RO135233B1 - Dispozitiv microfluidic de detecţie - Google Patents
Dispozitiv microfluidic de detecţie Download PDFInfo
- Publication number
- RO135233B1 RO135233B1 ROA202100061A RO202100061A RO135233B1 RO 135233 B1 RO135233 B1 RO 135233B1 RO A202100061 A ROA202100061 A RO A202100061A RO 202100061 A RO202100061 A RO 202100061A RO 135233 B1 RO135233 B1 RO 135233B1
- Authority
- RO
- Romania
- Prior art keywords
- plasmonic
- paper
- spectrum
- pdms
- calligraphy
- Prior art date
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims description 24
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 28
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 28
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 16
- 239000012491 analyte Substances 0.000 claims description 9
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 8
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 8
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 229920003043 Cellulose fiber Polymers 0.000 description 6
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 2
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000001506 fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 238000004416 surface enhanced Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000000479 surface-enhanced Raman spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- RBTBFTRPCNLSDE-UHFFFAOYSA-N 3,7-bis(dimethylamino)phenothiazin-5-ium Chemical compound C1=CC(N(C)C)=CC2=[S+]C3=CC(N(C)C)=CC=C3N=C21 RBTBFTRPCNLSDE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 1
- 229920001730 Moisture cure polyurethane Polymers 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009830 antibody antigen interaction Effects 0.000 description 1
- 239000013060 biological fluid Substances 0.000 description 1
- 239000000090 biomarker Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000004737 colorimetric analysis Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003100 immobilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001802 infusion Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229960000907 methylthioninium chloride Drugs 0.000 description 1
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000010223 real-time analysis Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- AISMNBXOJRHCIA-UHFFFAOYSA-N trimethylazanium;bromide Chemical compound Br.CN(C)C AISMNBXOJRHCIA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000107 tumor biomarker Substances 0.000 description 1
- 238000001392 ultraviolet--visible--near infrared spectroscopy Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
- C12M1/34—Measuring or testing with condition measuring or sensing means, e.g. colony counters
- C12M1/3446—Photometry, spectroscopy, laser technology
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
- G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Zoology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Description
Invenția se referă la un dispozitiv microfluidic de detecție, portabil și flexibil cu aplicabilitate în detecția multimodală spectroscopică, în timp real, a diverșilor analiți în condiții impuse la fața locului (Point-of-Care, POC).
Un efort deosebit continuă să fie acordat în lumea științifică dezvoltării de dispozitive inovatoare ieftine, dar eficiente, de tip POC pentru implementarea lor directă și imediată în diferite aplicații specifice (bio)medicale de interes, în vederea îmbunătățirii calității vieții (Sensors 2020, 20, 1951; Biosensors and Bioelectronics 2016, 77, 774-789). În prezent, dispozitivele de detecție existente prezintă propriile lor avantaje și limitări. Deși s-au făcut progrese tehnologice remarcabile în această direcție, problemele importante pentru care încă se caută o soluție viabilă sunt legate de flexibilizarea acestora, miniaturizarea, portabilitatea, diminuarea efectelor invazive, reducerea costurilor de fabricare, stabilitatea pe termen lung, capacitatea de biodetecție în timp real, direct la fața locului, etc.
Este cunoscut din documentul RO 133447 B1 un procedeu de fabricare a unui dispozitiv microfluidic realizat prin integrarea în interiorul unui canal microfluidic din PDMS a unui film nanoparticulat format din AuBPs pe substrat de sticlă, ce permite circulația continuă în flux laminai a unui fluid biologic. Pentru acest procedeu de fabricare sunt necesare strategii laborioase în mai mulți pași de pre-activare a suprafeței de sticlă, de funcționalizare și imobilizare a transductorilor plasmonici (Nanotechnology 2020, 31, 335502).
