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요약

미세 바이오 센서 플랫폼 설계 및 다양 한 analytes의 신속 하 고 민감한 정량화에 대 한 낮은 비용 드라이 필름 포토 레지스트 기술을 사용 하 여 조작. 이 단일 사용 시스템 중지 흐름 기술에 의하여 효소 연결 된 분석 실험에-칩-움직일의 전기 판독을 허용합니다.

초록

최근 몇 년 동안, 바이오 마커 진단 되었다 특히 포인트의 케어 진단에 대 한 인간의 질병의 진단 위한 필수 도구. 쉬운--사용 하 고 저가 센서 플랫폼은 높은 양적 고 구체적으로 다양 한 유형의 analytes (예를 들어, 생체, 호르몬, 약물)을 측정 하 원하는 됩니다. 이러한 이유로 드라이 필름 포토 레지스트 기술-손쉬운, 그리고 높은 처리량 제작-저렴 한, 사용 여기 미세 바이오 센서를 제조 하기 위하여 사용 되었다. 이후에 사용 하는 생물에 따라 다양 한 플랫폼은 다양 한 유형의 생체 감지 수 있습니다. 소자의 제작을 위해 백 금 전극만 클린 룸 공정 단계에서 유연한 polyimide (PI) 호 일에 구성 되어 있습니다. 파이 포 일 기판 절연 에폭시 기반 감광 된 전극에 대 한 역할을 합니다. 미세 채널 개발 및 PI 웨이퍼 위에 건식 필름 레지스트 (DFR) 포의 적 층에 의해 연속적으로 생성 됩니다. 채널의 소수 성 막을 방 벽을 사용 하 여 채널 두 특정 영역으로 분리 된다: 효소 연결 된 분석 결과 및 amperometric 신호 판독에 대 한 전기 화학 측정 셀에 대 한 동원 정지 섹션.

온 칩 검정 immobilization 채널 표면에 생체의 흡착에 의해 수행 됩니다. 포도 당 산화 효소 효소 화학 신호 발생에 대 한 변환기로 사용 됩니다. 기판, 포도 당의 과산화 수소 생산, 플래티넘 작업 전극에 감지 되는. 중지-흐름 기술은 함께 신속한 검출 신호 증폭을 얻을에 적용 됩니다. 다른 생체 도입된 미세 시스템, 치료 약물 모니터링, 맞춤된 치료 촉진에 관한, 또는 질병의 다른 종류의 표시를 주는 양적으로 측정할 수 있습니다.

서문

지난 2 년간 진단 응용 프로그램 세계 공중 보건의 개발에 대 한 심층 연구에 대 한 초등 되고있다. 전통적으로, 실험실 진단 도구는 질병의 탐지를 위해 사용 됩니다. 비록 그들은 여전히 질병의 진단에서 핵심적인 역할을 담당할 포인트-중-케어 테스트 (POCT) 환자 근처 수행 또는 환자 자신에 의해 최근 몇 년 동안에서 점점 더 일반화 되고있다. 급성 심근 경색 등 당뇨병 모니터링, 즉각적인 치료를 필요로 하는 경우에 특히 임상 발견의 빠른 확인이 필수적입니다. 따라서, POCT 장치는 비 전문가 의해 운영 하실 수 있습니다 그리고 그는 동시에 짧은 시간1,2,3,4 정확한 생체 외에서 진단 테스트를 수행할 수 있는 성장 필요가 있다 .

주목할 만한 개선 POCT 분야에서 이미 달성 되었습니다. 그러나,5,6,,78을 극복 하기 위해 많은 도전이 아직도 있다. POCT 플랫폼 시장에 성공적으로 시작 되 고 실험실 진단 경쟁력에 대 한 장치 엄격 하 게 다음과 같은 요구 사항을 충족 해야 합니다: (i) 연구소와 일치 하는 정확 하 고 양적 테스트 결과 제공 연구 결과; (ii)는 간단한 샘플-에-결과 환자;의 즉각적인 치료 가능 시간 (3) 단순 하 고 쉽게 처리 훈련 되지 않는 개인에 의해 운영 하는 경우에 및 최소화 사용자 개입; 및 (iv) 단일 사용 애플리케이션용으로 설계 된 저가 센서 장치의 구성. 또한, 장비 무료 진단 프로그램은 유리한, 주로 자원 가난한 환경3,,46.

