Trockenen Film Photoresist-basierte elektrochemische mikrofluidischen Biosensor Plattform: Gerät Fertigung, On-Chip-Test Vorbereitung und Systembetrieb

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Bioengineering

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Summary

Eine mikrofluidischen Biosensor-Plattform wurde entworfen und hergestellt mit kostengünstigen trocken Photoresist Filmtechnik für die rasche und sensible Quantifizierung der verschiedenen Analyten. Diese Einweg-System ermöglicht das elektrochemische Auslesen der Enzym-linked-Assays auf den Chip immobilisiert mittels der Stop-Flow-Technik.

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Bruch, R., Kling, A., Urban, G. A., Dincer, C. Dry Film Photoresist-based Electrochemical Microfluidic Biosensor Platform: Device Fabrication, On-chip Assay Preparation, and System Operation. J. Vis. Exp. (127), e56105, doi:10.3791/56105 (2017).

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Abstract

In den letzten Jahren wurde die Biomarker-Diagnose ein unverzichtbares Werkzeug für die Diagnose der Krankheit beim Menschen, vor allem für die Point-of-Care-Diagnostik. Eine einfach zu bedienende und kostengünstige Sensorplattform ist sehr erwünscht, um verschiedene Arten von Analyten (z. B. Biomarker, Hormonen und Medikamenten) quantitativ und speziell zu messen. Aus diesem Grund wurde trockenen Film Photoresist Technologie - billig, oberflächlich und Hochdurchsatz-Fertigung - die hier vorgestellten mikrofluidischen Biosensor Herstellung verwendet. Abhängig von der Bioassay anschließend verwendet ist die vielseitige Plattform in der Lage, verschiedene Arten von Biomolekülen zu erkennen. Für die Herstellung des Geräts sind Platin-Elektroden auf eine flexible Polyimid (PI) Folie im Prozessschritt nur Reinraum-strukturiert. Die PI-Folie dient als Substrat für die Elektroden, die mit einem Epoxy-basierte Photoresist isoliert sind. Der Mikrofluidik-Kanal wird später durch die Entwicklung und Kaschierung von trockenen Film Fotolack (DFR) Folien auf die PI-Wafer erzeugt. Mithilfe einer hydrophoben anhalten Barriere im Kanal der Kanal ist aufgeteilt in zwei Bereiche: eine Immobilisierung Abschnitt für die Enzym-linked-Assay und eine elektrochemische Messzelle für die konduktometrische Signal Anzeige.

Die auf dem Chip Bioassay Immobilisierung erfolgt durch die Adsorption von Biomolekülen, die Kanal-Oberfläche. Die Glukose-Oxidase-Enzym dient als ein Wandler für elektrochemische Signalerzeugung. In Anwesenheit des Substrates, Glukose, entsteht Wasserstoffperoxid, nachgewiesen ist, auf die Platin Arbeitselektrode. Die Stop-Flow-Technik wird angewendet, um die Signalverstärkung zusammen mit schnellen Nachweis zu erhalten. Verschiedenen Biomolekülen können quantitativ mit Hilfe des eingeführten mikrofluidischen Systems, geben einen Hinweis auf verschiedene Arten von Krankheiten oder in Bezug auf therapeutische Drug monitoring, erleichtert eine personalisierte Therapie gemessen werden.

Introduction

In den letzten zwei Jahrzehnten sind diagnostische Anwendungen für eingehende Studien über die Entwicklung der globalen öffentlichen Gesundheit elementar geworden. Traditionell werden Labor-Diagnose-Tools zur Erkennung von Krankheiten verwendet. Obwohl sie nach wie vor eine wichtige Rolle bei der Diagnose von Krankheiten spielen, Point-of-Care testing (POCT) durchgeführt, in der Nähe des Patienten oder durch den Patienten selbst in den letzten Jahren mehr und mehr alltäglich geworden. Vor allem in solchen Fällen, die eine sofortige Behandlung, wie akutem Myokardinfarkt oder Diabeteskontrolle, erfordern unbedingt die rasche Bestätigung der klinischen Befund. Daher gibt es ein wachsender Bedarf für POCT-Geräte, die von Laien bedient werden und sind gleichzeitig in der Lage präzise in-vitro- diagnostische Tests in kurzer Zeit1,2,3,4 .

