Mikrofluidik-Plattform mit Multiplexed elektronische Sensoren für Raumverfolgung von Partikeln
Summary
Wir zeigen, eine mikrofluidische Plattform mit einem Elektrodennetz integriert Oberfläche, die resistive Pulserfassungs kombiniert (RPS) mit Codemultiplex-Vielfachzugriff (CDMA), Auffinden und Ausmessen von Partikeln in mehrere mikrofluidische Kanäle zu multiplexen.
Abstract
Mikrofluidik-Verarbeitung von biologischen Proben umfasst in der Regel Differential Manipulationen von Schwebeteilchen unter verschiedenen Kraftfelder, um die Probe zu räumlich fraktionieren basierend auf einer biologischen Eigenschaft von Interesse. Für die sich ergebende räumliche Verteilung als Assay Auslesung verwendet werden, sind mikrofluidische Vorrichtungen oft mikroskopische Analyse unterzogen erfordern komplexe Instrumentierung mit höheren Kosten und reduziert Portabilität. Um diese Beschränkung zu begegnen, haben wir eine integrierte elektronische Sensortechnologie für gemultiplexte Detektion von Partikeln an unterschiedlichen Stellen auf einem mikrofluidischen Chip entwickelt. Unsere Technologie, Mikrofluidik-CODES genannt, kombiniert Resistive Pulse Sensing mit Code Division Multiple Access 2D räumliche Informationen in ein 1D elektrisches Signal zu komprimieren. In diesem Beitrag stellen wir eine praktische Demonstration der Mikrofluidik-CODES Technologie mehrere mikrofluidischen Kanälen zu erkennen und kultivierten Krebszellen Größe verteilt. Wiedurch die High-Speed-Mikroskopie validiert, kann unsere Technologie genau analysieren dichte Zellpopulationen alle elektronisch, ohne die Notwendigkeit für ein externes Gerät. Als solche können die Mikrofluidik-CODES potenziell Low-Cost-integrierten Lab-on-a-Chip-Geräte ermöglichen, die für den Point-of-Care-Tests von biologischen Proben geeignet sind.
Introduction
Exakte Erfassung und Analyse von biologischen Partikeln wie Zellen, Bakterien oder in Flüssigkeit ist von großem Interesse ausgesetzt Viren für eine Reihe von Anwendungen , 1, 2, 3. Gut aufeinander abgestimmt in Größe, bieten mikrofluidischen Vorrichtungen einzigartige Vorteile für diesen Zweck , wie beispielsweise hochempfindliche, sanfte Probenmanipulation und gut kontrollierten Mikro 4, 5, 6, 7. Zusätzlich können Mikrofluidik – Vorrichtungen eine Kombination von Fluiddynamik und Kraftfelder zu verwenden , werden entworfen , um passiv eine heterogene Population von biologischen Teilchen auf der Grundlage verschiedener Eigenschaften 8, 9, 10, 11, 12 fraktionieren. In jenen Geräts, kann die resultierende Partikelverteilung als Auslese werden verwendet, aber räumliche Information ist in der Regel nur zugänglich durch Mikroskopie, die praktische Brauchbarkeit der mikrofluidischen Vorrichtung zu begrenzen, indem sie an ein Labor-Infrastruktur zu binden. Daher ist ein integrierter Sensor, der leicht berichten Raum-Zeit-Mapping "Teilchen können, da sie auf einer mikrofluidischen Vorrichtung manipuliert werden, kann möglicherweise ermöglichen eine kostengünstige, integrierte lab-on-a-Chip-Vorrichtungen, die besonders für die Untersuchung von Proben in mobil , mit beschränkten Ressourcen.
Dünnfilmelektroden wurden als integrierte Sensoren in mikrofluidischen Vorrichtungen für verschiedene Anwendungen 13, 14 verwendet. Resistive Pulse Sensing (RPS) ist besonders attraktiv für integrierte Sensor kleiner Teilchen in mikrofluidischen Kanälen , da sie eine robuste, sensitive bietet und Hochdurchsatz – Detektionsmechanismus direkt aus elektrischen Messungen 15. In RPS wird die Impedanzmodulation zwischen einem Paar von Elektroden in einem Elektrolyt eingetaucht ist, als Mittel verwendet, um ein Teilchen zu detektieren. Wenn die Teilchen durch eine Öffnung verläuft, in der Größenordnung der Partikel bemessen werden die Anzahl und die Amplitude der Transienten-Impulse in dem elektrischen Strom zu zählen und großen Partikeln verwendet, respectively. Darüber hinaus kann die Sensorgeometrie mit einem photolithographischen Auflösung ausgelegt sein resistive Pulswellenformen zu formen , um 16 – Empfindlichkeit zu verbessern, 17, 18, 19 oder vertikale Position der Teilchen in mikrofluidischen Kanälen 20 zu schätzen.
Wir haben vor kurzem eine skalierbare und einfache Multiplex – resistive Pulsmesstechnologie Mikrofluidik Coded Orthogonal Nachweis durch elektrische Sensing (Mikrofluidik – CODES) 21 bezeichnet. Mikrofluidik-CODES beruht auf einermiteinander verbundenes Netzwerk von resistiven Pulssensoren, die jeweils aus einer Anordnung von Elektroden mikromaschinell Leitung in einer einzigartigen, unterscheidbaren Weise zu modulieren, um Multiplexen zu ermöglichen. Wir haben speziell jeden Sensor zu erzeugen orthogonale elektrische Signale ähnlich den digitalen Codes , die in Codemultiplex – Vielfachzugriff 22 (CDMA) Telekommunikationsnetze entwickelt, so dass die einzelnen Widerstandspulssensorsignal eindeutig von einer einzelnen Ausgangswellenform gewonnen werden kann, auch wenn Signale von verschiedene Sensoren stören. Auf diese Weise komprimiert unsere Technologie 2D räumliche Informationen von Partikeln in einem 1D elektrisches Signal und ermöglicht die Überwachung von Partikeln an unterschiedlichen Stellen auf einem Mikrofluidik-Chip, während sowohl geräte- und System-Level-Komplexität auf ein Minimum zu halten.
In diesem Beitrag stellen wir ein detailliertes Protokoll für experimentelle und theoretische Methoden erforderlich, die Mikrofluidik-CODES-Technologie, sowie repräsentativer ergibt sich aus seiner Verwendung bei der Analyse von simulierten biologischen Proben. Mit Hilfe der Ergebnisse aus einer Prototyp-Gerät mit vier Multiplex-Sensoren als Beispiel die Technik zu erklären, bieten wir Protokolle auf (1) der Mikrofabrikationsprozess mikrofluidischen Geräte mit der Mikrofluidik-CODES Technologie zu schaffen, (2) die Beschreibung des Versuchsaufbaus einschließlich der elektronische, optische und fluidische Hardware, (3) Störsignale von verschiedenen Sensoren, und (4) die Ergebnisse von Erkennung und Analyse von Krebszellen in mikrofluidischen Kanälen der Computer-Algorithmus zum Decodieren. Wir glauben, dass die detaillierte Protokoll hier beschrieben, andere Forscher unsere Technologie für ihre Forschung anwenden können.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mehrere resistive Pulssensoren sind zuvor in Mikrofluidik – Chips 28, 29, 30, 31, 32 aufgenommen. In diesen Systemen wurden resistive Pulssensoren entweder nicht 28 gemultiplext, 29, 30, 31 oder sie benötigt einzelnen Sensoren bei …
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 |
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