Summary
我们提出了一个微流体为基础的电化学生物芯片的DNA杂交检测。以下的ssDNA探针官能化，特异性，灵敏度和检测极限进行了研究具有互补和非互补ssDNA的目标。结果表明在电化学系统中的DNA杂交事件的影响，以3.8纳米的检测极限。
Abstract
分析台式程序进入微规模的小型化提供显著优点在关于反应时间，成本和集成的预处理步骤。利用这些设备对的DNA杂交事件的分析是重要的，因为它提供了一种技术，生物标志物的实时评估，在点的护理各种疾病。然而，当该装置的足迹减少的各种物理现象的增加的优势地位。这些现象影响了制造精度和设备的运行可靠性。因此，存在很大的需求，以改善总体性能精确制造和操作中的可重现的方式处理这些装置。在这里，我们描述的协议和用于制造和微流体为基础的电化学生物芯片的DNA的杂交事件的准确分析的操作方法。生物芯片是由两部分组成：一个微流体芯片与三个平行的微通道进行聚二甲基硅氧烷（PDMS），以及一个3×3阵列的电化学微芯片。采用电化学阻抗谱（EIS）分析，检测到的DNA杂交的事件。 EIS的分析，可以在电化学系统中是主要的，在这些尺度的特性的监视的变化。与以监测电荷转移和扩散阻力与生物传感器的变化的能力，我们证明以下20分钟的选择性互补的单链DNA靶，380纳米的计算检测限，并且13％的交叉反应性与其他非互补单链DNA孵化。这种方法可以通过阐明上扩散在微观尺度制度的行为，以及允许的DNA杂交事件的研究提高微型设备的性能。
Introduction
微流控芯片实验室级芯片（LOC）的设备提供众多优势，在临床诊断，环境监测和生物医学研究。这些器件利用微流体通道，以控制流体流动的芯片，其中各种程序可发生包括试剂的混合，基于结合亲和力，信号转导和细胞培养1-4的区域。微流控技术提供了许多优点比传统的临床诊断工具，如微孔板读者或电泳凝胶迁移实验。微流体器件需要的大小为2〜3个数量级（纳升，而不是微升）更少的试剂来执行类似分析。此外，这些设备可以增加通过其中的一些生物学事件的发生是由于在物种内的通道5,6越小约束的速度。第三，传感器可以在使用光刻技术和蚀刻技术的微流体装置，其可以提供无标记detectio被集成ñ。最后，这些装置是廉价的，以产生与需要的操作7-10技术人员的部分少的工作。
标签的检测通常是使用光学或电气传感器执行。光学器件可以是由于与样品中的分析物低干扰呈现更好的感测性能。然而，他们的表现受到损害的情况下样品的背景具有相同的共振波长的传感器11。有许多优点，使用电信号来执行生物和化学检测在微流体系统中。制造本质上是较不复杂的，因为这些传感器通常只需要图案化电极来操作。此外，电信号可以直接与具有最高的测量设备，而其它信号模式可能要求换能器的信号12-15转换。电子传感器通常测量的变化impedancê16,17，电容18，或氧化还原活性19。然而，新的挑战表示为这些系统的小型化。要克服的最重要的挑战包括：样品制备和流体（由于低的样品体积和雷诺数）的混合，物理和化学作用（包括毛细管力，表面粗糙度，建筑材料和分析物之间的化学相互作用），低信号 - 噪比20-23，并从复杂的生物样品（ 例如 ，血液和唾液）中电活性分析物的潜在干扰（通过减小的表面积和体积。生产）。这些影响进一步的调查将导致在可重复的方式处理这些设备，将改善其整体性能的精确制造和操作指南。
用于DNA杂交检测广泛诊断遗传性疾病24,25和各种形式的CANC呃26。每年，流感多株被确定使用从DNA杂交技术，结果27例患者。流感病毒就占每年36,000人死亡，在美国28。这样的例子可能受益于在不牺牲灵敏度或特异性可以执行相同的分析技术如用低的样品体积的板读取器或凝胶移位分析，并在成本的一小部分台式微流体装置。由于无标记的电化学传感的许多优点，它已被广泛地用于检测DNA杂交事件29,30。其中宏观尺度的电极（在毫米范围内）浸在烧杯中与感兴趣的溶液A的设置可以被用于提供关于单链DNA序列的结合动力学它们匹配的互补序列非常敏感数据。最近，一直在结合电化学传感MICR几进展ofluidics的DNA杂交。研究已经完成对杂交动力学31和传感器整合在微流体通道检测15。然而，仍然需要一种能够分析DNA杂交事件在平行无需复杂的样品制备步骤的快速高通量微流体装置。
在这项工作中提出的设备提供了一个平台，允许多个交互并行，没有复杂的样品制备步骤进行筛选。我们的协议介绍如何微流体为基础的电化学生物芯片的微细加工和微机电系统（MEMS）技术32,33。我们描述的两个微流体芯片，聚二甲基硅氧烷制成（PDMS），以及电化学芯片的制造过程中，由电极阵列。生物芯片的化学官能与单链DNA探针也被解决。最后，ABIL生物传感器的性特异性检测和分析的ssDNA目标是证明。总体而言，微流体为基础的电化学生物芯片是一种快速和高通量分析技术。它可以被用于研究生物分子和导电换能器之间的相互作用，并能在各种上实验室芯片应用中使用。
