Войти
A lab-on-a-chip (LOC ) - это устройство который объединяет одну или несколько лабораторных функций на одной интегральной схеме (обычно называемой «микросхемой») размером от миллиметров до нескольких квадратных сантиметров для достижения автоматизации и высокопроизводительного скрининга. LOC могут работать с очень маленькими объемами жидкости до менее пиколитров. Устройства «лаборатория на кристалле» представляют собой подмножество устройств с микроэлектромеханическими системами (МЭМС) и иногда называются «системами микромеханического анализа» (µTAS). LOC могут использовать микрофлюидику, физику, манипулирование и изучение мельчайших количеств жидкостей. Однако строго рассматриваемый термин «лаборатория на кристалле» означает, как правило, масштабирование одного или нескольких лабораторных процессов до формата чипа, тогда как «µTAS» предназначен для интеграции всей последовательности лабораторных процессов для выполнения химического анализа. Термин «лаборатория на кристалле» был введен, когда выяснилось, что технологии µTAS применимы не только для целей анализа.
Микросхема микроэлектромеханических систем, иногда называемая «лабораторией на микросхеме» После изобретения микротехнология (~ 1954 г.) для реализации интегрированных полупроводниковых структур для микроэлектронных чипов, эти технологии на основе литографии вскоре стали применяться и в производстве датчиков давления (1966 г.). В связи с дальнейшим развитием этих процессов с ограниченной совместимостью обычно CMOS, стал доступен набор инструментов для создания механических структур микрометрового или субмикрометрового размера на кремниевых пластинах : Micro Electro Mechanical Началась эра систем (MEMS ).
Наряду с датчиками давления, датчиками подушек безопасности и другими механически подвижными конструкциями были разработаны устройства для обработки жидкостей. Примеры: каналы (капиллярные соединения), смесители, клапаны, насосы и дозирующие устройства. Первой системой анализа LOC был газовый хроматограф, разработанный в 1979 году С.С. Терри в Стэнфордском университете. Однако только в конце 1980-х и начале 1990-х годов исследования LOC начали серьезно расти, поскольку несколько исследовательских групп в Европе разработали микронасосы, датчики потока и концепции комплексной обработки жидкости для аналитических систем. Эти концепции µTAS продемонстрировали, что интеграция этапов предварительной обработки, обычно выполняемых в лабораторных условиях, может расширить функциональность простых датчиков до полного лабораторного анализа, включая дополнительные этапы очистки и разделения.
Большой всплеск исследовательского и коммерческого интереса пришелся на середину 1990-х, когда оказалось, что технологии µTAS предоставляют интересный инструментарий для геномики приложений, таких как капиллярный электрофорез и ДНК-микрочипы. Большой толчок в поддержке исследований также оказали военные, особенно DARPA (Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов), за их интерес к портативным системам обнаружения боевых био / химических агентов. Добавленная стоимость не ограничивалась только интеграцией лабораторных процессов для анализа, но также характерными возможностями отдельных компонентов и приложений к другим, не связанным с анализом, лабораторным процессам. Отсюда и был введен термин «лаборатория на чипе».
Хотя применение LOC все еще является новым и скромным, растущий интерес компаний и групп прикладных исследований наблюдается в различных областях, таких как анализ (например, химический анализ, мониторинг окружающей среды, медицинская диагностика и целломика), но также и в других областях. синтетическая химия (например, экспресс-скрининг и микрореакторы для фармацевтики). Помимо дальнейших разработок приложений, ожидается, что исследования в области систем LOC будут распространяться на уменьшение размеров конструкций для обработки жидкости с использованием нанотехнологии. Субмикрометровые и наноразмерные каналы, лабиринты ДНК, обнаружение и анализ отдельных клеток и нанодатчики могут стать возможными, что откроет новые способы взаимодействия с биологическими видами и большими молекулами. Было написано множество книг, охватывающих различные аспекты этих устройств, включая транспортировку жидкости, свойства системы, методы измерения и биоаналитические приложения.
