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 ¡InfecGons ¡ Professor. ¡ ¡W. ¡Balachandran ¡(Bala) ¡ Director ¡ ¡of ¡the ¡Centre ¡For ¡Electronic ¡Systems ¡Research ¡ School ¡of ¡Engineering ¡& ¡Design ¡ Brunel ¡University ¡ emstwwb@brunel.ac.uk ¡ March 2013 1 ¡

Self Testing Instrument for Sexually Transmitted Infections Taking laboratory diagnosis into the field

Integrated System for POCT Sample ¡ collecGon ¡ MicroFluidic ¡Network ¡ ¡ Sample ¡ DNA ¡ExtracGon ¡ DNA ¡ ¡ DNA ¡ ¡ concentraGon ¡ DetecGon ¡ ¡& ¡PurificaGon ¡ ¡ AmplificaGon ¡ ¡& ¡cell ¡lysis ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Wireless ¡ ¡ Electronic ¡Control ¡System ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Interface ¡ 3 ¡

The Team Principal ¡InvesGgator Professor ¡Wamadeva ¡Balachandran ¡(Bala) ¡ Biomedical ¡Engineering Biosciences MicrofabricaGon MulGphysics ¡Modelling BioMEMS/NEMS Dr ¡Krishna ¡Burugapalli ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Professor ¡Rob ¡Evans ¡ Professor ¡Chris ¡Hudson ¡ Dr ¡Predraig ¡Slijpevic ¡ ¡ ¡ Dr ¡Jeremy ¡Ahern ¡ Dr ¡Nada ¡Manivannan ¡ Dr ¡Yanmeng ¡Xu ¡ Dr ¡Ruth ¡Mackay ¡ Biosciences ¡ Electronic ¡Engineering ¡ Printed ¡Electronics ¡ Sivanesan ¡Tulasidas ¡ ¡ Tosan ¡Ereku ¡ Pascal ¡Craw ¡ Sara ¡Chaychian ¡ Branavan ¡Nehru ¡ Sana ¡Hussain ¡ Shavini ¡Wijesuriya ¡ PhD ¡Student ¡ PhD ¡Student ¡ PhD ¡Student ¡ PhD ¡Student ¡ PhD ¡Student ¡ VisiGng ¡Scholar ¡ PhD ¡Student ¡ Wireless ¡ Engineering ¡Design ¡ Biomedical ¡Engineering ¡ Electrical ¡Engineering ¡ Paper ¡microfluidics ¡ Biosciences ¡ Engineering ¡Design ¡ CommunicaGon ¡ ¡ ¡

Modular Research Platform Sample ¡pre-­‑treatment Electronic ¡System ConcentraGon ¡/ ¡PurificaGon Electromagnets Display ¡and ¡User ¡ StandardisaGon Interface Pumps Valve ¡actuators Disposable ¡Cartridge Control ¡System ¡ Thermal ¡control Sample ¡& ¡Reagents Microcontroller ¡ Nucleic ¡Acid ¡ Interface Detector ¡ Power ¡Management ¡ Microfluidic ¡ Lysis MagneGc Network ¡ SPR Sensors MEMS CommunicaGon ¡ Electromagnets AmplificaGon Electrochemical RFID GPS Valves OpGcal ¡ 3G ¡ Mobile Bluetooth ¡ Pathways Nanowire WiFi USB DetecGon Waste

Sample Collection • Swab and urine • 4mL of urine • 100uL swab elute • Simple design ‘Fool- proof’ • Direct integration to extraction device • Integrated lysis Urine collection devices

FE Analysis to Inform Design CessaNonal ¡ flow ¡ of ¡ urine ¡ from ¡ six ¡ inlets ¡into ¡the ¡air-­‑filled ¡cavity ¡ Streamline depiction of flow from inlets to device discharge orifice

DNA Extraction using Superparamagnetic Beads Ports (a) 9 mm 1 mm PMMA 500um PDMS Microfluidic Chamber Central stub to Assist the Coil Location Coil recess Side Via to Port Stainless Steel Port-ways (b) Position of Chamber Port Position in PDMS Layer 8 mm Polystyrene Collars 12mm Pitch 9 mm Coil Circle for Ports Recess Diameter 250 m m Bore PVC Tubing (c) Chamber Port Vias Cut-out A photograph of microfabricated chamber with PVC tubing 8 ¡

Microfluidic Dispenser

DNA Extraction using Cationic Biopolymer • Novel membrane in development • Cationic bioploymer membrane • Reduces number of steps for DNA extraction • No toxic reagents • Simple pH (5-9) change in aqueous solutions • 2 reagents required • Simple flow over device: no centrifugation/active mixing Two ¡DNA ¡extracGon ¡devices ¡with ¡embedded ¡ biopolymer ¡membrane ¡

DNA Extraction Performance 100 ¡ 90 ¡ 80 ¡ Percentage ¡Recovery ¡ ¡(%) ¡ 70 ¡ 60 ¡ 50 ¡ Spin ¡Column ¡(Qiagen) ¡ 40 ¡ Bioplymer ¡membrane ¡ 30 ¡ 20 ¡ 10 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0.1 ¡ 100 ¡ Sample ¡ConcentraGon ¡(ng/uL) ¡ (Salmon ¡sperm ¡DNA) ¡

