Microfluidic Plattform med multiplekset Electronic Detection for Spatial Sporing av partikler
Summary
Vi viser en mikrofluid plattform med integrert flate elektrode-nettverk som kombinerer resistive pulsføle (RPS) med kodedelt multippelaksess (CDMA) for å multiplekse deteksjon og dimensjonering av partikler i flere microfluidic kanaler.
Abstract
Microfluidic behandling av biologiske prøver vanligvis innebærer differensial manipulasjoner av suspenderte partikler under ulike kraftfelt for å romlig fraksjonere prøven basert på en biologisk egenskap av interesse. Til den resulterende romlige fordeling som skal brukes som analyse avlesning, blir microfluidic anordninger ofte utsatt for mikroskopisk analyse krever komplisert instrumentering med høyere kostnader og redusert portabilitet. For å møte denne begrensningen, har vi utviklet en integrert elektronisk sensing teknologi for multiplex deteksjon av partikler på forskjellige steder på en microfluidic chip. Vår teknologi, kalt mikrofluid KODER, kombinerer Resistive Pulse Sensing med Kode Division Multiple Access til å komprimere 2D romlig informasjon i en 1D elektrisk signal. I denne artikkelen presenterer vi en praktisk demonstrasjon av mikrofluid KODER teknologi for å oppdage og størrelse dyrkede kreftceller fordelt over flere microfluidic kanaler. Somvalidert av høyhastighets mikroskopi, kan vår teknologi nøyaktig analysere tette cellepopulasjoner all elektronisk uten behov for en ekstern instrument. Som sådan kan microfluidic KODER potensielt gjøre det mulig lavkost integrerte lab-on-a-chip enheter som er godt egnet for point-of-care testing av biologiske prøver.
Introduction
Nøyaktig deteksjon og analyse av biologiske partikler som celler, bakterier eller virus suspendert i væsken er av stor interesse for en rekke programmer 1, 2, 3. Godt matchet i størrelse, microfluidic enheter tilbyr unike fordeler for dette formålet som høy følsomhet, milde prøve manipulasjon og godt kontrollert mikro 4, 5, 6, 7. I tillegg kan microfluidic enheter være konstruert for å anvende en kombinasjon av fluid-dynamikk og kraftfelt for å passivt fraksjonere en heterogen populasjon av biologiske partikler basert på forskjellige egenskaper til 8, 9, 10, 11, 12. I de enhetss, kan den resulterende partikkelfordelingen bli brukt som utlesning, men romlig informasjon er vanligvis kun tilgjengelig gjennom mikroskopi, noe som begrenser den praktiske nytten av mikrofluid anordningen ved å binde den til et laboratorium infrastruktur. Derfor er en integrert sensor som lett kan rapportere partiklenes spatiotemporal kartlegging, som de er manipulert på en mikrofluidteknisk enhet, kan potensielt gjøre det mulig med lave kostnader, integrert lab-på-en-brikke enheter som er spesielt attraktivt for testing av prøver i mobil , ressursbegrenset innstillinger.
Tynnfilmelektroder har vært brukt som integrerte sensorer i microfluidic anordninger for ulike applikasjoner 13, 14. Resistive Pulse Sensing (RPS) er spesielt attraktivt for integrert sensing av små partikler i microfluidic kanaler som det gir en robust, følsom, og høy gjennomstrømming deteksjon mekanisme direkte fra elektriske målinger 15. I RPS, impedansen modulasjon mellom et par elektroder, nedsenket i en elektrolytt, blir brukt som et middel for å detektere en partikkel. Når partikkelen passerer gjennom en åpning, størrelse av størrelsesorden av partikkelen, blir antallet og amplituden av transiente pulser i den elektriske strøm som brukes til å telle og størrelse partikler, respektivt. Videre kan sensorgeometri være utformet med en fotolitografisk oppløsning for å forme resistive pulsbølgeformer for å øke følsomheten 16, 17, 18, 19 eller for å estimere vertikal stilling av partikler i microfluidic kanalene 20.
Vi har nylig introdusert en skalerbar og enkel multiplex resistive puls sensing teknologi som kalles mikrofluid Coded Orthogonal Påvisning av elektrisk Sensing (mikrofluid KODER) 21. Microfluidic KODER er avhengig av eninnbyrdes forbundet nettverk av motstandspulssensor, som hver består av en oppstilling av elektroder mikromaskinert å modulere ledning i en unik identifiserbar måte, for derved å muliggjøre multipleksing. Vi har spesielt utviklet for hver sensor for å frembringe ortogonale elektriske signaler tilsvarende de digitale koder som brukes i kodedelt multippelaksess 22 (CDMA) telekommunikasjonsnett, slik at den enkelte resistive pulssensorsignalet være entydig utvinnes fra et enkelt utgangsbølgeform, selv om signalene fra forskjellige sensorer forstyrre. På denne måten komprimerer vår teknologi 2D romlig informasjon av partikler inn i en 1D elektrisk signal, som tillater overvåking av partikler på forskjellige steder på et mikrofluid brikke, samtidig som både enhets- og system-nivå kompleksitet til et minimum.