Hârtia de filtru, datorită capacităților de absorbție/adsorbție (atât a absorbi cât și adsorbi, adică a fixa) a lichidelor, acționează ca un canal microfluidic natural, având o serie de avantaje remarcabile precum cost redus, flexibilitate, biocompatibilitate, portabilitate, miniaturizare, suprafață de contact generoasă, posibilitatea de modificare/ funcționalizare/ activare a suprafeței acesteia. O metodă simplă, ieftină și eficientă de imobilizare a nanoparticulelor de aur pe hârtie constă în caligrafia plasmonică, cu ajutorul căruia se pot trasa linii plasmonice izolate spațial - direct pe hârtia de filtru, prin folosirea unui stilou comercial umplut cu soluție apoasă de nanoparticule plasmonice (Nanomaterials 2020, 10, 1025). Platformele pe suport de hârtie au fost deja implementate pentru detecție folosind diferite tehnici, cum ar fi colorimetria (Paper-hased Analytical Devices for Chemical Analysis and Diagnostics - Chapter 4, Elsevier, 2022, 59-79), electrochimia (Lab cm a Chip 2020, 20), fluorescenta (Sensors and Actimtors B: Chemical 2020, 306, 127239), etc., dar sunt susceptibile de a fi ușor de contaminat sau deteriorat, nefiind protejate de factorii externi ai mediul înconjurător.
Detecția eficientă în volum 3D, în flux laminai, în interiorul unui dispozitiv microfluidic având o adâncime de 50 um, prin Spectroscopie Raman Amplificată de Suprafață (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS), a fost demonstrată în literatură, dar, în acest caz, detecția este condiționată de integrarea în interiorul canalului microfluidic a unor microstructuri active 3D de argint fabricate prin procesul de reducere indus de absorbția de doi fotoni în punctul focal al unui laser (Q-switched 1064 nm Nd:YAG) conectat la un microscop (Optical Materials Express 2016, 6, 1587-1593), ceea ce implică costuri ridicate de realizare a dispozitivului final, precum și un proces de microstructurare lung și relativ complicat.
Problema pe care o rezolvă această invenție constă în detecția și identificarea simultană, în timp real, în flux laminat a unor analiți de interes.
Dispozitivul microfluidic de detecție, portabil și flexibil, conform invenției, este alcătuit dintr-o hârtie de filtru pe care s-a caligrafiat o linie plasmonică cu ajutorul unui stilou comercial umplut cu cerneală coloidală de nanoparticule bipiramidale de aur, AuBPs, intercalată între două straturi transparente de polidimetilsiloxan (PDMS), formând o structură de tip sandwich, structura astfel formată fiind prevăzut cu trei orificii, un orificiu de intrare pentru injectarea controlată a analiților de interes, și respectiv două orificii de ieșire pentru eliminarea analiților în flux continuu.
Prin aplicarea prezentei invenții se obțin următoarele avantaje: 1
- portabilitatea și miniaturizarea dispozitivului microfluidic hibrid;
- se evită contaminarea sau deteriorarea nanosenzorului prin integrarea hârtiei 3 plasmonice caligrafiate între două straturi transparente de PDMS;
- volum redus de probă de analizat (100 μί), precum și posibilitatea, dacă se 5 impune-dorește, eliminării oricăror surse externe de injectare a probei de analizat în interiorul dispozitivului microfluidic hibrid; 7
- capacitatea dispozitivului microfluidic hibrid de a detecta analiți în timp real și rapid (circa 1-10 minute);9
- capacitatea dispozitivului microfluidic hibrid de detecție multimodală: LSPR, SERS și fluorescentă.11
Se prezintă în continuare un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1...6:
- fig. 1, reprezintă schema ilustrativă 3D a dispozitivului microfluidic plasmonic 13 integrat;
- fig. 2, imaginea digitală a dispozitivului microfluidic hibrid final;15
- fig. 3, prezintă montajul experimental implementat în procesul de detecție multiplă în interiorul dispozitivului microfluidic hibrid;17
- fig. 4, prezintă spectrele de extincție normalizate ale AuBPs înainte și după caligrafierea acestora;19
- fig. 5, prezintă comparativ spectrele Raman ale hârtiei Whatman;
- fig. 6, prezintă spectrul de emisie de fluorescență a moleculelor MB injectate în 21 dispozitiv.