Lab-in-a-Tube Biopolymer and Lysis buffer will be integrated into the device to extract DNA Cell Lysis and DNA Extraction ¡

Isothermal Amplification • Helicase dependent On-chip helicase amplification dependent amplification • Single temperature (65 ⁰ C) 10 ¡ • 10 9 amplification power 9 ¡ • < 20minutes reaction time • Can be used with real-time 8 ¡ fluorescence chemistries 7 ¡ Final ¡DNA ¡concentraNon ¡(ug/mL) ¡ Real-­‑Gme ¡plot ¡of ¡HDA ¡reacGon ¡ 6 ¡ PosiNve ¡ 5 ¡ Control ¡ Fluorescence ¡ 4 ¡ 3 ¡ 2 ¡ NegaNve ¡ control ¡ 1 ¡ 0 ¡ 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡15 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡25 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡30 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡35 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡40 ¡ tub On-­‑ rea ard ¡ Sta rea nd chi µL ¡ ¡ 25 on ¡ cN µL ¡ 25 e ¡ p ¡ Time ¡(minutes) ¡

On-chip Amplification and Detection 0 ¡ PMMA ¡ ReacNon ¡ Fluidic ¡ Chamber ¡ Chip ¡ 490nm ¡ LED ¡ OpNcal ¡Fibre ¡ 3mm ¡PMMA ¡ Emission ¡band-­‑pass ¡Filter ¡ ¡ 25µL ¡microfluidic ¡chip ¡ (530nm) ¡ Amplified ¡ Photodiode ¡ Finite ¡element ¡analysis ¡of ¡ microfluidic ¡chip ¡to ¡characterise ¡ thermal ¡properNes ¡ Fluorescence ¡detecNon ¡on ¡microfluidic ¡chip ¡

Magnetic Bead-based DNA Detection Planar Spiral Inductor for Inductance-based biosensor

Nano-particle/bead fabrication a ¡ b ¡ c ¡ Silver ¡NPs; ¡a)1, ¡b)5 ¡and ¡c)10µl ¡Hydrazine ¡in ¡0.1M ¡AOT/IPM ¡microemulsions ¡ e ¡ f ¡ g ¡ Gold ¡NPs; ¡e) ¡1, ¡f)5 ¡and ¡g)10µl ¡Hydrazine ¡in ¡0.1M ¡AOT/IPM ¡microemulsions ¡

Inductance Sensor: Simulation ¡ ¡ Circular ¡planar ¡coil ¡ Square ¡planar ¡coil ¡ I ¡= ¡100 ¡mA, ¡ ¡N ¡= ¡5 ¡ ¡ I ¡= ¡100 ¡mA, ¡ ¡N ¡= ¡5 ¡ ¡ Maximum ¡electric ¡potenGal ¡= ¡160 ¡ ¡mV ¡ Maximum ¡electric ¡potenGal ¡= ¡110 ¡ ¡mV ¡ MagneGc ¡Flux ¡Density ¡= ¡ ¡4 ¡-­‑ ¡ 16 ¡mT ¡ MagneGc ¡Flux ¡Density ¡= ¡ ¡4 ¡-­‑ ¡ 12 ¡mT ¡ ¡ ¡

Effect of Beads Permeability µ rB on δ L Effect of d out on δ L t c =2µm 18 ¡

Effect of Conductor Thickness t C on δ L Effect of Thickness of Underlying Permalloy t p on δ L The Effect of Frequency on Sensor Output 19 ¡

Integrated Microfluidic Cartridges 10mm ¡ 10mm ¡ Al ¡mould ¡for ¡a ¡fully ¡integrated ¡microfluidic ¡ Brass/Al ¡mould ¡for ¡a ¡detecNon ¡microfluidic ¡ system ¡ device ¡ 10mm ¡ DetecNon ¡device ¡with ¡ Integrated ¡microfluidic ¡PDMS ¡ ¡ automated ¡fluid ¡flow ¡and ¡ device ¡ electrodes ¡

Communication Design Strategy

Paper based microfluidics ( µ PADs) Fabrication of µ PADs Printed ¡barriers ¡(Wax) ¡ Printed ¡barriers ¡of ¡500 ¡µm ¡ Wax ¡penetraNon: ¡comparison ¡of ¡ printed ¡barriers ¡before ¡and ¡aher ¡ produced ¡fully ¡funcNonal ¡barriers. ¡ Cured ¡barriers ¡(Wax) ¡ curing ¡at ¡120 o C ¡for ¡15 ¡minutes ¡ A ¡minimum ¡channel ¡width ¡of ¡~ ¡300 ¡ µm ¡is ¡achievable. ¡ Xerox ¡ColorQube TM ¡ MulNplexing: ¡A ¡single ¡ DNA ¡mobility ¡on ¡a ¡ Inkjet ¡printed ¡silver ¡ 8570N ¡solid ¡ink ¡ sample ¡effecNvely ¡ µPAD ¡ electrodes ¡(25 ¡µm) ¡ Printer ¡ delivered ¡into ¡5 ¡test ¡zones ¡