이러한 심한 요구 사항으로 인해 두 POCT 시스템 전기 화학 탐지 (예: 혈액 포도 당 시험 지구)과 측면 흐름 immunoassays (예: 집 임신 검사) 기반으로 성공적으로 시작 되었습니다 시장에 너무 지금까지. 그러나 두 시스템 성능 저하 등 단점에서 고통 하는, (부정확 한 테스트 결과즉, 혈당 모니터링 및 측면 흐름 분석 실험만 질적 (양수 또는 음수) 측정 결과 제공)4, 6. 기존의 POCT 시스템의 이러한 단점 케어4,5에서 빠른, 저가, 및 정량적 검출을 제공 하는 새로운 기술 탐험에 수요 증가에 들어서있다.

POCT 기기를 직면 하는 이러한 과제를 충족 하기 위해 련방 기술은 최근 고용 일회용 하 고 저렴 한 비용 바이오 센서9,10,,1112, 의 제조에 13 , 14. 부드럽고 액체 석판 자료, PDMS 등 수-8에 비해 DFRs 현재 많은 혜택: 그들은 (i) 작곡과 (몇 미크론 몇 밀리미터);에서 두께의 다양 한에서 사용할 수 있습니다 (ii) 다양 한 자료; 접착에 용이 매우 거친 표면 영역을가지고 (iii) 기능이 우수한 두께 균일; (iv) 제공, 손쉬운, 싸고 높은 처리량 제작 대량 생산; (v)은 위;의 단순한 쌍 같은 다양 한 저가 도구로 잘라 쉽게 및 (vi) 서로 여러 련방 레이어 스태킹 하 여 미세 채널, 같은 3 차원 구조의 창조에 대 한 허용.

다른 한편으로, DFRs는 일반적으로 액체 포토 레지스트, 마스크와 보호 포 일, 또한 빛을 수 있습니다 인해 련방 사이 증가 거리와 필름 두께 의해 주로 발생에 비해 상대적으로 빈약한 해상도 산란입니다. 아직도, 통합된 미세 바이오 센서의 제조를 위한 DFRs는 저가 대량 생산에 매우 적합.

따라서,이 우리 제조 및 전기 화학 미세 련방 기반 바이오 센서의 응용 프로그램 작동. 자세한 프로토콜 바이오 센서 플랫폼의 각 생산 단계, DNA 기반 모델 분석 결과 및 정지 흐름 기법을 사용 하 여 그것의 전기 판독의 온 칩 동원 정지에 설명 합니다. 이 범용 플랫폼 분석 결과 다른 기술 (예를 들어, 유전체학, cellomics, proteomics) 또는 분석 결과 형식 (예를 들어, 경쟁, 샌드위치, 또는 직접)를 사용 하 여 생체의 수많은 종류의 검색 수 있습니다. 같은 련방 플랫폼을 바탕으로, 우리의 그룹 이전 성공적으로 시연 항생제13,,1516 (항생물질를 포함 하 여 다양 한 analytes의 신속 하 고 민감한 정량화 pristinamycin, 그리고 ß-락탐 항생제), 분 난17, 그리고 물질 P18.

