Development of Hand-held Instrument for STI Diagnostics Enabling - - PowerPoint PPT Presentation
Development of Hand-held Instrument for STI Diagnostics Enabling and TranslaGng Advances in DiagnosGc and CommunicaGon Technologies to Reduce the Burden of Sexually TransmiJed
Director ¡ ¡of ¡the ¡Centre ¡For ¡Electronic ¡Systems ¡Research ¡ School ¡of ¡Engineering ¡& ¡Design ¡ Brunel ¡University ¡ emstwwb@brunel.ac.uk ¡ March 2013
1 ¡
3 ¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Wireless ¡ ¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡Interface ¡
DNA ¡ExtracGon ¡ ¡& ¡PurificaGon ¡ ¡
Sample ¡ collecGon ¡
MicroFluidic ¡Network ¡ ¡ DNA ¡ ¡ DetecGon ¡ Electronic ¡Control ¡System ¡ DNA ¡ ¡ AmplificaGon ¡ Sample ¡ concentraGon ¡ ¡& ¡cell ¡lysis ¡
Professor ¡Wamadeva ¡Balachandran ¡(Bala) ¡ Principal ¡InvesGgator
Dr ¡Jeremy ¡Ahern ¡ MicrofabricaGon Dr ¡Nada ¡Manivannan ¡ MulGphysics ¡Modelling Professor ¡Chris ¡Hudson ¡ Electronic ¡Engineering ¡ Professor ¡Rob ¡Evans ¡ Biosciences ¡ Dr ¡Predraig ¡Slijpevic ¡ ¡ ¡ Biosciences Pascal ¡Craw ¡ PhD ¡Student ¡ Biomedical ¡Engineering ¡ Branavan ¡Nehru ¡ PhD ¡Student ¡ Paper ¡microfluidics ¡ Dr ¡Yanmeng ¡Xu ¡ Printed ¡Electronics ¡ Sara ¡Chaychian ¡ PhD ¡Student ¡ Electrical ¡Engineering ¡ Tosan ¡Ereku ¡ PhD ¡Student ¡ Engineering ¡Design ¡ Dr ¡Krishna ¡Burugapalli ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Biomedical ¡Engineering Shavini ¡Wijesuriya ¡ PhD ¡Student ¡ Engineering ¡Design ¡ Sana ¡Hussain ¡ VisiGng ¡Scholar ¡ Biosciences ¡ Sivanesan ¡Tulasidas ¡ ¡ PhD ¡Student ¡ Wireless ¡ CommunicaGon ¡ ¡ ¡ Dr ¡Ruth ¡Mackay ¡ BioMEMS/NEMS
Electromagnets
Lysis AmplificaGon DetecGon Sample ¡& ¡Reagents Waste
GPS RFID Bluetooth ¡
3G ¡Mobile
USB WiFi
Microcontroller ¡ Power ¡Management ¡
Display ¡and ¡User ¡ Interface
MagneGc Electrochemical OpGcal ¡
SPR
MEMS Nanowire
Nucleic ¡Acid ¡ Detector ¡ Pumps Valve ¡actuators Thermal ¡control
StandardisaGon ConcentraGon ¡/ ¡PurificaGon
Control ¡System ¡ CommunicaGon ¡
Valves Sensors Electromagnets
Microfluidic ¡ Network ¡
Pathways
Urine collection devices
Streamline depiction of flow from inlets to device discharge orifice CessaNonal ¡ flow ¡ of ¡ urine ¡ from ¡ six ¡ inlets ¡into ¡the ¡air-‑filled ¡cavity ¡
8 ¡
Ports Coil recess Central stub to Assist the Coil Location 1 mm PMMA Side Via to Port 500um PDMS 9 mm Port Position 9 mm Coil Recess Diameter Position of Chamber in PDMS Layer 12mm Pitch Circle for Ports Chamber Cut-out Port Vias 8 mm
(a) (b) (c)
Microfluidic Chamber Stainless Steel Port-ways Polystyrene Collars 250m m Bore PVC Tubing
A photograph of microfabricated chamber with PVC tubing
Two ¡DNA ¡extracGon ¡devices ¡with ¡embedded ¡ biopolymer ¡membrane ¡
0 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 30 ¡ 40 ¡ 50 ¡ 60 ¡ 70 ¡ 80 ¡ 90 ¡ 100 ¡ 0 ¡ 0.1 ¡ 100 ¡
Percentage ¡Recovery ¡ ¡(%) ¡ Sample ¡ConcentraGon ¡(ng/uL) ¡
(Salmon ¡sperm ¡DNA) ¡
Spin ¡Column ¡(Qiagen) ¡ Bioplymer ¡membrane ¡
Cell Lysis and DNA Extraction ¡
0 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡ 6 ¡ 7 ¡ 8 ¡ 9 ¡ 10 ¡
Sta nd ard ¡ 25 µL ¡ ¡ tub e ¡ rea On-‑ chi p ¡ 25 µL ¡ rea cN
