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.

<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. F., 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=A+microfluidic+device+for+label-free,+physical+capture+of+circulating+tumor+cell+clusters.">A microfluidic device for label-free, physical capture of circulating tumor cell clusters.</a> Nat Methods. 12 (7), 685-691 (2015).</li><li>Cermak, 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=High-throughput+measurement+of+single-cell+growth+rates+using+serial+microfluidic+mass+sensor+arrays.">High-throughput measurement of single-cell growth rates using serial microfluidic mass sensor arrays.</a> Nat Biotechnol. , (2016).</li><li>Gossett, D., 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=Label-free+cell+separation+and+sorting+in+microfluidic+systems.">Label-free cell separation and sorting in microfluidic systems.</a> Anal Bioanal Chem. 397 (8), 3249-3267 (2010).</li><li>Tsutsui, H., Ho, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cell+separation+by+non-inertial+force+fields+in+microfluidic+systems.">Cell separation by non-inertial force fields in microfluidic systems.</a> Mech Res Commun. 36 (1), 92-103 (2009).</li><li>Edwards, T. L., Gale, B. K., Frazier, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+microfabricated+thermal+field-flow+fractionation+system.">A microfabricated thermal field-flow fractionation system.</a> Anal Chem. 74 (6), 1211-1216 (2002).</li><li>Wang, M. M., 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+sorting+of+mammalian+cells+by+optical+force+switching.">Microfluidic sorting of mammalian cells by optical force switching.</a> Nat Biotechnol. 23 (1), 83-87 (2005).</li><li>Shields, C. W., Reyes, C. D., L&#243;pez, G. P. <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+sorting:+a+review+of+the+advances+in+the+separation+of+cells+from+debulking+to+rare+cell+isolation.">Microfluidic cell sorting: a review of the advances in the separation of cells from debulking to rare cell isolation.</a> Lab Chip. 15 (5), 1230-1249 (2015).</li><li>Gawad, S., Schild, L., Renaud, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micromachined+impedance+spectroscopy+flow+cytometer+for+cell+analysis+and+particle+sizing.">Micromachined impedance spectroscopy flow cytometer for cell analysis and particle sizing.</a> Lab Chip. 1 (1), 76-82 (2001).</li><li>Haandb&#230;k, N., B&#252;rgel, S. C., Heer, F., Hierlemann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+subcellular+morphology+of+single+yeast+cells+using+high+frequency+microfluidic+impedance+cytometer.">Characterization of subcellular morphology of single yeast cells using high frequency microfluidic impedance cytometer.</a> Lab Chip. 14 (2), 369-377 (2014).</li><li>Bayley, H., Martin, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resistive-pulse+sensing-from+microbes+to+molecules.">Resistive-pulse sensing-from microbes to molecules.</a> Chem Rev. 100 (7), 2575-2594 (2000).</li><li>Polling, D., Deane, S. C., Burcher, M. R., Glasse, C., Reccius, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coded+electrodes+for+low+signal-noise+ratio+single+cell+detection+in+flow-through+impedance+spectrophy.">Coded electrodes for low signal-noise ratio single cell detection in flow-through impedance spectrophy.</a> , 3-7 (2010).</li><li>Javanmard, M., Davis, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coded+corrugated+microfluidic+sidewalls+for+code+division+multiplexing.">Coded corrugated microfluidic sidewalls for code division multiplexing.</a> IEEE Sensors J. 13 (5), 1399-1400 (2013).</li><li>Balakrishnan, K. R., 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=Node-pore+sensing:+a+robust,+high-dynamic+range+method+for+detecting+biological+species.">Node-pore sensing: a robust, high-dynamic range method for detecting biological species.</a> Lab Chip. 13 (7), 1302-1307 (2013).</li><li>Emaminejad, S., Talebi, S., Davis, R. W., Javanmard, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multielectrode+sensing+for+extraction+of+signal+from+noise+in+impedance+cytometry.">Multielectrode sensing for extraction of signal from noise in impedance cytometry.</a> IEEE Sensors J. 15 (5), 2715-2716 (2015).</li><li>Spencer, D., Caselli, F., Bisegna, P., Morgan, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+accuracy+particle+analysis+using+sheathless+microfluidic+impedance+cytometry.">High accuracy particle analysis using sheathless microfluidic impedance cytometry.</a> Lab Chip. 16 (2016), 2467-2473 (2016).</li><li>Liu, R., Wang, N., Kamili, F., Sarioglu, A. <a target="_blank" 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" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+a+simple+successive+interference+cancellation+scheme+in+a+DS/CDMA+system.">Analysis of a simple successive interference cancellation scheme in a DS/CDMA system.</a> IEEE J Sel Areas Commun. 12 (5), 796-807 (1994).</li><li>Hui, A., Letaief, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Successive+interference+cancellation+for+multiuser+asynchronous+DS/CDMA+detectors+in+multipath+fading+links.">Successive interference cancellation for multiuser asynchronous DS/CDMA detectors in multipath fading links.</a> IEEE Trans Commun. 46 (3), 384-391 (1998).</li><li>Whittle, P. <a target="_blank" 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. Inform. Theory. 13 (4), 619-621 (1967).</li><li>Dinan, E., Jabbari, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spreading+codes+for+direct+sequence+CDMA+and+wideband+CDMA+cellular+networks.">Spreading codes for direct sequence CDMA and wideband CDMA cellular networks.</a> IEEE Commun Mag. 36 (9), 48-54 (1998).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

