Name: microfluidic platform with multiplexed electronic detection for spatial tracking of particles
Uploaded: 2017-03-13T13:00:00
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This work was supported by National Science Foundation Award No. ECCS 1610995. The authors would like to thank the Institute of Electronics and Nanotechnology and the Parker H. Petit Institute for Bioengineering and Bioscience staff for their support in using shared facilities. The authors also would like to thank Chia-Heng Chu for his help in preparing the manuscript.

1. Diseño de electrodos de codificación Nota: La Figura 1a muestra la estructura 3-D de los electrodos micropatterned. <ol><li> Diseñar un conjunto de cuatro códigos Gold de 7 bits para la codificación de los canales de microfluidos 23. <ol><li> La construcción de dos turnos de retroalimentación registros lineales (LFSRs), cada uno representando un polinomio primitivo. </li><li> Usa los LFSR para generar un par preferido de m -sequen...

<ol>
	<li>De Roy, K., Clement, L., Thas, O., Wang, Y., Boon, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+cytometry+for+fast+microbial+community+fingerprinting.">Flow cytometry for fast microbial community fingerprinting.</a> Water Res. 46 (3), 907-919 (2012).</li><li>Vives-Rego, J., Lebaron, P., Nebe-von Caron, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+and+future+applications+of+flow+cytometry+in+aquatic+microbiology.">Current and future applications of flow cytometry in aquatic microbiology.</a> FEMS Microbiol Rev. 24 (4), 429-448 (2000).</li><li>Alvarez-Barrientos, A., Arroyo, J., Cant&#243;n, R., Nombela, C., S&#225;nchez-P&#233;rez, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+of+flow+cytometry+to+clinical+microbiology.">Applications of flow cytometry to clinical microbiology.</a> Clin Microbiol Rev. 13 (2), 167-195 (2000).</li><li>Toner, M., Irimia, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blood-on-a-chip.">Blood-on-a-chip.</a> Annu Rev Biomed Eng. 7, 77-103 (2005).</li><li>Mehling, M., Tay, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+cell+culture.">Microfluidic cell culture.</a> Current Opin Biotech. 25, 95-102 (2014).</li><li>Sarioglu, A. 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href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+CODES:+a+scalable+multiplexed+electronic+sensor+for+orthogonal+detection+of+particles+in+microfluidic+channels.">Microfluidic CODES: a scalable multiplexed electronic sensor for orthogonal detection of particles in microfluidic channels.</a> Lab Chip. 16 (8), 1350-1357 (2016).</li><li>Buehrer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Code+Division+Multiple+Access+(CDMA).">Code Division Multiple Access (CDMA).</a> Synthesis Lectures on Communications. 1 (1), 1-192 (2006).</li><li>Proakis, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Digital Communications. , (1989).</li><li>Patel, P., Holtzman, J. <a target="_blank" 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href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prediction+and+regulation+by+linear+least-square+methods.">Prediction and regulation by linear least-square methods.</a> J Macroecon. 7 (1), 126 (1985).</li><li>Whitesides, G., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., Ingber, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+lithography+in+biology+and+biochemistry.">Soft lithography in biology and biochemistry.</a> Annu Rev Biomed Eng. 3 (1), 335-373 (2001).</li><li>Zhe, J., Jagtiani, A., Dutta, P., Hu, J., Carletta, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+micromachined+high+throughput+Coulter+counter+for+bioparticle+detection+and+counting.">A micromachined high throughput Coulter counter for bioparticle detection and counting.</a> J Micromech Microeng. 17 (2), 304-313 (2007).</li><li>Song, Y., Yang, J., Pan, X., Li, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-throughput+and+sensitive+particle+counting+by+a+novel+microfluidic+differential+resistive+pulse+sensor+with+multidetecting+channels+and+a+common+reference+channel.">High-throughput and sensitive particle counting by a novel microfluidic differential resistive pulse sensor with multidetecting channels and a common reference channel.</a> Electrophoresis. 36 (4), 495-501 (2015).</li><li>Watkins, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+CD4++and+CD8++T+lymphocyte+counters+for+point-of-care+HIV+diagnostics+using+whole+blood.">Microfluidic CD4+ and CD8+ T lymphocyte counters for point-of-care HIV diagnostics using whole blood.</a> Sci Transl Med. 5 (214), 214ra170 (2013).</li><li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Portable+Coulter+counter+with+vertical+through-holes+for+high-throughput+applications.">Portable Coulter counter with vertical through-holes for high-throughput applications.</a> Sensor Actuat B-Chem. 213, 375-381 (2015).</li><li>Jagtiani, A., Carletta, J., Zhe, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+impedimetric+approach+for+accurate+particle+sizing+using+a+microfluidic+Coulter+counter.">An impedimetric approach for accurate particle sizing using a microfluidic Coulter counter.</a> J Micromech Microeng. 21 (4), 045036 (2011).</li><li>Gold, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimal+binary+sequences+for+spread+spectrum+multiplexing+(Corresp).">Optimal binary sequences for spread spectrum multiplexing (Corresp).</a> IEEE Trans. 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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...

