Direct current insulator based dielectrophoresis (DC-iDEP) microfluidic chip for blood plasma separation

Abstract

Lab-on-a-Chip (LOC) integrated microfluidics has been a powerful tool for new developments in analytical chemistry. These microfluidic systems enable the miniaturization, integration and automation of complex biochemical assays through the reduction of reagent use and enabling portability.Cell and particle separation in microfluidic systems has recently gained significant attention in many sample preparations for clinical procedures. Direct-current insulator-based dielectrophoresis (DC-iDEP) is a well-known technique that benefits from the electric field gradients generated by an array of posts for separating, moving and trapping biological particle samples. In this thesis a parametric optimization is used to determine the optimum radius of the post for particle separation. Results that are used to design a microfluidic device that with a novel combination of hydrodynamic and di-electrophoretic techniques can achieve plasma separation in a microfluidic channel from fresh blood and for the first time allows optical real-time monitoring of the components of plasma without pre or post processing. Finally, all the results are integrated to create a novel microfluidic chip for blood plasma separation, which combines microfluidics with conventional lateral flow immune chromatography to extract enough plasma to perform a blood panel. The microfluidic chip design is a combination of cross-flow filtration with a reversible electroosmotic flow that prevents clogging at the filter entrance and maximizes the amount of separated plasma. The main advantage of this design is its efficiency, since with a small amount of sample (a single droplet ~10µL) a considerable amount of plasma (more than 1µL) is extracted and collected with high purity (more than 99%) in a reasonable time (5 to 8 minutes). To validate the quality and quantity of the separated plasma and to show its potential as clinical tool, the microfluidic chip has been combined with lateral flow immune chromatography technology to perform a qualitative detection of the TSH (thyroid-stimulating hormone) and a blood panel for measuring cardiac Troponin and Creatine Kinase MB. The results obtained from the microfluidic system are comparable to previous commercial lateral flow assays that required more sample for implementing less tests.

Els dispositius Lab-on-a-Chip (LOC) són una eina de gran abast per als nous desenvolupaments de química analítica. Aquests sistemes de microfluids permeten la miniaturització, la integració i automatització d'assajos bioquímics complexos a través de la reducció del consum de reactiu i són portables. La separació de partícules i cél.lules mitjançant sistemes de microfluids ha guanyat recentment una atenció significativa en la preparació de mostres per als procediments clínics. La dielectroforesis amb corrent continu basada amb aïllants (DC-IDEP) és una tècnica ben coneguda que es beneficia dels gradients de camp elèctric generats per una sèrie de columnes d'aïllants que permeten la separació, el moviment i la captura de mostres de partícules biològiques. En aquesta tesis una optimització paramètrica s'utilitza per determinar el radi òptim de la columna necessària per a la separació de partícules. Resultats que s'utilitzen per dissenyar un dispositiu de microfluids que amb una nova combinació de tècniques hidrodinàmiques i di-electroforètiques pot aconseguir la separació de plasma en un microcanal a partir de sang fresca que per primera vegada permet la monitorització en temps real òptica dels components del plasma sense pre o post processament. Finalment, tots els resultats s'integren per crear un nou microxip per a la separació de plasma de la sang, que combina la microfluídica amb cromatografia de flux lateral convencional per extreure suficient plasma per dur a terme un panell de sang. El disseny del microxip és una combinació de filtració de flux creuat amb un flux electroosmòtic reversible que evita l'obstrucció a l'entrada del filtre i maximitza la quantitat de plasma separat. El principal avantatge d'aquest disseny és la seva eficiència, ja que amb una petita quantitat de mostra (una sola gota ~ 10µL) s'extreu una quantitat considerable de plasma (més de 1µL) i es recull amb gran puresa (més de 99%) en temps raonable (de 5 a 8 minuts). Per validar la qualitat i quantitat del plasma separat i per mostrar el seu potencial com a eina clínica, el xip de microfluids s'ha combinat amb la tecnologia de cromatografia de flux lateral per a realitzar una detecció qualitativa de la TSH (hormona estimulant de la tiroide) i un panell de sang per mesura la troponina cardíaca i la creatina quinasa MB. Els resultats obtinguts del sistema de microfluids són comparables als assajos de flux lateral comercials anteriors que requerien més mostra per a la realització de menys proves.