Високочутливі мікрорідкі калориметри для біологічних та хімічних застосувань PNAS

Знайдіть цього автора на Google Scholar
Знайдіть цього автора на PubMed
Шукайте цього автора на цьому сайті
Для листування: [email protected]

Відредаговано Джорджем М. Уайтсайдом, Гарвардський університет, Кембридж, Массачусетс, та затверджено 22 липня 2009 р. (Отримано на огляд 9 лютого 2009 р.)

Ця стаття має виправлення. Дивіться:

Анотація

Флюїдні калориметри надають можливість повністю характеризувати термодинаміку хімічних процесів без маркування або іммобілізації аналіту. Ця гнучкість широко використовується для вивчення біомолекулярних взаємодій, внутрішньомолекулярних структурних змін та кінетики ферментів (1–3). Однак протоколи вимірювання з існуючими калориметрами передбачають порівняно великі обсяги зразків, як правило, в масштабі сотні мікролітрів, і тривалий час вимірювання, як правило, порядку десятків хвилин.

Зростає потреба у високопродуктивних малих об’ємах текучих калориметрів як для фундаментальних наукових досліджень, так і для застосування в техніці. Останні події в мікровиробництві тепер дозволяють будувати «мікросхеми калориметрів», здатні вимірювати обсяги, починаючи від мікролітра і закінчуючи десятками шкали піколітрів (4–14). У майбутньому масштабування операцій на основі масивів дозволить забезпечити високу пропускну здатність вимірювань із зменшеними обсягами зразків, необхідними для того, щоб зробити калориметричний скринінг великих бібліотек аналіту економічно вигідним. Незважаючи на те, що існуючі калориметри чіпів припускають можливість таких майбутніх можливостей, практичному розвитку та впровадженню цієї технології заважають низька чутливість пристрою та відсутність надійної обробки зразків до обсягів піколітрів.

Чіп-калориметри можна класифікувати на дві категорії відповідно до конфігурації їх вимірювальних/реакційних камер. Відкриті камерні мікросхеми калориметри будуються за допомогою термоізольованих свердловин або платформ, на яких зразки помічаються у вигляді крапель за допомогою мікропіпетки або струменевого друку (4–10). Закритокамерні мікросхеми калориметри, навпаки, використовують мікрофлюїдні канали для доступу до закритих вимірювальних камер, в які вводять зразки та контролюють реакції (11–14). Хоча відкриті камерні мікросхеми калориметри забезпечують досить хорошу теплову ізоляцію, вони, як правило, страждають від критичних обмежень, що виникають внаслідок випаровування та незручності при обробці зразків. Це може легко призвести до помилкових вимірювань. З іншого боку, калориметри з мікросхемою із закритою камерою, як правило, мають більшу теплопровідність до свого оточення порівняно з конструкціями з відкритими камерами. Це може призвести до значних втрат тепла, що, в свою чергу, може обмежити чутливість пристрою. Крім того, їх чутливість зазвичай страждає від більшої теплоємності пристрою, ніж загальна для пристроїв з відкритою камерою.

Тут ми повідомляємо про виготовлення та експлуатацію калориметрів із закритою камерою на основі мікрочіпів на основі нової конфігурації, що забезпечує значно підвищену чутливість. Ми вбудовуємо калориметр у тонкоплівкову мікрофлюїдну систему парилену, яка теплоізольована від навколишнього середовища за допомогою вакуумної інкапсуляції на чіпі. Обробка зразків при 1 нл і нижче забезпечується взаємодією цих калориметрів з м’якими пневматичними мікрожидкостями (клапанами, насосами та проточними каналами) для легкого та точного контролю реакції. Цю технологію можна легко масштабувати до архітектур масивів, здатних проводити високопродуктивні калориметричні аналізи для широкого спектру застосувань у хімії, науках про життя та медицині.

Результати і обговорення

Розроблені нами калориметри складаються з трьох основних компонентів: мікрожидкості, термоелектрики та вакуумної інкапсуляції (рис. 1 та 2). Мікрофлюїдики включають вимірювальну камеру, проточні канали та пневматичні компоненти регулювання потоку, що включають клапани та насоси. В мікрорідку камеру вбудовані термопілоти для місцевого вимірювання температури. Мікрофлюїдні канали та вимірювальна камера укладені у вакуумну інкапсуляцію (рис. 1 B та C).

Мікрофлюїдний калориметричний мікросхема на основі парилен-полімеру. (A) Мікросхема пристрою (3 × 3 см), встановлена на вакуумному патроні. Відображаються провідники датчика (ліворуч) і мікрожидкостна трубка управління PDMS (справа). (B) Пристрій (схема поперечного перерізу). Париленову мембрану підвішують і термічно ізолюють за допомогою вакууму. (C) Оптично-мікроскопічне зображення області вимірювальної камери мікросхеми, включаючи межі вакуумного простору на мікросхемі. Вакуумна евакуація відбувається через фіолетовий отвір, видимий у верхньому лівому куті. (D) Мікрофлюїди парилену, термопіла та нагрівач на мембрані парилену (квадрат ≈1,5 мм). Термопіла має звивисту форму для збільшення її поздовжнього теплового опору. Підвішена париленова мембрана прозора; його червонуватий колір виникає головним чином від відбиття світла. (E) Збільшений вигляд вимірювальної камери парилену 3,5 нл (діаметр 200 мкм) та сполучних каналів (шириною 35 мкм), оточених вакуумом. Реакційна камера злегка набрякає через різницю тисків (порівняно з D), коли вакуумну камеру евакуюють.

Мікрофлюїдний макет. Пневматично керований мікрофлюїдний мікросхем PDMS поєднаний з мікрофлюїдними парилінами на мікросхемі калориметра. Шар управління PDMS (червоний) містить клапани та перистальтичні насоси. Шар потоку PDMS (синій) підключений до париленового каналу (чорний) через SU-8 через. У правому верхньому куті вбудовані чотири насоси для впорскування (містять клапани великої площі).

Основні компоненти калориметра, включаючи вимірювальну камеру та термометр, побудовані на тонкій прозорій полімерній мембрані парилен-С, як показано на рис. 1D. Парилен-С, який входить до складу поліксиліленової полімерної серії, використовується як конструкційний матеріал цієї мембрани та основні мікрофлюїдні компоненти. У цьому пристрої вони складаються з чотирьох каналів та реакційно-вимірювальної камери. Камера розташована в центрі мембрани і з'єднується з текучими каналами, що використовуються для ін'єкції та продувки зразка. У типовому протоколі вимірювання два різні розчини зразків вводяться в камеру з двох окремих каналів. Після вимірювання буферний розчин з третього каналу промиває камеру, а його вміст евакуюється через четвертий канал.

Розробляючи калориметр на основі мікросхем, є критичним і складним завданням розробити невелику теплову потужність пристрою порівняно з потужністю самого зразка. Унікальне парофазне осадження парилену дозволяє йому утворювати дуже тонкі конформні шари. Мікрофлюїдні структури парилену в нашому пристрої мають товщину стінок ≈2 мкм, що дозволяє дуже істотно зменшити теплоємність пристрою порівняно з попередньою реалізацією калориметра із закритим чіпом. Парилен також є чудовим ізолюючим матеріалом, що забезпечує суттєве додаткове поліпшення теплоізоляції калориметричної камери.