Plataforma de microfluidos con multiplexado de detección electrónica para el seguimiento espacial de las partículas

Resumen

Demostramos una plataforma de microfluidos con una red de electrodo de superficie integrado que combina detección de pulso resistivo (RPS) con división de código de acceso múltiple (CDMA), para multiplexar la detección y el tamaño de las partículas en múltiples canales de microfluidos.

Resumen

procesamiento de muestras biológicas de microfluidos típicamente implica manipulaciones diferenciales de partículas en suspensión en virtud de diversos campos de fuerza con el fin de fraccionar espacialmente la muestra en base a una propiedad biológica de interés. Para la distribución espacial resultante para ser utilizado como la lectura del ensayo, los dispositivos de microfluidos a menudo se sometieron a análisis microscópico que requiere instrumentación compleja con mayor coste y la reducción de la portabilidad. Para hacer frente a esta limitación, se ha desarrollado una tecnología de detección electrónico integrado para la detección multiplexada de partículas en diferentes ubicaciones en un chip microfluídico. Nuestra tecnología, conocidos como códigos de microfluidos, combina pulso resistiva de detección con Acceso Múltiple por División de Código para comprimir la información espacial 2D en una señal eléctrica 1D. En este trabajo, presentamos una demostración práctica de la tecnología microfluídica CÓDIGOS para detectar y células cancerosas cultivadas tamaño distribuida a través de múltiples canales de microfluidos. Comovalidado por la microscopía de alta velocidad, nuestra tecnología puede analizar con precisión las poblaciones de células densas todo electrónicamente sin la necesidad de un instrumento externo. Como tal, los códigos de microfluidos pueden permitir potencialmente bajo coste dispositivos integrados lab-on-a-chip que están bien adaptados para la prueba de punto de atención de las muestras biológicas.

Introducción

La detección exacta y el análisis de las partículas biológicas tales como células, bacterias o virus en suspensión en el líquido es de gran interés para una serie de aplicaciones ^{1, 2, 3.} Bien adaptado en tamaño, los dispositivos de microfluidos ofrecen ventajas únicas para este propósito, tales como alta sensibilidad, manipulación de la muestra suave y bien controlada microambiente ^{4, 5, 6, 7.} Además, los dispositivos de microfluidos pueden ser diseñados para emplear una combinación de dinámica de fluidos y campos de fuerza para fraccionar pasivamente una población heterogénea de partículas biológicas en base a varias propiedades ^{8, 9, 10, 11, 12.} En los dispositivoss, la distribución de partículas resultante se puede utilizar como lectura, pero la información espacial es típicamente accesible sólo a través de microscopía, lo que limita la utilidad práctica del dispositivo de microfluidos atándolo a una infraestructura de laboratorio. Por lo tanto, un sensor integrado que puede reportar fácilmente mapeo espacio-temporal partículas ', ya que son manipulados en un dispositivo de microfluidos, potencialmente puede permitir a bajo costo, dispositivos integrados lab-on-a-chip que son particularmente atractivo para el análisis de muestras en móvil , entornos con recursos limitados.

Electrodos de película delgada han sido utilizados como sensores integrados en dispositivos de microfluidos para diversas aplicaciones ^{13, 14.} Pulso resistiva Sensing (RPS) es particularmente atractivo para la detección integrada de pequeñas partículas en los canales de microfluidos, ya que ofrece un mecanismo de detección de alto rendimiento robusto, sensible, y directamente a partir de mediciones eléctricas ¹⁵. En RPS, la modulación de impedancia entre un par de electrodos, inmerso en un electrolito, se utiliza como un medio para detectar una partícula. Cuando la partícula pasa a través de una abertura, de tamaño del orden de la partícula, el número y la amplitud de impulsos transitorios de la corriente eléctrica se utilizan para contar y partículas de tamaño, respectivamente. Por otra parte, la geometría de sensor puede ser diseñado con una resolución fotolitográfica para dar forma a las formas de onda de pulso de resistencia con el fin de aumentar la sensibilidad ^{16, 17, 18, 19} o para estimar la posición vertical de las partículas en los canales de microfluidos ^20.

