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Artigo de método

Plataforma microfluídico com multiplexada detecção electrónica do Ordenamento do Rastreamento de Partículas

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⸱

DOI:

10.3791/55311

⸱

13 de março de 2017

 ,  , 
1School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, 2Institute of Electronics and Nanotechnology, Georgia Institute of Technology, 3Petit Institute for Bioengineering and Biosciences, Georgia Institute of Technology

Neste artigo

Resumo

Nós demonstramos uma plataforma de microfluidos com uma rede de eléctrodo de superfície integrada que combina a detecção de impulsos resistiva (RPS) com acesso múltiplo por divisão de código (CDMA), para multiplexar detecção e dimensionamento de partículas em vários canais de microfluidos.

Resumo

processamento de microfluidos de amostras biológicas normalmente envolve manipulações diferenciais de partículas suspensas sob vários campos de força, a fim de fracionar espacialmente a amostra com base em uma propriedade biológica de interesse. Para a distribuição espacial resultante para ser utilizado como a leitura de ensaio, dispositivos microfluidicos são muitas vezes sujeitas a análise microscópica requerendo instrumentação complexa com maior custo e portabilidade reduzida. Para resolver esta limitação, temos desenvolvido uma tecnologia de detecção electrónico integrado para a detecção de partículas multiplexado em locais diferentes num chip de microfluidos. A nossa tecnologia, chamada CÓDIGOS microfluídicos, combina pulso resistiva Sensing com Code Division Multiple Access para comprimir 2D informação espacial em um sinal elétrico 1D. Neste artigo, apresentamos uma demonstração prática da tecnologia CÓDIGOS microfluídicos para detectar e tamanho células cancerosas cultivadas distribuído por vários canais microfluídicos. Comovalidado pela microscopia de alta velocidade, a tecnologia pode analisar com precisão todas as populações de células densas electronicamente, sem a necessidade de um instrumento externo. Como tal, os códigos microfluídicos pode potencialmente permitir que dispositivos de baixo custo integrados lab-on-a-chip que estão bem adaptados para os testes point-of-care de amostras biológicas.

Introdução

A detecção precisa e análise de partículas biológicas tais como células, bactérias ou vírus em suspensão no líquido é de grande interesse para uma série de aplicações de 1, 2, 3. Bem combinado em tamanho, dispositivos microfluídicos oferecem vantagens únicas para este fim, como de alta sensibilidade, a manipulação da amostra gentil e microambiente bem controlados 4, 5, 6, 7. Além disso, os dispositivos de microfluidos podem ser concebidos para empregar uma combinação de dinâmica de fluidos e campos de força para fraccionar passivamente uma população heterogénea de partículas biológicas baseadas em diversas propriedades de 8, 9, 10, 11, 12. Naqueles dispositivos, a distribuição de partículas resultante pode ser utilizado como leitura da informação espacial, mas é, tipicamente, acessíveis apenas por meio de microscopia, o que limita a utilidade prática do dispositivo de microfluidos, amarrando-o para uma infra-estrutura de laboratório. Por isso, um sensor integrado que pode prontamente relatório de mapeamento espaço-temporal das partículas, à medida que são manipuladas em um dispositivo de microfluidos, pode potencialmente permitir a baixo custo, dispositivos de Lab-on-a-chip integrado que são particularmente atraente para o ensaio das amostras em Mobile , contextos de recursos limitados.

Eléctrodos de película fina têm sido usadas como sensores integrados em dispositivos de microfluidos para várias aplicações 13, 14. Pulso de detecção resistiva (RPS) é particularmente atraente para detecção integrada das pequenas partículas em canais de microfluidos, uma vez que oferece um mecanismo robusto, sensível, e detecção de alto rendimento directamente a partir de medições eléctricas 15. Em RPS, a modulação da impedância entre um par de eléctrodos, imersos num electrólito, é utilizado como um meio para detectar uma partícula. Quando a partícula passa através de uma abertura, de tamanho da ordem da partícula, o número e amplitude de impulsos transientes na corrente eléctrica que são utilizados para contar e partículas de tamanho, respectivamente. Além disso, a geometria do sensor pode ser concebido com uma resolução de fotolitografia a forma de onda de impulso resistivas, a fim de aumentar a sensibilidade de 16, 17, 18, 19 ou para estimar a posição vertical de partículas em canais de microfluidos 20.