Final ¡DNA ¡concentraNon ¡(ug/mL) ¡
On-chip helicase dependent amplification
amplification
fluorescence chemistries
Real-‑Gme ¡plot ¡of ¡HDA ¡reacGon ¡
Fluorescence ¡
Time ¡(minutes) ¡
0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡15 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡25 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡30 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡35 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡40 ¡
NegaNve ¡ control ¡ PosiNve ¡ Control ¡
Fluorescence ¡detecNon ¡on ¡microfluidic ¡chip ¡
0 ¡ 490nm ¡ LED ¡ Amplified ¡ Photodiode ¡ Emission ¡band-‑pass ¡Filter ¡ ¡ (530nm) ¡ OpNcal ¡Fibre ¡ 3mm ¡PMMA ¡ ReacNon ¡ Chamber ¡ PMMA ¡ Fluidic ¡ Chip ¡
Finite ¡element ¡analysis ¡of ¡ microfluidic ¡chip ¡to ¡characterise ¡ thermal ¡properNes ¡ 25µL ¡microfluidic ¡chip ¡
Silver ¡NPs; ¡a)1, ¡b)5 ¡and ¡c)10µl ¡Hydrazine ¡in ¡0.1M ¡AOT/IPM ¡microemulsions ¡ Gold ¡NPs; ¡e) ¡1, ¡f)5 ¡and ¡g)10µl ¡Hydrazine ¡in ¡0.1M ¡AOT/IPM ¡microemulsions ¡ a ¡ b ¡ c ¡ e ¡ f ¡ g ¡
¡
Circular ¡planar ¡coil ¡ I ¡= ¡100 ¡mA, ¡ ¡N ¡= ¡5 ¡ ¡ Maximum ¡electric ¡potenGal ¡= ¡160 ¡ ¡mV ¡ MagneGc ¡Flux ¡Density ¡= ¡ ¡4 ¡-‑ ¡16 ¡mT ¡
¡
¡
Square ¡planar ¡coil ¡ I ¡= ¡100 ¡mA, ¡ ¡N ¡= ¡5 ¡ ¡ Maximum ¡electric ¡potenGal ¡= ¡110 ¡ ¡mV ¡ MagneGc ¡Flux ¡Density ¡= ¡ ¡4 ¡-‑ ¡12 ¡mT ¡
¡
18 ¡
Effect of Beads Permeability µrB on δL
tc =2µm
19 ¡
Effect of Conductor Thickness tC on δL Effect of Thickness of Underlying Permalloy tp on δL The Effect of Frequency on Sensor Output
Brass/Al ¡mould ¡for ¡a ¡detecNon ¡microfluidic ¡ device ¡ DetecNon ¡device ¡with ¡ automated ¡fluid ¡flow ¡and ¡ electrodes ¡ Al ¡mould ¡for ¡a ¡fully ¡integrated ¡microfluidic ¡ system ¡ Integrated ¡microfluidic ¡PDMS ¡ ¡ device ¡
10mm ¡ 10mm ¡
10mm ¡
Wax ¡penetraNon: ¡comparison ¡of ¡ printed ¡barriers ¡before ¡and ¡aher ¡ curing ¡at ¡120oC ¡for ¡15 ¡minutes ¡
Printed ¡barriers ¡of ¡500 ¡µm ¡ produced ¡fully ¡funcNonal ¡barriers. ¡ A ¡minimum ¡channel ¡width ¡of ¡~ ¡300 ¡ µm ¡is ¡achievable. ¡ Printed ¡barriers ¡(Wax) ¡ Cured ¡barriers ¡(Wax) ¡ Xerox ¡ColorQubeTM ¡ 8570N ¡solid ¡ink ¡ Printer ¡ MulNplexing: ¡A ¡single ¡ sample ¡effecNvely ¡ delivered ¡into ¡5 ¡test ¡zones ¡ DNA ¡mobility ¡on ¡a ¡ µPAD ¡ Inkjet ¡printed ¡silver ¡ electrodes ¡(25 ¡µm) ¡
0 ¡s ¡ 30 ¡s ¡ 90 ¡s ¡ W ¡1 ¡ W ¡2 ¡
0s ¡– ¡A ¡blank ¡test ¡device ¡as ¡a ¡control ¡before ¡introducNon ¡of ¡ ¡ ¡ ¡ FITC ¡tagged ¡25mer ¡DNA ¡sample ¡(0.01nM). ¡
¡
30s ¡– ¡DNA ¡sample ¡moving ¡within ¡the ¡hydrophilic ¡channel. ¡
¡
90s ¡– ¡Further ¡movement ¡of ¡the ¡sample ¡into ¡the ¡waste ¡zone. ¡
¡
W1 ¡– ¡DNA ¡sample ¡gelng ¡washed ¡away ¡by ¡water ¡into ¡the ¡ waste ¡zone. ¡
¡
W2 ¡– ¡Further ¡washing ¡of ¡the ¡DNA ¡by ¡water ¡into ¡the ¡waste ¡
Water ¡as ¡ control ¡ ¡ Blank ¡paper ¡ as ¡control ¡ ¡ Serially ¡diluted ¡ 0.1pM ¡DNA ¡ ¡ Serially ¡diluted ¡ 1pM ¡DNA ¡ ¡ Serially ¡diluted ¡ 0.01nM ¡DNA ¡ ¡ Stock ¡DNA ¡ soluNon ¡0.1nM ¡
All ¡above ¡pictures ¡are ¡obtained ¡through ¡the ¡BIO-‑RAD ¡Gel ¡DOCTM ¡XR+ ¡system ¡and ¡the ¡associated ¡image ¡analysis ¡sohware ¡Image ¡LabTM. ¡ ¡ ¡