Recientemente hemos introducido una tecnología de detección de pulsos multiplexado resistivo escalable y sencilla llamada microfluídica Coded Ortogonal detección por detección eléctrica (CÓDIGOS microfluidos) ^21. CÓDIGOS microfluidos se basa en unared interconectada de sensores de pulso resistivos, cada uno compuesto de una serie de electrodos micromaquinados para modular la conducción de una manera única, distinguibles, a fin de permitir la multiplexación. Hemos diseñado específicamente cada sensor para producir señales eléctricas ortogonales similares a los códigos digitales utilizados en división de código de acceso múltiple ²² (CDMA) las redes de telecomunicaciones, de modo que la señal de sensor de pulso resistiva individuo se puede recuperar de forma única a partir de una sola forma de onda de salida, incluso si las señales de diferentes sensores interfieren. De esta forma, nuestra tecnología comprime la información espacial en 2D de partículas en una señal eléctrica 1D, lo que permite el seguimiento de las partículas en diferentes ubicaciones en un chip microfluídico, manteniendo tanto del dispositivo y del sistema de nivel de complejidad a un mínimo.

En este trabajo, presentamos un protocolo detallado para métodos experimentales y computacionales necesarios para utilizar la tecnología de microfluidos CÓDIGOS, así como rresultados epresentante de su uso en el análisis de muestras biológicas simuladas. Utilizando los resultados de un prototipo de dispositivo con cuatro sensores multiplexados como un ejemplo para explicar la técnica, proporcionamos protocolos sobre (1) el proceso de microfabricación para crear dispositivos de microfluidos con la tecnología CÓDIGOS microfluidos, (2) la descripción de la configuración experimental que incluye el hardware electrónico, óptico, y fluídico, (3) el algoritmo de computadora para la decodificación de señales de interferencia de diferentes sensores, y (4) los resultados de la detección y el análisis de las células de cáncer en los canales de microfluidos. Creemos que utilizando el protocolo detallado se describe aquí, otros investigadores pueden aplicar nuestra tecnología para su investigación.

Protocolo

1. Diseño de electrodos de codificación

Nota: La Figura 1a muestra la estructura 3-D de los electrodos micropatterned.

1. Diseñar un conjunto de cuatro códigos Gold de 7 bits para la codificación de los canales de microfluidos ^23.
   1. La construcción de dos turnos de retroalimentación registros lineales (LFSRs), cada uno representando un polinomio primitivo.
   2. Usa los LFSR para generar un par preferido de m -sequences de 7 bits.
   3. Cíclicamente cambiar el par preferido de m -sequences y añadirlos en mod 2 para generar cuatro códigos Gold distintos.
2. Diseñar la disposición de los electrodos de codificación (Figura 1b).
   1. Coloque tres terminales de los electrodos, lo que representa, y los electrodos de referencia positivos, negativos en tres esquinas.
   2. Ruta electrodo positivo y negativo traza en lados opuestos de cada canal de microfluidos.
   3. Extender los electrodos positivos y negativos en lacanales de microfluidos como los dedos de electrodo, siguiendo el código de Oro asignada de forma única (Figura 1c).
   4. Coloque el electrodo de referencia entre los dedos de los electrodos positivos y negativos.
   5. Coloque trazas electrodo positivo y negativo lejos de los dedos de electrodo de referencia más exteriores con el fin de minimizar la conducción eléctrica fuera de la región de codificación.

2. La microfabricación de electrodos de superficie

Nota: La Figura 2b muestra el proceso de fabricación de electrodos de superficie.