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Protocol
1，微细加工的微流控芯片的
- 准备电化学芯片
- 图案金电极
- 冲洗空白4'硅晶片（黄金级品质）用丙酮，甲醇，异丙醇（“急性心肌梗死”干净）。冲洗从去离子水（DI），随后用N 2枪干燥该晶片的异丙醇。
- 生长出1μm厚的SiO 2钝化层用等离子增强化学气相沉积（PECVD）的工具。存200了厚厚的一层铬其次是2000了厚厚的一层黄金直流溅射工具。
- 自旋“PR1”正光致抗蚀剂（纺丝参数：3000转，1000转/秒，30秒），以创建均匀的膜〜1.6微米厚。预烘烤的晶片在100℃下1分钟的热板上。
- 揭露了190兆焦耳/ 平方厘米，在通过光掩模405纳米波长的晶片。开发晶圆30秒352开发eloper和冲洗晶圆与DI和干与N 2枪。
- 蚀刻金腐蚀剂金1.5分钟。蚀刻铬蚀刻剂〜30秒的铬。冲洗用去离子晶圆干燥与N 2枪。
- 剥去了“急性心肌梗死”清洁过程中的光致抗蚀剂。
注：强氧化剂及有爆炸危险。 - 1 H 2 SO 4：1分钟的 H 2 O 2的混合物（“食人鱼”干净）与4清洗晶片。冲洗用去离子晶圆干燥与N 2枪。
- 图案铂电极
- 自旋“PR2”正光致抗蚀剂（纺丝参数：3000转，1000转/秒，30秒），以创建均匀的膜〜1.4微米厚。预烘烤的晶片在100℃下1分钟的热板上。
- 揭露了30兆焦耳/ 平方厘米，在通过光掩模405纳米波长的晶片。烘烤晶片45秒，在125℃下的热板上。洪水暴露该晶片拥有1000兆焦耳/ 平方厘米在405 nm波长处无光罩。开发晶片在6 2分：1 AZ400K开发商和冲洗用去离子晶圆干燥与N 2枪。
- 沉积400埃厚的钛层，接着用电子束蒸发系统1600厚厚的一层铂。
- 抬离光致抗蚀剂中的超声波处理丙酮浴中5分钟，然后冲洗，用丙酮和异丙醇。冲洗用去离子晶圆干燥与N 2枪。
- 图案金电极
- 准备含量频道
- 准备模具的含量频道
- 冲洗空白4'硅晶片（测试等级质量）与“急性心肌梗死”清洁程序。冲洗从用DI晶片的异丙醇，然后用N 2枪干燥。
- 自旋“PR3”负光致抗蚀剂（2步，纺丝参数：步骤1 - 600转，120转/秒，10秒步骤2 - 1150转，383转/秒，27秒），以创建均匀的膜〜100μm厚。预烘烤的热板上（2步烘烤参数晶片：步骤1 - 从室温上升到65℃，在300℃/小时，并保持温度10分钟，第2步 - 斜坡上升至95℃在300℃/小时，并保持温度30分钟）。
- 揭露2500兆焦耳/ 平方厘米，在通过光掩模405纳米波长的晶片。后烘焙晶片逐渐升高至95℃，以300℃/小时，并保持温度有关的热板上10分钟。开发的晶片为在丙二醇单甲醚乙酸酯（PGMEA）显影10分钟。漂洗，用异丙醇和干燥用N 2枪晶片。
- 伪造检测通道
- 制备10：1聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合物（20克弹性体，2克固化剂）和完全脱气的真空室20分钟。
- 限定的模晶片周围的外壳用铝箔和慢慢倾未固化的PDMS在模具中。
- 烘烤的PDMS在箱式炉中模具（2步烘烤参数：步骤1 - 5分钟，从室温上升到80℃，第2步 - 保持在80℃下为17分钟）。
- 剥掉PDMS从铝箔模具和地点。切开法芯片的外科医生刀，定义孔活检冲压工具。
- 准备模具的含量频道
2，装配设备
- 手动对齐PDMS测定通道的电化学芯片上的工作电极。 PDMS枝以及电化学芯片，密封该通道，并防止泄漏。
- 柔性管（外径0.087'及身份证0.015'）连接到一个塑料弯管或直连接器使用的是短挠性管作为适配器（外径0.1875'及身份证0.0625'）。附加连接器连接到每个设备中的穿有孔的入口。
- 连接注射器上的另一端油管，并将注射器注射泵。根据所要求的程序步骤在第3和其相应的溶液中交替地改变设定注射器，管，和一个连接器。
3，分析DNA杂交
请注意：在介绍每个溶液慢慢进入通道以200微升/小时的流速，直到整个信道被充满。
- 功能化具有不同的单链DNA探针序列每个垂直微通道（并行执行的3个独立的垂直微）：
- 填充每个微通道具有不同的单链DNA探针保温溶液（10mM磷酸盐缓冲液，100 mM氯化钠，10μM磷酸三（2 - 羧乙基）膦（TCEP），和1μM探针的单链DNA），并孵育1小时，然后漂洗所述微通道用PBS。
- 填充微通道用含6 - 巯基-1 - 己醇（MCH）1mM的在10mM的PBS中，100mM的NaCl和1.395毫TCEP的缓冲液中的溶液，并保温（护）软化为1小时，随后漂洗，用PBS将微通道。
- 抬离PDMS，旋转90°，水平方向，并将其放置下来，露出了反应室分开行包含一个独特的电极和参比电极（图S1）每一行。