În fig. 1 este reprezentată schema ilustrativă 3D a dispozitivului microfluidic 23 plasmonic integrat, prezentând pașii tehnologici urmați în procesul de asamblare al acestuia, și anume fabricarea hârtiei plasmonice prin abordarea metodei de caligrafie plasmonică cu 25 ajutorul căreia se poate trasa o linie plasmonică în configurația dorită (A), integrarea controlată a hârtiei plasmonice astfel caligrafiate între 2 straturi flexibile și transparente de PDMS 27 preparate anterior (B) și asamblarea dispozitivului microfluidic hibrid flexibil final ce conține o intrare prin care se va injecta proba și două ieșiri ce permit eliminarea probei injectate (C). 29
Fig. 2 prezintă imaginea digitală a dispozitivului microfluidic hibrid final obținut în configurația experimentală prin integrarea unei hârtii Whatman nr. 1 - caligrafiată cu AuBPs 31 disponibile în soluție apoasă- între două straturi de PDMS, evidențiind astfel (A) flexibilitatea și (B) profilul dispozitivului hibrid în care se observă hârtia plasmonică integrată. 33
În fig. 3 se prezintă montajul experimental implementat în procesul de detecție multiplă în interiorul dispozitivului microfluidic hibrid dezvoltat prin folosirea a două siringi 35 care permit realizarea fluxului continuu în interiorul circuitului microfluidic în timpul măsurătorilor experimentale LSPR, SERS și fluorescentă. 37
Testarea dispozitivului microfluidic plasmonic hibrid fabricat pentru detectarea LSPR în timp real a moleculei de analit MB (concentrație de 10-5 M), în flux laminar, injectat în 39 interiorul dispozitivului prin orificiul de intrare este prezentată în fig. 4. Spectrul de extincție normalizat UV-Vis-NIR al AuBPs sintetizate în soluție coloidală folosite ca și cerneală 41 plasmonică înainte (spectrul negru) și după imobilizarea pe fibrele de celuloză ale hârtiei de filtru Whatman nr. 1 prin caligrafie plasmonică (spectrul roșu), respectiv după injectarea a 43 100 :L MB în interiorul dispozitivului (spectrul albastru).
Testarea dispozitivului microfluidic plasmonic hibrid fabricat pentru detectarea SERS 45 în timp real a moleculei de analit MB (concentrație de 10-5 M), în flux laminar. Spectrul Raman colectat direct pe hârtia de filtru Whatman nr. 1 (spectrul negru), pe stratul de PDMS 47 transparent tratat termic (spectrul gri), în interiorul dispozitivul microfluidic plasmonic final, colectat lângă linia caligrafiată plasmonic (spectrul verde), direct pe hârtie după injectarea soluției de MB (spectrul roșu), precum și spectrul SERS al moleculelor de MB colectat pe linia plasmonică, după captarea MB (spectrul albastru), utilizând ca și sursă de excitație o diodă laser la lungimea de undă 785 nm. Benzile caracteristice ale PDMS au fost identificate și marcate cu romb, iar modurile vibraționale specifice moleculei MB au fost evidențiate prin marcarea cu *.
În fig. 6 este prezentată testarea dispozitivului microfluidic plasmonic fabricat pentru detectarea emisiei de fluorescentă a moleculei de analit MB (concentrație de 10-5 M) în flux laminar. Spectrul de emisie de fluorescentă a MB injectată în dispozitiv, colectat lângă linia plasmonică, pe hârtie ca și spectru de referință (spectrul negru) comparativ cu spectrul colectat pe linia plasmonică caligrafiată (spectrul albastru).
Fabricarea dispozitivul microfluidic portabil și miniaturizat se realizează prin fixarea între două straturi de polidimetilsiloxan (PDMS) a unei foițe de hârtie de filtru Whatman nr. 1 impregnată cu nanoparticule bipiramidale de aur (AuBPs) printr-o procedură inovativă de caligrafiere ce permite depunerea în mod controlat, în configurații de linii plasmonice în formă de Y, a nanoparticulelor cu ajutorul unui stilou Herlitz comercial având cartușul umplut cu o soluție apoasă de AuBPs. Structura tip sandwich (PDMS-hârtie-PDMS) a dispozitivului permite injectarea controlată a analiților de interes în flux continuu cu expunerea acestora în imediata vecinătate a AuBPs pe nano- și microfibrele de celuloză din hârtie. Nanoparticulele plasmonice în general, dar în mod special cele de formă anizotropă, în acest caz AuBPs, având proprietăți optice avantajoase, joacă rolul de transductori senzoristici ai analiților din imediata vecinătate a nanoparticulelor. Dispozitivul plasmonic final permite detecția și identificarea simultană, în timp real, în flux laminai a unor analiți de interes. Invenția este aplicabilă direct în domeniul senzoristicii pentru detecția și identificare prin trei metode spectroscopice a unor analiți relevanți, aflați în soluție apoasă, din diferite probe biologice sau de mediu (bioanaliți, biomarkeri, etc.).