Auf dem Gebiet der POCT haben bereits bemerkenswerte Verbesserungen erzielt werden. Allerdings gibt es noch viele Herausforderungen zu überwinden,5,6,7,8. Für POCT Plattform erfolgreich auf den Markt gebracht werden und mit Labordiagnostik wettbewerbsfähig zu sein, muss das Gerät streng die folgenden Anforderungen erfüllen: (i) liefern präzise und quantitative Testergebnisse, die mit Labor übereinstimmen Ergebnisse; (Ii) haben Sie kurze Beispielergebnis Zeiten, ermöglicht die sofortige Behandlung des Patienten; (Iii) verfügen über unkomplizierte und einfache Handhabung, auch wenn von ungeschulten Personen betrieben, und minimale Benutzereingriffe erfordern; und (iv) bestehen aus einer kostengünstigen Sensoreinheit für Einweg-Anwendungen konzipiert. Darüber hinaus sind Ausrüstung-kostenlose Diagnose günstig, vor allem in ressourcenarmen Umgebungen3,4,6.

Durch diese strengen Anforderungen haben nur zwei POCT-Systeme basierend auf elektrochemischen Detektion (z. B. Blutzuckerteststreifen) und lateral Flow Immunoassays (z. B. Schwangerschaftstests) erfolgreich auf dem Markt so eingeführt weit. Beide Systeme leiden jedoch Nachteile, wie schlechte Leistung (z. B. Blutzucker-monitoring hat ungenaue Testergebnisse und lateral Flow Assays liefern nur qualitative (positiv oder negativ) Messergebnisse)4, 6. Diese Nachteile herkömmlicher POCT-Systeme führten zu einer steigenden Nachfrage auf die Erforschung neuer Technologies, die schnelle, kostengünstige und quantitative Erfassung am Point of Care4,5anbieten.

Um diese Herausforderungen POCT-Geräte zu erfüllen, ist DFR Technologie vor kurzem für die Herstellung von Einweg- und kostengünstige Biosensoren9,10,11,12, beschäftigt 13 , 14. im Vergleich zu weich und flüssig lithografischen Materialien, wie z. B. PDMS oder SU-8, DFRs präsentieren viele Vorteile: sie (i) sind erhältlich in einer Vielzahl von Kompositionen und stärken (von wenigen µm bis mehrere Millimeter); (Ii) haben Sie eine sehr raue Oberfläche, die Haftung auf verschiedenen Materialien erleichtert; (Iii) Feature ausgezeichnete Dicke Gleichförmigkeit; (iv) bieten Sie billige, einfache und Hochdurchsatz-Fertigung für die Massenproduktion; (V) sind leicht mit verschiedenen kostengünstigen Tools, wie eine einfache Schere schneiden; und (vi) für die Erstellung von dreidimensionalen Strukturen, z. B. mikrofluidische Kanäle ermöglichen durch mehrere DFR Schichten übereinander stapeln.

Auf der anderen Seite haben DFRs im Allgemeinen eine relativ schlechte Auflösung im Vergleich zu flüssigen Photoresists, hervorgerufen vor allem durch die Schichtdicke und der erhöhten Abstand zwischen der Maske und der DFR aufgrund der Schutzfolie, die zusätzlich Licht ermöglicht Streuung. Dennoch sind für die Fertigung von integrierten mikrofluidischen Biosensoren, DFRs bestens geeignet für die kostengünstige Massenproduktion.

Deshalb arbeiten wir in diesem vorliegenden die Herstellung und Anwendung von einem elektrochemischen mikrofluidischen DFR-basierten Biosensor. Das ausführliche Protokoll beschreibt jeden Produktionsschritt der Biosensor-Plattform, die auf dem Chip Immobilisierung von einem DNA-basierte Modell-Assay und seinen elektrochemischen auslesen mit Hilfe der Stop-Flow-Technik. Dieses universelle Plattform ermöglicht die Erkennung von zahlreichen Arten von Biomolekülen, mit verschiedenen Assay-Technologien (z. B. Genomik, Cellomics und Proteomics) oder Assay-Formate (z.B. Wettbewerb, Sandwich, oder direkt). Basierend auf einer DFR Plattform, zeigte unsere Fraktion zuvor erfolgreich die rasche und sensible Quantifizierung der verschiedenen Analyten, einschließlich Antibiotika13,15,16 (Tetracyclin, pristinamycinresistente, und ß-Lactam-Antibiotika), Troponin ich17und Substanz P18.

