Tørr Film Photoresist-baserte elektrokjemisk Microfluidic Biosensor plattform: Enheten fabrikasjon, på prosessoren analysen forberedelser og systemdriften
Summary
En microfluidic biosensor plattform var designet og fabrikkert bruker rimelig tørr film photoresist teknologi for raskere og følsom kvantifisering av ulike analytter. Bruke én systemet tillater den elektrokjemiske avlesning av on-chip-immobilisert enzym knyttet analyser med stopp-flow teknikken.
Abstract
De siste årene ble biomarkør diagnostikk et uunnværlig verktøy for diagnostisering av menneskelig sykdom, spesielt for point-of-care diagnostikken. En lett-å-bruke og rimelig sensor plattform er svært ønskelig å måle ulike typer analytter (f.eks biomarkers, hormoner og narkotika) kvantitativt og spesielt. Derfor var tørr film photoresist teknologi – slik at billig, lettvinte og høy gjennomstrømming fabrikasjon – brukes til å produsere microfluidic biosensor presenteres her. Avhengig av bioassay brukes etterpå, er den allsidige plattformen stand til å oppdage ulike typer biomolecules. Fabrikasjon av enheten, er platina elektrodene strukturert på en fleksibel polyimid (pi) (PI) folie i bare ren-rom prosesstrinnet. PI folien fungerer som et substrat for elektrodene, som er isolert med en epoxy-baserte photoresist. Mikrovæskekanalen genereres senere utvikling og laminering av tørr filmen photoresist (DFR)-folier på PI kjeks. Ved hjelp av en hydrofobe stoppe barriere i kanalen, kanalen er delt i to spesielle områder: en immobilisering seksjon for enzym knyttet analysen og en elektrokjemisk målet cellen for amperometric signal avlesning.
På prosessoren bioassay immobilisering utføres av opptak av biomolecules til kanal overflaten. Glukose oksidase enzymet er brukt som en transducer for elektrokjemiske signal generasjon. I nærvær av underlaget, glukose, er hydrogenperoksid produsert, som er oppdaget på platina arbeider elektroden. Stopp-flow teknikken brukes for å få signalforsterkning med rask søking. Forskjellige biomolecules kan kvantitativt måles ved introdusert microfluidic system, som gir en indikasjon på ulike sykdommer, eller, i forhold til terapeutisk medikament overvåking, tilrettelegge en personlig terapi.
Introduction
De siste to tiårene, har diagnostiske programmer blitt elementære for grundige studier på utvikling av globale folkehelsen. Tradisjonelt brukes laboratorium diagnostiske verktøy for deteksjon av sykdommer. Selv om de fortsatt spiller en nøkkelrolle i diagnostisering av sykdommer, point-of-care testing (POCT) utføres i nærheten pasienten eller av pasienten selv har blitt mer og mer vanlig i de siste årene. Spesielt i slike saker som krever umiddelbar behandling, for eksempel hjerteinfarkt eller diabetes overvåking, er rask bekreftelse av et kliniske funn avgjørende. Derfor er det et økende behov for POCT enheter som kan betjenes av ikke-eksperter og som samtidig kan utføre presise i vitro diagnostiske tester i en kort tid1,2,3,4 .
Betydelige forbedringer har allerede oppnådd innen POCT. Men er det fortsatt mange utfordringer å overvinne5,6,7,8. For en POCT plattformen lanseres vellykket til markedet og være konkurransedyktig med laboratorium diagnostikk, enheten må strengt oppfylle følgende krav: (i) gir presis og kvantitativ testresultater som stemmer med laboratoriet funn; (ii) har kort prøve å resultatet ganger, slik at umiddelbar behandling av pasienten. (iii) har ukomplisert og enkel håndtering, selv når drives av utrente individer, og krever minimerte brukertilsyn; og (iv) består av en rimelig sensor utformet for engangs applikasjoner. Videre er utstyr-gratis diagnostikk gunstig, hovedsakelig i ressurs-fattig miljø3,4,6.
Disse alvorlige krav, har bare to POCT systemer basert på elektrokjemiske gjenkjenning (f.eks blod glukose teststrimler) og lateral flyt immunanalyser (f.eks graviditetstester) blitt med hell innlede på markedet så langt. Men begge systemer lider ulemper som dårlig ytelse (dvs. blod glukose overvåking har unøyaktig testresultater og lateral flyt analyser bare gi kvalitative (positiv eller negativ) måleresultatene)4, 6. Disse ulempene av konvensjonelle POCT har ført til en økt etterspørsel på å utforske nye teknologier som tilbyr raske, rimelige og kvantitative gjenkjenning på omsorg4,5.