Noutatea invenției constă în realizarea pentru prima dată a unei structuri microfluidice robuste formate prin intercalarea unei hârtii de filtru Whatman nr. 1 caligrafiate cu AuBPs, între două straturi flexible și transparente de PDMS cu scopul de a fabrica un nou dispozitiv microfluidic miniaturizat, portabil și reproductibil ce permite - datorită nanoparticulelor integrate ca și nanosenzori plasmonici- implementarea simultană a trei metode de detecție: LSPR, SERS și fluorescentă.
Pentru testarea dispozitivului microfluidic plasmonic hibrid fabricat, am injectat în flux continuu un volum de 100 pL de albastru de metilenă (MB, concentrație de 10-5M), cu un flux de infuzie de 1 pL/min, și am urmărit detecția LSPR în timp real a moleculelor de analit ca și proof-of-concept. Joncțiunea plasmonică în Y din interiorul dispozitivului microfluidic a fost caracterizată optic folosind un spectrometru portabil OceanOptics USB 4000 cuplat la un microscop optic inversat Zeiss Axio Observer ZI printr-o fibră optică de 600 pm. În fig.4 sunt prezentate spectrele de extincție normalizate ale AuBPs înainte (în stare coloidală, spectrul negru) și după caligrafierea acestora (spectrul roșu) pe fibrele de celuloză prin noua metodă de caligrafie propusă. Din spectrele de extincție colectate putem observa că AuBPs își conservă proprietățile optice după caligrafiere pe hârtie, în spectru fiind vizibile ambele lor benzi plasmonice caracteristice, dar și o deplasare așteptată a benzii longitudinale către lungimi de undă mai mici (de la 813 la 777 nm) datorită scăderii indicelui de refracție al mediului din jurul nanoparticulelor, de la 1.333 (indicele de refracție al apei) la 1 (indicele de refracție al aerului). Mai departe, după injectarea soluției de MB în dispozitivul proiectat și fabricat, spectrul de extincție colectat de pe linia plasmonică caligrafiată după grefarea MB (fig. 4, spectrul albastru) arată o deplasare suplimentară a benzii longitudinale spre lungimi 1 de undă mai mari (817 nm) ca urmare a modificării indicelui de refracție al mediului învecinat AuBPs, concomitent cu apariția în spectru în jurul valorii de 675 nm a benzii electronice de 3 absorpție a moleculelor de MB, demonstrând astfel detecția LSPR în timp real a analitului MB în flux laminai. 5
Mai departe, capacitatea dispozitivului de detecție multimodală în timp real a moleculelor țintă de MB (concentrație de 10-5 M) este demonstrată prin măsurători SERS, 7 o tehnică ultrasenzitivă și ultrasensibilă utilizată intensiv în ultima decadă pentru identificarea amprentei vibraționale a moleculelor de interes situate în vecinătatea sau în contact cu 9 nanoparticulelor plasmonice, aducând informații complementare față de tehnica precedentă. Așadar, fig.5 prezintă comparativ spectrele Raman ale hârtiei Whatman nr. 1 (spectrul 11 negru), stratului de PDMS transparent (spectrul gri), hârtiei Whatman nr. 1 integrată în PDMS (spectrul verde), moleculelor de MB pe hârtia integrată în PDMS, colectat lângă linia cali- 13 grafiată plasmonic (spectrul roșu), precum și spectrul SERS ale moleculelor de MB captate pe suprafața AuBPs imobilizate în prealabil pe fibrele de celuloză ale hârtiei prin caligrafie 15 (spectrul albastru), utilizând ca și sursă de excitație o diodă laser la lungimea de undă 785 nm (folosind o putere de 196 mW), parte integrantă a unui spectrometru Raman portabil 17 Raman Systems R3000CN. Așa cum ne așteptam, prezența modurilor vibraționale caracteristice moleculei MB, marcate în fig.5, spectrul albastru cu *, la 1071 cm-1 (C - H in-plane 19 bending), 1139 cm-1 (C - H out-of-plane bending), 1356 cm-1 (C-H in-plane ring deformation), 1422 cm-1 (C - N asym. stretching), 1497 cm-1 (C - C ring stretching), atribuite conform 21 datelor din literatura de specialitate (Chemical Physics Letters 2007, 447, 305-309; Thin Solid Films, 2010,518,7128-7132), demonstrează identificarea cu succes a analitului MB 23 în flux laminai datorită amplificării semnalului de către câmpul electromagnetic generat de către AuBPs caligrafiate pe hârtie. 25