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Protocol

1. Herstellung von mikrofluidischen Biosensor verwenden DFR Technologie

  1. Vorbereitung der PI Wafer.
    1. Schnitt ein PI Substrat in 6 - In Runde Waffeln. Setzen den PI-Wafer in einem Ofen bei 120 ° C für etwa 1 h für eine Austrocknung backen.
  2. Photolithographie zunächst für den Lift-off-Prozess.
    1. Programm der Spin Coater auf eine 30-s Spinnerei Zeit bei 3.000 u/min, bei einer Beschleunigung von 2.000 u/min/s. Ort der PI-Wafer auf der Spin Coater und befestigen, Anlegen eines Vakuums. 2 mL einer Resist, ermöglichen die Lift-off, zu verzichten und das Spin Coater-Programm starten. Entfernen Sie die Wafer aus der Spin Coater und Soft-backen den PI-Wafer auf einer heißen Platte für 2 min bei 100 ° c
    2. Stellen Sie die gewünschte Maske für die Strukturierung der Elektroden auf die PI-Wafer mit bloßem Auge und setzen Sie es 400 mJ/cm 2 UV-Licht (365 nm). Ort der Wafer in einer Schüssel mit einem Resist-matching-Entwickler auf einem Orbitalschüttler gefüllt und lassen Sie es Schütteln leicht für 1 min.
    3. Nach dem Entfernen der überschüssigen Resist verwenden eine Dusche auf den PI-Wafer mit entionisiertem Wasser (VE-Wasser) auf einer nassen Bank spülen und trocknen Sie es anschließend mit Druckluft.
  3. Ablagerung von Platin für die Bildung der Elektroden.
    1. Verwenden eine standard körperliche Dampf-Abscheidung auf Kaution 200 nm von Platin auf den Wafer 19.
    2. Den Wafer in eine Schüssel legen. Geben Sie die passenden Entferner in die Schüssel und entfernen Sie der Lift-off-Resist unter leicht schütteln des Wafers auf einem Orbitalschüttler, bis alle überschüssigen Platin entfernt wird. Spülen und trocknen den PI-Wafer, wie unter Schritt 1.2.3.
  4. Zweiten Photolithographie Schritt: bilden die Isolationsschicht.
    1. Setzen den PI-Wafer in einem Ofen auf 120 ° C für 5 min zu it. dehydrieren vorgewärmt
    2. Programm der erste Schritt von einem Spin Coater, 5 s der Zeit bei 500 u/min drehen. Programmieren Sie den zweiten Schritt für 30 s bei 4.000 u/min, bei einer Beschleunigung von 700 u/min/s.
    3. Den PI-Wafer auf der Spin Coater und befestigen, Anlegen eines Vakuums. 4 mL einer entsprechenden Epoxy-basierte Photoresist vor dem Spin Coater Programmstart zu verzichten.
    4. Soft-Backen der beschichteten Wafer für 3 min bei 95 ° C auf einer heißen Platte.
    5. Stellen Sie die Maske für die Dämmschicht auf dem Wafer mit den jeweiligen Ausrichtungsmarken und ein Okular. Aussetzen den Wafer zu 100 mJ/cm 2 UV-Licht (365 nm).
    6. Für eine Post-Exposition Backen legen die Wafer auf einer vorgeheizten Herdplatte für 2 min bei 95 ° c
    7. Legen den Wafer in eine Schüssel geben und mit einem geeigneten Entwickler (z. B. 1-Methoxy-2-Propyl-Acetat für 2 min bei SU-8) auf einem Orbitalschüttler entwickeln.
    8. Den PI-Wafer zunächst mit Isopropanol abspülen und dann spülen und trocknen wie unter Schritt 1.2.3.
    9. Hard-Backen der Fotolack in einem Ofen für 3 h bei 150 ° c
  5. Plasmaunterstützte Reinigung der Elektroden.
    1. Die Photoresist-Rückstände zu entfernen, verwenden Sie Sauerstoffplasma mit einem standard-Plasma-Gerät. Starten Sie das Reinigungsprogramm mit 200-W-Niederfrequenz macht mit 100 % O 2 fließen, eine Rate von 250 Sccm und einer Gesamtzeit von 3 min.
    2. Legen Sie den PI-Wafer in der Plasmakammer, beheben die Wafer auf der geerdeten Platte mit Glasdeckel und starten das Plasmaverfahren.
  6. Silber und Silberchlorid Ablagerung: schaffen die auf dem Chip Bezugselektrode.
    1. Passivierungsschicht Platin Kontakt Pads von der Wafer mit einem Klebeband UV-empfindlich. Die Folie 5 mm Breite und 11 cm lange Streifen geschnitten und bringen Sie sie auf den Wafer, schützt die Teile nicht mit Silber hinterlegt werden.
    2. Für die silberne Abscheidung einen Laborabzug sonic Badewanne (35 kHz) hineingesteckt und legen Sie einen Behälter mit Silber Elektrolyt-Lösung (100 g/L Ag, pH 12,5) in das Bad. Das sonic Bad auf Raumtemperatur und der Leistung auf 10 % festgelegt.