I denne artikkelen presenterer vi en detaljert protokoll for eksperimentelle og beregningsmetoder som er nødvendige for å bruke mikrofluid KODER teknologi, samt representative resultater fra dens anvendelse ved analyse av simulerte biologiske prøver. Ved hjelp av resultatene fra en prototype enhet med fire multipleksede sensorer som et eksempel for å forklare teknikken, gir vi protokoller på (1) microfabrication prosessen for å skape microfluidic enheter med mikrofluidKODER teknologi, (2) beskrivelsen av eksperimentelle oppsettet inkludert elektronisk, optisk, og fluid maskinvare, (3) en datamaskinalgoritme for dekoding av interfererende signaler fra forskjellige sensorer, og (4) resultatene fra deteksjon og analyse av kreftceller i microfluidic kanaler. Vi tror at ved å bruke detaljert protokoll beskrevet her, kan andre forskere benytte vår teknologi for sin forskning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flere resistive pulssensor, er blitt innarbeidet i microfluidic brikker 28, 29, 30, 31, 32. I disse systemer ble resistive pulssensor heller ikke multiplekset 28, 29, 30, 31 eller de nødvendige individuelle sensorer for å drives v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by National Science Foundation Award No. ECCS 1610995. The authors would like to thank the Institute of Electronics and Nanotechnology and the Parker H. Petit Institute for Bioengineering and Bioscience staff for their support in using shared facilities. The authors also would like to thank Chia-Heng Chu for his help in preparing the manuscript.
Materials
| 98% Sulfuric Acid | BDH Chemicals | BDH3074-3.8LP | |
| 30% Hydrogen Peroxide | BDH Chemicals | BDH7690-3 | |
| Trichlorosilane | Aldrich Chemistry | 235725-100G | |
| NR9-1500PY Negative Photoresist | Furuttex | ||
| Resist Developer RD6 | Furuttex | ||
| Acetone | BDH Chemicals | BDH1101-4LP | |
| SU-8 2015 Negative Photoresist | Microchem | SU8-2015 | |
| SU-8 Developer | Microchem | Y010200 | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow Corning | 3097358-1004 | Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit |
| Isopropyl Alcohol | BDH Chemicals | BDH1133-4LP | |
| RPMI 1640 | Corning Cellgro | 10-040-CV | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Seradigm | 1500-050 | |
| Penicillin-Streptomycin | Amresco | K952-100ML | |
| Phosphate-Buffered Saline (PBS) | Corning Cellgro | 21-040-CM | |
| PHD 22/2000 Syringe Pump | Harvard Apparatus | 70-2001 | |
| HF2LI Lock-in Amplifier | Zurich Instrument | ||
| HF2TA Current Amplifier | Zurich Instrument | ||
| Eclipse Ti-U Microscope | Nikon Corporation | ||
| DS-Fi2 High-Definition Color Camera | Nikon Corporation | ||
| v7.3 High-speed Camera | Phantom | ||
| PCIe-6361 Data Acquisition Board | National Instruments | 781050-01 | |
| BNC-2120 Shielded Connector Block | National Instruments | 777960-01 | |
| PX-250 Plasma Treatment System | Nordson MARCH |
References
- De Roy, K., Clement, L., Thas, O., Wang, Y., Boon, N. Flow cytometry for fast microbial community fingerprinting. Water Res. 46 (3), 907-919 (2012).
- Vives-Rego, J., Lebaron, P., Nebe-von Caron, G. Current and future applications of flow cytometry in aquatic microbiology. FEMS Microbiol Rev. 24 (4), 429-448 (2000).
- Alvarez-Barrientos, A., Arroyo, J., Cantón, R., Nombela, C., Sánchez-Pérez, M. Applications of flow cytometry to clinical microbiology. Clin Microbiol Rev. 13 (2), 167-195 (2000).
- Toner, M., Irimia, D. Blood-on-a-chip. Annu Rev Biomed Eng. 7, 77-103 (2005).
- Mehling, M., Tay, S. Microfluidic cell culture. Current Opin Biotech. 25, 95-102 (2014).
- Sarioglu, A. F., et al. A microfluidic device for label-free, physical capture of circulating tumor cell clusters. Nat Methods. 12 (7), 685-691 (2015).
- Cermak, N., et al. High-throughput measurement of single-cell growth rates using serial microfluidic mass sensor arrays. Nat Biotechnol. , (2016).
- Gossett, D., et al. Label-free cell separation and sorting in microfluidic systems. Anal Bioanal Chem. 397 (8), 3249-3267 (2010).