Основа для большинства LOC производственные процессы фотолитография. Первоначально большинство процессов выполнялось в кремнии, поскольку эти хорошо разработанные технологии были непосредственно получены при производстве полупроводников. Из-за требований, например, специфические оптические характеристики, био- или химическая совместимость, более низкие производственные затраты и более быстрое создание прототипов, были разработаны новые процессы, такие как стекло, керамика и металл травление, осаждение и связывание, полидиметилсилоксан (PDMS) обработка (например, мягкая литография ), обработка нестехиометрических тиоленовых полимеров (OSTEmer), толстопленочная и стереолитография, а также быстрое воспроизведение методы с помощью гальваники, литья под давлением и тиснения. Спрос на дешевое и легкое прототипирование LOC привело к простой методологии изготовления микрофлюидных устройств PDMS: ESCARGOT (открытая технология Embedded SCAffold RemovinG). Этот метод позволяет создавать микрофлюидные каналы в едином блоке PDMS с помощью растворимого каркаса (например, сделанного с помощью 3D-печати ). Кроме того, область LOC все больше и больше выходит за рамки границ между микросистемными технологиями на основе литографии, нанотехнологиями и точной инженерией.
Контроллеры LOC могут предоставлять преимущества, специфичные для их применения. Типичные преимущества:
Наиболее заметными недостатками Labs-on-chip являются :
Технология «лаборатория на кристалле» может вскоре стать важной частью усилий по улучшению глобального здоровья, в частности, за счет разработки точек доступа проверка ухода устройств. В странах с ограниченными ресурсами здравоохранения инфекционные заболевания, которые можно было бы вылечить в развитой стране, часто смертельны. В некоторых случаях в плохих клиниках есть лекарства для лечения определенного заболевания, но нет диагностических инструментов для выявления пациентов, которые должны получать эти лекарства. Многие исследователи считают, что технология LOC может быть ключом к новым мощным диагностическим инструментам. Цель этих исследователей - создать микрофлюидные микросхемы, которые позволят медицинским работникам в плохо оборудованных клиниках выполнять диагностические тесты, такие как иммуноанализ и нуклеиновые кислоты анализы без лабораторной поддержки.
Для использования микросхем в областях с ограниченными ресурсами необходимо преодолеть множество проблем. В развитых странах наиболее ценными чертами диагностических инструментов являются скорость, чувствительность и специфичность; но в странах, где инфраструктура здравоохранения менее развита, необходимо также учитывать такие характеристики, как простота использования и срок годности. Реагенты, которые поставляются с чипом, например, должны быть разработаны таким образом, чтобы они оставались эффективными в течение нескольких месяцев, даже если чип не хранится в среде с контролируемым климатом. Разработчики микросхем также должны учитывать стоимость, масштабируемость и возможность вторичной переработки при выборе материалов и технологий изготовления.
Одним из наиболее известных и хорошо известных устройств LOC, появившихся на рынке, является набор для тестирования на беременность в домашних условиях, устройство, в котором используется бумажная микрофлюидика. технология. Еще одна активная область исследований LOC включает способы диагностики и лечения ВИЧ инфекций. Сегодня в мире около 36,9 миллиона человек инфицированы ВИЧ, и 59% из них получают антиретровирусное лечение. Только 75% людей, живущих с ВИЧ, знали свой ВИЧ-статус. Измерение количества CD4 + Т-лимфоцитов в крови человека - это точный способ определить, есть ли у человека ВИЧ, и отследить развитие ВИЧ-инфекции. В настоящее время проточная цитометрия является золотым стандартом для определения количества CD4, но проточная цитометрия - сложный метод, который недоступен в большинстве развивающихся регионов, поскольку требует обученных технических специалистов и дорогостоящего оборудования. Недавно такой цитометр был разработан всего за 5 долларов. Еще одна активная область исследований LOC - контролируемое разделение и смешивание. В таких устройствах можно быстро диагностировать и потенциально лечить заболевания. Как упоминалось выше, большой мотивацией для их разработки является то, что они потенциально могут быть произведены по очень низкой цене. Еще одна область исследований, которая изучается в отношении LOC, - это безопасность дома. Автоматический мониторинг летучих органических соединений (ЛОС) является желательной функцией для LOC. Если это приложение станет надежным, эти микроустройства можно будет установить в глобальном масштабе и уведомить домовладельцев о потенциально опасных соединениях.
Можно использовать устройства «лаборатория на кристалле» для характеристики пыльцевой трубки руководство Arabidopsis thaliana. В частности, растение на чипе - это миниатюрное устройство, в котором можно инкубировать ткани пыльцы и семяпочки для исследований в области растений.
Биологический портал 
Технологический портал 