Temos recentemente introduziu uma tecnologia de detecção de pulso resistiva multiplexado escalável e simples chamado Microfluidic Coded Orthogonal Detecção por Sensoriamento Elétrica (CODES microfluídicos) 21. CÓDIGOS microfluídicos depende de umrede interligada de sensores de pulso resistivos, cada um consistindo de uma matriz de eléctrodos de micromecânica para modular a condução de uma maneira única, distinguível, de modo a permitir a multiplexação. Temos concebido especificamente cada sensor para produzir sinais eléctricos ortogonais semelhantes aos códigos digitais usados no Code Division Multiple Access 22 (CDMA) de redes de telecomunicações, de modo que o sinal do sensor de pulso resistivas individuais podem ser recuperados de forma única a partir de uma única forma de onda de saída, mesmo se os sinais a partir de diferentes sensores interferir. Desta forma, a nossa tecnologia comprime informação espacial 2D de partículas num sinal eléctrico 1D, permitindo a monitorização de partículas em diferentes localizações sobre um chip de microfluidos, mantendo tanto a complexidade do dispositivo e ao nível do sistema a um nível mínimo.

Neste artigo, apresentamos um protocolo detalhado para métodos experimentais e computacionais necessárias para utilizar a tecnologia CÓDIGOS Microfluidic, bem como representative resultados da sua utilização em análises de amostras biológicas simulado. Utilizando os resultados de um dispositivo protótipo com quatro sensores multiplexados como um exemplo para explicar a técnica, nós fornecemos protocolos sobre (1) o processo de microfabricação para criar dispositivos microfluídicos com a tecnologia microfluídica CODES, (2) a descrição da configuração experimental, incluindo a hardware electrónico, óptico, e fluidificada, (3) o algoritmo de computador para descodificar sinais de interferência de diferentes sensores, e (4) os resultados de detecção e análise de células cancerosas em canais de microfluidos. Acreditamos que a utilização do protocolo detalhado descrito aqui, outros pesquisadores podem aplicar nossa tecnologia para suas pesquisas.

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Protocolo

1. Projeto de Eletrodos de Codificação

Nota: A Figura 1a mostra a estrutura 3-D dos eléctrodos micropatterned.

  1. Desenhar um conjunto de quatro códigos de ouro de 7 bits para codificar os canais microfluídicos 23.
    1. Construir dois de feedback shift-registos lineares (LFSRs), cada um representando um polinômio primitivo.
    2. Use as LFSRs para gerar um par preferido de m -sequences 7-bit.
    3. Ciclicamente deslocar o par preferido de m -sequences e adicioná-los na modificação 2 para gerar quatro códigos de Ouro distintas.
  2. Criar o layout dos eletrodos de codificação (Figura 1B).
    1. Coloque três terminais do eletrodo, representando os, e eletrodos de referência negativos positivos em três cantos.
    2. Rota eléctrodo positivo e negativo traça em lados opostos de cada canal microfluídico.
    3. Estender eletrodos positivos e negativos para ocanais microfluídicos como dedos de eletrodos, a seguir ao código de Ouro atribuídos exclusivamente (Figura 1C).
    4. Colocar o eléctrodo de referência de entre os dedos positivos e negativos de eléctrodos.
    5. Coloque vestígios de eléctrodos positivos e negativos longe dos dedos de eléctrodos de referência mais exteriores, a fim de minimizar a condução eléctrica fora da região de codificação.

2. Microfabricação de eletrodos de superfície

Nota: A Figura 2b mostra o processo de fabricação de eléctrodos de superfície.

  1. Limpar uma bolacha de vidro de borossilicato de 4 polegadas em uma solução piranha (ácido sulfúrico a 98%: 30% de peróxido de hidrogénio = 5: 1) a 120 ° C durante 20 min para remover todos os contaminantes orgânicos. Em seguida, coloca a bolacha sobre uma placa quente a 200 ° C durante 20 min para remover a água residual.
  2. Transferir a bolacha para um spinner. Dispensar 2 mL fotorresistente negativo sobre a bolacha e girar a bolacha a uma velocidade de 3000 rpm durante 40 s para revestir uniformemente o wafer com uma camada fotorresistente 1,5 mícrons.
  3. Coloque a bolacha sobre uma placa quente a 150 ° C e assar o fotorresistente centrifugada durante 1 min.
  4. Expor o foto-resistente a luz UV de 365 nm (225 mJ / cm 2) através de uma máscara de crómio usando uma máscara de alinhador.
  5. Coloque a bolacha em uma placa quente a 100 ° C e asse o fotorresistente exposto durante 1 min.
  6. Desenvolver o fotorresistente por imersão da bolacha num revelador fotorresistente (RD6) durante 15 s. Suavemente pulverizar água desionizada (DI) e lava-se a bolacha. Seco, soprando nitrogénio comprimido.
  7. Coloque o wafer foto-resistente com modelado em um evaporador de metal por feixe electrónico, e depositar uma película de cromo-20 nm de espessura, seguindo-se um filme de ouro de 80 nm de espessura sobre a bolacha de base a uma pressão de 3 x 10 -6 Torr com a taxa de deposição de 1 a / s.
  8. Mergulhe o wafer revestido de metal em acetona em um conjunto de banho de ultra-som com uma frequência de 40 kHz com 100% de amplitude durante 30 minutos a têmpera quartoAture para gravar a foto-resistente subjacente e concluir o processo de decolagem.
  9. Cortar a bolacha em pedaços menores usando uma serra de corte em cubos convencional.