חיישני דופק resistive מרובים שולבו בעבר לתוך שבבי microfluidic 28, 29, 30, 31, 32. במערכות אלה, חיישני דופק resistive היו גם לא מרובבים 28, 29, 30, 31 או שהם נדרשים חיישנים בודדים שיסייעו בתדרים שונים 32. בשני המקרים, חיבורים חיצוניים ייעודיים היו נחוצים עבור כל חיישן דופק resistive על השבב ולכן מספר רב של חיישנים לא יכול להיות משולב ללא מורכבות חומרה יותר. היתרון החשוב של קודי Microfluidic הוא שהיא מאפשרת קריאה בו זמנית של חיישנים דופקים resistive מרובים מתוך פלט יחיד מכשיר פשוט. אנו משיגים זאת על ידי ניצול מטכניקות ultiplexing נפוצים בתחום התקשורת לעצב חיישני דופק resistive micromachined משולבים מכשירים microfluidic. בעיקרו של דבר, הטכנולוגיה שלנו מסתמכת על ריבוב קוד רשת של מונים על שבב קולטר על ידי עיצוב כל לייצר אות להבחין כאשר מזוהה חלקיק. כל חיישן micromachined ברשת מורכב אלקטרודות משטח coplanar המרובה להזמין שוני תצורות כגון שהאינטראקציה הרציפה של זורם חלקיקים עם אלקטרודות אלה מייצרת גל מודולציות עכבה מאונכת. כדי להכיל אינטראקצית חלקיק-חיישן אסינכרוני, אנו שתוכננו במיוחד כל חיישן להפיק קודי זהב 33, קודים דיגיטליים אורתוגונלי פסאודו שבדרך כלל משמשים uplink של רשתות תקשורת CDMA. קודי זהב לשמור על orthogonality רמה מסוים גם כאשר אינם מיושרים עם הפרשי מופע אקראי 34. מִיקודי crofluidic הוא ניתן להרחבה בקלות. למרות שהצגנו בפניהם תוצאות מהתקן קודי אבטיפוס Microfluidic עם ארבעה חיישנים במאמר זה, חיישנים יותר ניתן לשלב את המכשיר כאשר נועדו לייצר אותות פלט להבחין ביניהם לבין השאר. דרך אחת להרחיב את רשת החיישן היא לעצב מבוססות חיישנים על קבוצות קוד מאונכות גדולות עם קודים דיגיטליים יותר. כבר קודים מאונכים עם יותר ביטים לספק רווח עיבוד גבוה פענוח ניתן להבחין בין זה לזה כאשר יש הפרעה. מצד השני, קודי זהב כבר במכשיר גם אומרים נפח חישה גדול, דבר המגדיל את המספר הצפוי של חיישנים להתערב. כמו כן, הגדלת מספר החיישנים עבור צפיפות מדגם נתונה תוביל חלקיקים יותר חופפים כתוצאה מגידול בהיקף החישה הכולל. ככזה, צפיפות החלקיקים במדגם היא פרמטר קריטי כי צריך להיחשב באמצעות טכנולוגית קודי Microfluidic. את p המרביצפיפות מאמר שיכול להיפתר (באנלוגיה עם קיבולת הערוץ של רשת בזק CDMA) תלוי במספר גורמים כגון אותות חיישן פרט ביחס שלהם, את ערכת הפענוח, הפריסה של מכשיר microfluidic, ורמת הרעש האלקטרונית. בהתאם ליישום, יכול להיות מדולל המדגם כדי להגיע צפיפות חלקיקים שמייצרת שיעור טעות מקובל. מנקודת המבט של עיבוד אותות, פענוח של גל זמן מהתקן קודי Microfluidic אינו מחשוב אינטנסיבי באמצעות מערכות קיימות כפי שמעיד עובדת תקשורת טלפון סלולארי ברשת CDMA ניתן demultiplexed בזמן אמת. יתר על כן, אירועים פיזיים להיות מפוענח במכשירים microfluidic לקרות הרבה יותר לאט מאשר שיעור התמסורת קצת בתקשורת הטלפון הנייד מאפשר לנו להשתמש יותר מתקדמים ונדרש זמן רב אלגוריתמים כגון SIC וכן אופטימיזציה של תהליכים, אשר אנו משתמשים כדי לפתור חופפים איטרטיבית סיgnals מחיישנים. יחדיו, קודי Microfluidic הוא טכנולוגיית חישה אלקטרונית צדדית, מדרגים שניתן לשלב בקלות לתוך מכשירי microfluidic שונים לממש מבחנים כמוני על ידי מעקב אחר חלקיקים כאשר הם מעובדים על השבב. הטכנולוגיה היא מאוד קלה ליישם, כי (1) הוא פשוט מאוד מנקודת מבט חומרה (2) שהוא תואם ישירות עם ליתוגרפיה הרך (3) הוא מספק לקריאה מתוך אלקטרוני ישירה ללא כל מרכיב על-שבב פעיל, ו (4) הוא מסתמך על אלגוריתמים חישוביים פשוטים עבור עיבוד אותות נתונים לפרשנות.