În final, am exploatat spectroscopia de fluorescentă, o altă metodă spectroscopică bine cunoscută ce a stârnit în ultimii ani un interes considerabil în cadrul comunității științifice 27 datorită rolului ei important în detecția ultrasensibilă (Chemical Asian Journal 2020, 15,3180-3208). Prezența nanostructurilor de metal nobil, poate influența semnalul de 29 fluorescentă al fluoroforilor de interes situați în vecinătatea acestora. Așadar, capacitatea dispozitivului hibrid proiectat de a detecta semnale de fluorescentă în flux continuu a fost mai 31 departe testată utilizând un accesoriu de epifluorescență, și anume modulul EFA 383, atașat unui spectrofluorimetru Jasco LP 6500, cu o rezoluție spectrală de 1 nm și echipat cu o 33 lampă de Xenon ca sursă de excitație. Fig. 6 prezintă spectrul de emisie de fluorescentă a moleculelor MB injectate în dispozitiv, colectat lângă linia plasmonică, pe hârtie, ca și spectru 35 de referință (spectrul negru) comparativ cu spectrul colectat pe linia plasmonică caligrafiată (spectrul albastru), folosind o lungime de undă de excitație de 670 nm. Spectrele de 37 fluorescentă colectate în timp real demonstrează abilitatea dispozitivului de detecție de fluorofori în flux laminai în timp real. Concret, după cum poate fi observat în fig. 6, MB 39 adsorbită direct de hârtia Whatman nr. 1, dupa injectarea acesteia în interiorul dispozitivului microfluidic, prezintă un maxim de emisie de fluorescenta la 686 nm (spectrul negru), spre 41 deosebire de MB captate pe suprafața AuBPs caligrafiate pe hârtie care prezintă un maxim de emisie de fluorescentă la 683 nm, această deplasare spre lungimi de undă mai mici 43 confirmând interacțiunea dintre moleculele de analit și suprafața nanosenzorului. Prin personalizare, acest dispozitiv portabil și versatil poate fi transferat direct în aplicații specifice 45 de biosenzoristică de tip POC.
Etapele de asamblare a dispozitivului hibrid flexibil, stabil, ieftin, reproductibil, portabil și miniaturizat constau în:
1. Primul pas efectuat a fost obținerea hârtiei plasmonice caligrafiate cu o configurație în formă de Y (fig. 1A) prin: i) producerea „cernelii plasmonice conținând suspensii coloidale de AuBPs preparate printr-o metodă de sinteză chimică în doi pași (Analytical Chemistry 2018, 90, 8567-8575) urmată de ii) depunerea și imobilizarea AuBPs pe hârtie de filtru (Whatman nr. 1) realizată prin caligrafie plasmonică folosind un stilou comercial încărcat cu 300 :l de „cerneala plasmonică de concentrație 0.38x10-9 M. Hârtie de filtru, datorită atracției electrostatice dintre fibrele de celuloză și stratul pozitiv de bromură de cetii trimetil amoniu (CTAB), surfactant ce acoperă suprafața nanoparticulelor în mina sintezei, acestea sunt adsorbite eficient pe fibrele de celuloză. În plus, structura microporoasă 3D a hârtiei formată din micro-nanofibre celulozice interconectate îi conferă acesteia atât flexibilitatea cât și permeabilitatea pentru a funcționa ca un canal microfluidic natural. Menționăm faptul că am ales nanoparticule de formă bipiramidală pentru obținerea cernelii plasmonice deoarece acestea expun la vârfurile lor un câmp electromagnetic mult amplificat în raport cu nanoparticulele rotunde, ceea ce le-a calificat sa fie implementate ca nanosenzori plasmonici versatili și ultrasensibili în aplicații spectroscopice (Accounts of Chemical Research 2019, 52, 2136-2146). Așadar, am decupat o fâșie de hârtie de filtru cu dimensiunile de 0.8 cm lățime x 1.5 cm lungime pe suprafață căreia am trasat o linie plasmonică în formă de Y cu lățimea de 1 mm (diametrul stiloului comercial folosit). Menționăm că după fiecare caligrafiere, suportul de hârtie a fost lăsat să se usuce la temperatura camerei. Apoi, acest protocol de caligrafie a fost repetat retrasând de 4 ori succesiv linii plasmonice pe aceeași configurație inițială în Y cu scopul de a controla densitatea optică a nanoparticulelor pe hârtie, obținând astfel o concentrație mai mare de nanoparticule imobilizate pe fibrele de celuloză tară a induce însă modificări majore în spectrele de extincție colectate direct pe linia plasmonică. De reținut faptul că linia plasmonică în Y permite pe viitor adaptarea platformei pentru detecție multiplexată de analiți, sau pentru funcționalizarea selectivă a liniei plasmonice cu diferite elemente de recunoaștere pentru a detecta biomarkeri specifici ai cancerului prin interacțiuni specifice de tip anticorp-antigen, putându-se astfel transfera dispozitivul direct într-o varietate mare de aplicații de tip POC.