      Achtung: Silber Elektrolytlösungen sind sehr giftig und sollte mit äußerster Sorgfalt behandelt werden. Die Dämpfe sollten nicht eingeatmet werden.
    3. Schließen Sie den Masse-Kontakt der Referenzelektroden an eine Konstantstromquelle. Schließen Sie die Gegenelektrode ein Silberdraht, die in der silbernen Elektrolytlösung an die Stromquelle mit standard Verbindungskabel eingetaucht ist.
    4. Setzen die Stromquelle DC und eine Stromdichte von -4,5 mA/cm 2, wodurch in einer silbernen Abscheiderate von etwa 0,3 µm/min starten die sonic Bad und lassen Sie die Stromquelle für 10 min. Spülen der Wafer mit VE-Wasser laufen
    5. Für die Chlorierung der Bezugselektrode, stecken Sie ein Schiff von 0,1 M Kaliumchlorid (KCl) Lösung der sonic Bad. Schließen Sie den Masse-Kontakt der Wafer und eine Platin-Elektrode, die in der KCl-Lösung mit der Konstantstromquelle eingetaucht ist.
    6. Setzen die Stromquelle DC und eine Stromdichte von 0,6 mA/cm 2, wodurch eine Abscheiderate von ca. 0,075 µm/min starten die sonic Bad und lassen Sie die Stromquelle für 7,5 min. laufen
    7. Nachspülen und Trocknen der PI wafer, wie unter Schritt 1.2.3.
    8. Entfernen Sie das UV-Sensitive-Band nach einer UV (365 nm) Exposition von 300 mJ/cm 2 und spülen und Trocknen der PI-Wafer, wieder wie beschrieben Schritt 1.2.3.
  7. Dritten Photolithographie Schritt: Verwendung von DFRs mikrofluidische Kanäle erstellen.
    1. Schneiden Sie die benötigten DFR-Schichten auf eine Größe ähnlich dem des Wafers (20 x 20 cm 2). Beheben Sie die gewünschte Maske auf die Belichtungseinheit zu und richten Sie die DFR-Schicht auf die Maske mit dem bloßen Auge. Beleuchten mit 250 mJ/cm 2 UV-Licht (365 nm).
    2. Entfernen Sie die Schutzfolie von der Fotolack und entwickeln der Resist für etwa 2 min (abhängig von den Strukturen) in einer 1 % Natriumcarbonat (Na 2 CO 3) Lösung mit einem standard sonic Bad (35 kHz) auf 42 ° C und einer Klanggewalt vorgewärmt von 100 %. Um die Reaktion sofort zu stoppen, Schütteln des Resists für 1 min in einem 1 % HCl Bad auf einem Orbitalschüttler. Spülen und trocknen jede DFR-Schicht, wie unter Schritt 1.2.3.
      Hinweis: Insgesamt vier DFR Schichten verarbeitet werden müssen wie in Schritt 1.7 erwähnt: ein Kanal-Ebene, einer Decklage und Rückseite zweilagig (verhindert, dass der Biosensor Biegung am Ende).
  8. Kaschierung von DFR "layers" auf dem Substrat PI.
    1. PI-Wafer auf eine Transparenz-Overhead-Folie und befestigen es mit standard Klebeband. Passen Sie die Kanalschicht DFR auf dem PI-Wafer unter dem Mikroskop, Nutzung der jeweiligen Ausrichtung Strukturen.
    2. Für die Laminierung, verwenden Sie einen standard heißen Roll Laminator und Heizen Sie die Oberwalze auf 100 ° C und der unteren Rolle bis 60 ° c Stellen Sie den Druck bis 3 Bar, mit einer Vorwärtsgeschwindigkeit von 0,3 m/min statt den Wafer mit festen DFR-Schicht in der Mitte das Laminiergerät und Starten Sie es; der DFR wird durch das Gerät geschoben. Wiederholen Sie den Schritt nach der Wafer um 180° drehen.
    3. Um zu verhindern, die Biegung der Biosensor, Laminat die beiden entwickelten Rückseite Schichten auf dem Wafer, die folgenden Schritte 1.8.1-1.8.2.
  9. Mit hydrophoben anhalten Barriere und Abdichtung des Chips.
    1. Entfernen legen die Schutzschicht von der Vorderseite des DFR-Kanalsäh indem standard Klebeband an einem Ende des DFR und nach oben herausziehen. Verwenden Sie einen Hand Dispenser mit 0,004-in Tuben um kleine Tröpfchen von gelösten Polytetrafluorethylen in die Vertiefungen der Isolierungsschicht zu verzichten. Um der Mikrofluidik-Chip zu versiegeln, Laminat DFR Deckschicht auf der Kanal-Ebene, wie in Schritt 1,8 beschrieben.
  10. Hard-Backen der mikrofluidischen Biosensor.
    1. Entfernen Sie alle schützende Folien auf dem Cover und Rückseite DFR Schichten. Schneiden Sie die Biosensoren in Streifen mit einer gewöhnlichen Schere. Heilen die Chips im Backofen bei 160 ° C für 3 h