- 填具有4倍的控制测量溶液中的微通道浓缩柠檬酸盐钠（SSC）缓冲液，并温育20分钟。
- 背景测量：填充的微通道用5mM铁氰化钾/ 5mM的亚铁氰化物的PBS溶液，并记录该电化学系统的不同频率的阻抗值（电化学阻抗谱; EIS）使用连接到工作，计数器恒电位，以及参考电极（ EIS参数：频率范围为1 MHz至0.1赫兹，每十年10个频率点的数据，25 mV的幅度，5 mV的极化与参比电极）。重复此测量中的微通道的每个工作电极。 测量DNA杂交（对于每个非互补的，互补的单链DNA靶执行）。
- 填充微通道具有4倍的目标单链DNA测定溶液浓缩含有1μM的目标单链DNA的SSC缓冲液，并温育20分钟。测量DNA根据步骤3.4。
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Representative Results
可控和精确的制造工艺进行实验装置的研究是必不可少的。这使研究人员能够获得重复性和高通量实验。在这里，我们表现出了高产量，高重复性的微细加工过程中的微流体为基础的电化学生物芯片（ 图1）。具有故障率低，一些设备已经表明，导致溶液的泄漏结合的问题。为了验证生物芯片的电化学活性，循环伏安法测量在充有电活性的氧化还原对铁氰化物/亚铁氰化物的微通道进行。 图2示出了九个不同的工作电极的芯片上的可重现的电化学响应。这些结果表明，该电化学活性的生物芯片，允许高通量测量的所有九个腔相同。
大多数DNA杂交传感器固定单链DNA探测到传感器表面。金用于图案的微流体装置的感测电极，硫醇是很好的候选，以形成强共价键与所述传感器表面34。一个普通的偶联技术，包括增加的功能性硫醇（ - SH）基的单链DNA的一端。 SS的二硫键免受氧化的游离硫醇基团，直至它已准备好被使用。一旦二硫化物降低由三（2 - 羧乙基）膦（TCEP），此外，游离硫醇（ - SH）变得可用来粘结的DNA到金表面。未经TCEP，该单链DNA的二硫键也将装配在电极上，但在键比硫醇 - 金键要弱得多，也不会留在整个实验过程稳定。在这项工作中，一个稳定的单链DNA单分子杂交检测已被1到两个小时之间达到了培养时间。一旦在单链DNA探针已被组装到电极，6 - 巯基-1 - 己醇（MCH）用于钝化的表面上Ý暴露区域，以减少非特异性结合的影响35。在MCH的硫醇基团可以为自组装到金和羟基降低了的单链DNA的非特异性吸附的溶液。高TCEP浓度是用来减少可能已被氧化，以形成二硫键的巯基。没有在缓冲器中的高TCEP内容，对MCH会形成不稳定的单层和阻抗数据会相应发生变化，由于变化的表面电荷。妇幼保健还有另外一个重要的功能，当使用它作为保护与单链DNA分子。在MCH的氧化吸附过程将电子注入电极和降低表面电位。这会导致已固定有阴离子探针的单链DNA的静电效应和单链DNA直立远离电极36。直立式探针大大提高杂交效率，因为目标单链DNA链有电子更容易获得ntire长度的探针序列。此钝化步骤是用于建立传感器的稳定阻抗基线测量，从而减少假阳性信号，并从表面上除去任何弱结合分子是至关重要的。
的DNA杂交事件的生物传感机制是基于带负电荷的DNA和其它电活性分子之间的斥力。当杂交事件发生时，杂交DNA和电活性分子之间的强斥力使其更难于电活性物种的扩散对电极37。在这里，我们使用了铁氰化钾/亚铁氰化钾对夫妇的氧化还原物质的指标，这些斥力，这是利用电化学阻抗谱（EIS）测定。我们利用在微流体为基础的电化学生物芯片这个生物传感机构，并展示其检测DNA杂交事件33的能力， 图3所示的生物传感器的通过说明为三个单链DNA探针和互补单链DNA目标之间的杂交事件而阻抗变化的选择性。一个13％的交叉反应性用以下温育20分钟，其它非互补单链DNA已被证明。这些结果表明，该微型设备的可行性来测量可再现和高通量的方式的DNA杂交事件。我们也已经证实，生物传感器通过将不同浓度的互补单链DNA靶到传感器探头的灵敏度。 图4示出了生物传感器的功能与更高的ssDNA靶浓度的增加阻抗值的趋势。以下对不同浓度的互补单链DNA靶的受限扩散阻力33的计算，线性回归分析得到的检测3.8纳米的理论极限所对应的单链DNA的计算靶浓度的背景信号。总体而言，在生物芯片示出了快速检测的DNA的杂交事件的存在的能力。
图1被测摄影封装器件 （芯片尺寸：3.5厘米×3.5厘米;微通道高度为100μm，宽度为500μm）。
图2电化学验证。的9（3×3格）循环伏安图中的亚铁氰化物/铁氰化物的氧化还原对的存在下的工作电极。图案化电极之间的再现性示出了类似的形状，峰的高度，并且对于所有的电极的峰分离。“https://www.jove.com/files/ftp_upload/51797/51797fig2highres.jpg”目标=“_ blank将”>请点击这里查看该图的放大版本。