1. Limpiar una oblea de vidrio de borosilicato de 4 pulgadas en una solución Piranha (ácido sulfúrico al 98%: 30% de peróxido de hidrógeno = 5: 1) a 120 ° C durante 20 min para eliminar todos los contaminantes orgánicos. A continuación, coloque la oblea en una placa caliente a 200 ° C durante 20 minutos para eliminar el agua residual.
2. La transferencia de la oblea para un control de giro. Dispensar 2 fotorresistente negativo ml sobre la oblea y hacer girar la oblea a una velocidad de 3, 000 rpm durante 40 s para recubrir uniformemente la oblea con una capa fotorresistente 1,5-m.
3. Colocar la oblea en una placa caliente a 150 ° C y hornear el fotoprotector hecho girar durante 1 min.
4. Exponer la resina fotosensible a 365 nm de luz UV (225 mJ / ^cm2) a través de una máscara de cromo utilizando un alineador de máscara.
5. Colocar la oblea en una placa caliente a 100 ° C y hornear el fotoprotector expuesto durante 1 min.
6. Desarrollar la fotoprotección mediante la inmersión de la oblea en un revelador fotorresistente (RD6) durante 15 s. rociar suavemente con agua desionizada (DI) y lavar la oblea. Seca por soplado de nitrógeno comprimido.
7. Coloque la oblea con fotorresistente diseñado en un evaporador de metal de haz de electrones, y depositar una película de cromo 20 nm de espesor, seguida por una película de oro de 80 nm de espesor sobre la oblea a una presión de base de 3 × 10 ^-6 Torr con una velocidad de depósito 1 a / s.
8. Sumergir la oblea recubierta de metal en acetona en un conjunto de baño de ultrasonidos a una frecuencia de 40 kHz con 100% de amplitud durante 30 minutos a temperamento habitaciónATURALEZA para grabar la fotoprotección subyacente y completar el proceso de despegue.
9. Se pica la oblea en trozos más pequeños usando una sierra de corte en dados convencional.

3. La fabricación de la SU-8 Molde para los canales de microfluidos

Nota: La figura 2a muestra el proceso de fabricación del molde para canales de microfluidos.

1. Limpiar y hornear una oblea de silicio de 4 pulgadas utilizando el mismo procedimiento descrito en 2.1.
2. La transferencia de la oblea para un control de giro. Verter 4 ml fotorresistente sobre la oblea. Escudo de la oblea con fotoprotector.
   1. Hacer girar la oblea a 500 rpm durante 15 s.
   2. Hacer girar la oblea a 1.000 rpm durante 15 s.
   3. Girar la oblea a 3000 rpm durante 60 s para obtener una capa fotorresistente gruesa 15-m uniformemente recubierto.
3. Coloque la cara de la oblea en una sala limpia limpie empapado en acetona y eliminar el fotoprotector residual de la parte trasera y los bordes de la oblea.
4. La transferencia de la oblea en una pl calientecomió para la cocción suave. En primer lugar, hornear la oblea a 65 ° C durante 1 min. A continuación, mueva rápidamente la oblea a una placa caliente 95 ° C y hornear durante 2 min.
5. Exponer la resina fotosensible a 365 nm de luz UV (180 mJ / ^cm2) a través de una máscara de cromo mediante el uso de un alineador de máscara.
6. Hornear el después de la exposición de la oblea a 65 ° C durante 1 min y después a 95 ° C durante 2 min.
7. Sumergir la oblea en el revelador y agitar suavemente el recipiente durante 3 min. A continuación, enjuagar la oblea con el alcohol isopropanol (IPA) y se seca mediante soplado de nitrógeno comprimido. Si aparece un residuo de color blanco sobre la oblea, sumergirlo en el revelador nuevo y desarrollar de tiempo más largo y seco.
8. Hornear la oblea en una placa caliente a 200 ° C durante 30 minutos para que se seque por completo.
9. Medir el espesor de la resina fotosensible modelado usando un perfilómetro en diferentes lugares a través de la oblea para asegurar la uniformidad.
10. Silanizar la oblea del molde mediante la utilización de la técnica de deposición de vapor. Añadir 200 l de trichlorosilane en una placa de Petri y el lugar en un desecador de vacío junto con la oblea de molde SU-8 durante 8 h.