זיהוי וניתוח מדויק של חלקיקים ביולוגיים כגון תאים, חיידקים או וירוסים מושעים בנוזל הוא עניין רב עבור מגוון רחב של יישומים 1, 2, 3. ובכן, שבמסע גודל, מכשירים microfluidic מציעים יתרונות ייחודיים למטרה זו כגון רגישות גבוהה, מניפולציה מדגם עדין מבוקר היטב microenvironment 4, 5, 6, 7. בנוסף, מכשירי microfluidic יכולים להיות מתוכננים להעסיק שילוב של דינמיקה של נוזלים ושדות כוח כדי fractionate אוכלוסייה הטרוגנית באופן פסיבי של חלקיקים ביולוגיים המבוססים על מאפיינים שונים 8, 9, 10, 11, 12. באותם מכשירהים, חלוקת החלקיקים כתוצאה יכולה לשמש הודעה אך מידע מרחבים זמין בדרך כלל רק באמצעות מיקרוסקופיה, הגבלת השימוש המעשי של מכשיר microfluidic על ידי קשירה אותו לתשתית במעבדה. לכן, חיישן משולב שיכול לדווח מיפוי spatiotemporal &#39;חלקיקים בקלות, כפי שהם הם מניפולציה במכשיר microfluidic, עלול לאפשר בעלות נמוכה, משולבים מעבדה על שבב התקנים הם אטרקטיביים במיוחד עבור הבדיקות של דגימות ניידות , הגדרות-משאב מוגבל. אלקטרודות סרט דקות שמשו חיישנים משולבים מכשירי microfluidic עבור יישומים שונים 13, 14. התנגדותי דופק חישה (RPS) הוא אטרקטיבי במיוחד עבור חישה משולבת של חלקיקים קטנים בערוצי microfluidic כפי שהוא מציע מנגנון זיהוי חזק, רגיש, תפוקה גבוהה ישירות מדידות חשמליות 15. ב RPS, אפנון העכבה בין זוג אלקטרודות, שקוע בתוך אלקטרוליט, משמש כאמצעי לגילוי חלקיק. כאשר החלקיק עובר דרך צמצם, בגודל בסדר גודל של החלקיקים, המספר משרעת של פולסים חולפים הזרם החשמלי משמשים לספור חלקיקים בגודל, בהתאמה. יתר על כן, את הגיאומטריה החיישן יכול להיות מתוכנן עם רזולוציה photolithographic לעצב צורות גל הדופק resistive כדי לשפר את הרגישות 16, 17, 18, 19 או להעריך במצב אנכי של חלקיקים ערוצי microfluidic 20. יש לנו הציג לאחרונה טכנולוגיית חישה הדופק resistive מרובב מדרגי פשוט שנקרא Microfluidic מקודד אורתוגונלית זיהוי על ידי חשמל חישה (קודי Microfluidic) 21. קודי Microfluidic מסתמך עלרשת מקושרת ביניהם של חיישנים דופקים התנגדות, כל אחת בהיקף של מערך של אלקטרודות micromachined לווסת הולכה באופן ייחודי, הבחנה, כדי לאפשר ריבוב. עצבנו כל חיישן במיוחד כדי לייצר אותות חשמליים מאונכים דומים הקודים הדיגיטליים המשמשים גישה מרובה חלוקת קוד 22 (CDMA) רשתות תקשורת, כך אות חיישן דופק התנגדות פרט ניתן לשחזר באופן ייחודי בין צורת גל פלט יחידה, גם אם אותות חיישנים שונים להתערב. בדרך זו, הטכנולוגיה שלנו דוחס מידע מרחבי 2D של חלקיקים לתוך אות 1D חשמל, המתיר ניטור של חלקיקים במקומות שונים על שבב microfluidic, תוך שמירה הן מורכבות התקן, על מערכת ברמה למינימום. במאמר זה, אנו מציגים פרוטוקול מפורט עבור שיטות ניסיוניות חישובית צורך להשתמש בטכנולוגית קודי Microfluidic, כמו גם rתוצאות epresentative מהשימוש בנכס בניתוח של דגימות ביולוגיות מדומה. באמצעות התוצאות מהתקן אבטיפוס עם ארבעה חיישנים מרובבים כדוגמא להסביר את הטכניקה, אנו מספקים פרוטוקולים על (1) תהליך microfabrication כדי ליצור התקני microfluidic עם טכנולוגית קודי Microfluidic, (2) התיאור של הגדרת הניסוי כולל חומרה אלקטרונית, אופטית, fluidic, (3) אלגוריתם המחשב עבור פענוח אותות מפריעים מחיישנים שונים, ו- (4) את התוצאות של זיהוי וניתוח של תאים סרטניים ערוצי microfluidic. אנו מאמינים כי באמצעות הפרוטוקול המפורט המתואר כאן, חוקרים אחרים יכולים ליישם את הטכנולוגיה שלנו למחקר שלהם.

<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>
</table>

microfluidic platform with multiplexed electronic detection for spatial tracking of particles

עיבוד microfluidic של דגימות ביולוגיות בדרך כלל כרוך מניפולציות הפרש של חלקיקים מרחפים תחת שדות כוח שונים כדי fractionate מדגם מרחבית על בסיס תכונה ביולוגית של עניין. עבור פריסת המרחבית כתוצאה לשמש את הודעת assay, מכשירי microfluidic לעתים קרובות נאלצים לעבור ניתוח מיקרוסקופי מחייב מכשור מורכב עם עלות גבוהה וניידות מופחתת. כדי לתת מענה על מגבלה זו, פתחנו טכנולוגיית חישה אלקטרונית משולבת לגילוי מרובב של חלקיקים במקומות שונים על שבב microfluidic. הטכנולוגיה שלנו, שנקראה קודי Microfluidic, המשלב חישה דופקת התנגדותי עם מרובי גישת חטיבת הקוד לדחוס מידע 2D מרחבית לתוך אות חשמלי 1D. במאמר זה, אנו מציגים הדגמה מעשית של טכנולוגית קודי Microfluidic כדי לזהות תאים סרטניים בתרבית גודל מפוזרת על פני ערוצי microfluidic מרובים. כפי שמאומת על ידי מיקרוסקופית במהירות גבוהה, הטכנולוגיה שלנו יכולה לנתח אוכלוסיות תאים צפופים במדויק כל אלקטרונית ללא צורך במכשיר חיצוני. ככזה, קודי Microfluidic פוטנציאליים יכולים לאפשר משולבים בעלות הנמוכה מעבדה על שבב התקנים מתאימים גם עבור הבדיקות של טיפול נקודת דגימות ביולוגיות.