图3特异性的生物传感器。的杂交事件不同的单链DNA目标和在电荷转移电阻三个不同的单链DNA探针间的影响。在DNA杂交时，带负电荷的双链DNA和带负电荷的亚铁氰化物/铁氰化物的分子导致更高的电荷迁移阻力之间的强排斥力。
图4功能的生物传感器。Nyquist图电化学阻抗谱测试后，采用0.01，0.1，1和1微米的目标单链DNA（箭头表示越来越多的单链DNA靶浓度）。在低频率（〜15赫兹）为更高的目标单链DNA浓度的增加阻抗值是由于双链DNA和亚铁氰化物/铁氰化物分子之间的强排斥力。
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Discussion
我们的方法展示出一种微流体为基础的电化学生物芯片的制造和利用的DNA杂交的事件分析。通过高收益率来控制微细加工过程中，我们开发包括集成电化学传感器阵列微型通道的设备。我们已经通过迭代的方法设计用于电化学芯片和微流体通道模具的光刻过程控制处理参数。这些步骤为其他微型分析仪器未来创造的指导方针。重要的是，它们提供了一种方法，以优化各种生物感测的参数，如信号 - 噪声比，稳定性和灵敏度。下列设备的制造，我们的官能电化学传感器与单链DNA探针的生物受体，提供独特的分析角度。虽然这些过程演示设备低故障率，漏水的解决方案显示了一个魔女W文档下面的DNA杂交实验的表现在设备和组装。接合不良的这种装置进一步调查会提高该方法的产率，并使其适合于微型生物系统研究。
在我们的研究中，我们显示了生物芯片的精确和具体地感DNA杂交事件的能力。作为设计参数的一个新的分析微型装置的一部分时，应考虑到该设备，它要求的迭代方法，以优化的制程参数的制造（ 例如 ，光刻法的参数，微通道尺寸，沉积的金属的类型）。为了有效地检测DNA杂交事件，单链DNA探针组件和杂交条件必须被优化，以及（ 例如 ，温育时间，缓冲液的浓度，探针浓度，防止非特异性吸附的）。
快速筛选FO的能力ř特定的DNA序列是在癌症研究，流感的检测和基因工程领域非常有益的。多数排列的检测方法利用标签来产生信号，并使用多个洗涤和温育的步骤。利用所提出的微流体装置，DNA杂交将与高数量的DNA序列在同一个设备，而不需要任何类型的标签进行。我们设想结合更复杂的功能，在生物芯片，以改善其性能和模块化的短期应用。例如，阀系微流体有可能提供自动和控制的分析能力的生物芯片。另一个例子是官能化的设备与其它生物受体，从而提供了可在更宽范围的应用中使用的独特的传感特性。
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Disclosures
作者什么都没有透露。
Acknowledgments
作者承认罗伯特·W·德基金会，国防威胁降低局（DTRA）和美国国家科学基金会新兴前沿研究和创新（EFRI）的资金支持。作者还感谢马里兰州Nanocenter及其Fablab洁净室设施的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 4'' Silicon wafer | Ultrasil | 4-5664 | Single side polished; P-type; Boron doped; Orientation 1-0-0; Thickness 500 micron; Resistance 10-20 ohm·cm |
| Shipley 1813 photoresist ("PR1") | Microchem | positive photoresist | |
| AZ5214 photoresist ("PR2") | Hoechst Celanse | positive photoresist | |
| SU-8 50 photoresist ("PR3") | Microchem | negative photoresist | |
| Gold etchant | Transene | TFA | No dilution |
| Chromium etchant | Transene | 1020AC | No dilution |
| PDMS elastomer | Dow Corning | 3097366 1004 | |
| PDMS curing agent | Dow Corning | 3097358 1004 | |
| Biopsy punching tool | Healthlink | BP20 | |
| Tygon flexible tubing | Cole Parmer | R 3603 | 0.015" |
| Tygon flexible adapter | Cole Parmer | 06417-41 | 0.0625" |
| 1 ml syringe | Beckton-Dickenson | 301025 | |