3. Fabricação do SU-8 molde de canais microfluídicos

Nota: A Figura 2a mostra o processo de fabricação do molde para os canais de microfluidos.

  1. Limpar e assar uma bolacha de silício de 4 polegadas usando o mesmo processo descrito em 2.1.
  2. Transferir a bolacha para um spinner. Pour 4 mL fotorresistência sobre a bolacha. Brasão o wafer com fotorresiste.
    1. Girar a bolacha a 500 rpm durante 15 s.
    2. Girar a bolacha a 1.000 rpm durante 15 s.
    3. Girar a bolacha a 3.000 rpm durante 60 segundos para se obter uma camada fotorresistente de espessura 15 mícrons uniformemente revestido.
  3. Coloque o wafer-se em uma sala limpa limpe embebido em acetona e remover o fotorresiste residual da parte traseira e as bordas do wafer.
  4. Transferir a bolacha quente para uma PLcomeu para o cozimento macio. Em primeiro lugar, cozer a bolacha a 65 ° C durante 1 min. Em seguida, mova rapidamente a bolacha para um prato quente de 95 ° C e asse por 2 min.
  5. Expor o foto-resistente a luz UV de 365 nm (180 mJ / cm 2) por meio de uma máscara de cromo utilizando uma máscara de alinhador.
  6. Cozer a bolacha após exposição a 65 ° C durante 1 min e em seguida a 95 ° C durante 2 min.
  7. Mergulhe o wafer no desenvolvedor e agite o recipiente para 3 min. Em seguida, lavar o wafer com álcool isopropílico (IPA) e secá-lo, soprando nitrogénio comprimido. Se um resíduo de cor branca aparece no wafer, mergulhá-lo no desenvolvedor de novo e desenvolver por mais tempo e seco.
  8. Cozer a bolacha sobre uma placa quente a 200 ° C durante 30 minutos para secá-la completamente.
  9. Medir a espessura do fotorresistente modelado utilizando um perfilómetro em locais diferentes por todo o wafer para assegurar a uniformidade.
  10. Silanizar da bolacha do molde, utilizando a técnica de deposição de vapor. Adicionar 200 uL de trichlorosilane numa placa de Petri e colocar num exsicador de vácuo, juntamente com o SU-8 bolacha do molde durante 8 h.

4. Montagem do Dispositivo CÓDIGOS Microfluidic

  1. Coloque o wafer de silício de 4 polegadas com o molde em um diâmetro de Petri de 150 mm, e corrigi-lo gravando a partir de suas bordas.
  2. Misturar o polidimetilsiloxano (PDMS) de pré-polímero e do agente de reticulação numa proporção de 10: 1, e 50 g de derramar a mistura para a placa de Petri. Colocar a placa de Petri num exsicador de vácuo para desgaseificar a mistura durante 1 h, e, em seguida, curar em um forno a 65 ° C durante pelo menos 4 h (Figura 2A).
  3. Cortar a camada de PDMS curado usando um bisturi e retire-a da bolacha molde usando uma pinça. O tamanho do dispositivo de prova de princípio é de aproximadamente 20 mm x 7 mm. Em seguida, fazer furos com um diâmetro de 1,5 mm através do PDMS para a entrada e a saída do canal microfluídico utilizando um perfurador de biópsia.
  4. Limpe o lado modelado da parte PDMS colocando it em uma fita adesiva de sala limpa.
  5. Limpe o substrato de vidro com eletrodos de superfície por lavagem com acetona, IPA, água DI e seque com nitrogênio comprimido.
  6. Ative as superfícies de PDMS e substrato de vidro em plasma de oxigênio durante 30 s com o lado microusinado de cada parte voltada para cima em um gerador de plasma RF fixado em 100 mW.
  7. Alinhe o canal microfluídicos PDMS com eletrodos de superfície sobre o substrato de vidro usando um microscópio óptico e, em seguida, trazer as duas superfícies ativada por plasma em contato físico.
  8. Asse o dispositivo sobre uma placa de aquecimento de 70 ° C durante 5 min, com o lado do vidro virado para a placa quente.
  9. Conecte os suportes de contato dos eletrodos com fios soldando.