프로토콜

1. 제조 기술의 미세 바이오 센서를 사용 하 여 련방

  1. PI의 준비 웨이퍼.
    1. 컷 PI 기판으로 6 라운드 웨이퍼. 약 1 h 탈수 빵에 대 한 120 ° C에서 오븐에 PI 웨이퍼를 넣어.
  2. 이륙 과정에 대 한 첫 번째 사진 평판 단계.
    1. 2000 rpm의 가속도와 3000 rpm에서 30의 회전 시간 스핀 coater 프로그램/장소 spin coater에 PI 웨이퍼 s. 고 진공을 적용, 그것을 해결. 이륙 과정을 사용 하는 저항의 2 개 mL를 분배 하 고 spin coater 프로그램을 시작 합니다. Spin coater에서 웨이퍼를 제거 하 고 부드러운 빵 100에서 2 분 동안 뜨거운 접시에 PI 웨이퍼 ° c.
    2. 육안으로 PI 웨이퍼에 전극 패턴에 대 한 원하는 마스크를 조정 하 고 400 mJ/cm 2 UV 빛에 노출 (365 nm). 그릇에 웨이퍼 저항 일치 개발자 궤도 셰이 커에 가득 하 고 그것은 1 분에 대 한 약간 흔들어
    3. 초과 레지스트 제거 후 샤워를 사용 하 여 젖은 벤치에 이온된 수 (디-물)와 PI 웨이퍼를 헹 구 고 건조 한 압축 공기를 사용 하 여 나중에.
  3. 백 금 전극의 형성에 대 한의.
    1. 보증금 200에 표준 물리적 증기 증 착 프로세스를 사용 하 여 웨이퍼 19에 플래티넘의 nm.
    2. 그릇에 웨이퍼를 놓습니다. 그릇에 일치 리무버를 추가 하 고 모든 초과 플래티넘 제거 될 때까지 궤도 셰이 커에는 웨이퍼를 약간 흔들어 동안 이륙 레지스트를 제거. 린스 하 고 1.2.3 단계에서 설명한 대로 PI 웨이퍼 건조.
  4. 두 번째 사진 평판 단계: 절연 층 형성.
    1. PI 웨이퍼 탈수 그것을 5 분 동안 120 ° C에 preheated 오븐에 넣어
    2. 프로그램 스핀 coater의 첫 번째 단계는 5 회전 500 rpm에서 s. 30에 대 한 두 번째 단계 프로그램 s 700 rpm/미의 가속 4000 rpm에서
    3. 는 Spin coater에 PI 웨이퍼 놓고 진공을 적용, 수정 합니다. Spin coater 프로그램을 시작 하기 전에 적절 한 에폭시 기반 감광 제 4 mL를 분배.
    4. 소프트-구워 뜨거운 접시에 95 ° C에서 3 분에 대 한 코팅 된 웨이퍼.
    5. 각각 정렬 마크와 눈 렌즈를 사용 하 여 웨이퍼에 절연 제 층에 대 한 마스크를 조정 합니다. 100 mJ/cm 2 UV 빛에 웨이퍼를 노출 (365 nm).
    6. 사후 노출 빵 95에서 2 분을 위한 미리 데워 진된 뜨거운 접시에 웨이퍼 배치 ° c.
    7. 그릇에 웨이퍼를 놓고 궤도 통에 적당 한 개발자 (예: 1-methoxy-2-틸-acetat SU-8의 경우 2 분)와 함께 저항 개발.
    8. 먼저 소 프로 파 놀 PI 웨이퍼 린스 후 린스 하 고 1.2.3 단계에서 설명한 대로 그것을 건조.
    9. 하드 빵 3 h 150에 대 한 오븐에 감광 ° c.
  5. 플라즈마를 이용한 전극의 청소.
  6. 감광 제 잔류물을 제거, 산소 플라즈마를 사용 하 여 표준 플라즈마 장치를
      . 100% O 2 흐름, 250 sccm의 속도와 3 분의 총 시간 전력 200 W 낮은 주파수를 사용 하 여 청소 프로그램 시작
    1. PI 웨이퍼 플라즈마 챔버에 배치 유리 뚜껑을 사용 하 여 접지 격판덮개에 웨이퍼를 수정 하 고 플라즈마 프로세스 시작.
  7. 실버 및 염화는 증 착: 온 칩 기준 전극 만들기. 자외선에 민감한 접착 테이프를 가진 웨이퍼의에
    1. Passivate 백 금 접촉 패드 5 m m 그리고 11 cm 긴 줄무늬 호 일을 잘라 고 실버 입금 하지 부품 보호 웨이퍼에 첨부.