4. Montaje de los códigos de dispositivo de microfluidos

1. Colocar la oblea de silicio de 4 pulgadas con el molde en una placa de Petri de diámetro 150 mm, y fijarlo con cinta adhesiva de sus bordes.
2. Mezclar el polidimetilsiloxano (PDMS) pre-polímero y reticulante en una relación de 10: 1, y verter 50 g de la mezcla en la placa de Petri. Coloque la placa de Petri en un desecador de vacío para desgasificar la mezcla durante 1 h, y luego curar en un horno a 65 ° C durante al menos 4 h (Figura 2a).
3. Cortar la capa de PDMS curado utilizando un bisturí y despegarlo la oblea molde usando unas pinzas. El tamaño del dispositivo de prueba de principio es de aproximadamente 20 mm x 7 mm. Entonces perforar agujeros con un diámetro de 1,5 mm a través de los PDMS para la entrada y salida del canal microfluídico usando un golpeador biopsia.
4. Limpiar el lado de la pieza modelada PDMS colocando it en una cinta adhesiva de sala limpia.
5. Limpiar el sustrato de vidrio con electrodos de superficie, aclarándolo con acetona, IPA, agua desionizada y secar con nitrógeno comprimido.
6. Activar las superficies de PDMS y el sustrato de vidrio en plasma de oxígeno durante 30 s con el lado de micromecanizado de cada parte hacia arriba en un generador de plasma RF fijado en 100 mW.
7. Alinear el canal de microfluidos PDMS con electrodos de superficie sobre el sustrato de vidrio utilizando un microscopio óptico y a continuación, llevar las dos superficies de plasma activado en contacto físico.
8. Hornear el dispositivo sobre una placa caliente a 70 ° C durante 5 minutos, con el lado del vidrio frente a la placa caliente.
9. Conectar los adaptadores de contacto de los electrodos con cables por soldadura.

5. Preparación de la muestra simulada Biológica

1. Cultivar las células de cáncer de ovario humano HeyA8 en RPMI 1640 suplementado con 10% de suero bovino fetal (FBS) y 1% de penicilina-estreptomicina en 5% de _CO2 a 37 ° Chasta que alcanzan 80% de confluencia.
2. Aspirar los medios de comunicación del matraz de cultivo usando una pipeta de vidrio. Dispensar y luego solución salina de fosfato tamponada aspirado 1x (PBS) para lavar las células.
3. Se incuban las células en 2 ml de 0,05% (w / v) de solución de tripsina durante 2 min a 37 ° C la suspensión de células adherentes. A continuación, añadir 4 ml de los medios de cultivo para neutralizar la tripsina.
4. Se centrifuga la suspensión celular a 100 × g durante 5 min para sedimentar las células en un tubo de ensayo. Entonces, Aspirar el sobrenadante por completo.
5. Vuelva a suspender las células en 1-2 ml de PBS 1x pipeteando suavemente hacia arriba y hacia abajo para grupos de células se disocian mecánicamente.
6. Dibuje una pequeña cantidad de la suspensión celular en una pipeta y contar el número de células utilizando un hemocitómetro.
7. Se diluye la suspensión celular con PBS para preparar una muestra con una concentración final de células de 10 ⁵ -10 ⁶ células / ml.

6. Ejecución de los códigos de dispositivo de microfluidos

Nota: Fifigura 3 muestra el montaje experimental.

1. Coloque el dispositivo de microfluidos CÓDIGOS en el escenario de un microscopio óptico.
2. Aplicar una onda sinusoidal 400 kHz al electrodo de referencia en el chip usando un generador de función electrónica.
3. Conectar los electrodos de detección positiva y negativa a dos amplificadores trans-impedancia independientes para convertir señales de corriente de cada una de las señales de tensión.
4. Restar la señal de tensión de electrodo de detección positiva de la señal de voltaje de electrodo de detección negativa usando un amplificador de voltaje diferencial con el fin de obtener una señal bipolar.
5. Utilice una cámara de alta velocidad de operación de grabación óptica del dispositivo para fines de validación y caracterización.
6. Conduce la suspensión de células a través del dispositivo de microfluidos CÓDIGOS a un caudal constante (50-1,000 l / h) usando una bomba de jeringa.
7. Medir la señal de modulación de impedancia usando un amplificador lock-in.
   1. Conectar la señal de CA referencia a que el árbitrorencia de entrada del amplificador lock-in. Conectar la señal diferencial bipolar al amplificador lock-in como señal de entrada.
   2. Obtener la amplitud RMS de la señal diferencial a partir de la salida del amplificador lock-in.
8. Muestrear la señal de salida del amplificador lock-in a 1 MHz tasa en un ordenador a través de una tarjeta de adquisición de datos para su posterior análisis.