מכשיר קודי Microfluidic מורכב מארבעה חיישנים מפוזרים על פני ארבעה ערוצי microfluidic מוצג באיור 1b. במערכת זו, בחתך של כל ערוץ microfluidic נועד להיות קרוב בגודל של תאים כך (1) מספר תאים לא יכול לעבור על האלקטרודות במקביל (2) התאים נשארים קרוב אלקטרודות הגדלת הרגישות . כל חיישן נועד ליצור קוד מספרים 7 סיבי ייחודי. המכשיר נבדק ולאחר מכן באמצעות השעית תא. אותות חשמליים קלטות מתאימות ארבעה חיישנים בודדים מוצגים עם קודים דיגיטליים אידיאליים הקשורים באיור 4. אותות הקלטות מתאימים במדויק עם פולסים מרובעים האידיאליים, תוך סטיות קטנות אכן קיימות. חריגה כזו לנבוע משילוב של מספר גורמים כוללים את השדה החשמלי לא אחיד בין האלקטרודות coplanar, צימוד בין זוגות אלקטרודה שונים, צורה כדורית שלתאים, כמו גם את מהירות זרימה מתמדת של תאים ערוצי microfluidic. יצרנו תבנית הספרייה מבוסס על אותות חיישן recoded. באמצעות התאמת האותות רשמו עם כל התבניות בספרייה, קבענו תבנית שהפיקה את השיא אוטומטי מתאם המרבי (איור 4). כמו הקודים הדיגיטליים עבור ערוצי microfluidic נועדו להיות מאונך זה לזה, לשיא אוטומטי קורלציה דומיננטי ניתן היה לזהות וחסונה בתהליך זה. בגישה זו, נוכל מחשוב לקבוע את ערוץ microfluidic התא עבר, את משך הזמן של אות החיישן, ולכן מהירות הזרימה של התא. טכנולוגית קודי Microfluidic יכולה לפתור מצבים שבהם מספר תאי אינטראקציה בו זמנית עם אלקטרודות קידוד. כאשר חפיפות כאלה מתרחשים, אותות מחיישנים הפרט להתערב וצורת הגל שנוצר לא ניתן לשייך בקלות עם כלתבנית אחת המתאימה חיישן ספציפי. במדויק פענוח אותות חופפים כאלה חשובים במיוחד עבור דגימות צפיפות גבוהה עיבוד אמין, שבו הפרעות נוטות יותר להתרחש. כדי לפתור מאירועים חופפים, פתחנו אלגוריתם איטרטיבי המבוסס על ביטול הפרעה רצוף (SIC) ערכה 24, 25, שלרוב משמשת לגילוי מרובה משתמשים ברשתות תקשורת CDMA. איור 5 מדגים כיצד אלגוריתם SIC מיושם בפתרון צורת גל נובע ארבעה תאים חופפים בארבעה ערוצים microfluidic שונים. בכל איטרציה, אנחנו ראשונים קבענו את השיא אוטומטי מתאם הדומיננטי (איור 5 א, טור nd 2), המקביל ל האות להתערב החזקה, באמצעות התאמת צורת גל הקלט (איור 5 א, 1 טור st) עם תבנית הספרייה. בהתבסס על התבנית הנבחרת ושנאיםהוא כתוצאה משרעת אוטומטי מתאם, אנחנו ואז הערכנו את האות להתערב החזק (איור 5 א, 3 טור rd) ונוכינו אותו מן גלי הקלט. צורת גל הנותרים הועבר איטרציה הבאה כקלט. תהליך זה נמשך עד קורלציה של האות השיורי עם ספריית התבנית לא לייצר שיא אוטומטי מתאם ברור (איור 5 א, 5 שורת ה, 2 עלילת nd). בעקבות סיום תהליך ביטול ההפרעה, אנחנו משוחזרים אומדן של צורת הגל ידי שילוב של כל האותות המוערכים מכל איטרציה (איור 6 א). מפעיל תהליך אופטימיזציה שמבוסס על קירוב ריבועים לפחות כדי למזער את השגיאה המרובעת הממוצעת בין צורת הגל המקורית ואת האות המשוחזרת, עדכנו את הערכותינו עבור משרעת, המשך, ועיתוי יחסי של אותות קוד חיישן יחידים (איור 6 ב). כמו כן, אנו מעריכים את הגודלהתאים מאובחנים מבוססים על משרעת של אותות חיישן היחידים המוערכים. כדי להשיג זאת, אנו מכוילים אמפליטודות האות החשמליות עם בגדלי תא נמדדים אופטי באמצעות רגרסיה ליניארית (6b איור). השוואת התוצאות שלנו מן הקודים Microfluidic עם המידע המתקבל תמונות מיקרוסקופ במהירות גבוהה נרשמה בו זמנית מראה כי גודל התא ומהירות ניתן למדוד באופן מדויק, אשר מאמת את התוצאות שלנו (טבלה 1). איור 6 ג מציג את תמונת מיקרוסקופ במהירות גבוהה נרשמה בו זמנית בשימוש על תיקוף תוצאת הפענוח. כדי להדגים את השחזור של התוצאות שלנו וגם את הביצועים של טכנולוגית קודי Microfluidic עבור עיבוד מדגם תפוקה גבוהה, נתחנו אותות חשמליים המתאימים&gt; 1,000 תאים. האותות פוענחו אוטומטית MATLAB ידי הפעלת האלגוריתם הסבירמעל ואת הדיוק של התוצאות שלנו הוערך על ידי השוואת התוצאות שלנו ישירות עם נתונים אופטיים מוידאו במהירות גבוהה שנרשם בו זמנית. הבדיקות שלנו מראות כי אותות חשמליים מ 96.15% של תאים (973 / 1,012) פוענחו במדויק. דירוג הצלחה עבור פענוח אותות סלולריים שאינם חופפים וחופפים הוא 98.71% (688/697) ו 90.48% (285/315), בהתאמה. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/55311/55311fig1.jpg" /> איור 1. עיצוב של מכשיר ארבעת ערוצי קודי Microfluidic. (א) אלקטרודות בכל ערוץ microfluidic הן micropatterned כדי ליצור קוד מספרים ייחודי. אפנון העכבה בשל אינטראקציות רציפות של זורם תאים עם זוגות אלקטרודה מוביל פולסים חשמליים. (ב) תמונת מיקרוסקופ של מכשיר קודי Microfluidic. במהלך תהליך הייצור, מצע זכוכית עם אלקטרודות משטח קידוד מיושר<html> עם ערוצי microfluidic PDMS תחת מיקרוסקופ. (ג) תקריב תמונה של אלקטרודות משטח מקודד לייצור רצפים זהב 7 סיביות: &quot;1,010,110&quot;, &quot;0,111,111&quot;, &quot;0,100,010&quot;, &quot;0,011,000&quot;. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55311/55311fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/55311/55311fig2.jpg" /> תהליך microfabrication איור 2.. (א) ערוצי microfluidic PDMS מיוצרים באמצעות ליתוגרפיה רך 27. (ב) אלקטרודות המשטח מיוצרת באמצעות תהליך המראה. (ג) סכימטי חתך של המכשיר הסופי. ערוצי microfluidic PDMS מיושרים מלוכדות אל מצע זכוכית עם אלקטרודות משטח. <html> jove.com/files/ftp_upload/55311/55311fig2large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/55311/55311fig3.jpg" /> איור 3. התקנה ניסיונית. באמצעות משאבת מזרק, השעית התא מנוהלת באמצעות מכשיר קודי Microfluidic בקצב זרימה מתמיד. אות 400 kHz AC מוחל על האלקטרודה התייחסות באמצעות מחולל פונקציה. אותות שוטפים אלקטרודות חישה חיוביות ושליליות המומרים ראשונים לאותות מתח באמצעות שני מגברי transimpedance ונוכו זה לזה באמצעות מגבר הפרש. האות דו קוטבית ההפרש מופק על ידי מגבר נעילה ולאחר מכן שנדגמו לתוך מחשב לעיבוד אותות ופענוח. מיקרוסקופיה מהיר אופטי משמש פעולת שיא אופטית של המכשיר לצורכי אימות ואפיון.e.jove.com/files/ftp_upload/55311/55311fig3large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/55311/55311fig4.jpg" /> איור 4. אותות חשמליים הקלטות מחיישני פרט והמתאמים שלהם. אותות הקלטות ואת המתאם שלהם עם כל האחרים מקבלים במשך ארבעה חיישנים דופקים resistive קוד-מרובב. חיישן 1 (א), חיישן 2 (ב), חיישן 3 (ג) וחיישן 4 (ד) נועד לייצר גל דיגיטלי 7 סיבי &quot;1,010,110&quot;, &quot;0,111,111&quot;, &quot;0,100,010&quot;, ו &quot;0,011,000&quot;, בהתאמה . עבור כל חיישן, הדמות העליונה מראה כי אות מנורמל רשם כל חיישן תואם הדוק עם רצף הדופק המרובע האידיאלי כי החיישן נועד לייצר. עבור כל חיישן, בלוח התחתון מציג אות חיישן מוקלטת9; s autocorrelation ו חוצה קשר עם אותות בהתאמה לשלושת חיישני קוד מסוג ריבוב אחרים ברשת. בכל המקרים, שיא autocorrelation ניתן לזהות וחסון כי הקודים הדיגיטליים מחיישני פרט נועדו להיות מאונך זה לזה. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55311/55311fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/55311/55311fig5.jpg" /> איור 5. פענוח צורה-גל חופף עם ביטול הפרעה רצוף. בכל איטרציה, גלי הקלט (1 טור st) מתואמים עם ספריית תבנית preassembled לזהות את התבנית ספציפית שתוצאתו משרעת קורלציה מקסימלית (עמודת nd 2). באמצעות תבנית ספציפית זו, האות להתערב החזק נאמד בהתבסס על משרעתותזמון מידע מהפסגה קורלציה (3 טור rd). האות המוערך אז ינוכה צורת הגל המקורית, ביעילות מבטל את ההפרעה החזקה בשל התא הגדול ביותר. התהליך חוזר על עצמו עד אין שיא מתאם ניתן לקבוע (כלומר, מקדם מתאם &lt;0.5) האות שיורית. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55311/55311fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 6" src="/files/ftp_upload/55311/55311fig6.jpg" /> איור 6. ניתוח תוצאת פענוח. (א) אותות משוערים הם מעודנים מבוססים על אלגוריתם אופטימיזציה שמטרתו להשיג את ההתאמה הטובה ביותר בין המשוחזר וצורת גל רשמה המקורי באמצעות קירוב מינימום ריבועים. (ב) בתום תהליך האופטימיזציה,העיתוי משרעת של אותות מכוילים לשקף במדויק את פרמטרי התא נמדדו על ידי מיקרוסקופ במהירות גבוהה. (ג) נרשמה במקביל תמונת מיקרוסקופ מהירה מאמתת התוצאות שלנו ממדידות חשמל. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55311/55311fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> סוג מדידה </td><td> r ch1 (מיקרומטר) </td><td> r CH2 (מיקרומטר) </td><td> r CH3 (מיקרומטר) </td><td> r CH4 (מיקרומטר) </td><td> Δt 1 (ms) </td><td> Δt 2 (ms) </td><td> Δt 3 (ms) </td></tr><tr><td> חַשׁמַלִי </td><td> 8.010 </td><td> 6.490 </td><td> 5.300 </td><td> 6.550 </td><td> .465 </td><td> 1.705 </td><td> .744 </td></tr><tr><td> אוֹפּטִי </td><td> 8.320 </td><td> 6.770 </td><td> 5.680 </td><td> 7.040 </td><td> 0.375 </td><td> 1.625 </td><td> 0.750 </td></tr></tbody></table> השוואת טבלת 1. פרמטרי תא נמדדו חשמלי אופטי של 6b איור. כדי לאמת הערכות שלנו, אנו אופטיים נמדדנו בגדלי התא מתמונת מיקרוסקופיה במהירות גבוהה. עיתוי יחסית בין תאים שונים נמדד אופטי ממספר מסגרות בין תאי הווידאו במהירות גבוהה שנרשם ב 8000 פריימים לשניים.

