafer in een zachte spuit van gedeïoniseerd water en droog de wafer onder een stroom stikstofgas. Plaats vervolgens de gepatroneerde wafer in een elektronenbundel metaalverdamper. Deponeer een 20 nanometer dikke chroomlaag en een 80 nanometer dikke goudlaag op de wafer met een snelheid van één Angström per seconde.
Ets vervolgens de onderliggende fotoresist door de metaalgecoate wafer ultrasonisch te verwarmen in aceton gedurende 30 minuten bij 40 kilohertz en 100% amplitude. Gebruik een snijzaag om de wafer in kleinere stukken te snijden zoals nodig. Om te beginnen met het fabriceren van de microfluïdische kanaalmal, reinig en droog een vier inch siliciumwafer op dezelfde manier als de eerder beschreven borosilicaatwafer.
Plaats de siliciumwafer in een spin coater en breng vier milliliter negatieve fotoresistoplossing aan. Spin coat de wafer bij 500 tpm gedurende 15 seconden, vervolgens bij 1.000 tpm gedurende 15 seconden en tenslotte bij 3.000 tpm gedurende 60 seconden. Zet de wafer met de zijkant omhoog op een aceton gedrenkte schone kamerdoek om resterend fotoresist van de achterkant en de randen van de wafer te verwijderen.
Bakken de wafer bij 65 graden Celsius gedurende één minuut en vervolgens bij 95 graden Celsius gedurende twee minuten. Plaats een chroommaskerpatroon voor de microfluïdische kanalen op de droge wafer. Exposeer de fotoresist aan 365 nanometer UV-licht bij 180 millijoule per centimeter vierkant en bak vervolgens de wafer opnieuw bij 65 en 95 graden Celsius gedurende één en twee minuten respectievelijk.
Plaats de gepatroneerde wafer in een container met fotoresistontwikkelaar en schud de container gedurende drie minuten voorzichtig. Spoel de ontwikkelde wafer in isopropanol en droog de wafer onder een stroom stikstofgas. Bak de wafer bij 200 graden Celsius gedurende 30 minuten en gebruik vervolgens een profilometer om te controleren of het patroonfotoresist gelijkmatig dik over de wafer is.
Plaats de wafer in een vacuümdesiccator samen met 200 microliters trichloorsilane in een onbedekte Petri-schaal. Laat de wafer gedurende acht uur in de desiccator met de trichloorsilane staan om de waferoppervlakte te silaniseren. Om te beginnen met het assembleren van het apparaat, gebruik algemeen doel schone kamertape om de siliciumwafer mal in een 150 millimeter diameter Petri-schaal te bevestigen.
Voeg 50 gram van een 10 tot één mengsel van polydimethylsiloxaan prepolymer toe aan de Petri-schaal en ontgas het mengsel in een vacuümdesiccator gedurende één uur. Cure de ontgaste mix bij 65 graden Celsius gedurende ten minste vier uur. Gebruik een scalpel om de uitgeharde PDMS-laag uit te snijden en pel vervolgens de uitgeharde laag van de mal met behulp van een pincet.
Snijd de PDMS in kleine stukken. Maak de inlaat en uitlaat microfluïdische kanaalgaten met een biopsie puncher. Plaats de PDMS-laag met het patroon naar beneden op heldere kamertape om het micromachinierte oppervlak schoon te maken.
Spoel het eerder bereide elektrodebearende glazen substraat met aceton, isopropanol en gedeïoniseerd water. Droog het substraat onder een stroom stikstofgas. Plaats de PDMS-laag en het substraat in een RF plasmagenerator ingesteld op 100 milliwatt met de micromachinierte kanten omhoog.
Activeer de micromachinierte oppervlakken in zuurstofplasma gedurende 30 seconden. Gebruik vervolgens een optische microscoop om het patroon PDMS-laag uit te lijnen met de oppervlakte-elektroden. Zodra uitgelijnd, laat de oppervlakken in fysiek contact komen om de PDMS-laag op het glazen substraat te verzegelen.
Het is cruciaal dat het coatingelektrodepatroon op het glazen substraat correct is uitgelijnd met de PDMS microfluïdische kanalen. Zodra correct uitgelijnd, zal de interactie van deeltjes met het oppervlakte-elektrode een gewenste codegolfvorm genereren voor multiplexing. Bak het geassembleerde apparaat bij 70 graden Celsius ge
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie demonstreert een microfluïdisch platform dat weerstandspulsdetectie integreert met code division multiple access (CDMA) voor multiplexing detectie en bepaling van de grootte van deeltjes in meerdere microfluïdische kanalen. De technologie, microfluïdische CODES genoemd, heeft tot doel draagbare labware-chipapparaten te faciliteren die geschikt zijn voor point-of-care testing in omgevingen met beperkte middelen.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Microfluidica
- Deeltjesdetectie
- Point-of-care testing
Achtergrond
- Microfluïdische apparaten zijn essentieel voor biologische monsteranalyse.
- Traditionele methoden vereisen vaak externe instrumenten zoals microscopen.
- Weerstandspulsdetectie maakt deeltjesbepaling en detectie mogelijk.
- Code division multiple access maakt multiplexing mogelijk.
Doel van de studie
- Om een microfluïdisch platform te ontwikkelen dat de deeltjesdetectie verbetert.
- Om de noodzaak van externe instrumenten bij deeltjesanalyse te elimineren.
- Om een technologie te creëren die compatibel is met zachte litografie voor eenvoudige integratie.
Gebruikte methoden
- Generatie van vier, zeven-bits goudcodes voor elektrode-ontwerp.
- Ontwerp van unieke elektrodelay-outs met behulp van CAD-software.
- Integratie van het platform in een microfotonisch apparaat.
- Implementatie van elektronische tracking voor deeltjesmanipulatie.
Belangrijkste resultaten
- Het microfluïdische platform multiplext deeltjesdetectie met succes.
- Eliminatie van externe instrumenten werd bereikt.
- Directe elektronische uitlezing vergelijkbaar met een Coulter-teller werd gedemonstreerd.
- De technologie is geschikt voor point-of-care toepassingen.
Conclusies
- Microfluïdische CODES biedt een nieuwe aanpak voor deeltjesanalyse.
- Het platform is voordelig voor omgevingen met beperkte middelen.
- Toekomstige toepassingen kunnen bredere biologische testcapaciteiten omvatten.
Veelgestelde vragen
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