    2. 는 증 착에 대 한 소닉 목욕 (35 kHz) 증기 선반에 넣고 목욕에 실버 전해질 솔루션 (100 g/L Ag, pH 12.5)의 컨테이너를 삽입. 소닉 목욕 실내 온도 10% 전원 설정.
      주의: 실버 전해질 솔루션은 매우 독성이 고 주의 처리 합니다. 연기 흡입 하지 해야 합니다.
    3. 정 전류 소스를 참조 전극의 대량 연락처를 연결합니다. 카운터 전극은 전해질 솔루션의 표준 연결 케이블을 사용 하 여 현재 소스에 몰입은 와이어 연결.
    4. -4.5의 전류 밀도 하 고 DC 전류 소스를 설정 mA/cm 2, 대략 0.3 µ m/분의은 증 착 속도 결과로 소닉 목욕을 시작 하 고 10 분 디 물으로 린스는 웨이퍼에 대 한 실행 현재 소스를 보자
    5. 참조 전극의 수돗물에 대 한 소닉 목욕에 0.1 M 염화 칼륨 (KCl) 솔루션의 그릇 삽입. 웨이퍼와 정 전류 소스와 KCl 해결책에 몰입은 백 금 전극의 대량 연락처 연결.
    6. +0.6의 전류 밀도 하 고 DC 전류 소스를 설정 mA/cm 2, 약 0.075 µ m/분의 증 착 속도 결과로 소닉 목욕을 시작 하 고 현재 소스 7.5 분에 대 한 실행을 하자
    7. 린스와 건조는 PI 웨이퍼, 1.2.3 단계에서 설명한 대로.
    8. UV 후 자외선에 민감한 테이프를 제거 (365 nm)의 300 mJ/cm 2 린스와 건조 PI 웨이퍼에 설명 된 단계 1.2.3으로 다시 노출.
  8. 세 번째 사진 평판 단계: 미세 채널을 만드는 데 사용 하 여 DFRs.
    1. 웨이퍼 (20 x 20 cm 2)의 크기에 필요한 련방 레이어를 잘라. 노출 단위에 원하는 마스크를 수정 하 고 눈을 사용 하 여 마스크에 련방 레이어를 정렬. 250 mJ/cm 2 자외선 빛 저항을 밝히는 (365 nm).
    2. 는 감광 제 보호 호 일을 제거 하 고 42 ° C와 소닉 파워 preheated 표준 소닉 목욕 (35 kHz)를 사용 하 여 1% 탄산 나트륨 (Na 2 CO 3) 솔루션에서 약 2 분 (에 따라 구조)에 대 한 저항을 개발 100%. 즉시 반응을 중지, 궤도 셰이 커에 1 %HCl 욕조에 1 분에 대 한 저항을 흔들어. 린스 하 고 1.2.3 단계에 설명 된 대로 각 련방 레이어 건조.
      참고: 총에서 4 개의 련방 레이어 처리 해야 단계 1.7에서에서 설명 했 듯이: 1 채널 계층, 1 개의 덮개 레이어와 두 뒷면 레이어 (끝에 굽 힘에서 바이오 센서를 방지).
  9. 련방의 얇은 레이어 PI 기판에.
    1. 투명도 오버 헤드 호 일에 PI 웨이퍼 놓고 표준 접착 테이프를 사용 하 여 문제를 해결 합니다. 현미경으로, 각각 정렬 구조를 사용 하 여 PI 웨이퍼에 채널 련방 레이어 조정.
    2. 는 적 층에 대 한 표준 뜨거운 목록 laminator을 사용 하 고 100 ° c 최고 롤과 60 하단 롤 예 열 ° C 설정 압력 3 바, 0.3 m/분 장소의 앞으로 속도 라 미기 중간 고정 련방 레이어와 웨이퍼 및 시작; 련방은 laminator를 통해 푸시됩니다. 단계를 반복 하는 180 °는 웨이퍼를 회전 후.
    3. 는 바이오 센서의 굽 힘을 방지 하기 위해, 다음 단계 1.8.1-1.8.2 웨이퍼에 두 개발된 뒷면 레이어를 라미네이트.
  10. 소수 성 막을 방 벽을 고용 하 고 칩을 씰링.
    1. 제거 련방 채널의 앞면에서 보호 레이어 레이아웃어 표준 접착 테이프 련방의 한쪽 끝에 놓고 위쪽으로 당겨. 0.004 튜브 핸드 디스펜서를 사용 하 여 절연 제 층의 우물에 녹아 소계의 작은 방울을 분배. 미세 칩 인감, 라미네이트 커버 련방 레이어 채널 계층에 단계 1.8에서에서 설명한 대로.
  11. 하드-제빵 미세 바이오 센서.
    1. 제거 모든 보호 foils 커버 뒷면에 련방 레이어. 바이오 센서는 일반 쌍이 위를 사용 하 여 스트립 잘라. 치료 3 h. 160 ° C에서 오븐에 칩

