Calorimetre microfluidice de înaltă sensibilitate pentru aplicații biologice și chimice PNAS

Găsiți acest autor pe Google Scholar
Găsiți acest autor pe PubMed
Căutați acest autor pe acest site
Pentru corespondență: [email protected]

Editat de George M. Whitesides, Universitatea Harvard, Cambridge, MA și aprobat la 22 iulie 2009 (primit pentru examinare 9 februarie 2009)

Acest articol are o corecție. Te rog vezi:

Abstract

Calorimetrele fluidice oferă capacitatea de a caracteriza termodinamica proceselor chimice complet fără etichetare sau imobilizarea analitului. Această flexibilitate este utilizată pe scară largă pentru studiul interacțiunilor biomoleculare, modificărilor structurale intramoleculare și cinetica enzimatică (1-3). Cu toate acestea, protocoalele de măsurare cu calorimetrele existente implică volume de probă relativ mari, de obicei pe scara a sute de microlitri și timpi lungi de măsurare, de obicei de ordinul a zeci de minute.

Există o nevoie din ce în ce mai mare de calorimetrele fluidice cu volum mic, atât pentru cercetarea științifică fundamentală, cât și pentru aplicațiile în tehnologie. Dezvoltările recente în microfabricare fac acum posibilă construirea de „calorimetre cu cip” capabile să testeze volume variind de la microlitru la scara zecilor de picolitri (4-14). În viitor, extinderea operațiunilor bazate pe matrice va permite un randament ridicat de măsurare cu volumele reduse de eșantioane necesare pentru a face rentabil screeningul calorimetric al marilor biblioteci de analiți. Deși calorimetrele cu cip existente sugerează fezabilitatea unor astfel de posibilități viitoare, dezvoltarea practică și desfășurarea acestei tehnologii au fost îngreunate de sensibilitatea redusă a dispozitivului și de lipsa manipulării fiabile a probelor până la volume de picoliteri.

Calorimetrele cu cip pot fi clasificate în două categorii în funcție de configurația camerelor lor de măsurare/reacție. Calorimetrele cu cipuri cu cameră deschisă sunt construite utilizând puțuri sau platforme izolate termic pe care eșantioanele sunt observate sub formă de picături prin micropipetă sau imprimare cu jet de cerneală (4-10). În schimb, calorimetrele cu cipuri cu cameră închisă utilizează canale microfluidice pentru a accesa camere de măsurare închise, în care sunt introduse probele și sunt monitorizate reacțiile (11-14). Deși calorimetrele cu cipuri cu cameră deschisă oferă o izolație termică destul de bună, acestea suferă în general de limitări critice care rezultă din evaporare și stângăcie în manipularea probelor. Acestea pot duce cu ușurință la măsurători eronate. Pe de altă parte, calorimetrele cu cipuri cu cameră închisă au, în general, o conductanță termică mai mare față de mediul înconjurător în comparație cu modelele cu cameră deschisă. Acest lucru poate duce la pierderi semnificative de căldură, care, la rândul lor, pot limita sensibilitatea dispozitivului. În plus, sensibilitatea lor suferă de obicei de o capacitate de căldură a dispozitivului mai mare decât cea comună dispozitivelor cu cameră deschisă.

Raportăm aici fabricarea și funcționarea calorimetrelor cu cameră închisă pe bază de microcip pe baza unei noi configurații care oferă o sensibilitate mult îmbunătățită. Incorporăm calorimetrul într-un sistem microfluidic de parilenă cu peliculă subțire, care este izolat termic de împrejurimile sale prin încapsulare sub cip. Manevrarea probelor la 1 nL și mai jos este asigurată prin interfața acestor calorimetre cu microfluidice pneumatice moi (supape, pompe și canale de curgere) pentru un control ușor și precis al reacției. Această tehnologie poate fi ușor extinsă la arhitecturi de matrice capabile de teste calorimetrice de mare viteză pentru o gamă largă de aplicații în chimie, științele vieții și medicină.

Rezultate si discutii

Calorimetrele pe care le-am dezvoltat cuprind trei componente principale: microfluidice, termopile și încapsulare în vid (figurile 1 și 2). Microfluidicele includ o cameră de măsurare, canale de curgere și componente pneumatice de control al debitului cuprinzând supape și pompe. În camera microfluidică sunt integrate termopile pentru măsurarea locală a temperaturii. Canalele microfluidice și camera de măsurare sunt închise în incapsulare vidată (Fig. 1 B și C).

Cip calorimetru microfluidic pe bază de parilen-polimer. (A) Cipul dispozitivului (3 × 3 cm) montat pe o mandrină de vid. Sunt afișate cablurile senzorului (stânga) și tubulatura de control microfluidic PDMS (dreapta). (B) Schema dispozitivului (vedere în secțiune transversală). Membrana parilenică este suspendată și izolată termic prin vid. (C) Imagine cu microscopie optică a regiunii camerei de măsurare a cipului, inclusiv limita spațiului de vid pe cip. Evacuarea prin vid se face prin orificiul purpuriu vizibil în partea stângă sus. (D) Microfluidica parilenică, termopilul și încălzitorul de pe membrana parilenică (pătrat de ± 1,5 mm). Termopilul are o formă șerpuitoare pentru a-și crește rezistența termică longitudinală. Membrana parilenică suspendată este transparentă; culoarea sa roșiatică apare în principal din reflexia luminii. (E) Vedere mărită a camerei de măsurare a parilenei de 3,5 nL (diametru de 200 μm) și a canalelor de conectare (lățime de 35 μm) înconjurate de vid. Camera de reacție se umflă ușor din cauza diferenței de presiune (comparativ cu D) atunci când camera de vid este evacuată.

Aspect microfluidic. Cip microfluidic PDMS controlat pneumatic împerecheat cu microfluidici parilenici pe cipul calorimetru. Stratul de control PDMS (roșu) conține supape și pompe peristaltice. Stratul de curgere PDMS (albastru) este conectat la canalul de parilenă (negru) printr-un SU-8 via. Patru pompe de injecție (care conțin supape cu suprafață mare) sunt construite în colțul din dreapta sus.

Principalele componente calorimetrice, inclusiv camera de măsurare și termometrul, sunt construite pe o membrană subțire, transparentă din polimer parilen-C, așa cum se arată în Fig. 1D. Paralen-C, un membru al seriei de polimeri polilililenici, este utilizat ca material structural al acestei membrane și ca principali componenți microfluidici. În acest dispozitiv, acestea constau din patru canale și camera de reacție/măsurare. Camera este situată în centrul membranei și se conectează la canalele fluidice utilizate pentru injectarea și purjarea probei. Într-un protocol tipic de măsurare, două soluții diferite de probă sunt injectate în cameră din două canale separate. După măsurare, soluția tampon dintr-un al treilea canal spală camera, iar conținutul său este evacuat printr-un al patrulea canal.

În dezvoltarea unui calorimetru pe bază de cipuri, este atât critic, cât și provocator să creăm o capacitate mică de căldură a dispozitivului relativă la cea a eșantionului în sine. Depunerea unică în fază de vapori a parilenei îi permite să formeze straturi foarte subțiri, conforme. Structurile microfluidice de parilenă din dispozitivul nostru au pereți cu grosimea de μ2-μm, care permit o reducere foarte semnificativă a capacității de căldură a dispozitivului comparativ cu cea a implementărilor anterioare cu calorimetru cu cip închis. Paralenul este, de asemenea, un material izolant excelent, care oferă o îmbunătățire suplimentară substanțială a izolației termice a camerei de calorimetrie.