Watch this Scientific Journal Video about Microfluidic Platform with Multiplexed Electronic Detection for Spatial Tracking of Particles at JoVE.com

Microfluidic Platform with Multiplexed Electronic Detection for Spatial Tracking of Particles

אנו מדגימים פלטפורמת microfluidic עם רשת האלקטרודה משטח משולבת המשלב חישת דופק התנגדות (RPS) עם הגישה מרובה חלוקת קוד (CDMA), לבצע ריבוב איתור אומדת חלקיקי ערוצי microfluidic מרובים.

פלטפורמת microfluidic עם איתור Multiplexed אלקטרוני למערכות מעקב מרחבית של חלקיקים

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

microfluidic-platform-with-multiplexed-electronic-detection-for

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

9.2K Views.  Georgia Institute of Technology.  אנו מדגימים פלטפורמת microfluidic עם רשת האלקטרודה משטח משולבת המשלב חישת דופק התנגדות (RPS) עם הגישה מרובה חלוקת קוד (CDMA), לבצע ריבוב איתור אומדת חלקיקי ערוצי microfluidic מרובים. 

Video: Microfluidic Platform with Multiplexed Electronic Detection for Spatial Tracking of Particles

A Microfluidic-based Hydrodynamic Trap for Single Particles

The ability to confine and manipulate single particles in free solution is a key enabling technology for fundamental and applied science. Methods for particle trapping based on optical, magnetic, electrokinetic, and acoustic techniques have led to major advancements in physics and biology ranging from the molecular to cellular level. In this article, we introduce a new microfluidic-based technique for particle trapping and manipulation based solely on hydrodynamic fluid flow. Using this method, we demonstrate trapping of micro- and nano-scale particles in aqueous solutions for long time scales. The hydrodynamic trap consists of an integrated microfluidic device with a cross-slot channel geometry where two opposing laminar streams converge, thereby generating a planar extensional flow with a fluid stagnation point (zero-velocity point). In this device, particles are confined at the trap center by active control of the flow field to maintain particle position at the fluid stagnation point. In this manner, particles are effectively trapped in free solution using a feedback control algorithm implemented with a custom-built LabVIEW code. The control algorithm consists of image acquisition for a particle in the microfluidic device, followed by particle tracking, determination of particle centroid position, and active adjustment of fluid flow by regulating the pressure applied to an on-chip pneumatic valve using a pressure regulator. In this way, the on-chip dynamic metering valve functions to regulate the relative flow rates in the outlet channels, thereby enabling fine-scale control of stagnation point position and particle trapping. The microfluidic-based hydrodynamic trap exhibits several advantages as a method for particle trapping. Hydrodynamic trapping is possible for any arbitrary particle without specific requirements on the physical or chemical properties of the trapped object. In addition, hydrodynamic trapping enables confinement of a "single" target object in concentrated or crowded particle suspensions, which is difficult using alternative force field-based trapping methods. The hydrodynamic trap is user-friendly, straightforward to implement and may be added to existing microfluidic devices to facilitate trapping and long-time analysis of particles. Overall, the hydrodynamic trap is a new platform for confinement, micromanipulation, and observation of particles without surface immobilization and eliminates the need for potentially perturbative optical, magnetic, and electric fields in the free-solution trapping of small particles.

In this article, we present a microfluidic-based method for particle confinement based on hydrodynamic flow. We demonstrate stable particle trapping at a fluid stagnation point using a feedback control mechanism, thereby enabling confinement and micromanipulation of arbitrary particles in an integrated microdevice.

Microfluidic מבוססי הידרודינמית מלכודת חלקיקים יחיד

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

Fluorescence detection methods for microfluidic droplet platforms

The development of microfluidic platforms for performing chemistry and biology has in large part been driven by a range of potential benefits that accompany system miniaturisation. Advantages include the ability to efficiently process nano- to femoto- liter volumes of sample, facile integration of functional components, an intrinsic predisposition towards large-scale multiplexing, enhanced analytical throughput, improved control and reduced instrumental footprints.1
In recent years much interest has focussed on the development of droplet-based (or segmented flow) microfluidic systems and their potential as platforms in high-throughput experimentation.2-4 Here water-in-oil emulsions are made to spontaneously form in microfluidic channels as a result of capillary instabilities between the two immiscible phases. Importantly, microdroplets of precisely defined volumes and compositions can be generated at frequencies of several kHz. Furthermore, by encapsulating reagents of interest within isolated compartments separated by a continuous immiscible phase, both sample cross-talk and dispersion (diffusion- and Taylor-based) can be eliminated, which leads to minimal cross-contamination and the ability to time analytical processes with great accuracy. Additionally, since there is no contact between the contents of the droplets and the channel walls (which are wetted by the continuous phase) absorption and loss of reagents on the channel walls is prevented.
Once droplets of this kind have been generated and processed, it is necessary to extract the required analytical information. In this respect the detection method of choice should be rapid, provide high-sensitivity and low limits of detection, be applicable to a range of molecular species, be non-destructive and be able to be integrated with microfluidic devices in a facile manner. To address this need we have developed a suite of experimental tools and protocols that enable the extraction of large amounts of photophysical information from small-volume environments, and are applicable to the analysis of a wide range of physical, chemical and biological parameters. Herein two examples of these methods are presented and applied to the detection of single cells and the mapping of mixing processes inside picoliter-volume droplets. We report the entire experimental process including microfluidic chip fabrication, the optical setup and the process of droplet generation and detection.

Droplet-based microfluidic platforms are promising candidates for high throughput experimentation since they are able to generate picoliter, self-compartmentalized vessels inexpensively at kHz rates. Through integration with fast, sensitive and high resolution fluorescence spectroscopic methods, the large amounts of information generated within these systems can be efficiently extracted, harnessed and utilized.

שיטות גילוי הקרינה לפלטפורמות אגל microfluidic

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

Advancements in lab-on-a-chip technology promise to revolutionize both research and medicine through lower costs, better sensitivity, portability, and higher throughput. The incorporation of biological components onto biological microelectromechanical systems (bioMEMS) has shown great potential for achieving these goals. Microfabricated electronic chips allow for micrometer-scale features as well as an electrical connection for sensing and actuation. Functional biological components give the system the capacity for specific detection of analytes, enzymatic functions, and whole-cell capabilities. Standard microfabrication processes and bio-analytical techniques have been successfully utilized for decades in the computer and biological industries, respectively. Their combination and interfacing in a lab-on-a-chip environment, however, brings forth new challenges. There is a call for techniques that can build an interface between the electrode and biological component that is mild and is easy to fabricate and pattern.
Biofabrication, described here, is one such approach that has shown great promise for its easy-to-assemble incorporation of biological components with versatility in the on-chip functions that are enabled. Biofabrication uses biological materials and biological mechanisms (self-assembly, enzymatic assembly) for bottom-up hierarchical assembly. While our labs have demonstrated these concepts in many formats 1,2,3, here we demonstrate the assembly process based on electrodeposition followed by multiple applications of signal-based interactions. The assembly process consists of the electrodeposition of biocompatible stimuli-responsive polymer films on electrodes and their subsequent functionalization with biological components such as DNA, enzymes, or live cells 4,5. Electrodeposition takes advantage of the pH gradient created at the surface of a biased electrode from the electrolysis of water 6,7,. Chitosan and alginate are stimuli-responsive biological polymers that can be triggered to self-assemble into hydrogel films in response to imposed electrical signals 8. The thickness of these hydrogels is determined by the extent to which the pH gradient extends from the electrode. This can be modified using varying current densities and deposition times 6,7. This protocol will describe how chitosan films are deposited and functionalized by covalently attaching biological components to the abundant primary amine groups present on the film through either enzymatic or electrochemical methods 9,10. Alginate films and their entrapment of live cells will also be addressed 11. Finally, the utility of biofabrication is demonstrated through examples of signal-based interaction, including chemical-to-electrical, cell-to-cell, and also enzyme-to-cell signal transmission. 
Both the electrodeposition and functionalization can be performed under near-physiological conditions without the need for reagents and thus spare labile biological components from harsh conditions. Additionally, both chitosan and alginate have long been used for biologically-relevant purposes 12,13. Overall, biofabrication, a rapid technique that can be simply performed on a benchtop, can be used for creating micron scale patterns of functional biological components on electrodes and can be used for a variety of lab-on-a-chip applications.

