Çip üzerinde laboratuvar - Lab-on-a-chip

Bu makale teknoloji hakkındadır. Dergi için bkz. Lab on a Chip (dergi) .

Bir çip üzerinde laboratuvar ( LOC ), otomasyon ve yüksek verimli tarama elde etmek için yalnızca milimetreden birkaç santimetrekareye kadar tek bir entegre devrede (genellikle "çip" olarak adlandırılır) bir veya birkaç laboratuvar işlevini entegre eden bir cihazdır. . LOC'ler, piko-litreden daha az olan son derece küçük sıvı hacimlerini işleyebilir . Lab-on-a-chip cihazları, mikroelektromekanik sistemler (MEMS) cihazlarının bir alt kümesidir ve bazen "mikro toplam analiz sistemleri" (µTAS) olarak adlandırılır. LOC'ler mikroakışkanları , fiziği, manipülasyonu ve çok az miktarda sıvı üzerinde çalışmayı kullanabilir. Bununla birlikte, kesinlikle kabul edilen "bir çip üzerinde laboratuar", genellikle tekli veya çoklu laboratuar proseslerinin çip formatına indirgenmesini belirtirken, "µTAS", kimyasal analiz gerçekleştirmek için laboratuar proseslerinin toplam dizisinin entegrasyonuna adanmıştır. "Lab-on-a-chip" terimi, µTAS teknolojilerinin yalnızca analiz amaçlarından daha fazlası için uygulanabilir olduğu ortaya çıktığında ortaya çıktı.

Tarih

Mikroelektromekanik sistemler çipi, bazen "çip üzerinde laboratuvar" olarak da adlandırılır

Mikroelektronik çipler için entegre yarı iletken yapıları gerçekleştirmek için mikroteknolojinin icadından (~ 1954) sonra , bu litografi tabanlı teknolojiler kısa süre sonra basınç sensörü imalatında (1966) da uygulandı. Bu genellikle CMOS uyumlu sınırlı süreçlerin daha da geliştirilmesi nedeniyle , silikon plakalarda mikrometre veya alt mikrometre boyutlu mekanik yapılar oluşturmak için bir alet kutusu da kullanıma sunuldu : mikro elektro mekanik sistemler ( MEMS ) dönemi başladı.

Basınç sensörleri, hava yastığı sensörleri ve diğer mekanik olarak hareket edebilen yapıların yanında, sıvı taşıma cihazları geliştirildi. Örnekler şunlardır: kanallar (kılcal bağlantılar), karıştırıcılar, vanalar, pompalar ve dozlama cihazları. İlk LOC analiz sistemi, 1979'da Stanford Üniversitesi'nde SC Terry tarafından geliştirilen bir gaz kromatografıydı. Ancak, yalnızca 1980'lerin sonunda ve 1990'ların başında, LOC araştırması, Avrupa'da birkaç araştırma grubu, mikro pompalar, akış sensörleri ve analiz sistemleri için entegre sıvı muameleleri için konseptler geliştirdikçe ciddi bir şekilde büyümeye başladı. Bu µTAS kavramları, genellikle laboratuar ölçeğinde gerçekleştirilen ön işlem adımlarının entegrasyonunun, basit sensör işlevselliğini ek temizleme ve ayırma adımları dahil olmak üzere eksiksiz bir laboratuvar analizine doğru genişletebileceğini gösterdi.

1990'ların ortalarında, µTAS teknolojilerinin kapiler elektroforez ve DNA mikrodizileri gibi genomik uygulamalar için ilginç araçlar sağladığı ortaya çıktığında, araştırma ve ticari ilgide büyük bir artış geldi . Araştırma desteğinde büyük bir destek de ordudan, özellikle DARPA'dan (İleri Savunma Araştırma Projeleri Ajansı), taşınabilir biyo / kimyasal savaş ajanı tespit sistemlerine olan ilgileri nedeniyle geldi. Katma değer, yalnızca analiz için laboratuvar süreçlerinin entegrasyonu ile sınırlı kalmadı, aynı zamanda tek tek bileşenlerin karakteristik olanakları ve diğer, analiz dışı laboratuvar süreçlerine uygulanmasıyla da sınırlıydı. Bu nedenle "çip üzerinde laboratuar" terimi tanıtıldı.

LOC'lerin uygulaması hala yeni ve mütevazı olsa da, şirketlerin ve uygulamalı araştırma gruplarının analiz gibi farklı alanlarda (örneğin kimyasal analiz, çevresel izleme, tıbbi teşhis ve selomik) ve aynı zamanda sentetik kimyada (örneğin hızlı tarama) artan ilgisi gözlemlenmektedir. ve eczacılık için mikro reaktörler). Diğer uygulama geliştirmelerinin yanı sıra, LOC sistemlerindeki araştırmanın nanoteknoloji kullanılarak sıvı işleme yapılarının ölçeğinin küçültülmesine doğru genişlemesi bekleniyor . Mikrometre altı ve nano boyutlu kanallar, DNA labirentleri, tek hücre tespiti ve analizi ve nano sensörler, biyolojik türler ve büyük moleküllerle yeni etkileşim yollarına izin vererek uygulanabilir hale gelebilir. Sıvı aktarımı, sistem özellikleri, algılama teknikleri ve biyoanalitik uygulamalar dahil olmak üzere bu cihazların çeşitli yönlerini kapsayan birçok kitap yazılmıştır.