2. Immobilisierung Testverfahren auf dem Chip

  1. Adsorption von Avidin im Bereich Immobilisierung des Kanals.
    1. Bereiten die 100 µg/mL Avidin Lösung in 10 mM Phosphat gepufferte Kochsalzlösung (PBS) bei einem pH-Wert von 7,4.
    2. Verzichten 2 µL der Avidin-Lösung auf den Einlass der Biosensor.
      Hinweis: Der Kanal durch Kapillarkräfte gefüllt, bis die Flüssigkeit die hydrophoben anhalten Barriere erreicht.
    3. Um sicherzustellen, dass die fluidische hält Halt an der Barriere während der ganzen Inkubationszeit 2 µL VE-Wasser am Ausgang des Chips verzichten. Den Chip bei 25 ° C für 1 h in einem geschlossenen Behälter inkubieren.
    4. Entfernen Sie überschüssige Reagenzien durch den Einlass des Chips durch Anlegen eines Vakuums. Waschen Sie den Kanal mit 50 µL Waschpuffer (PBS mit 0,05 % Tween 20), verzichtet auf die Steckdose während das Vakuum angewendet wird. Trocknen Sie den Kanal für 30 s, während das Vakuum angewendet wird.
  2. Blockieren die Kanal-Oberfläche, um unspezifische Bindung hemmen.
    1. Bereiten die Lösung 1 % Rinderserumalbumin (BSA) in 10 mM PBS bei einem pH-Wert von 7,4.
    2. Pipette 2 µL der 1 % BSA Lösung auf den Einlass und 2 µL VE-Wasser am Ausgang des Kanals. Inkubieren Sie den Chip bei 25 ° C für 1 h in einem geschlossenen Behälter. Entfernen Sie überschüssige Reagenzien und den Kanal zu trocknen, wie unter Schritt 2.1.4.
  3. Inkubation von DNA Oligos beschriftet mit Biotin und 6-FAM.
    1. Bereiten verschiedene Konzentrationen (0,001 bis 5 µM) der DNA-Lösung in 10 mM PBS bei einem pH-Wert von 7,4.
    2. Verzichten 2 µL von einer Konzentration der DNA-Lösung am Einlass und 2 µL VE-Wasser am Ausgang. Den Chip bei 25 ° C für 15 min in einem geschlossenen Behälter inkubieren.
    3. Wiederholen Sie Schritt 2.3.2 für die anderen DNA-Konzentrationen mit zusätzlichen Biosensor Chips.
    4. Entfernen überschüssige Reagenzien und trocknen Sie den Kanal, wie in Schritt 2.1.4 beschrieben.
  4. 6-FAM-Antikörper mit der Bezeichnung der Immobilisierung von GOx.
    1. Formulieren eine 5 µg/mL Konzentration von 6-FAM-Antikörpern in 10 mM PBS bei einem pH-Wert von 7,4.
    2. Einführen 2 µL der Antikörper-Lösung für den Einlass und 2 µL VE-Wasser an den Auslass des Kanals. Inkubieren Sie die beschriftete Antikörper bei 25 ° C für 15 min in einem geschlossenen Behälter. Entfernen Sie überschüssige Reagenzien, wie unter Schritt 2.1.4.

