close

Lab på en chip

Gå til navigation Gå til søg

Et " laboratorium på en chip " (LOC) er en enhed, der integrerer en eller flere laboratoriefunktioner på en enkelt chip , hvis dimensioner spænder fra blot et par millimeter til et par kvadratcentimeter.

Et laboratorium på en chip tillader håndtering af ekstremt små mængder væsker, endda lavere end størrelsesordenen af ​​picoliter, hvilket er et grundlæggende værktøj til fremme af mikrofluidik. [ 1 ]​ [ 2 ]​ Lab-on-a-chip-enheder er en undergruppe af MEMS-enheder og omtales nogle gange også som "totale mikroanalysesystemer" (µTAS). Udtrykket mikrofluidik bruges til at beskrive flowkontrolenheder, pumper og ventiler eller sensorer såsom flowmålere og viskometre. Det betragtes dog som strengt "lab-on-a-chip", hvilket generelt indikerer skalering af enkelte eller varierede processer under formatet af en chip, mens "µTAS" bruges til integration af samlede sekvenser af laboratorieprocesser til udførelse af kemisk analyse .

Ved at dykke ned i oprindelsen af ​​udtrykkene "lab-on-a-chip" og "µTAS" blev "µTAS"-konceptet introduceret og udviklet fra modifikationen af ​​Total Analysis System-konceptet (TAS) ved nedskalering og integration af dets flere faser (injektion, reaktion, separation, detektion) i en enkelt enhed, hvilket giver anledning til et system med funktioner, der ligner en sensor med hurtig responstid, lavt prøveforbrug, in-situ-drift og høj stabilitet. [ 3 ]​ [ 4 ]​ Efterfølgende blev udtrykket "lab-on-a-chip" introduceret for at kombinere det faktum, at ikke kun analytiske opgaver kunne udføres på disse enheder, men også andre såsom syntese af forbindelser og kontrol med kemiske reaktioner. [ 5 ]​ [ 6 ]​ I øjeblikket bruges hvert af ovenstående udtryk i flæng.

Historie

Efter opfindelsen af ​​mikroteknologi (~1954) til realisering af integrerede halvlederstrukturer til mikroelektroniske chips, blev denne litografi -baserede teknik også snart anvendt til fremstilling af tryksensorer. På grund af yderligere fremskridt i disse normalt begrænsede CMOS - begrænsende processer , "en værktøjskasse", der er i stand til at skabe mekaniske strukturer i form af mikrometer- eller submikrometer-størrelse siliciumwafere: MEMS mikroelektromekanisk system (MEMS), hvis æra var begyndt.

Efter udviklingen af ​​tryksensorer, airbagsensorer og andre mobile mekaniske strukturer blev væskehåndteringsanordninger udviklet. Eksempler på dette var kanaler (kapillærforbindelser), blandere, pumper og doseringsapparater. Det første LOC-analysesystem var gaskromatografi, udviklet i 1979 af SC Terry ved Stanford University. [ 7 ] Det var dog først i slutningen af ​​1980'erne og begyndelsen af ​​1990'erne, at LOC-forskningen begyndte at vokse for alvor med få grupper i Europa, der udviklede væskefølende mikropumper og konceptet for væskebehandlingsanalysesystemer. [ 3 ] Disse µTAS-koncepter viste, at anvendelsen af ​​forbehandlingstrin, normalt udført i laboratorieskala, kan udvide funktionaliteten af ​​en simpel sensor til en komplet analyse, herunder f.eks. yderligere rengørings- og separationstrin.

Et stort løft i forskning og kommerciel interesse kom i tankerne i 1990'erne, da µTAS-teknologi viste sig at give værktøjer til genomiske applikationer såsom kapillærelektroforese og DNA-mikroarrays. Et andet stort skub til forskning kom fra militær udvikling, specifikt fra DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), for dets interesse i bærbare biokemiske agentdetektionskrigssystemer. Merværdien var ikke kun begrænset til integration af laboratorieanalyseprocesser, men også de enkelte komponenters mulige karakteristika til andre processer end laboratorieanalyse.

Selvom anvendelsen af ​​LOC stadig er ny og beskeden, observeres en stigende interesse fra virksomheder og anvendte forskningsgrupper inden for forskellige områder, såsom analyse (eksempel: kemisk analyse, miljøovervågning og medicinsk diagnose), også kemisk syntese (eksempel: hurtig påvisning og mikroreaktorer til lægemidler). Ud over udviklingen af ​​flere applikationer forventes forskning i LOC-systemer at udvide til lavere skalaer af væskestrukturstyring ved hjælp af nanoteknologi . Kanaler under mikron og nanostørrelse, DNA-labyrinter, enkeltcelledetektering og -analyse og nanosensorer kunne være mulige, hvilket muliggør nye interaktionsveje med biologiske arter og store molekyler. Der er skrevet adskillige bøger, der dækker aspekter af disse enheder, herunder væsketransport, systemegenskaber og bioanalytiske applikationer.