2. Următorul pas în fabricarea dispozitivului a fost de a integra hârtia caligrafiată plasmonic, obținută în etapa anterioară, între două straturi transparente de PDMS, cunoscut ca fiind un elastomer transparent din punct de vedere optic și biocompatibil (fig. 1B). Așadar, am folosit un kit SYLGARD 184 de la Dow Corning, format din pre-polimer și agent de întărire, pe care le-am amestecat într-un raport de 10:1, pentru a obține cele două straturi de PDMS între care va urma să integram hârtia caligrafiată obținută în pasul 1. Amestecul de PDMS astfel obținut a fost turnat în forme de plastic dreptunghiulare și degazat timp de 30 de minute într-un desicator cu vid. Apoi, acest amestec de PDMS degazat a fost tratat termic, după cum urmează: stratul inferior de PDMS a fost lăsat la temperatura de 65°C timp de 15 minute într-un incubator, permițând astfel PDMS-ului să fie suficient de întărit pentru a nu lăsa hârtia caligrafiată să se scufunde sau să fie absorbită în matricea 3D de hârtie, dar totuși suficient de adeziv pentru a asigura atașarea hârtiei fară îndoire sau pliere, în timp ce stratul superior de PDMS a fost tratat timp de 25 de minute la 65°C. Pentru asamblarea finală a dispozitivului, după așezarea hârtiei caligrafiate pe stratul inferior de PDMS tratat termic, stratul superior de PDMS a fost extras cu grijă din matrița în care a fost tratat și poziționat peste hârtie, iar ansamblul hibrid final astfel format a continuat să fie tratat termic timp de 35 de minute la 65°C și îndepărtat, în final, din matrița stratului inferior. Mai departe, pentru a asigura un flux continuu de probă prin dispozitiv, am perforat stratul superior de PDMS cu ajutorul unui perforator de diametru 1.25 mm (Elveflow, Franța), generând o intrare și două 1 ieșiri în dreptul celor 3 extremități ale liniei plasmonice caligrafiate în Y, așa cum poate fi vizualizat în fig.1C. Concret, fig.1C prezintă schema ilustrativă 3D finală a dispozitivului 3 microfluidic hibrid asamblat, în care se poate evidenția un tub de intrare prin care se va injecta soluția de analizat și două tuburi de ieșire care vor permite scurgerea, respectiv 5 eliminarea acesteia din interiorul dispozitivului microfluidic. Comparativ, fig.2 ilustrează imaginea digitală a dispozitivului microfluidic hibrid final obținut în configurația experimentală 7 având integrată hârtia Whatman nr. 1 caligrafiată între cele două straturi de PDMS, evidențiind astfel flexibilitatea dar și robustețea acestuia. Așa cum este prezentat în fig.3, 9 dispozitivului microfluidic hibrid asamblat este conectat prin tuburi PTFE (Elveflow) la un set de siringi automatizate NE-4000 NEW Era ce lucrează în tandem și controlează atât 11 injectarea cât și eliminarea și colectarea controlată a lichidului din interiorul dispozitivului. Mai important de notat este faptul ca dispozitivul microfluidic fabricat nu necesită neapărat 13 folosirea unor siringi automatizate pentru injectarea lichidului deoarece hârtia se comportă ca un canal microfluidic natural și, prin urmare, utilizarea surselor externe de pompare nu 15 este obligatorie. În acest caz este necesară doar picurarea probei de analizat în orificiul de intrare și lichidul este absorbit de hârtie și eliminat prin cele două orificii de ieșire. Această 17 configurație experimentală permite implementarea a trei metode de detecție în timp real, în flux continuu de analit injectat, și anume spectroscopia de Rezonanță Plasmonică Localizată 19 de Suprafață (Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR), SERS și spectroscopia de fluorescentă, așa cum am ilustrat schematic în fig. 3. 21