Çip malzemeleri ve üretim teknolojileri

Çoğu LOC üretim işleminin temeli fotolitografidir . Bu iyi geliştirilmiş teknolojiler doğrudan yarı iletken üretimden türetildiği için, başlangıçta çoğu süreç silikon içindeydi . Belirli optik özellikler, biyo veya kimyasal uyumluluk, daha düşük üretim maliyetleri ve daha hızlı prototipleme gibi talepler nedeniyle, cam, seramik ve metal aşındırma , biriktirme ve yapıştırma, polidimetilsiloksan (PDMS) işleme (örn. Yumuşak litografi ) gibi yeni işlemler geliştirilmiştir. ), Stokiyometri dışı tiyol-en polimerleri (OSTEmer) işleme, kalın film ve stereolitografi tabanlı 3D baskı ve ayrıca elektrokaplama , enjeksiyon kalıplama ve kabartma yoluyla hızlı çoğaltma yöntemleri . Ucuz ve kolay LOC prototipleme talebi, PDMS mikroakışkan cihazlarının üretimi için basit bir metodoloji ile sonuçlandı: ESCARGOT (Gömülü SCAffold Çıkarma Açık Teknolojisi). Bu teknik, mikroakışkan kanalların tek bir PDMS bloğunda, çözünebilir bir iskele (örneğin 3D baskı ile yapılır ) aracılığıyla oluşturulmasına izin verir . Ayrıca, LOC alanı, litografi tabanlı mikrosistem teknolojisi, nanoteknoloji ve hassas mühendislik arasındaki sınırları giderek daha fazla aşmaktadır.

Avantajlar

LOC'ler, uygulamalarına özgü avantajlar sağlayabilir. Tipik avantajlar şunlardır:

  • düşük sıvı hacmi tüketimi (daha az atık, daha düşük reaktif maliyetleri ve teşhis için daha az gerekli numune hacmi)
  • Kısa difüzyon mesafeleri, hızlı ısıtma, yüksek yüzey / hacim oranları, küçük ısı kapasiteleri nedeniyle daha hızlı analiz ve yanıt süreleri.
  • sistemin daha hızlı yanıt vermesi nedeniyle daha iyi proses kontrolü (örn. ekzotermik kimyasal reaksiyonlar için termal kontrol)
  • Çok sayıda işlevsellik ve küçük hacimlerin entegrasyonu nedeniyle sistemlerin kompaktlığı
  • Yüksek verimli analizlere izin veren kompaktlık nedeniyle büyük paralellik
  • düşük üretim maliyetleri, düşük maliyetli tek kullanımlık cipslere izin verir, seri üretimde imal edilir
  • parça kalitesi otomatik olarak doğrulanabilir
  • işlevsellik entegrasyonu, daha küçük sıvı hacimleri ve depolanan enerjiler nedeniyle kimyasal, radyoaktif veya biyolojik çalışmalar için daha güvenli platform

Dezavantajları

Çipte laboratuvarların en belirgin dezavantajları şunlardır:

  • Bunları yapmak için gereken mikro üretim süreci karmaşıktır ve yoğun emek gerektirir, hem pahalı ekipman hem de uzman personel gerektirir. Düşük maliyetli 3D baskı ve lazer kazıma alanındaki son teknoloji ilerlemesiyle bunun üstesinden gelinebilir .
  • Karmaşık akışkanlı çalıştırma ağı, hassas kontrolün zor olduğu çok sayıda pompa ve konektör gerektirir. Dikkatli bir simülasyonla, hava yastığı gömülü çip gibi bir iç pompa ile veya pompalamayı değiştirmek için santrifüj kuvveti, yani santrifüjlü mikro-akışkan biyoçip kullanılarak üstesinden gelinebilir .
  • Çoğu LOC, yaygın kullanım için henüz tam olarak geliştirilmemiş, konsept uygulamasının yeni kanıtıdır. Pratik istihdamdan önce daha fazla doğrulamaya ihtiyaç vardır.
  • LOC'lerin ilgilendiği mikrolitre ölçeğinde, kapiler kuvvetler, yüzey pürüzlülüğü veya kimyasal etkileşimler gibi yüzeye bağlı etkiler daha baskındır. Bu bazen LOC'lerde laboratuar işlemlerinin kopyalanmasını oldukça zor ve geleneksel laboratuar ekipmanına göre daha karmaşık hale getirebilir.
  • Algılama ilkeleri her zaman olumlu bir şekilde ölçeklenmeyebilir ve bu da düşük sinyal-gürültü oranlarına yol açar .