3. Konduktometrische Signal Erkennung mit Hilfe der Stop-Flow-Technik

  1. Vorbereitung der Substrat-Lösung zur elektrochemischen Detektion.
    1. Formulieren eine 40 mM Glukoselösung in 0,1 M PBS bei einem pH-Wert von 7,4 in Reinstwasser.
    2. Für die Vorbehandlung, bereiten Sie eine 0,1 M PBS-Lösung bei einem pH-Wert von 7,4 in Reinstwasser.
  2. Vorbehandlung der Elektroden arbeiten.
    1. Benutzen Sie den maßgeschneiderten Chip-Halter ermöglicht die einfache Platzierung des Chips und fluidische und elektrische Verbindung.
    2. Elektrisch verbinden der Biosensor zu dem Potentiostaten. Die fluidischen Kontakt des mikrofluidischen Kanals über eine Spritzenpumpe bis das Reagenz Reservoir mit maßgeschneiderten Adapter und Schläuche zu gewährleisten. Starten Sie das Notebook, das mit dem Potentiostaten verbunden ist und starten Sie die Spritze Pumpensteuerung, Steuerung durch den Chip fluidische.
    3. Die Spritzenpumpe manuell, mit 0,1 M PBS bei einer Durchflussmenge von 20 µL/min starten. An der Arbeitselektrode gegen die auf dem Chip Bezugselektrode, gelten eine Wechselspannung von 0,8 und -0,05 V für 5 s 30 Zyklen. Im Anschluss daran, oxidieren die Arbeitselektrode durch Anlegen einer Spannung von 0,8 V 60 s.
  3. Assay auslesen mit Hilfe der Stop-Flow Technik.
    1. Die Assay-Signal-Anzeige starten, warten, bis das aktuelle Messsignal stabilisiert. Stoppen Sie die Spritzenpumpe und wechseln Sie das Reagenz von 0,1 M PBS, die 40-mM Glukoselösung und starten Sie die Software auf die Spritze Pumpe Controller; Es stoppt automatisch den Fluss für 1, 2 oder 5 min und startet dann den Fluss wieder. Beobachten, die sich daraus ergebenden Spitzenstrom.
      Hinweis: Für die Analyse der Daten, die Stromspitze oder die Ladung des Peaks kann berücksichtigt werden, wie beschrieben in das Modell ein elektrochemisches Signal auslesen ( Abbildung 2).

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Representative Results

Design und Herstellung von mikrofluidischen Biosensor-Plattform:

Die Herstellung von mikrofluidischen Biosensor Chips wird durch photolithographische Standardtechniken beschäftigen DFR Mehrschichtigkeit auf Wafer-Ebene realisiert. Diese Herstellung Strategie stützt sich auf die Laminierung der entwickelten Schichten des DFRs auf einem Platin-gemusterten PI Substrat, Bildung von mikrofluidischen Kanälen. Eine kurze Zusammenfassung zeigt die verschiedenen Fertigungsschritte ist in Abbildung 1aufgeführt. Ein einzigen 6 - In-Wafer umfasst 130 mikrofluidischen Biosensoren, jeweils mit einer Dimension von 8 × 10 mm2.

Figure 1
Abbildung 1: Graphische Darstellung der verschiedenen Fertigungsschritte der mikrofluidischen Biosensor Plattform. (a) Schnitt der PI Substrat in 6 - In Runde Waffeln. (b) Exposition eine mögliche Spin-beschichtete abheben widerstehen Verwendung der jeweiligen Maske für Platin Musterung. (c) Substrat nach Exposition, zurück nach Belichtung und Entwicklung der Fotolack. (d) physische Aufdampfen von Platin auf dem Substrat. (e) Lift-off-Prozess überschüssige Fotolack entfernen. (f) Spin-Coating von SU-8, bilden eine Isolationsschicht. (g) O2 Plasmaverfahren, SU-8 Rückstände auf den Pt-Elektroden zu entfernen. (h) galvanische Abscheidung von Ag/AgCl-Referenzelektrode. (i) UV-Exposition und Entwicklung der verschiedenen DFR Schichten. (j) Laminierung der DFR Schichten auf die PI-Wafer. k) Dispensing gelöst Polytetrafluorethylen, bildet eine hydrophobe stoppen Barriere zwischen der Immobilisierung Kapillare und elektrochemische Zelle. (l) endgültige elektrochemische mikrofluidischen Biosensor. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Jede Biosensor besteht aus einem mikrofluidischen Kanal, in zwei unterschiedliche Bereiche durch eine hydrophobe stoppen Barriere getrennt: eine Immobilisierung-Sektion und eine elektrochemische Zelle markiert in rot und blau, beziehungsweise, in Abbildung 2. Die Immobilisierung Bestandteil der Microchannel hat eine Oberfläche Volumen von 10,34 mm2 und einem Volumen von 580 nL, wodurch eine hohe Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis von 155 cm-1. Die elektrochemische Zelle enthält eine Bezugselektrode Silber/Silberchlorid-Chip und eine Theke und Platin Arbeitselektrode. Diese Trennung des Bereichs Immobilisierung und die elektrochemischen Auslesen des Assays verhindert eine Kontamination der Elektroden mit Biomolekülen und somit hemmt Elektrode Verschmutzung. Darüber hinaus ermöglicht es die genaue Dosierung der Immobilisierung Reagenzien durch Kapillare befüllen.

