Микрожидкостных Платформа с уплотненными электронным детектором для пространственного слежения частиц

Общая цель данной процедуры — продемонстрировать микрофлюидную платформу, которая сочетает в себе резистивное импульсное зондирование с кодовым разделением, множественный доступ к мультиплексированию, обнаружению и определению размеров частиц в нескольких микрофлюидных каналах. Эта технология, получившая название microfluidic CODES, может помочь в реализации полностью интегрированных и по-настоящему портативных лабораторных чип-устройств, которые хорошо подходят для тестирования биологических образцов в условиях ограниченных ресурсов. Основное преимущество этого метода заключается в том, что он может электронным способом отслеживать пространственные, временные манипуляции с частицами на микрофлюидном чипе, устраняя необходимость во внешнем инструменте, таком как микроскоп.

Наша технология совместима с мягкой литографией и может быть легко интегрирована в микрофотическое устройство, в котором частицы фракционируются для обеспечения прямого электронного считывания, аналогичного счетчику Култера. Для начала построения микрофлюидного устройства генерируется набор из четырех, семибитных золотых кодов. Затем спроектируйте четыре уникальные схемы расположения электродов на основе золотых кодов с помощью системы автоматизированного проектирования или программного обеспечения CAD, такого как AutoCAD.

Наконец, замаскируйте Photomasked с помощью разработанной схемы расположения электродов, изготовленной поставщиком фотошаблонов. Затем замочите четырехдюймовую пластину из боросиликатного стекла в растворе пираньи пять к одному при температуре 120 градусов Цельсия на 20 минут. После очистки нагрейте на горячей плите при температуре 200 градусов Цельсия в течение 20 минут, чтобы испарить остатки воды.

Поместите чистую сухую в отвержимую машину для нанесения покрытий. Нанесите на пластину 2 миллилитра отрицательного раствора фоторезиста и отжмите слой со скоростью 3000 оборотов в минуту в течение 40 секунд. Высушите с отжимным покрытием на горячей плите при температуре 150 градусов Цельсия в течение одной минуты.

Накройте пластину хромированной маской с нужным расположением электродов. Подвергните замаскированную поверхность фоторезиста воздействию ультрафиолетового излучения с яркостью 365 нанометров, чтобы получить 225 миллиджоулей на квадратный сантиметр. Выпекаем экспонированный фоторезист на горячей плите при температуре 100 градусов Цельсия в течение одной минуты.

Погрузите пластину в проявитель фоторезиста на 15 секунд, затем промойте с рисунком в легком распылителе деионизированной воды и высушите пластину под струей газообразного азота. Затем поместите узорчатую пластину в электронно-лучевой металлический испаритель. Нанесите слой хрома толщиной 20 нанометров и слой золота толщиной 80 нанометров на пластину со скоростью один ангстрем в секунду.

Затем протравить лежащий в основе фоторезист путем ультразвукового нагрева пластины с металлическим покрытием в ацетоне в течение 30 минут с частотой 40 килогерц и амплитудой 100%. С помощью пилы для нарезки кубиками нарежьте на более мелкие кусочки по мере необходимости. Чтобы начать изготовление формы для микрофлюидного канала, очистите и высушите четырехдюймовую кремниевую пластину таким же образом, как и боросиликатную пластину, описанную ранее.

Поместите силиконовую пластину в отвержимую машину для нанесения покрытий и нанесите четыре миллилитра отрицательного раствора фоторезиста. Отжимайте пластину при 500 об/мин в течение 15 секунд, затем при 1 000 об/мин в течение 15 секунд и, наконец, при 3 000 об/мин в течение 60 секунд. Положите пластину лицевой стороной вверх на пропитанную ацетоном салфетку для чистых помещений, чтобы удалить остатки фоторезиста с обратной стороны и краев пластины.

Выпекайте при температуре 65 градусов Цельсия в течение одной минуты, а затем при температуре 95 градусов Цельсия в течение двух минут. Поместите на сухую пластину шаблон хромированной маски для микрофлюидных каналов. Подвергните фоторезист воздействию ультрафиолетового излучения с яркостью 365 нанометров при давлении 180 миллиджоулей на квадратный сантиметр, а затем снова запекайте пластину при температуре 65 и 95 градусов Цельсия в течение одной и двух минут соответственно.

Поместите узорчатую в емкость с проявителем фоторезиста и аккуратно встряхните емкость в течение трех минут. Полученную пластину промыть в изопропаноле и высушить пластину под струей газообразного азота. Выпекайте пластину при температуре 200 градусов Цельсия в течение 30 минут, затем с помощью профилометра убедитесь, что фоторезист равномерно плотный по всей пластине.

Поместите пластину в вакуумный эксикатор вместе с 200 микролитрами трихлорсилана в открытую чашку Петри. Дайте пластине постоять в эксикаторе с трихлорсиланом в течение восьми часов, чтобы поверхность пластины усилилась. Чтобы начать сборку устройства, используйте ленту общего назначения для чистых помещений, чтобы прикрепить силиконовую вафельную форму в чашке Петри диаметром 150 миллиметров.