2. 온 칩 분석 결과 동원 정지 절차

  1. avidin 채널의 동원 정지 영역에서의 흡착.
    1. 10 m m 인산 염 버퍼 식 염 수 (PBS) 7.4의 pH에 있는 100 µ g/mL avidin 솔루션 준비.
    2. 는 바이오 센서의 입구에 avidin 솔루션의 분배 2 µ L.
      참고: 채널 가득 모 세관 힘에 의해 액체 소수 성 막을 장벽에 도달할 때까지.
      3. 그는 유체 유지 막을 방 벽에 전체 보육 시간 동안 되도록
    3. 칩의 콘센트에 디-물 2 µ L 분배. 닫힌된 컨테이너에서 1 h 25 ° C에서 칩을 품 어.
    4. 진공을 적용 하 여 칩의 입구를 통해 초과 시 약을 제거 합니다. 워시 워시 버퍼의 50 µ L와 채널 (0.05%와 PBS 트윈 20), 진공 적용 되는 동안 콘센트에 분사. 30 채널 건조 진공 적용 되는 동안 s.
  2. 난다 바인딩을 억제 하기 위해 채널 표면 차단.
    1. 7.4의 pH에서 10 mM PBS에서에서 1% 소 혈 청 알 부 민 (BSA) 솔루션 준비.
    2. 입구에 2 1 %BSA 솔루션의 피 펫 2 µ L µ L 디 물 채널의 콘센트에. 닫힌된 컨테이너에서 1 h 25 ° C에서 칩을 품 어. 초과 시 약을 제거 하 고 단계 2.1.4에에서 설명 된 대로 채널을 건조.
  3. 외피의 DNA oligos biotin과 6-FAM.로 표시
    1. 다른 농도 준비 (0.001-5 µ M)의 7.4의 pH에서 10 mM PBS의 DNA 솔루션.
    2. 입구에 DNA 솔루션의 한 농도와 2 µ L 분배 2 µ L 디 물 콘센트에. 닫힌된 컨테이너에 15 분 동안 25 ° C에서 칩을 품 어.
    3. 추가 바이오 센서 칩을 사용 하 여 다른 DNA 농도 대 한 반복 단계 2.3.2.
    4. 초과 시 약을 제거 하 고 단계 2.1.4에에서 설명 된 대로 채널을 건조.
  4. GOx의 동원 정지 표시 6 식구 들 항 체.
    1. 5 µ g/mL 농도 pH 7.4의에서 10 mM PBS 항 체 6 식구 들의 공식화.
    2. 입구와 2 항 체 솔루션의 소개 2 µ L µ L 디 물 채널의 콘센트에. 닫힌된 컨테이너에 15 분 동안 25 ° C에서 레이블이 지정 된 항 체를 품 어. 2.1.4 단계에서 설명한 대로 초과 시 약을 제거.

3. Amperometric 신호 감지 기술을 사용 하는 정지 흐름

  1. 전기 화학적 검출 기판 솔루션의 준비.
    1. 7.4 초 순수한 물에서의 pH에 0.1 m M PBS에서 40 m m 포도 당 해결책을 공식화.
    2. 예비 치료에 대 한 준비 7.4 초 순수한 물에서의 pH에 0.1 m M PBS 솔루션.
  2. 작업 전극의 예비 처리.
    1. 맞춤 칩 홀더를 사용 하 여 칩 및 유체 및 전기 연결의 쉬운 배치 허용.
    2. 는 바이오 센서는 potentiostat에 전기적으로 연결합니다. 주사기 펌프 및 맞춤 어댑터 튜브를 사용 하 여 시 약 저수지에 미세 채널의 유체 접촉을 확인 합니다. potentiostat에 연결 된 노트북을 시작 하 고 칩을 통해 유체 흐름을 제어 하는 주사기 펌프 컨트롤러 시작.
    3. 20 µ L/분의 유량에서 0.1 M PBS와 수동으로 주사기 펌프를 시작합니다. 온 칩 기준 전극 대 작업 전극에 0.8 및-0.05 V 5의 교체 전압 적용 각 30 사이클에 대 한 s. 이 따라 60 0.8 V의 전압을 적용 하 여 작업 전극 산화 s.
  3. 정지 흐름 기법을 사용 하 여 분석 결과 판독.
    1. 분석 결과 신호 판독을 시작, 측정된 전류 신호 안정화 될 때까지 기다립니다. 주사기 펌프를 중지 하 고 40 mM 포도 당 해결책에 0.1 m M PBS에서 시 약을 전환할 주사기 펌프 컨트롤러;에서 소프트웨어를 시작 그것은 자동으로 1, 2, 또는 5 분에 대 한 흐름을 막을 것 이다 고 것입니다 다음 다시 흐름. 관찰 결과 현재 피크.
      참고: 데이터의 분석에 대 한 현재 최대 또는 피크의 고려 될 수 있다, 전기 화학 신호 판독 ( 그림 2)의 모델에 설명 된 대로.