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 &#39;, 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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="801">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:231px;">98% Sulfuric Acid&#160;&#160;&#160;</td>
			<td style="width:187px;">BDH Chemicals</td>
			<td style="width:119px;">BDH3074-3.8LP</td>
			<td style="width:265px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">30% Hydrogen Peroxide&#160;&#160;</td>
			<td style="width:187px;">BDH Chemicals</td>
			<td>BDH7690-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Trichlorosilane</td>
			<td style="width:187px;">Aldrich Chemistry</td>
			<td>235725-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">NR9-1500PY Negative Photoresist</td>
			<td style="width:187px;">Furuttex</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Resist Developer RD6</td>
			<td style="width:187px;">Furuttex</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Acetone</td>
			<td style="width:187px;">BDH Chemicals</td>
			<td>BDH1101-4LP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">SU-8 2015 Negative Photoresist</td>
			<td style="width:187px;">Microchem</td>
			<td style="width:119px;">SU8-2015</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">SU-8 Developer</td>
			<td style="width:187px;">Microchem</td>
			<td style="width:119px;">Y010200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:231px;">Polydimethylsiloxane (PDMS)</td>
			<td style="width:187px;">Dow Corning</td>
			<td style="width:119px;">3097358-1004</td>
			<td>Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Isopropyl Alcohol</td>
			<td style="width:187px;">BDH Chemicals</td>
			<td style="width:119px;">BDH1133-4LP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">RPMI 1640</td>
			<td>Corning Cellgro</td>
			<td style="width:119px;">10-040-CV</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Fetal Bovine Serum (FBS)</td>
			<td>Seradigm</td>
			<td style="width:119px;">1500-050</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Penicillin-Streptomycin</td>
			<td style="width:187px;">Amresco</td>
			<td style="width:119px;">K952-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Phosphate-Buffered Saline (PBS)</td>
			<td>Corning Cellgro</td>
			<td style="width:119px;">21-040-CM</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:231px;">PHD 22/2000 Syringe Pump</td>
			<td style="width:187px;">Harvard Apparatus</td>
			<td style="width:119px;">70-2001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:231px;">HF2LI Lock-in Amplifier</td>
			<td style="width:187px;">Zurich Instrument</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:231px;">HF2TA Current Amplifier</td>
			<td style="width:187px;">Zurich Instrument</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:231px;">Eclipse Ti-U Microscope</td>
			<td style="width:187px;">Nikon Corporation</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:231px;">DS-Fi2 High-Definition Color Camera&#160;</td>
			<td style="width:187px;">Nikon Corporation</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:231px;">v7.3 High-speed Camera</td>
			<td style="width:187px;">Phantom</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:231px;">PCIe-6361 Data Acquisition Board&#160;</td>
			<td style="width:187px;">National Instruments</td>
			<td style="width:119px;">781050-01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:231px;">BNC-2120 Shielded Connector Block</td>
			<td style="width:187px;">National Instruments</td>
			<td style="width:119px;">777960-01&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:231px;">PX-250 Plasma Treatment System</td>
			<td style="width:187px;">Nordson MARCH&#160;</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
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microfluidic platform with multiplexed electronic detection for spatial tracking of particles

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.