For å møte disse utfordringene POCT enheter, har DFR teknologi vært nylig ansatt fabrikasjon av disponibel og rimelig biosensors9,10,11,12, 13 , 14. sammenlignet med myk og flytende litografisk materialer, for eksempel PDMS eller SU-8, DFRs presenterer mange fordeler: de (i) er tilgjengelige i en rekke komposisjoner og tykkelser (fra noen få mikroner til flere millimeter); (ii) har en svært grov areal som forenkler vedheft til ulike materialer; (iii) funksjonen utmerket tykkelse ensartethet; (iv) tilby billig, lettvinte og høy gjennomstrømming fabrikasjon for masseproduksjon; (v) er enkle å klippe med ulike rimelige verktøy, som et enkelt par saks; og (vi) tillate etablering av tre-dimensjonale strukturer, for eksempel microfluidic kanaler, ved stabling flere DFR lag oppå hverandre.
På den annen side, har DFRs generelt en relativt dårlig oppløsning sammenlignet med flytende photoresists, som er hovedsakelig forårsaket av filmen tykkelsen og økte avstanden mellom masken og DFR på grunn av beskyttende folie, som i tillegg gjør lys spredning. Likevel, for produksjon av integrerte microfluidic biosensors, DFRs er velegnet for rimelige masseproduksjon.
Derfor jobber vi i dette fabrikasjon og anvendelse av en DFR-baserte elektrokjemisk microfluidic biosensor. Protokollen som detaljert beskriver fremgangsmåten produksjon av biosensor plattformen, på prosessoren immobilisering av en DNA-basert modell analysen og den elektrokjemiske avlesning med stopp-flow teknikk. Denne universelle plattformen gjør det mulig for gjenkjenning av mange typer biomolecules, bruke forskjellige analysen teknologier (f.eks genomics, cellomics og Proteomikk) eller analysen formater (f.eks konkurransedyktig, sandwich eller direkte). Basert på slik DFR plattform, vist vår gruppe tidligere den raskere og følsom kvantifiseringen av forskjellige analytter, inkludert antibiotika13,15,16 (tetracycline, pristinamycin, og ß-Laktam antibiotika), troponin jeg17, og substans P18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollen presenteres her til fabrikasjon av et microfluidic elektrokjemisk biosensor gjør at utviklingen av en rimelig, kompakt og lett-å-bruke plattform for gjenkjenning av biomolecules. Avhengig av analysen brukt etterpå på biosensor, kan flere forskjellige biomarkers oppdages. Dette gjør plattformen svært allsidig og gir bred tilgang til ulike felt av programmer, fra standard diagnostiske tester (f.eks bestemme tilstedeværelsen av spesifikke sykdommer på legekontoret) til point-of-care programmer (…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gjerne takke tysk Research Foundation (DFG) for delvis finansiering dette arbeidet under Grant tall UR 70/10-01 og UR 70/12-01.
Materials
| Material | |||
| Pyralux | DuPont | AP8525R | Used as polyimide substrate |
| MA-N 1420 | Micro Resist Technology | MA-N1420 | Lift-off resit to define the platinum depostion |
| Ma-D 533s | Micro Resist Technology | MaD533S | Developer for MA-N1420 |
| Platinum | – | – | Electrode and contact pad material |
| Ma-R 404s | Micro Resist Technology | MaR404S | Remover for MA-N1420 |
| SU-8 3005 | MicroChem Corp. | SU-8-3005 | Photoresist to define the electrode area and as insulation |
| 1-methoxy-2-propanol acetate | Sigma-Aldrich | 108-65-6 | Developer for SU-8 3005 |
| 2-Propanol | VWR | 8.18766.2500 | Removing of the SU-8 developer |
| 1020R | Ultron Systems Inc. | 1020R | UV sensitive adhesive tape for protection of contact pads |
| Arguna S | Degussa | 1935 | For Silver depostion on reference electrode |
| KCl | Methrom | 62308.020 | For chloridation of the silver reference electrode |
| Pyralux | DuPont | PC1025 | Dry film photoresist |
| Sodium carbonat | Fluka | 71352 | Developer for Pyralux PC1025 |
| Hydrogen chloride | Sigma-Aldrich | 30720 | To top the development of the DFR |
| Teflon AF 1600 | DuPont | AF1600 | For employing the stopping barrier |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| PA104 | Mega Electronics | – | Bubble etch tank |
| FED 53 | Binder | 9010-0018 | Oven |
| SPIN150 | APT | – | Spin coater |
| Präzitherm | Harry Gestigkeit GmbH | PZ 28-2 | Hot plate |
| Hellas | Bungard Elektronik | 40000 | Exposure unit |
| Tetra30-LF-PC | Diener | – | Plasma unit |
| Univex 500 | Leybold | – | Physical vapor deposition unit |
| Shaker S4 | ELMI | – | Orbital shaker |
| Sonorex Super 10 P | Bandelin | 783 | Sonic bath |
| 6221 DC and AC | Keithley | – | Current source |
| HRL 350 | Ozatec | – | Laminator unit |
| Vaccum pen | EFD | – | Vacuum pen |
References
- Spindel, S., Sapsford, K. E. Evaluation of optical detection platforms for multiplexed detection of proteins and the need for point-of-care biosensors for clinical use. Sensors (Basel). 14 (12), 22313-22341 (2014).