결과

설계 및 제조 미세 바이오 센서 플랫폼:

미세 바이오 센서 칩의 제조는 웨이퍼 레벨에 여러 련방 레이어를 사용 하는 표준 photolithographic 기술에 의해 실현 된다. 이 제조 전략 플래티넘 꽃무늬 PI 기판, 미세 채널 형성 DFRs의 개발된 층의 적 층에 사용 합니다. 짧은 요약을 묘사한 다른 제조 단계는 그림 1에 제...

토론

여기에 제시 된 미세 전기 화학 바이오 센서의 제조에 대 한 프로토콜 생체의 검출에 대 한 낮은 비용, 소형, 그리고 사용 하기 쉬운 플랫폼의 개발을 수 있습니다. 이후에 바이오 센서에서 사용 하는 분석 결과 따라 여러 가지 다른 biomarkers는 감지할 수 있습니다. 이 플랫폼 매우 다재 다능 하 고 표준 진단 테스트 (예를 들어, 닥터의 사무실에 특정 질병의 존재 결정)에서 응용 프로그램의 다...

공개

저자는 공개 없다.

감사의 말

저자는 부분적으로 자금 부여 번호 UR 70/10-01 및 UR 70/12-01이이 작품에 대 한 독일 연구 재단 (DFG) 감사 하 고 싶습니다.

자료

NameCompanyCatalog NumberComments
Material
PyraluxDuPontAP8525RUsed as polyimide substrate
MA-N 1420Micro Resist TechnologyMA-N1420Lift-off resit to define the platinum depostion
Ma-D 533sMicro Resist TechnologyMaD533SDeveloper for MA-N1420
Platinum--Electrode and contact pad material
Ma-R 404sMicro Resist TechnologyMaR404SRemover for MA-N1420
SU-8 3005MicroChem Corp.SU-8-3005Photoresist to define the electrode area and as insulation
1-methoxy-2-propanol acetateSigma-Aldrich108-65-6Developer for SU-8 3005
2-PropanolVWR8.18766.2500Removing of the SU-8 developer
1020RUltron Systems Inc.1020RUV sensitive adhesive tape for protection of contact pads
Arguna SDegussa1935For Silver depostion on reference electrode
KClMethrom62308.020For chloridation of the silver reference electrode
PyraluxDuPontPC1025Dry film photoresist
Sodium carbonatFluka71352Developer for Pyralux PC1025
Hydrogen chlorideSigma-Aldrich30720To top the development of the DFR
Teflon AF 1600DuPontAF1600For employing the stopping barrier
NameCompanyCatalog NumberComments
Equipment
PA104Mega Electronics-Bubble etch tank
FED 53Binder9010-0018Oven
SPIN150APT-Spin coater
PräzithermHarry Gestigkeit GmbHPZ 28-2Hot plate
HellasBungard Elektronik40000Exposure unit
Tetra30-LF-PCDiener-Plasma unit
Univex 500Leybold-Physical vapor deposition unit
Shaker S4ELMI-Orbital shaker
Sonorex Super 10 PBandelin783Sonic bath
6221 DC and ACKeithley-Current source
HRL 350Ozatec-Laminator unit
Vaccum penEFD-Vacuum pen

참고문헌

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