Lab-on-a-chip

Lab-on-a-chip (LOC) este un termen pentru un dispozitiv care integrează mai multe funcții care pot fi efectuate în laborator într-un singur cip care merge de la câțiva milimetri la câțiva centimetri pătrat și este capabil să gestioneze volume de lichide extrem de mici, sub litri pico . Dispozitivele Lab-on-a-chip sunt un subset al dispozitivelor MEMS (Micro Electro Mechanical Systems English) și adesea denumite și Sisteme de analiză micro totală (μTAS). Microfluidica este un termen general care descrie, de asemenea, dispozitivele de control al mecanicii fluidelor ca pompe și supape sau senzori, cum ar fi debitmetre și viscozimetre . Cu toate acestea, cu termenul „Lab-on-a-Chip” înseamnă, în general, măsurarea unui singur sau a unui multiplu al procesului de laborator cu un cip simplu , în timp ce „μTAS” este dedicat integrării tuturor secvențelor proceselor de laborator pentru a face analiza chimică . Termenul „Lab-on-a-chip” a fost introdus ulterior când a demonstrat că este posibil să se aplice tehnologiile μTAS mai larg decât numai în scopuri de analiză.

Istorie

După descoperirea microtehnologiei ( 1958 ) pentru a crea structuri integrate de semiconductori pentru cipuri microelectronice , aceste tehnologii electronice litografice bazate pe tehnologie au fost aplicate în curând în senzorii de presiune din domeniul producției. Noi dezvoltări ale acestor tehnologii, o cutie de instrumente a devenit disponibilă pentru a crea structuri mecanice în siliciu în ordinea de mărime a micrometrilor sau chiar mai mici: era început de sistemele microelectro mecanice (MEMS).

Dispozitivele de manipulare a fluidelor au fost dezvoltate după senzori de presiune și alte structuri mecanice mobile. Exemple: canale (conexiuni capilare), mixere , supape, pompe și dispozitive de măsurare. Primul sistem de analiză a tehnologiei Lab-on-a-chip a fost un cromatograf de gaze , dezvoltat în 1975 de SC Terry de la Universitatea Stanford . Cu toate acestea, numai la sfârșitul anilor optzeci și începutul anilor nouăzeci, cercetarea Lab-on-a-chip a început să crească serios datorită unor grupuri de cercetători care au dezvoltat micropompe, senzori de flux și conceptul de tratament integrat al fluidelor pentru sisteme de analiză. Aceste concepte µTAS au demonstrat că integrarea etapelor de pre-tratament, realizate în mod normal în laborator, ar fi putut extinde funcționalitatea simplă a senzorilor la analize complete de laborator, inclusiv pași suplimentari de curățare și separare.

Un mare impuls în cercetare și interese comerciale a venit la mijlocul anului 1990, când tehnologiile μTAS ar putea oferi instrumente interesante pentru aplicațiile genomului , cum ar fi „ electroforeza capilară și microarray- ul ADN- ului . Un mare impuls în sprijinul cercetării a venit și de la forțele armate, în special de către DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), pentru interesul lor pentru sistemele portabile de detectare a agenților bio-chimici în timpul războaielor. Valoarea adăugată a fost nu doar integrarea limitată a proceselor de laborator pentru analiză, ci și posibilitatea aplicării elementelor individuale la alte procese (neanaliză).

Cu toate acestea, aplicarea LOC-urilor este încă nouă și umilă, un interes crescând al companiilor și al grupurilor de cercetare aplicate este observat în diferite domenii precum analize (chimice, analize de monitorizare a mediului, diagnostic și celomică medicală ^[1] ), dar și în chimia sintetică ( microreactoare și test rapid pentru industria farmaceutică ). În afară de dezvoltarea ulterioară a aplicațiilor, se crede că cercetarea în sistemele LOC se poate extinde pentru a reduce instalațiile de tratare a fluidelor folosind nanotehnologie . Nano-canalele, labirintele ADN, detectarea unei singure celule și nano-senzorii pot fi fezabile și deschid posibilitatea unor noi tipuri de interacțiuni cu specii biologice și molecule mari. Un exemplu de succes pentru LOC-uri în științele vieții este dezvoltarea de chips-uri automate cu cleme patch-uri ^[2] , care oferă capacitatea de a crește dramatic rezultatele testelor de droguri în industriile din acest sector.