Figure 2
Abbildung 2: Illustration der das Funktionsprinzip der elektrochemischen mikrofluidischen Plattform. (a) Schaltpläne eines Modell-Assays basierend auf Avidin. (b) Foto von der mikrofluidischen Biosensor zeigt die wichtigsten Bestandteile, einschließlich der Gegenelektrode (CE), die Bezugselektrode (RE), die Arbeitselektrode (WE) und stoppen Barriere (SB). Immobilisierung Bereich wird rot hervorgehoben, und die elektrochemische Zelle ist blau markiert. (c) schematische Reaktion der Oxidation produziert Wasserstoffperoxid in der Pt-Arbeitselektrode amperometrischen Erkennung der elektrochemischen Zelle. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Durch den Einsatz von DFRs für die Herstellung des Sensors, ermöglicht das Herstellungsverfahren für Hochdurchsatz auf Wafer-Ebene. Daher können die Kosten auf ein Minimum gehalten werden, nach unten. Die Entwicklung aller DFR Layer ist fertig mit einfachen und kostengünstigen Folie Masken und ein Vakuum Belichtungseinheit, anstatt teure Chrom Masken und ein Mask Aligner. Darüber hinaus schneidet die Reduzierung der notwendigen Reinraum-Prozess-Schritte auf ein Minimum reduziert den Kosten für die Herstellung noch mehr. Insgesamt dauert das Verfahren der Herstellung einem Arbeitsaufwand von ca. 10 h, ausgenommen die Backzeiten und der physischen Aufdampfen des Platins.

On-Chip-Assay Inkubation:

Die auf dem Chip Assay Inkubation erfolgt nur durch Kapillarkräfte. Pipettieren Tropfen von verschiedenen Reagenzien auf den Einlass von mikrofluidischen Kanal sind die Flüssigkeiten angetrieben durch den Kanal durch Kapillarität Aktion bis zum Erreichen der hydrophoben anhalten-Barriere. Unter Steady-State-Bedingungen sind dann die Reagenzien für eine unterschiedliche Zeit inkubiert. Dieses passive System ermöglicht die Kapillare Füllung des Kanals, ohne die Notwendigkeit einer externer Messgeräte wie eine Spritzenpumpe und ermöglicht die genaue Dosierung der Reagenzien, wie die Flüssigkeit automatisch stoppt an der Grenze stoppen. Auch der Workflow entspricht dem eines konventionellen ELISA und es funktioniert mit hochviskosen Flüssigkeiten wie Serum oder Blut.

Für die Zwecke dieses Experiment beweist die Chip-Betrieb einen einfachen Test-Assay beschäftigt die Avidin-Biotin-Interaktion, wie in Abbildung 2dargestellt. Der auf dem Chip-Assay Bebrütung beginnt mit der Adsorption von Avidin an die Kapillare Oberfläche für 1 h, gefolgt von einem Blockierungsschritt mit BSA für ein weiteres 1 h. 6-FAM/Biotin-markierten DNA wird anschließend in die Kapillare für 15 min, Immobilisierung inkubiert wo es an die Moleküle Avidin bindet. Zwischen den einzelnen Schritten Inkubation werden alle ungebundenen Biomoleküle durch ein Waschschritt entfernt. Der Waschpuffer ist über den Kanal-Auslass mit einem maßgeschneiderten Vakuumadapter angewendet. Im letzten Schritt werden die Glukose-Oxidase-markierten antifluorescein Antikörper für 15 min auf den Kanal eingeführt. Danach ist der Biosensor bereit für das elektrochemische auslesen, mit einem 40 mM Glukoselösung als Substrat.

Konduktometrische Signal auslesen mit Hilfe der Stop-Flow-Technik:

Für das Signal Auslesen des immobilisierten Assays kann die Enzyme Produkt (hier: H2O2), produziert in Anwesenheit von seinem Substrat, Glukose, elektrochemisch an der Arbeitselektrode in der elektrochemischen Zelle erkannt werden. Um schnelle Erkennung zusammen mit Signalverstärkung zu erreichen, ist die so genannte Stop-Flow-Technik verwendeten13. Bei dieser Methode wird die Strömung des Substrats gestoppt, was führt zu einer Anhäufung des Produktes innerhalb der Kapillare. Die Menge der produzierten H2O2 daher hängt die Menge der gebundenen Glukose-Oxidase und ist abhängig von der Menge des gebundenen biotinylierte DNA. Durch einen Neustart der Strömung, wird die erweiterte H2O2 Konzentration die elektrochemische Messzelle, wodurch ein Stromsignal Spitze, wie in Abbildung 3dargestellt anschließend durchströmt.