Chipfremstillingsmaterialer og -teknologier

Grundlaget for fremstillingen af ​​de fleste LOC'er er fotolitografiprocessen . I starten var de fleste processer i silicium, da disse veludviklede teknologier var direkte afledt af halvlederfremstilling . På grund af efterspørgslen efter f.eks. specielle optiske egenskaber, bio- eller kemisk kompatibilitet, billige nye processer og hurtig prototyping, processer som: glas-, keramik- og metalætsning , aflejring og binding og bearbejdning af polydimethylsiloxan (PDMS) (f.eks. blød litografi), filmtykkelse og stereolitografi, samt hurtige replikeringsmetoder via galvanisering , sprøjtestøbning og prægning. Derudover overskrider felterne for LOC-enheder mere og mere grænserne mellem litografi baseret på mikrosystemteknologi, nanoteknologi og præcisionsteknik. Endelig er udviklingen af ​​LOC-enheder, der anvender Printed Circuit Board (PCB) som et substrat, et interessant alternativ på grund af følgende differentierende egenskaber: kommerciel tilgængelighed af substrater med integreret elektronik, sensorer og aktuatorer; mulighed for at fremstille engangsudstyr på grund af lave omkostninger og højt kommercialiseringspotentiale. Disse enheder er kendt under navnet Lab on PCB (LOP) [ 8 ]

Fordele ved LOC'er

LOC kan give flere fordele, som er specificeret i deres applikationer. Nogle typiske fordele er: • Forbrug af små mængder væske (mindre spild, lavere materialeomkostninger og mindre volumen pr. prøve til diagnosticering). • Hurtigere analyse- og responstider på grund af korte diffusionsafstande, hurtig opvarmning, større overfladeareal til volumen, små opvarmningsmuligheder. • Bedre styringsproces på grund af en hurtig reaktion af systemet (eksempel: termisk styring for eksoterme kemiske reaktioner) • Kompakte systemer, på grund af integration af flere funktionaliteter i små volumener. • Massiv parallelisering på grund af dens kompakte størrelse, som tillader højtydende analyse. • Lavere fremstillingsomkostninger, hvilket gør engangschips, fremstilling og masseproduktion rentabel. • En sikker platform for kemiske, biologiske og radioaktive undersøgelser på grund af integration af funktionalitet, små mængder væsker og lagret energi.

Ulemper ved LOC'er

Nogle ulemper ved LOC-enheder er:

  • Ny teknologi, endnu ikke fuldt udviklet.
  • Fysiske og kemiske effekter - såsom kapillærkræfter, ru overflader, kemiske vekselvirkninger af byggematerialer i reaktionsprocessen - bliver mere dominerende i så små skalaer. Dette kan nogle gange gøre processerne i LOC mere komplicerede end processerne med materialerne i et konventionelt laboratorium.
  • Detektionsprincipper i denne skala er ikke altid vellykkede på grund af små støjsignaler.
  • På trods af høj præcision i geometri og mikrofremstilling, er de klassificeret som relativt dårlige sammenlignet med f.eks. præcision i teknik.

LOC'er og global sundhed

Lab-on-a-chip teknologi kan snart blive en nøglespiller i bestræbelserne på at forbedre den globale sundhed, [ 9 ] især gennem udviklingen af ​​point-of-care testenheder.

I lande med få sundhedsressourcer er infektionssygdomme, der kunne behandles i udviklede lande, nogle gange dødelige i mindre udviklede lande. I nogle tilfælde har lavindkomstklinikker medicin til at behandle nogle sygdomme, dog manglen på screeningsværktøjer for patienter, der bør modtage medicin. Mange forskere mener, at LOC-teknologi kan være nøglen til nye, mere kraftfulde diagnostiske værktøjer. Målet for disse forskere er at skabe mikrofluidiske chips , der giver folk med viden inden for sundhedsvidenskab i dårligt udstyrede klinikker mulighed for at udføre diagnostiske tests såsom immunologiske eller nukleinsyretest uden behov for laboratoriestøtte.