Добавьте 50 граммов смеси преполимера полидиметилсилоксана в соотношении 10 к одному в чашку Петри и дегазируйте смесь в вакуумном эксикаторе в течение одного часа. Отверждайте дегазированную смесь при температуре 65 градусов Цельсия в течение не менее четырех часов. С помощью скальпеля вырежьте отвержденный слой PDMS, а затем снимите отвержденный слой с формы с помощью пинцета.

Нарежьте PDMS на мелкие кусочки. Проделайте отверстия во входном и выходном микрофлюидных каналах с помощью дырокола для биопсии. Поместите шаблон слоя PDMS лицевой стороной вниз на прозрачную комнатную ленту, чтобы очистить микрообработанную поверхность.

Предварительно подготовленную подложку со стеклянным подшипником электрода промойте ацетоном, изопропанолом и деионизированной водой. Подсушите субстрат под струей газообразного азота. Поместите слой PDMS и подложку в радиочастотный плазменный генератор мощностью 100 милливатт стороной микромашины вверх.

Активируйте поверхности микромашины в кислородной плазме на 30 секунд. Затем с помощью оптического микроскопа совместите слой PDMS с поверхностью электродов. После выравнивания дайте поверхностям физический контакт, чтобы запечатать слой PDMS на стеклянной подложке.

Крайне важно, чтобы рисунок электродов покрытия на стеклянной подложке был правильно выровнен с микрофлюидными каналами PDMS. После правильной юстировки взаимодействие частиц с поверхностным электродом сгенерирует желаемую кодовую осциллограмму для мультиплексирования. Выпекайте собранное устройство при температуре 70 градусов Цельсия в течение пяти минут стеклянной стороной вниз.

Наконец, припаяйте провода к контактным площадкам электродов для завершения сборки устройства. Чтобы начать эксперимент, поместите микрофлюидное устройство на предметный столик оптического микроскопа. Подключите опорный электрод устройства к выходному порту сигнала синхронного усилителя и подайте синусоиду с частотой 400 килогерц.

Подключите положительные и отрицательные электроды датчика к двум независимым трансимпедансным усилителям. Подключите оба трансимпедансных усилителя к дифференциальным входам напряжения синхронного усилителя с вычитанием положительного сигнала датчика из отрицательного сигнала датчика. Подключите выход демодулятора синхронного усилителя к блоку сбора данных.

В программном обеспечении для сбора данных установите частоту дискретизации для синхронного выхода усилителя в 1 мегагерц. Установите высокоскоростную камеру для оптической записи работы устройства под микроскопом. Наберите подготовленную клеточную суспензию в шприц.

Закрепите шприц с образцом в шприцевом насосе и подсоедините шприц к входному каналу. Направьте выпускной канал к контейнеру для отходов. Используйте шприцевой насос для прокачки суспензии ячейки через устройство с постоянной скоростью потока, записывая при этом сигнал модуляции импеданса.

После завершения эксперимента обработайте электрические данные с помощью аналитического программного обеспечения. Сравните обработанный электрический сигнал с изображениями с высокоскоростной камеры, чтобы создать калибровочную кривую для размера ячейки. Клеточную суспензию пропускали через микрофлюидное сенсорное устройство с четырьмя уникальными электродами, полученными из ортогональных сенсорных кодов.

Все четыре сигнала датчика записывались с одного электрического выхода. Отдельный датчик, связанный с каждым записанным сигналом, был идентифицирован путем корреляции записанных сигналов датчика со всеми возможными кодами, что привело к четко различимым автокорреляционным пикам. Формы сигналов, создаваемых мешающими сигналами от одновременного детектирования ячеек во всех четырех каналах, разрешались с помощью итерационного алгоритма.

Записанная форма сигнала была соотнесена со всеми возможными кодами и был идентифицирован самый большой пик автокорреляции. Соответствующий сигнал отдельного датчика был восстановлен и вычтен из формы входного сигнала. Остаточный сигнал передавался на следующую итерацию в качестве входных данных, и процесс продолжался до тех пор, пока остаточный сигнал не переставал вызывать пики автокорреляции.

Оцененные сигналы были уточнены на основе алгоритма оптимизации, направленного на поиск наилучшего соответствия между восстановленной и исходной записанными осциллограммами с использованием аппроксимации по методу наименьших квадратов. Затем местоположение, размер и время прохождения ячейки через датчик определялись по номеру канала, амплитуде, длительности и относительной синхронизации оцененных сигналов датчика. Процедура была валидирована путем сравнения электрических сигналов с оптическими измерениями, полученными с высокоскоростной камеры.

После освоения этой техники ее очень легко реализовать, потому что она очень проста с аппаратной точки зрения. Он не имеет активного встроенного компонента. Он напрямую совместим с мягкой литографией, а обработка сигнала основана на простом вычислительном алгоритме.

Следуя этому протоколу, вы можете изготавливать микрофлюидные чипы с мультиплексными электрическими датчиками на основе кода и декодировать электрические сигналы для биоаналитических измерений. Эта универсальная, масштабируемая технология электронного зондирования может быть легко интегрирована в различные микрофлюидные устройства для проведения количественных анализов путем пространственного временного отслеживания частиц по мере их обработки на чипе. После просмотра этого видео у вас должно быть хорошее понимание того, как проектировать, изготавливать и внедрять технологию микрофлюидных кодов.