Torr Film fotoresist-baserade elektrokemiska mikroflödessystem Biosensor plattform: Enhet Fabrication, On-chip Assay förberedelse och systemdrift
Summary
En mikroflödessystem biosensor plattform designades och dikta ihop användande låg kostnad torr film fotoresist teknik för snabb och känslig kvantifiering av olika analyter. Engångsbruk systemet möjliggör den elektrokemiska avläsningen av den-chip-orörlig enzymkopplad analyser med hjälp av den stop-flow tekniken.
Abstract
Under de senaste åren blev biomarkör diagnostik ett oumbärligt verktyg för diagnos av sjukdomar hos människan, särskilt för point-of-care diagnostiken. En lätt-till-använda och billig sensorplattform är mycket önskvärt att mäta olika typer av analyter (t.ex., biomarkörer, hormoner och droger) kvantitativt och specifikt. Av denna anledning var torr film fotoresist teknik – som möjliggör billiga, lättköpt och hög genomströmning fabrication – används för att tillverka den mikroflödessystem biosensor presenteras här. Beroende på bioassayen används efteråt, är en mångsidig plattform kan upptäcka olika typer av biomolekyler. För tillverkning av enheten, är platina elektroder strukturerade på ett flexibelt polyimid (PI) folie i endast renrum processteg. PI folien fungerar som substrat för elektroderna, som är isolerade med en epoxi-baserade fotoresist. Kanalen mikroflödessystem genereras därefter av utveckling och laminering av torr film fotoresist (DFR) folie på PI rånet. Genom att använda en hydrofoba stoppa barriär i kanal, kanalen är uppdelad i två specifika områden: en immobilisering avsnitt för enzymkopplad analysen och en elektrokemisk mätning cell för amperometrisk signal utläsningen.
På-chip bioassay immobilisering utförs av adsorption av biomolekyler till kanal ytan. Enzymet glukos oxidas används som en givare för elektrokemisk signal generation. I närvaro av substratet, glukos, produceras väteperoxid, som upptäcks vid platina arbetselektroden. Stop-flow tekniken används för att få signal förstärkning tillsammans med snabb upptäckt. Olika biomolekyler kan kvantitativt mätas genom introducerade mikroflödessystem systemet, ger en indikation av olika typer av sjukdomar, eller, när det gäller terapeutisk övervakning, underlätta en personlig terapi.
Introduction
Under de senaste två decennierna blivit diagnostik program elementära för fördjupade studier på utvecklingen av globala folkhälsan. Traditionellt används laboratorium diagnostiska verktyg för upptäckt av sjukdomar. Även om de spelar fortfarande en viktig roll vid diagnos av sjukdomar, point-of-care testning (POCT) utförs nära patienten eller av patienten själv har blivit mer och mer vanligt på senare år. Särskilt i sådana fall som kräver omedelbar behandling, såsom akut hjärtinfarkt eller diabetes kontroll, är snabb bekräftelse av klinisk konstaterande viktigt. Därför finns det ett växande behov för PNA enheter som kan skötas av icke-experter och som samtidigt kan utföra exakt in vitro- diagnostiska tester i en kort tid1,2,3,4 .
Anmärkningsvärda förbättringar har redan uppnåtts i området POCT. Dock finns det fortfarande många utmaningar att övervinna5,6,7,8. För en POCT plattform lanseras framgångsrikt till marknaden och vara konkurrenskraftiga med laboratoriediagnostik, enheten måste strikt uppfylla följande krav: (i) ge exakt och kvantitativa testresultat som är förenliga med laboratorium resultat. (ii) har kort prov-till-resultat gånger, möjliggör omedelbar behandling av patienten. (iii) har okomplicerad och enkel hantering, även när drivs av otränade individer, och kräver minimerad användarinblandning; och (iv) består av en billig sensor som är konstruerad för engångsbruk applikationer. Utrustning-gratis diagnostik är dessutom gynnsam, främst i resursfattiga miljöer3,4,6.
På grund av dessa allvarliga krav, har endast två POCT system baserade på elektrokemisk detektion (t.ex. blod glukos teststickor) och lateral flow immunanalyser (t.ex. graviditetstester) framgångsrikt lanserats på marknaden så långt. Men båda systemen lider nackdelar såsom dålig prestanda (dvs blodglukoskontroll har felaktiga testresultat och lateral flow analyser ger bara kvalitativt (positivt eller negativt) mätresultat)4, 6. Dessa nackdelar konventionella POCT system har lett till en ökande efterfrågan på att utforska ny teknik som erbjuder snabb, billig och kvantitativa identifiering vid vård4,5.
För att möta dessa utmaningar PNA enheter, har DFR teknik nyligen använts för tillverkning av engångs- och låg kostnad biosensorer9,10,11,12, 13 , 14. DFRs jämfört med mjuk och flytande litografiska material, såsom PDMS eller SU-8, och presentera många fördelar: de (i) finns i en mängd kompositioner och tjocklekar (från ett par µm till flera millimeter); (ii) har en mycket grov yta, vilket underlättar vidhäftning till olika material; (iii) funktionen utmärkt tjocklek enhetlighet; (iv) erbjuda billiga lättköpt och hög genomströmning fabrication för massproduktion. (v) är lätt att skära med olika billiga verktyg, som en enkel sax; och (vi) möjliggöra skapandet av tredimensionella strukturer, såsom mikroflödessystem kanaler, genom att stapla flera DFR lager ovanpå varandra.
Å andra har DFRs i allmänhet en relativt dålig upplösning jämfört med flytande fotoresister, som främst orsakas av filmtjocklek och ökade avståndet mellan masken och DFR på grund av skyddsfolien, vilket dessutom gör ljus spridning. Fortfarande, för tillverkning av integrerade mikroflödessystem biosensorer, DFRs är mycket lämplig för billig massproduktion.
Därför arbetar vi närvarande i detta vid tillverkning och tillämpning av en DFR-baserade elektrokemiska mikroflödessystem biosensor. Det detaljerade protokollet beskriver varje produktion steg i biosensor plattformen, på-chip immobilisering av en DNA-baserad modell analysen och dess elektrokemiska avläsning med stop-flow teknik. Denna universella plattform möjliggör upptäckt av talrika sorter av biomolekyler, använder olika analys teknik (t.ex. genomik, cellomics och proteomik) eller assay format (t.ex. konkurrenskraftiga, smörgås eller direkt). Baserat på en sådan DFR plattform, visat vår grupp tidigare framgångsrikt snabba och känsliga kvantifiering av olika analyter, inklusive antibiotika13,15,16 (tetracyklin, pristinamycin, och ß-laktamantibiotika), troponin jag17och substans P18.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det protokoll som presenteras här för tillverkning av en mikroflödessystem elektrokemisk biosensor möjliggör utvecklingen av en billig, kompakt och lätt-till-använda plattform för detektion av biomolekyler. Beroende på analysen används efteråt på biosensor, kan flera olika biomarkörer upptäckas. Detta gör plattformen mycket mångsidig och ger bred tillgång till olika områden av applikationer, från standard diagnostiska tester (t.ex. att fastställa förekomsten av specifika sjukdomar på läkar…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka de tyska Research Foundation (DFG) för att delvis finansiera detta arbete under Grant nummer UR 70/10-01 och 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).