- Luppa, P. B., Bietenbeck, A., Beaudoin, C., Giannetti, A. Clinically relevant analytical techniques, organizational concepts for application and future perspectives of point-of-care testing. Biotechnol Adv. 34 (3), 139-160 (2016).
- Gauglitz, G. Point-of-Care Platforms. Annu Rev Anal Chem. 7 (1), 297-315 (2014).
- Jung, W., Han, J., Choi, J. W., Ahn, C. H. Point-of-care testing (POCT) diagnostic systems using microfluidic lab-on-a-chip technologies. Microelectron Eng. 132, 46-57 (2014).
- Yager, P., et al. Microfluidic diagnostic technologies for global public health. Nature. 442 (7101), 412-418 (2006).
- Fu, E., Yager, P., Floriano, P. N., Christodoulides, N., McDevitt, J. T. Perspective on diagnostics for global health. IEEE Pulse. 2 (6), 40-50 (2011).
- Yager, P., Domingo, G. J., Gerdes, J. Point-of-care diagnostics for global health. Ann Rev Biomed Eng. 10, 107-144 (2008).
- Dincer, C., Bruch, R., Kling, A., Dittrich, P. S., Urban, G. A. Multiplexed point-of-care testing – xPOCT. Trends Biotechnol. 35, (2017).
- Horak, J., Dincer, C., Bakirci, H., Urban, G. A disposable dry film photoresist-based microcapillary immunosensor chip for rapid detection of Epstein-Barr virus infection. Sens Actuators B Chem. 191, 813-820 (2014).
- Jobst, G., Gamp, T. Method for the fabrication of a "lab on chip" from photoresist material for medical diagnostic applications. US patent. , (2010).
- Kling, A., Dincer, C., Armbrecht, L., Horak, J., Kieninger, J., Urban, G. Electrochemical microfluidic platform for simultaneous multi-analyte detection. Procedia Eng. 120, 916-919 (2015).
- Armbrecht, L., Dincer, C., Kling, A., Horak, J., Kieninger, J., Urban, G. Self-assembled magnetic bead chains for sensitivity enhancement of microfluidic electrochemical biosensor platforms. Lab Chip. 15, 4314-4321 (2015).
- Dincer, C., et al. Designed miniaturization of microfluidic biosensor platforms using the stop-flow technique. Analyst. 141, 6073-6079 (2016).
- Weltin, A., Kieninger, J., Enderle, B., Gellner, A. K., Fritsch, B., Urban, G. A. Polymer-based, flexible glutamate and lactate microsensors for in vivo applications. Biosens Bioelectron. 61, 192-199 (2014).
- Kling, A., et al. Multianalyte Antibiotic Detection on an Electrochemical Microfluidic Platform. Anal Chem. 88 (20), 10036-10043 (2016).
- Bruch, R., et al. Clinical on-site monitoring of ß-lactam antibiotics for a personalized antibiotherapy. Sci Rep. , (2017).
- Horak, J., Dincer, C., Qelibari, E., Bakirci, H., Urban, G. Polymer-modified microfluidic immunochip for enhanced electrochemical detection of troponin i. Sens Actuators B Chem. 209, 478-485 (2015).
- Horak, J., Dincer, C., Bakirci, H., Urban, G. Sensitive, rapid and quantitative detection of substance P in serum samples using an integrated microfluidic immunochip. Biosens Bioelectron. 58, 186-192 (2014).
- Mattox, D. M. . Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. , (2010).