Claims (4)
- 3 Dispozitiv microfluidic de detecție, portabil și flexibil caracterizat prin aceea că este alcătuit dintr-o hârtie de filtru pe care s-a caligrafiat o linie plasmonică cu ajutorul unui stilou
- 5 comercial umplut cu cerneală coloidală de nanoparticule bipiramidale de aur, AuBPs, intercalată între două straturi transparente de polidimetilsiloxan (PDMS), formând o structură
- 7 de tip sandwich, structura astfel formată fiind prevăzut cu trei orificii, un orificiu de intrare pentru injectarea controlată a analiților de interes, și respectiv două orificii de ieșire pentru
- 9 eliminarea analiților în flux continuu.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ROA202100061A RO135233B1 (ro) | 2021-02-18 | 2021-02-18 | Dispozitiv microfluidic de detecţie |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ROA202100061A RO135233B1 (ro) | 2021-02-18 | 2021-02-18 | Dispozitiv microfluidic de detecţie |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RO135233A0 RO135233A0 (ro) | 2021-09-30 |
| RO135233B1 true RO135233B1 (ro) | 2024-03-29 |
Family
ID=77914083
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ROA202100061A RO135233B1 (ro) | 2021-02-18 | 2021-02-18 | Dispozitiv microfluidic de detecţie |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RO (1) | RO135233B1 (ro) |
-
2021
- 2021-02-18 RO ROA202100061A patent/RO135233B1/ro unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RO135233A0 (ro) | 2021-09-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9453996B2 (en) | Devices and methods for staining and microscopy | |
| Chang-Yen et al. | An integrated optical oxygen sensor fabricated using rapid-prototyping techniques | |
| Sirbuly et al. | Multifunctional nanowire evanescent wave optical sensors | |
| JP2020016659A (ja) | 小型流体分析デバイスおよび製造方法 | |
| WO2008127405A2 (en) | Microfluidic device with a cylindrical microchannel and a method for fabricating same | |
| Kelemen et al. | Direct writing of optical microresonators in a lab-on-a-chip for label-free biosensing | |
| TWI484157B (zh) | 分子感測裝置及其製作方法 | |
| EP2313339A1 (en) | A microfluidic device and method for fabricating the microfluidic device | |
| CN101965225A (zh) | 用于过滤流体的过滤装置 | |
| CN110068556A (zh) | 用于光谱测量的光纤微流芯片 | |
| CN110102355B (zh) | 一种微流控免疫分析芯片及系统 | |
| US20150153283A1 (en) | Capillary flow plasmonic sensor | |
| WO2015140362A1 (es) | Dispositivo y método para la detección de biomarcadores | |
| CN103920545A (zh) | 基于pdms芯片的微流体可调谐光学滤波器及其制作方法 | |
| Seiler et al. | Direct spectral imaging of plasmonic nanohole arrays for real-time sensing | |
| CN101788478B (zh) | 光纤式定域等离子体共振感测装置及其系统 | |
| RO135233B1 (ro) | Dispozitiv microfluidic de detecţie | |
| IE20170055A1 (en) | Surface plasmon resonance sensor device using microfluidic channel and system comprising the same | |
| IE87076B1 (en) | Surface plasmon resonance sensor device using microfluidic channel and system comprising the same | |
| Wei et al. | All-fiber biological detection microfluidic chip based on space division and wavelength division multiplexing technologies | |
| US11027277B2 (en) | Device for collecting a liquid sample by capillarity | |
| DE50110042D1 (de) | Mikrohybridisierungskammer | |
| ES2612340B1 (es) | Sensor, aparato y procedimiento para la determinación de la concentración de solutos en disoluciones | |
| CN207756164U (zh) | 基于纳米压印微流芯片的生物医学检测系统 | |
| US20140099703A1 (en) | Capillary Waveguide Cuvette |