This article describes a biofabrication approach: deposition of stimuli-responsive polysaccharides in the presence of biased electrodes to create biocompatible films which can be functionalized with cells or proteins. We demonstrate a bench-top strategy for the generation of the films as well as their basic uses for creating interactive biofunctionalized surfaces for lab-on-a-chip applications.

גישור ממשק ביו אלקטרונית עם 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

Rapid mechanical deformation of cells has emerged as a promising, vector-free method for intracellular delivery of macromolecules and nanomaterials. This technology has shown potential in addressing previously challenging applications; including, delivery to primary immune cells, cell reprogramming, carbon nanotube, and quantum dot delivery. This vector-free microfluidic platform relies on mechanical disruption of the cell membrane to facilitate cytosolic delivery of the target material. Herein, we describe the detailed method of use for these microfluidic devices including, device assembly, cell preparation, and system operation. This delivery approach requires a brief optimization of device type and operating conditions for previously unreported applications. The provided instructions are generalizable to most cell types and delivery materials as this system does not require specialized buffers or chemical modification/conjugation steps. This work also provides recommendations on how to improve device performance and trouble-shoot potential issues related to clogging, low delivery efficiencies, and cell viability.

Rapid mechanical deformation of cells has emerged as a promising, vector-free method for intracellular delivery of macromolecules and nanomaterials. This protocol provides detailed steps on how to use the system for a broad range of applications.

לוחץ תא כחזק, Microfluidic תאית פלטפורמה להצגה

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

Neutrophils play an essential role in protection against infections and their numbers in the blood are frequently measured in the clinic. Higher neutrophil counts in the blood are usually an indicator of ongoing infections, while low neutrophil counts are a warning sign for higher risks for infections. To accomplish their functions, neutrophils also have to be able to move effectively from the blood where they spend most of their life, into tissues, where infections occur. Consequently, any defects in the ability of neutrophils to migrate can increase the risks for infections, even when neutrophils are present in appropriate numbers in the blood. However, measuring neutrophil migration ability in the clinic is a challenging task, which is time consuming, requires large volume of blood, and expert knowledge. To address these limitations, we designed a robust microfluidic assays for neutrophil migration, which requires a single droplet of unprocessed blood, circumvents the need for neutrophil separation, and is easy to quantify on a simple microscope. In this assay, neutrophils migrate directly from the blood droplet, through small channels, towards the source of chemoattractant. To prevent the granular flow of red blood cells through the same channels, we implemented mechanical filters with right angle turns that selectively block the advance of red blood cells. We validated the assay by comparing neutrophil migration from blood droplets collected from finger prick and venous blood. We also compared these whole blood (WB) sources with neutrophil migration from samples of purified neutrophils and found consistent speed and directionality between the three sources. This microfluidic platform will enable the study of human neutrophil migration in the clinic and the research setting to help advance our understanding of neutrophil functions in health and disease.

This protocol details an assay designed to measure human neutrophil chemotaxis from one droplet of whole blood with robust reproducibility. This approach circumvents the need for neutrophil separation and requires only a few minutes of assay preparation time. The microfluidic chip enables the repeated measure of neutrophil chemotaxis over time in infants or small mammals, where sample volume is limited.

פלטפורמת microfluidic למדידת נויטרופילים Chemotaxis מדם מלא לא מעובד

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

A major advantage of microfluidic devices is the ability to manipulate small sample volumes, thus reducing reagent waste and preserving precious sample. However, to achieve robust sample manipulation it is necessary to address device integration with the macroscale environment. To realize repeatable, sensitive particle separation with microfluidic devices, this protocol presents a complete automated and integrated microfluidic platform that enables precise processing of 0.15&#8211;1.5 ml samples using microfluidic devices. Important aspects of this system include modular device layout and robust fixtures resulting in reliable and flexible world to chip connections, and fully-automated fluid handling which accomplishes closed-loop sample collection, system cleaning and priming steps to ensure repeatable operation. Different microfluidic devices can be used interchangeably with this architecture. Here we incorporate an acoustofluidic device, detail its characterization, performance optimization, and demonstrate its use for size-separation of biological samples. By using real-time feedback during separation experiments, sample collection is optimized to conserve and concentrate sample. Although requiring the integration of multiple pieces of equipment, advantages of this architecture include the ability to process unknown samples with no additional system optimization, ease of device replacement, and precise, robust sample processing.

This protocol describes a system architecture for performing automated small volume (0.15&#8211;1.5 ml) particle separations using a microfluidic device, and discusses methods to optimize acoustofluidic device performance and operation.