- Tsutsui, H., Ho, C. Cell separation by non-inertial force fields in microfluidic systems. Mech Res Commun. 36 (1), 92-103 (2009).
- Edwards, T. L., Gale, B. K., Frazier, A. B. A microfabricated thermal field-flow fractionation system. Anal Chem. 74 (6), 1211-1216 (2002).
- Wang, M. M., et al. Microfluidic sorting of mammalian cells by optical force switching. Nat Biotechnol. 23 (1), 83-87 (2005).
- Shields, C. W., Reyes, C. D., López, G. P. Microfluidic cell sorting: a review of the advances in the separation of cells from debulking to rare cell isolation. Lab Chip. 15 (5), 1230-1249 (2015).
- Gawad, S., Schild, L., Renaud, P. Micromachined impedance spectroscopy flow cytometer for cell analysis and particle sizing. Lab Chip. 1 (1), 76-82 (2001).
- Haandbæk, N., Bürgel, S. C., Heer, F., Hierlemann, A. Characterization of subcellular morphology of single yeast cells using high frequency microfluidic impedance cytometer. Lab Chip. 14 (2), 369-377 (2014).
- Bayley, H., Martin, C. Resistive-pulse sensing-from microbes to molecules. Chem Rev. 100 (7), 2575-2594 (2000).
- Polling, D., Deane, S. C., Burcher, M. R., Glasse, C., Reccius, C. H. Coded electrodes for low signal-noise ratio single cell detection in flow-through impedance spectrophy. , 3-7 (2010).
- Javanmard, M., Davis, R. W. Coded corrugated microfluidic sidewalls for code division multiplexing. IEEE Sensors J. 13 (5), 1399-1400 (2013).
- Balakrishnan, K. R., et al. Node-pore sensing: a robust, high-dynamic range method for detecting biological species. Lab Chip. 13 (7), 1302-1307 (2013).
- Emaminejad, S., Talebi, S., Davis, R. W., Javanmard, M. Multielectrode sensing for extraction of signal from noise in impedance cytometry. IEEE Sensors J. 15 (5), 2715-2716 (2015).
- Spencer, D., Caselli, F., Bisegna, P., Morgan, H. High accuracy particle analysis using sheathless microfluidic impedance cytometry. Lab Chip. 16 (2016), 2467-2473 (2016).
- Liu, R., Wang, N., Kamili, F., Sarioglu, A. Microfluidic CODES: a scalable multiplexed electronic sensor for orthogonal detection of particles in microfluidic channels. Lab Chip. 16 (8), 1350-1357 (2016).
- Buehrer, R. Code Division Multiple Access (CDMA). Synthesis Lectures on Communications. 1 (1), 1-192 (2006).
- Proakis, J. . Digital Communications. , (1989).
- Patel, P., Holtzman, J. Analysis of a simple successive interference cancellation scheme in a DS/CDMA system. IEEE J Sel Areas Commun. 12 (5), 796-807 (1994).
- Hui, A., Letaief, K. Successive interference cancellation for multiuser asynchronous DS/CDMA detectors in multipath fading links. IEEE Trans Commun. 46 (3), 384-391 (1998).
- Whittle, P. Prediction and regulation by linear least-square methods. J Macroecon. 7 (1), 126 (1985).
- Whitesides, G., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., Ingber, D. Soft lithography in biology and biochemistry. Annu Rev Biomed Eng. 3 (1), 335-373 (2001).
- Zhe, J., Jagtiani, A., Dutta, P., Hu, J., Carletta, J. A micromachined high throughput Coulter counter for bioparticle detection and counting. J Micromech Microeng. 17 (2), 304-313 (2007).
- Song, Y., Yang, J., Pan, X., Li, D. High-throughput and sensitive particle counting by a novel microfluidic differential resistive pulse sensor with multidetecting channels and a common reference channel. Electrophoresis. 36 (4), 495-501 (2015).
- Watkins, N., et al. Microfluidic CD4+ and CD8+ T lymphocyte counters for point-of-care HIV diagnostics using whole blood. Sci Transl Med. 5 (214), 214ra170 (2013).
- Chen, Y., et al. Portable Coulter counter with vertical through-holes for high-throughput applications. Sensor Actuat B-Chem. 213, 375-381 (2015).
- Jagtiani, A., Carletta, J., Zhe, J. An impedimetric approach for accurate particle sizing using a microfluidic Coulter counter. J Micromech Microeng. 21 (4), 045036 (2011).
- Gold, R. Optimal binary sequences for spread spectrum multiplexing (Corresp). IEEE Trans. Inform. Theory. 13 (4), 619-621 (1967).
- Dinan, E., Jabbari, B. Spreading codes for direct sequence CDMA and wideband CDMA cellular networks. IEEE Commun Mag. 36 (9), 48-54 (1998).