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...

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Microfluidic Platform with Multiplexed Electronic Detection for Spatial Tracking of Particles

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.

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

Microfluidic processing of biological samples typically involves differential manipulations of suspended particles under various force fields in order to ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

A Microfluidic-based Hydrodynamic Trap for Single Particles

Una de microfluidos basada en hidrodinámica trampa para las partículas individuales

The ability to confine and manipulate single particles in free solution is a key enabling technology for fundamental and applied science.  Methods for ...

Investigación

Bioingeniería

Fluorescence detection methods for microfluidic droplet platforms

Métodos de detección de fluorescencia para las plataformas de las gotas de microfluidos

The development of microfluidic platforms for performing chemistry and biology has in large part been driven by a range of potential benefits that ...

Bridging the Bio-Electronic Interface with Biofabrication

Reducción de la interfaz de Bio-electrónica con Biofabrication

Advancements in lab-on-a-chip technology promise to revolutionize both research and medicine through lower costs, better sensitivity, portability, and ...

Cell Squeezing as a Robust, Microfluidic Intracellular Delivery Platform

Exprimir la célula como un robusto, Microfluidic intracelular Delivery Platform

Rapid mechanical deformation of cells has emerged as a promising, vector-free method for intracellular delivery of macromolecules and nanomaterials. This ...

Microfluidic Platform for Measuring Neutrophil Chemotaxis from Unprocessed Whole Blood

Plataforma de microfluidos para la medición de quimiotaxis de neutrófilos a partir de sangre entera sin procesar

Neutrophils play an essential role in protection against infections and their numbers in the blood are frequently measured in the clinic. Higher ...

A Microfluidic Platform for Precision Small-volume Sample Processing and Its Use to Size Separate Biological Particles with an Acoustic Microdevice

Una plataforma de microfluidos para el procesamiento de precisión de pequeño volumen de la muestra y su uso para Tamaño partículas biológicas separadas con un Microdevice acústica

A major advantage of microfluidic devices is the ability to manipulate small sample volumes, thus reducing reagent waste and preserving precious sample. ...

A Microfluidic Platform for High-throughput Single-cell Isolation and Culture

Una plataforma microfluídica para el aislamiento de gran procesamiento de celda única y Cultura

Studying the heterogeneity of single cells is crucial for many biological questions, but is technically difficult. Thus, there is a need for a simple, yet ...

Assembly and Tracking of Microbial Community Development within a Microwell Array Platform

Montaje y Seguimiento de Desarrollo Comunitario Microbiano dentro de una Plataforma de Matriz de Micropedulos

The development of microbial communities depends on a combination of complex deterministic and stochastic factors that can dramatically alter the spatial ...

Imaging the Root Hair Morphology of Arabidopsis Seedlings in a Two-layer Microfluidic Platform

Imaging the Root Hair Morphology of Arabidopsis Seedlings in a Two-layer Microfluidic Platform

La morfología del pelo de la raíz de plántulas de Arabidopsis en una plataforma de microfluídica de dos capas de imagen

Root hairs increase root surface area for better water uptake and nutrient absorption by the plant. Because they are small in size and often obscured by ...

A Microfluidic Platform for Longitudinal Imaging in Caenorhabditis elegans

A Microfluidic Platform for Longitudinal Imaging in Caenorhabditis elegans

Una plataforma de microfluidos para la proyección de imagen Longitudinal en Caenorhabditis elegans

In the last decade, microfluidic techniques have been applied to study small animals, including the nematode Caenorhabditis elegans, and have proved ...