Materiale și fabricație

Baza pentru majoritatea proceselor de fabricație LOC este litografia. Inițial majoritatea proceselor erau în siliciu, deoarece aceste tehnologii bine dezvoltate erau derivate direct din fabricarea semiconductoarelor . Având în vedere cererea de caracteristici optice specifice, biocompatibile sau compatibile chimic, costuri de producție mai mici și o etapă de prototipare mai rapidă, au fost dezvoltate noi procese precum sticla de gravare, ceramică și metal , depunere și lipire, procese PDMS ( polidimetilsiloxan ), folii groase și stereolitografie în același mod rapid prin metode de replicare prin galvanizare ^[3] , turnare prin injecție (formare) și ștanțare (turnare). În plus, domeniul LOC-urilor depășește din ce în ce mai mult limitele dintre tehnologia microsistemelor bazate pe litografie, nanotehnologia și ingineria de precizie.

Beneficii

Un dispozitiv LOC poate oferi beneficii foarte specifice aplicațiilor lor. Avantajele tipice sunt:

1. Consumul de volume scăzute de lichid, având în vedere volumul intern mic al cipului, care este benefic pentru poluarea mediului (mai puține deșeuri), costul mai mic al reactivilor scumpi și mai puțină probă de lichid este utilizat pentru diagnostic.
2. Cea mai bună analiză și viteză a controlului cipului și eficiență îmbunătățită datorită timpilor scurți de amestecare (distanțe reduse de difuzie), încălzirii rapide (distanțe mici, raport mare între suprafață și volumul fluidului, capacitate redusă de energie).
3. Control mai bun al procesului datorită răspunsului mai rapid al sistemului (control al temperaturii pentru reacții chimice exoterme).
4. Compacitatea sistemului, datorită integrării mari a funcționalităților și a volumelor mici.
5. Paralelizare uriașă datorită compactității, ceea ce face posibilă analiza de mare putere.
6. Din costuri de fabricație mai mici, cu posibilitatea de a produce așchii de unică folosință la preț redus, fabricate cu producție în masă.
7. Platforma mai sigură pentru studii chimice, radioactive sau biologice, având în vedere integrarea excelentă a funcționalităților și a volumelor mai mici de fluid care trebuie stocate și a energiilor.

Dezavantaje

1. Noua tehnologie, prin urmare, nu este încă pe deplin dezvoltată.
2. Efectele fizice precum forțele capilare și efectele chimice ale suprafețelor canalelor devin dominante și conduc sistemele LOC să se comporte diferit și ocazional într-un mod mai complex decât echipamentele convenționale de laborator.

Exemple de utilizare a LOC-urilor

1. PCR în timp real ; detectează bacterii , viruși și tumori .
2. Imunotest ^[4] ; detectează bacterii, viruși și tumori pe baza reacțiilor antigen - anticorp .
3. Dielectroforeza pentru a detecta celulele canceroase și bacteriile
4. Pregătirea probelor de sânge ; Poate rupe celulele pentru a extrage ADN-ul
5. Celule LOC pentru analiza unei singure celule.

Notă

Bibliografie

• (EN) (2003) Edwin Oosterbroek & A. van den Berg (eds.): Lab-on-a-Chip: Miniaturized systems for (bio) chemical analysis and synthesis, Elsevier Science, ediția a doua, 402 pagini ISBN 0- 444 -51100-8 .
• (EN) (2004) Geschke, Klank & Telleman, eds.: Microsystem Engineering of Lab-on-a-Chip Devices, prima ediție, John Wiley & Sons . ISBN 3-527-30733-8 .

Referințe

• (EN) Living La Vida LOC (a): O scurtă perspectivă asupra lumii „Lab on a Chip” și Microfluidics - O recenzie din Science Creative Quarterly

Elemente conexe

• MEMS - Sisteme micro electromecanice
• Nanotehnologii

linkuri externe

• (EN) Living La Vida LOC (a): O scurtă perspectivă asupra lumii „Lab on a Chip” și Microfluidics - Innovative Science Quarterly Magazine

www.fluidics.eu Colecție de articole legate de microfluidică și laboratoare pe cip