7. Tratamiento de señales de los sensores

1. Transferir datos eléctricas registradas en MATLAB para el post-procesamiento y decodificación.
2. Se filtra la señal grabada en el dominio digital usando un filtro de Butterworth (MATLAB función incorporada) para eliminar el ruido de alta frecuencia (> 2,5 kHz).
3. Generar una biblioteca de código de la plantilla de las señales del sensor.
   1. Identificar señales de código no se solapan representativos correspondientes a cada sensor en el dispositivo y extraer estos bloques de señal del conjunto de datos de forma de onda como vectores separados.
   2. Normalizar cada plantilla de forma de onda de código vectorpor su poder. Utilice el MATLAB función incorporada (bandpower) para medir la potencia de la señal.
   3. Utilice la función MATLAB (volver a muestrear) para expandir la biblioteca de la plantilla mediante la creación de versiones de digitalmente señales de código normalizadas con diferentes duraciones para acomodar las variaciones en la velocidad de flujo de células sobre los electrodos.
4. Identificar los bloques de señal que se corresponden con sensor de actividad (umbral: SNR> 12 dB) en la forma de onda filtrada. Forma de onda con SNR bajo el umbral sería tratado como ruido.
5. Decodificar bloques individuales de la actividad del sensor en la señal grabada mediante el uso de un algoritmo iterativo basándose en la cancelación sucesiva de interferencias, una técnica comúnmente empleada en las redes de comunicación CDMA de múltiples usuarios ^{24, 25.}
   1. Calcular la correlación cruzada de la señal de cada bloque con todas las plantillas de la biblioteca usando deslizamiento producto escalar.
   2. Identificar la plantilla que produce la largEste valor máximo de autocorrelación para determinar la señal de código de sensor individuo dominante. Registre el tiempo y la amplitud del pico de autocorrelación.
   3. Construir una señal de código de sensor estimación escalando la plantilla de código identificado a partir de la amplitud de pico de autocorrelación medida y la información de tiempo (determinado en la etapa 7.5.2).
   4. Restar la señal de código del sensor estimadas a partir de los datos originales.
   5. Iterar el proceso de 7.5.1, hasta que la señal residual no se parece a ninguna señal en la biblioteca de plantillas, matemáticamente definido como el coeficiente de correlación es menor que 0,5.
6. Refinar las estimaciones iniciales de las señales del sensor paso 7.5 utilizando un proceso de optimización.
   1. Reconstruir la señal mediante la adición de señales de los sensores individuales estimados a partir de cada iteración.
   2. Barrer la amplitud, la duración y la sincronización de las señales de los sensores individuales en torno a las estimaciones originales para producir el mejor ajuste con la señal eléctrica registradabasado en la aproximación por mínimos cuadrados ^26.
7. Convertir amplitudes de las señales del sensor estimadas en el tamaño celular calibrando las señales eléctricas contra las imágenes ópticas.

Resultados

Un dispositivo de microfluidos CÓDIGOS que consta de cuatro sensores distribuidos sobre cuatro canales de microfluidos se muestra en la Figura 1b. En este sistema, la sección transversal de cada canal microfluídico fue diseñado para ser cerca del tamaño de una célula de modo que (1) múltiples células no pueden pasar por encima de los electrodos en paralelo y (2) las células se mantienen cerca de los electrodos de aumentar la sensibilidad . Cada sensor está dise...

Discusión

Sensores resistivos múltiples previamente se han incorporado en los chips de microfluidos ^{28, 29, 30, 31, 32.} En estos sistemas, sensores de pulso de resistencia fueron, o bien no multiplexadas ^{28, 29, 30, 31} o que requieren sensor...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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