Küresel sağlık

Lab-on-a-chip teknolojisi, yakında , özellikle hasta başı test cihazlarının geliştirilmesi yoluyla, küresel sağlığı iyileştirme çabalarının önemli bir parçası haline gelebilir . Sağlık hizmeti kaynaklarının az olduğu ülkelerde, gelişmiş bir ülkede tedavi edilebilecek bulaşıcı hastalıklar genellikle ölümcüldür. Bazı durumlarda, yetersiz sağlık klinikleri belirli bir hastalığı tedavi edecek ilaçlara sahiptir, ancak ilaçları alması gereken hastaları belirlemek için teşhis araçlarından yoksundur . Pek çok araştırmacı, LOC teknolojisinin güçlü yeni teşhis araçlarının anahtarı olabileceğine inanıyor. Bu araştırmacıların amacı, yetersiz donanımlı kliniklerdeki sağlık hizmeti sağlayıcılarının mikrobiyolojik kültür tahlilleri , immünolojik tahliller ve nükleik asit tahlilleri gibi laboratuvar desteği olmadan teşhis testleri yapmalarına olanak tanıyacak mikroakışkan çipler oluşturmaktır .

Küresel zorluklar

Çiplerin sınırlı kaynaklara sahip alanlarda kullanılması için birçok zorluğun üstesinden gelinmesi gerekir. Gelişmiş ülkelerde, teşhis araçları için en çok değer verilen özellikler arasında hız, duyarlılık ve özgüllük; ancak sağlık altyapısının daha az gelişmiş olduğu ülkelerde kullanım kolaylığı ve raf ömrü gibi özellikler de dikkate alınmalıdır. Örneğin, çip ile birlikte gelen reaktifler, çip iklim kontrollü bir ortamda tutulmasa bile aylarca etkili kalacak şekilde tasarlanmalıdır . Çip tasarımcıları , hangi malzemeleri ve üretim tekniklerini kullanacaklarını seçerken maliyeti , ölçeklenebilirliği ve geri dönüştürülebilirliği de göz önünde bulundurmalıdır.

Global LOC uygulaması örnekleri

Pazara ulaşan en önemli ve en iyi bilinen LOC cihazlarından biri, kağıt bazlı mikroakışkan teknolojisini kullanan bir cihaz olan evde gebelik testi kitidir . LOC araştırmasının bir başka aktif alanı, bakterilerin neden olduğu yaygın bulaşıcı hastalıkları teşhis etme ve yönetme yollarını içerir , örn. bakteriüri veya virüs , ör. grip . Bakteriüri ( idrar yolu enfeksiyonları ) teşhisi için altın standart mikrobiyal kültürdür . Laboratuar-on-a-chip teknolojisine dayanan yeni bir çalışma, Dijital Yağ Çubuğu, mikrobiyolojik kültürü bir daldırma çubuğu formatına küçülttü ve bakım noktasında kullanılmasını sağladı . Viral enfeksiyonlar söz konusu olduğunda, HIV enfeksiyonları iyi bir örnektir. Bugün dünyada yaklaşık 36.9 milyon insan HIV ile enfekte ve bu kişilerin% 59'u anti-retroviral tedavi görüyor . HIV ile yaşayan insanların yalnızca% 75'i HIV durumlarını biliyordu. Bir kişinin kanındaki CD4 + T lenfositlerinin sayısını ölçmek, bir kişinin HIV olup olmadığını belirlemenin ve bir HIV enfeksiyonunun ilerlemesini izlemenin doğru bir yoludur. Şu anda akış sitometrisi , CD4 sayımlarını elde etmek için altın standarttır, ancak akış sitometrisi, eğitimli teknisyenler ve pahalı ekipman gerektirdiğinden, çoğu gelişmekte olan alanda bulunmayan karmaşık bir tekniktir. Son zamanlarda böyle bir sitometre sadece 5 $ 'a geliştirildi. LOC araştırmasının bir başka aktif alanı da kontrollü ayırma ve karıştırmadır. Bu tür cihazlarda, hastalıkları hızlı bir şekilde teşhis etmek ve potansiyel olarak tedavi etmek mümkündür. Yukarıda bahsedildiği gibi, bunların geliştirilmesi için büyük bir motivasyon, potansiyel olarak çok düşük maliyetle üretilebilmeleridir. LOC ile ilgili olarak incelenen bir başka araştırma alanı da ev güvenliğidir. Uçucu organik bileşiklerin (VOC'ler) otomatik olarak izlenmesi, LOC için istenen bir işlevselliktir. Bu uygulama güvenilir hale gelirse, bu mikro cihazlar küresel ölçekte kurulabilir ve potansiyel olarak tehlikeli bileşikleri ev sahiplerine bildirebilir.

Bitki bilimleri

Arabidopsis thaliana'da polen tüpü kılavuzluğunu karakterize etmek için çip üzerinde laboratuar cihazları kullanılabilir . Spesifik olarak, bir çip üzerindeki bitki, bitki bilimleri çalışmaları için polen dokularının ve ovüllerin inkübe edilebildiği minyatür bir cihazdır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Kitabın