Laboratoare

America de Nord

• (EN) Laborator Micro / Nanofluidics, în regia lui Jonathan D. Posner, ASU - Arizona State University Pe microfluidics.asu.edu. Adus la 8 iunie 2019 (depus de „Adresa URL originală 16 decembrie 2009).
• (EN) Wheeler Lab-on-a-Chip Group, Universitatea din Toronto, Canada
• (RO) Pagina personală a prof. DJ Harisson cu referințe la cercetările sale, Universitatea din Alberta, Canada
• ( EN ) Advanced Micro / Nano Devices Lab, Universitatea din Waterloo (Ontario), Canada , pe biomems.uwaterloo.ca.
• (EN) Bioanalytical Microsystems & Biosensors Lab, Cornell University
• ( EN ) Craighead Research Group, Universitatea Cornell , pe hgc.cornell.edu.
• (RO) MIC (Laborator de învățare a senzorilor nano și microacționatori), Universitatea din Buffalo, SUNY (Universitatea de Stat din New York), SUA
• (EN) MicroSystems and BioMEMS Lab de la Universitatea din Cincinnati, SUA
• (EN) Landers Research Group, Universitatea din Virginia
• (EN) Diagnostic Lab-on-a-Chip, Universitatea Texas din Austin
• ( EN ) Mathies Research Group, Universitatea din California (Berkeley) , pe cchem.berkeley.edu. Recuperat Universitatea din California, Berkeley.
• (EN) Grupul prof. Luke Lee: BioPOETS (Biomolecular Polymer Opto-Electronic Technology and Science), Universitatea din California, Berkeley , pe biopoets.openwetware.org.
• (EN) Biosensors Lab, Universitatea din Arizona
• (RO) BIO-NEMS University of Pennsylvania The Pennsylvania State University (PSU)
• (EN) Birck Nanotechnology Center de la Universitatea Purdue, Indiana, SUA
• (EN) BioMEMS and Microsystems Research Group de la Universitatea South Florida, Florida, SUA

Europa

• (EN) MCS: Mesoscale Chemical Systems, MESA + Research Institute, Olanda , pe mcs.tnw.utwente.nl.
• (EN) BIOS: Grupul Lab-on-a-Chip, Institutul de Cercetare MESA +, Olanda
• (EN) ISAS: Instutute for Analytical Sciences, Germania
• (EN) Belder Research Group, Universitatea din Leipzig, Germania , pe uni-leipzig.de.
• (EN) Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH, Mainz, Germania , pe imm-mainz.de.
• (EN) KTH - Microsystem Technology Group, Suedia , pe s3.kth.se. Accesat la 19 februarie 2008 (depus de „url original 26 februarie 2008).
• (EN) MIC - Departamentul de Micro și Nanotehnologie, Universitatea Tehnică din Danemarca, Danemarca
• (EN) Center for Nano and Microsystems de la Universitatea din Teesside, Marea Britanie
• (EN) Grupul de cercetare SynBioC, Universitatea din Gent, Belgia
• ( EN ) Grupul de biomecanică, Politecnico di Milano, Italia ^{[ link rupt ]}
• (EN) Laboratorul Național de Nanotehnologie, Universitatea din Salento, Lecce Italia Arhivat la 13 septembrie 2008 în Internet Archive .

Asia și Australia

• (EN) Kitamori Lab, Japonia , pe chem.tu-tokyo.ac.jp. Accesat la 19 februarie 2008 (depus de 'url original 9 aprilie 2008).
• (EN) Laborator de cercetare micro / nano, Universitatea Monash, Melbourne, Australia ^{[ Link rupt ]} pe eng.monash.edu.au.

Publicații periodice

• (RO) „Lab on a Chip” , pe rsc.org.
• (RO) „Jurnalul sistemelor microelectromecanice” , pe ieeexplore.ieee.org.
• (EN) „Journal of Micromechanics and Microengineering” pe iop.org.

Conferințe

• (RO) ASME ICNMM 2008 Filed 07 februarie 2008 în Internet Archive . A 6-a conferință internațională ASME despre nanocanale, microcanale și minicanale - Darmstadt , Germania - 23-25 ​​iunie 2008
• (EN) μTAS 2008 - a 12-a conferință internațională pe sisteme miniaturizate pentru chimie și științe ale vieții - San Diego, California, SUA - 12-16 octombrie 2008

Societate

• (EN) Micronit Microfluidics, Enschede, Olanda , pe micronit.com.
• (EN) Micralyne Inc., producător Lab-on-a-chip, Edmonton, Canada , pe micralyne.com. Accesat la 19 februarie 2008 (depus de „url original 25 ianuarie 2008).
• (EN) Spinx-Technologies, teste programabile bazate pe microfluidică, Geneva, Elveția , pe spinx-technologies.com.

Portal de inginerie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de inginerie