| Monobasic potassium phosphate | Fluka | 1551139 | |
| Potassium phosphate dibasic anhydrous | Sigma | RES20765-A7 | |
| Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| tris(2-carboxyethyl)phosphine | Aldrich | C4706 | |
| 6-mercapto-1-hexanol | Aldrich | 451088 | |
| 20x concentrated saline-sodium citrate buffer | Sigma | 93017 | |
| Potassium hexacyanoferrate(III) | Aldrich | 455946 | |
| Complementary ssDNA #1 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-GGGACGTCCACGGAGCGCTA TCGGAGCTTT-3’ |
| Target ssDNA #2 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-/5ThioMC6-D/ACGCGTCAGGTCATTGACGA ATCGATGAGT-3’ |
| Complementary ssDNA #2 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-ACTCATCGATTCGTCAATGA CCTGACCCGT-3’ |
| Target ssDNA #3 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-/5ThioMC6-D/ACCTAGATCCAGTAGTTAGA CCCATGATGA-3’ |
| Complementary ssDNA #3 | Integrated DNA Technologies (IDT) | 100 nmole DNA oligo | 5’-TCATCATGGGTCTAACTACT GGATCTAGGT-3’ |
| Instrument | |||
| Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) | Oxford Instruments | PlasmaLab System 100 | Chamber pressure 1,000 mTorr, Tempreture 200 °C, RF power 20 W, Gasses: a) N2O flow rate 710 sccm; b) a composition of 5% SiH4 and 95% N2 gasses flow rate 170 sccm, SiO2 growth rate 690 Å/min. |
| DC sputtering unit | AJA International | ATC 1800-V | For Chrome: Chamber pressure 10 mTorr, Argon flow rate 20 sccm, Supplied DC power 200 W, Sputter rate 10 nm/min. For Gold: Chamber pressure 10 mTorr, Argon flow rate 20 sccm, Supplied DC power 200 W, Sputter rate 36 nm/min. |
| E-beam evaporation system | Denton | Custom-built | For Titanium: Chamber pressure < 2 x 10-6 Torr, Supplied power to the e-gun 7.5 kW, Filament current 150-200 mA, Evaporation rate 6-10 Å/sec. For Platinum: Chamber pressure < 2 x 10-6 Torr, Supplied power to the e-gun 7.5 kW, Filament current 150-200 mA, Evaporation rate 2-3 Å/sec. |
| Potentiostat | CH Instruments | 660D | |
| Syringe pump | KD Scientific | KDS230 | |
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