5. Preparação da amostra Simulado Biológica

  1. Cultura das células cancerosas do ovário humano HeyA8 em RPMI 1640 suplementado com 10% de soro fetal de bovino (FBS) e 1% de penicilina-estreptomicina, em 5% de CO2 a 37 ° Caté atingirem 80% de confluência.
  2. Aspirar a mídia do frasco de cultura com uma pipeta de vidro. Dispensar e, em seguida, solução salina de fosfato tamponada aspirado 1x (PBS), para lavar as células.
  3. Incubar as células em 2 ml de 0,05% (w / v) de solução de tripsina, durante 2 minutos a 37 ° C a suspender as células aderentes. Em seguida, adicionar 4 ml de meio de cultura para neutralizar a tripsina.
  4. Centrifugar a suspensão de células a 100 x g durante 5 min para sedimentar as células num tubo de ensaio. Em seguida, sobrenadante aspirado completamente.
  5. Re-suspender as células em 1-2 mL 1x PBS cuidado pipetando para cima e para baixo para aglomerados de células mecanicamente Separar.
  6. Desenhar uma pequena quantidade de suspensão de células para uma pipeta e contar o número de células utilizando um hemocitómetro.
  7. Dilui-se a suspensão de células com PBS para preparar uma amostra com uma concentração celular final de 10 5 -10 6 células / ml.

6. A execução do CODES dispositivo micro

Nota: Fifigura 3 mostra a configuração experimental.

  1. Coloque o dispositivo CÓDIGOS Microfluidic sobre a platina de um microscópio óptico.
  2. Aplique uma onda senoidal de 400 kHz para o eletrodo de referência no chip usando um gerador de função eletrônica.
  3. Ligue os eléctrodos de detecção positivos e negativos a dois amplificadores trans-impedância independentes para converter sinais de corrente de cada um para sinais de tensão.
  4. Subtrair o sinal de tensão do eléctrodo de detecção positiva do sinal de tensão negativa eléctrodo de detecção usando um amplificador de tensão diferencial, a fim de obter um sinal bipolar.
  5. Use uma câmera de alta velocidade para operação de gravação óptica do dispositivo para fins de validação e caracterização.
  6. Conduzir a suspensão de células através do dispositivo CÓDIGOS microfluídicos a um caudal constante (50-1.000 mL / h) utilizando uma bomba de seringa.
  7. Medir o sinal de modulação de impedância, utilizando um amplificador lock-in.
    1. Ligue o sinal AC referência à refentrada refe- do amplificador lock-in. Ligue o sinal bipolar diferencial para o amplificador lock-in como sinal de entrada.
    2. Obter a amplitude RMS do sinal diferencial a partir da saída do amplificador lock-in.
  8. A amostragem do sinal de saída do amplificador lock-in na taxa de 1 MHz a um computador através de uma placa de aquisição de dados para análise posterior.