Globale udfordringer

For chips, der bruges i områder med begrænsede økonomiske ressourcer, kan der komme mange udfordringer. I udviklede lande omfatter de vigtigste funktioner i diagnostiske screeningsværktøjer hastighed, følsomhed og specificitet, men i mindre udviklede lande, hvor sundhedsinfrastrukturen er mindre udviklet, er andre funktioner, der skal tages i betragtning, brugervenlighed og brugbar levetid. For eksempel skal de reagenser, der kommer på chippen, designes, så de skal være effektive i flere måneder, også selvom chippen ikke opbevares i et klimakontrolleret miljø. Chipdesignere skal også have omkostninger , skalerbarhed og genanvendelighed i tankerne for at vælge de bedst egnede materialer og fremstillingsteknikker.

Eksempler på LOC-applikationer over hele verden

Et område med aktiv LOC-forskning involverer måder at diagnosticere og behandle HIV - infektioner på . Omkring 40 millioner mennesker er smittet med HIV i verden, men kun 1,3 millioner mennesker modtager antiretroviral behandling . Omkring 90 % af mennesker med hiv er ikke blevet testet for sygdommen. Måling af antallet af CD4+ T-celler i en persons blod er en sikker måde at afgøre, om en person har HIV og til at fortsætte HIV-behandlingsprocessen. I øjeblikket er flowcytometri guldstandarden for at opnå CD4-tal, men flowcytometri er en kompliceret teknik, som ikke er tilgængelig i de fleste udviklingsområder, da det kræver uddannede teknikere og udstyr. Professor Aydogan Ozcan har dog for nylig udviklet et cytometer til kun $5. [ Aydogan Ozcan 1 ]

LOC'er og plantevidenskab

Lab-on-a-chip kunne bruges til at karakterisere pollenrørets orientering i Arabidopsis thaliana . Specifikt kan planten-på-en-chip være en miniatureanordning, der bruges til undersøgelse af planter og for eksempel: undersøgelse af pollenvæv og æg, der kan inkuberes der. [ 10 ]

Se også

Mikrofluidik

Bøger

  • (2003) Edwin Oosterbroek & A. van den Berg (red.): Lab-on-a-Chip: Miniaturiserede systemer til (bio)kemisk analyse og syntese, Elsevier Science, anden udgave, 402 sider. ISBN 0-444-51100-8 .
  • (2004) Geschke, Klank & Telleman, red.: Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, 1. udgave, John Wiley & Sons. ISBN 3-527-30733-8 .

Referencer

  1. ↑ Ozcan, Aydogan. "Diagnose i din hule hånd" . Multimedia::Cytometer . The Daily Bruins . Hentet 5. oktober 2011 . 
  1. ↑ GM Whitesides, "The origins and the future of microfluidics", Nature, 2006, 442, 368-373.
  2. ↑ D. Janasek, J. Franzke, A. Manz, "Skalering og design af miniaturiserede kemiske analysesystemer", Nature, 2006, 442, 374-380.
  3. ↑ a b A. Manz, N. Graber, HM Widmer, "Miniaturized total chemical analysis systems: A novel concept for chemical sensing", Sens. Actuators B, 1990, 1, 244-248.
  4. ↑ A. Manz, JCT Eijkel, "Miniaturisering og chipteknologi. Hvad kan vi forvente?”, Pure Appl. Chem., 2001, 73, 1555-1561.
  5. ↑ O. Geschke, H. Klank, P. Tellesmann (red.), Microsystem Engineering of Lab-on-a-Chip Devices, WILEY-VCH Verlag & Co. KgaA, Weinheim, 2004.
  6. ↑ --AJ de Mello, "Kontrol og detektion af kemiske reaktioner i mikrofluidiske systemer", Nature, 2006, 442, 394-402
  7. ↑ SC Terry, JH Jerman og JB Angell: A Gas Chromatography Air Analyzer Fabricated on a Silicon Wafer, IEEE Trans. Elektronanordninger, ED-26,12(1979)1880-1886.
  8. ↑ Perdigones, Francisco. "Lab-on-PCB and Flow Driving: A Critical Review". Mikromaskiner 12(2): 175 – via MDPI . doi : 10.3390/mi12020175 . 
  9. ↑ Paul Yager; Thayne Edwards, Elain Fu, Kristen Helton, Kjell Nelson, Milton R. Tam & Bernhard H. Weigl (juli 2006). "Mikrofluidisk diagnostisk teknologi til global folkesundhed". Nature 442 (7101): 412-418. PMID  16871209 . doi : 10.1038/nature05064 . 
  10. ↑ AK Yetisen, L Jiang, JR Cooper, Y Qin, R Palanivelu og Y Zohar (maj 2011). "Et mikrosystembaseret assay til undersøgelse af pollenrørsvejledning i planters reproduktion." . J. Micromech. Microeng. 25 . 


Hentet fra « https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Lab_on_a_chip&oldid=144282884 »