Für die Datenanalyse, die Stop-Flow-Technik bietet zwei unterschiedliche Parameter: die maximale Höhe und die Ladung (d. h. das Integral) das Peak-Signal. Beide Parameter sind direkt proportional zu der Nachlaufzeitund kann daher für die Analyse der Daten verwendet werden. In Anbetracht der Datenauswertung, wenn die Peakhöhe verwenden hängt die Signalhöhe auf die maximale H2O2 -Konzentration und damit auf die Diffusionskoeffizienten und die angewandten Stop-Zeit. Je länger die Stoppzeit, je höher der gemessene Signalantwort. Aus diesem Grund bleibt die geeichte Peakhöhe konstant, bis auf eine minimale Länge der Kapillare Immobilisierung. Diese Besonderheit der Stop-Flow-Technik ermöglicht eine drastische Abnahme der Chip Abmessungen, insbesondere die Kapillarlänge unter Beibehaltung der Empfindlichkeit des Sensors.

Figure 3
Abbildung 3. Eine in der Regel gewonnene elektrochemisches Signal Auslesen von einem Enzym-linked Assay mit Hilfe der Stop-Flow-Technik Modell. (a) ein Strom von 40 mM Glukoselösung mit einer Rate von 20 µL/min angewendet wurde. Während der Stopp-Phase (1, 2 oder 5 min), die Enzym-Produktion von H2O2 weiter. Durch einen Neustart der Strömung, wird die elektrochemische Zelle, die angesammelten H2O2 durchströmt wo das Wasserstoffperoxid elektrochemisch erkannt wird. Durch die Wiederholung der Mess mehrere Male (Fehlerbalken; SEM), eine-Chip-Kalibrierung Kurve b) ergibt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Das Protokoll für die Herstellung von einem mikrofluidischen elektrochemische Biosensor hier vorgestellten ermöglicht die Entwicklung einer Low-Cost, kompakt und einfach zu bedienende Plattform für die Erkennung von Biomolekülen. Abhängig von der Test anschließend auf der Biosensor verwendet können mehrere verschiedene Biomarker erkannt werden. Dies macht die Plattform sehr vielseitig und bietet breite Zugriff auf verschiedene Anwendungsbereiche von standard-diagnostische Tests (z. B. das Vorhandensein von bestimmten Krankheiten in der Arztpraxis), Point-of-Care-Anwendungen (z.B. die therapeutische Droge-Überwachung eines Patienten für individualisierte Arzneimitteltherapie). Vor allem im Point-of-Care Diagnostik, miniaturisierte Biosensoren haben viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden, die in der Regel erfordern umfangreiche Laborausstattung, spezialisierte Mitarbeiter und große Reagenz und Probenvolumen und haben lange Wende Zeiten.

Die Herstellung dieser Biosensor erfordert streng nach dem Protokoll; Andernfalls kann Probleme im Herstellungsprozess auftreten. Eines der am häufigsten beobachteten Themen ist die Fehlausrichtung der verschiedenen Schichten. Dies kann leicht gelöst werden, mithilfe einer erweiterten Apparatur für den Fertigungsprozess, die einfacher und präziser Ausrichtung der verschiedenen Ebenen ermöglicht.

Die DFR-Technologie bietet die Möglichkeit der schnellen und kostengünstigen Herstellung. Auf der anderen Seite ist die Technologie in Bezug auf Auflösung beschränkt. Beispielsweise können nicht mikrofluidische Kanäle von sehr kleinen Strukturen (weniger als 100 µm) mit dem hier vorgestellten Protokoll realisiert werden. In einem solchen Fall muss die Photolithographie von einer hochpräzisen Mask Aligner mit Glas Photomasks durchgeführt werden. Darüber hinaus kann ein zu weiten Kanal auch problematisch sein, da der Kanal, bücken konnte reduziert die Höhe des Kanals und mikrofluidischen Verhalten des Chips zu beeinflussen.

Wir glauben, dass DFR Technologie in zukünftige Anwendungen präsenter sein wird, weil er leicht für die kommerzielle Nutzung skaliert werden kann. Die Massenproduktion von mikrofluidischen DFR-basierte Sensoren wird kein Hindernis sein, wenn es auf den Markt kommt, weil die Technik in anderen Bereichen der Anwendung (z. B. flexible Elektronik) gut etabliert ist.

In Bezug auf die Reduzierung der Komplexität des Gesamtsystems, konzentriert unsere zukünftige Arbeit sich auf die Gestaltung und Umsetzung einer Einweg mikrofluidischen Patrone, die den Biosensor-Chip enthält; ein Abfall Reservoir; und vorinstallierte Reagenzien, wie Waschpuffer und andere Test-Komponenten. Bei der amperometrischen Messung kann die Lieferung der Probe und andere Reagenzien dann durch pneumatische Betätigung erfolgen. Dies wird durch das Handlesegerät erfolgen und bewegt sich durch den mikrofluidischen Biosensor-Chip zu einem Abfall Reservoir.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Autoren möchte der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die teilweise Finanzierung dieser Arbeit unter Grant Zahlen UR 70/10-01 und UR 70/12-01.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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