7. Processamento de sinais do sensor

  1. Transferir dados elétricos registrados em MATLAB para pós-processamento e decodificação.
  2. Filtrar o sinal gravado no domínio digital usando um filtro Butterworth (função built-in MATLAB) para remover o ruído de alta frequência (> 2,5 kHz).
  3. Gerar uma biblioteca de código do modelo de sinais do sensor.
    1. Identificar os sinais de código não sobreposta representativos correspondentes a cada sensor no dispositivo e extrai-se estes blocos de sinal a partir do conjunto de dados de forma de onda como vectores separados.
    2. Normalizar cada modelo de forma de onda de código vectorpelo seu poder. Use o MATLAB função built-in (bandpower) para medir a potência do sinal.
    3. Use a função MATLAB (resample) para expandir a biblioteca de template digital criando versões de sinais de código normalizadas com diferentes durações para acomodar variações na velocidade do fluxo de células ao longo dos eletrodos.
  4. Identificar os blocos de sinais que correspondem ao sensor de actividade (limiar: SNR> 12 dB) na forma de onda filtrada. Forma de onda com SNR abaixo do limiar seria tratado como ruído.
  5. Descodificar os blocos individuais de actividade de sensor no sinal gravado por meio de um algoritmo iterativo com base na cancelamento de interferência sucessivas, uma técnica habitualmente utilizada nas redes de comunicações CDMA multi-utilizador 24, 25.
    1. Calcular a correlação cruzada de cada bloco de sinal com todos os modelos na biblioteca utilizando deslizante produto escalar.
    2. Identificar o modelo que produz o largEst pico de auto-correlação para determinar o sinal de código do sensor indivíduo dominante. Grave a tempo e amplitude do pico de autocorrelação.
    3. Construir um sinal de código do sensor estimativa escalando o modelo de código identificados com base na medida da amplitude autocorrelação de pico e informações de tempo (determinado na etapa 7.5.2).
    4. Subtrair o sinal de código do sensor calculado a partir dos dados originais.
    5. Iterar o processo a partir de 7.5.1, até que o sinal residual não se assemelha a qualquer sinal na biblioteca molde, definida matematicamente como o coeficiente de correlação é inferior a 0,5.
  6. Refinar estimativas sinal do sensor iniciais da etapa 7.5, utilizando um processo de otimização.
    1. Reconstruir o sinal adicionando sinais de sensores individuais estimados de cada iteração.
    2. Varrer a amplitude, duração e calendário de sinais dos sensores individuais em torno das estimativas originais para produzir o melhor ajuste com o sinal elétrico gravadobaseada em mínimos quadrados aproximação 26.
  7. Converter amplitudes de sinais do sensor estimados em tamanho de célula calibrando sinais elétricos contra as imagens ópticas.

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Resultados

Um dispositivo CÓDIGOS Microfluidic consistindo de quatro sensores distribuídos ao longo de quatro canais de microfluidos é mostrado na Figura 1b. Neste sistema, a secção transversal de cada um dos canais de microfluidos foi concebido para ser próximo do tamanho de uma célula de modo a que (1) várias células não podem passar através dos eléctrodos em paralelo e (2) as células permanecem perto dos eléctrodos aumentando a sensibilidade . Cada sensor está concebido para ger...

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Discussão

Vários sensores de pulso resistivas foram previamente incorporados em chips microfluídicos 28, 29, 30, 31, 32. Nestes sistemas, sensores de pulso resistivas ou não foram multiplexados 28, 29, 30, 31 ou eles necessários sensores indi...

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Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pelo National Science Foundation Award No. ECCS 1610995. Os autores gostariam de agradecer ao Instituto de Eletrônica e Nanotecnologia e à equipe do Instituto Parker H. Petit de Bioengenharia e Biociência por seu apoio no uso de instalações compartilhadas. Os autores também gostariam de agradecer a Chia-Heng Chu por sua ajuda na preparação do manuscrito.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
98% de ácido sulfúrico     BDH ChemicalsBDH3074-3.8LP
30% Peróxido de Hidrogênio   Produtos químicos BDHBDH7690-3
TriclorossilanoAldrich Química235725-100G
NR9-1500PY Fotorresistente negativoFuruttex
Resist Desenvolvedor RD6Furuttex
AcetonaBDH ChemicalsBDH1101-4LP
SU-8 2015 Fotorresistente negativoMicrochemSU8-2015
SU-8 DesenvolvedorMicrochemY010200
Polidimetilsiloxano (PDMS)Dow Corning3097358-1004Sylgard 184 Kit de Elastômero
de Silicone Álcool IsopropílicoBDH Produtos QuímicosBDH1133-4LP
RPMI 1640Corning Cellgro10-040-CV
Soro Bovino Fetal (FBS)Seradigm1500-050
Penicilina-estreptomicinaAmrescoK952-100ML
Solução salina tamponada com fosfato (PBS)Corning Cellgro21-040-CM
PHD 22/2000 Bomba de seringaAparelho Harvard70-2001
Amplificador de bloqueio HF2LI ZurichInstrument
HF2TA Amplificador de correnteZurich Instrument
Eclipse Microscópio Ti-UNikon Corporation
DS-Fi2 Câmera Colorida de Alta Definição Placa
v7.3
National Instruments781050-01
BNC-2120National Instruments777960-01 
Sistema de Tratamento de Plasma PX-250Nordson MARCH 
de Aquisição de Dados Phantom PCIe-6361 da Câmera de Alta Velocidade Nikon Corporation  Bloco de Conectores Blindados

Referências

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