פלטפורמת microfluidic לעיבוד מדגם Precision הקטן-נפח ושימוש בו לגודל חלקיקים הביולוגיים נפרדים עם Microdevice אקוסטי

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

Photoactivated Localization Microscopy with Bimolecular Fluorescence Complementation (BiFC-PALM)

Protein-protein interactions (PPIs) are key molecular events to biology. However, it remains a challenge to visualize PPIs with sufficient resolution and sensitivity in cells because the resolution of conventional light microscopy is diffraction-limited to ~250 nm. By combining bimolecular fluorescence complementation (BiFC) with photoactivated localization microscopy (PALM), PPIs can be visualized in cells with single molecule sensitivity and nanometer spatial resolution. BiFC is a commonly used technique for visualizing PPIs with fluorescence contrast, which involves splitting of a fluorescent protein into two non-fluorescent fragments. PALM is a recent superresolution microscopy technique for imaging biological samples at the nanometer and single molecule scales, which uses phototransformable fluorescent probes such as photoactivatable fluorescent proteins (PA-FPs). BiFC-PALM was demonstrated by splitting PAmCherry1, a PA-FP compatible with PALM, for its monomeric nature, good single molecule brightness, high contrast ratio, and utility for stoichiometry measurements. When split between amino acids 159 and 160, PAmCherry1 can be made into a BiFC probe that reconstitutes efficiently at 37 &#176;C with high specificity to PPIs and low non-specific reconstitution. Ras-Raf interaction is used as an example to show how BiFC-PALM helps to probe interactions at the nanometer scale and with single molecule resolution. Their diffusion can also be tracked in live cells using single molecule tracking (smt-) PALM. In this protocol, factors to consider when designing the fusion proteins for BiFC-PALM are discussed, sample preparation, image acquisition, and data analysis steps are explained, and a few exemplary results are showcased. Providing high spatial resolution, specificity, and sensitivity, BiFC-PALM is a useful tool for studying PPIs in intact biological samples.

Photoactivated Localization Microscopy with Bimolecular Fluorescence Complementation BiFC-PALM

Protein-protein interactions are visualized in cells with nanometer spatial resolution by combining bimolecular fluorescence complementation (BiFC) with photoactivated localization microscopy (PALM). Described here is the use of BiFC-PALM for imaging Ras-Raf interactions in U2OS cells for visualizing the nanoscale clustering and diffusion of individual Ras-Raf complexes.

Photoactivated לוקליזציה מיקרוסקופית עם bimolecular פלואורסצנטי השלמה (BiFC-PALM)

Protein-protein interactions (PPIs) are key molecular events to biology. However, it remains a challenge to visualize PPIs with sufficient resolution and ...

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

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 high-throughput, method to perform single-cell culture experiments. Here, we report a microfluidic chip-based strategy for high-efficiency single-cell isolation (~77%) and demonstrate its capability of performing long-term single-cell culture (up to 7 d) and cellular heterogeneity analysis using clonogenic assay. These applications were demonstrated with KT98 mouse neural stem cells, and A549 and MDA-MB-435 human cancer cells. High single-cell isolation efficiency and long-term culture capability are achieved by using different sizes of microwells on the top and bottom of the microfluidic channel. The small microwell array is designed for precisely isolating single-cells, and the large microwell array is used for single-cell clonal culture in the microfluidic chip. This microfluidic platform constitutes an attractive approach for single-cell culture applications, due to its flexibility of adjustable cell culture spaces for different culture strategies, without decreasing isolation efficiency.

Here, we present a protocol for isolating and culturing single cells with a microfluidic platform, which utilizes a new microwell design concept to allow for high-efficiency single cell isolation and long-term clonal culture.

פלטפורמת Microfluidic עבור בידוד תפוקה גבוהה מתא בודד ותרבות

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

The development of microbial communities depends on a combination of complex deterministic and stochastic factors that can dramatically alter the spatial distribution and activities of community members. We have developed a microwell array platform that can be used to rapidly assemble and track thousands of bacterial communities in parallel. This protocol highlights the utility of the platform and describes its use for optically monitoring the development of simple, two-member communities within an ensemble of arrays within the platform. This demonstration uses two mutants of Pseudomonas aeruginosa, part of a series of mutants developed to study Type VI secretion pathogenicity. Chromosomal inserts of either mCherry or GFP genes facilitate the constitutive expression of fluorescent proteins with distinct emission wavelengths that can be used to monitor community member abundance and location within each microwell. This protocol describes a detailed method for assembling mixtures of bacteria into the wells of the array and using time-lapse fluorescence imaging and quantitative image analysis to measure the relative growth of each member population over time. The seeding and assembly of the microwell platform, the imaging procedures necessary for the quantitative analysis of microbial communities within the array, and the methods that can be used to reveal interactions between microbial species area all discussed.

The development of microbial communities depends on a combination of factors, including environmental architecture, member abundance, traits, and interactions. This protocol describes a synthetic, microfabricated environment for the simultaneous tracking of thousands of communities contained in femtoliter wells, where key factors such as niche size and confinement can be approximated.

העצרת ומעקב אחר פיתוח הקהילה מיקרוביאלית בתוך פלטפורמת מערך Microell

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

A Microfluidic Platform for Longitudinal Imaging in Caenorhabditis elegans

In the last decade, microfluidic techniques have been applied to study small animals, including the nematode Caenorhabditis elegans, and have proved useful as a convenient live imaging platform providing capabilities for precise control of experimental conditions in real time. In this article, we demonstrate live imaging of individual worms employing WormSpa, a previously-published custom microfluidic device. In the device, multiple worms are individually confined to separate chambers, allowing multiplexed longitudinal surveillance of various biological processes. To illustrate the capability, we performed proof-of-principle experiments in which worms were infected in the device with pathogenic bacteria, and the dynamics of expression of immune response genes and egg laying were monitored continuously in individual animals. The simple design and operation of this device make it suitable for users with no previous experience with microfluidic-based experiments. We propose that this approach will be useful for many researchers interested in longitudinal observations of biological processes under well-defined conditions.

A Microfluidic Platform for Longitudinal Imaging in Caenorhabditis elegans

In this article, we demonstrate live imaging of individual worms employing a custom microfluidic device. In the device, multiple worms are individually confined to separate chambers, allowing multiplexed longitudinal surveillance of various biological processes.

פלטפורמה Microfluidic הדמיה האורך ב Caenorhabditis elegans

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