Laboratorijas čips

Laboratorijas čips (angļu: lab-on-a-chip jeb LOC) ir ierīce, kas apvieno vienu vai vairākas laboratorijas funkcijas vienā integrālajā shēmā (parasti saukta par mikroshēmu jeb čipu), kuras izmērs ir tikai no milimetra līdz dažiem kvadrātcentimetriem, lai panāktu automatizāciju un augstas veiktspējas skrīningu. LOC var apstrādāt ļoti mazus šķidrumu tilpumus, kas nepārsniedz pikolitrus. Laboratorijas čipi ir mikroelektromehānisko sistēmu (MEMS) ierīču apakškopa, un dažkārt tās dēvē par "mikrokopējām analīzes sistēmām" (µTAS). LOC var izmantot mikrofluīdiku, kas ir nelielu šķidrumu daudzumu fizika, manipulācija ar tiem un to izpēte. Tomēr, stingri ņemot, "laboratorija vienā mikroshēmā" parasti apzīmē viena vai vairāku laboratorijas procesu mērogošanu līdz mikroshēmas formātam, savukārt "µTAS" ir veltīta laboratorijas procesu kopējās secības integrācijai, lai veiktu ķīmisko analīzi. Termins "lab-on-a-chip" tika ieviests, kad izrādījās, ka µTAS tehnoloģijas ir izmantojamas ne tikai analīzes vajadzībām.

Vēsture

Pēc mikrotehnoloģiju izgudrošanas (~ 1954. gadā), lai realizētu integrētas pusvadītāju struktūras mikroelektronisko mikroshēmu vajadzībām, šīs uz litogrāfiju balstītās tehnoloģijas drīz vien sāka izmantot arī spiediena sensoru ražošanā (1966. gadā). Turpinot attīstīt šos parasti CMOS savietojamību ierobežojošos procesus, kļuva pieejams arī instrumentu komplekts, ar ko silīcija plāksnēs izveidot mikrometra vai zem mikrometra izmēra mehāniskas struktūras: sākās mikroelektromehānisko sistēmu (MEMS) ēra.

Līdzās spiediena sensoriem, gaisa spilvenu sensoriem un citām mehāniski kustīgām struktūrām tika izstrādātas šķidrumu apstrādes ierīces. Kā piemērus var minēt kanālus (kapilāros savienojumus), maisītājus, vārstus, sūkņus un dozēšanas ierīces. Pirmā LOC analīzes sistēma bija gāzu hromatogrāfs, ko 1979. gadā izstrādāja S. C. Terry Stenforda universitātē. Tomēr tikai astoņdesmito gadu beigās un deviņdesmito gadu sākumā LOC pētniecība sāka nopietni attīstīties, jo dažas pētniecības grupas Eiropā izstrādāja mikrosūkņus, plūsmas sensorus un integrētu šķidrumu apstrādes koncepcijas analīzes sistēmām. Šīs μTAS koncepcijas parādīja, ka integrējot priekšapstrādes posmus, ko parasti veic laboratorijas mērogā, var paplašināt vienkāršo sensora funkcionalitāti, lai veiktu pilnīgu laboratorijas analīzi, ieskaitot papildu tīrīšanas un atdalīšanas posmus.

Liels pētniecības un komerciālās intereses pieaugums bija vērojams 90. gadu vidū, kad izrādījās, ka µTAS tehnoloģijas nodrošina interesantus instrumentus genomikas lietojumiem, piemēram, kapilārai elektroforēzei un DNS mikroshēmām. Lielu atbalstu pētniecībai sniedza arī militārie spēki, jo īpaši DARPA (Aizsardzības progresīvo pētniecības projektu aģentūra), kas izrādīja interesi par pārnēsājamām bioloģisko/ķīmisko kaujas vielu atklāšanas sistēmām. Pievienotā vērtība neaprobežojās tikai ar laboratorijas procesu integrāciju analīzei, bet arī ar atsevišķu komponentu raksturīgajām iespējām un pielietojumu citos, ar analīzi nesaistītos laboratorijas procesos. Tādējādi tika ieviests termins "lab-on-a-chip".

Lai gan LOC pielietojums joprojām ir jauns un pieticīgs, uzņēmumu un lietišķās pētniecības grupu interese pieaug dažādās jomās, piemēram, analīzē (piemēram, ķīmiskā analīze, vides monitorings, medicīniskā diagnostika un šūnu diagnostika), kā arī sintētiskajā ķīmijā (piemēram, ātrais skrīnings un mikroreaktori farmācijā). Līdztekus turpmākai lietojumu attīstībai ir paredzams, ka LOC sistēmu pētniecība tiks paplašināta, izmantojot nanotehnoloģijas, lai samazinātu arī šķidrumu apstrādes struktūru mērogošanu. Submikrometru un nanoizmēra kanāli, DNS labirinti, vienas šūnas noteikšana un analīze, kā arī nanosensori varētu kļūt iespējami, ļaujot rast jaunus veidus mijiedarbībai ar bioloģiskām sugām un lielām molekulām. Ir sarakstītas daudzas grāmatas, kurās aplūkoti dažādi šo ierīču aspekti, tostarp šķidruma transportēšana, sistēmu īpašības, sensoru metodes un bioanalītiskie lietojumi.

Priekšrocības

LOC var sniegt priekšrocības, kas ir specifiskas to lietojumam. Tipiskas priekšrocības ir šādas:

neliels šķidruma tilpuma patēriņš (mazāk atkritumu, zemākas reaģentu izmaksas un mazāks nepieciešamais parauga tilpums diagnostikai).

ātrāka analīze un ātrāks reakcijas laiks, jo ir īsi difūzijas attālumi, ātra sildīšana, augsts virsmas un tilpuma attiecība, maza siltuma jauda.

labāka procesa kontrole, jo sistēma reaģē ātrāk (piemēram, termiskā kontrole eksotermiskām ķīmiskām reakcijām).

sistēmu kompaktums, pateicoties daudzu funkciju integrācijai un maziem tilpumiem.

masveida paralēlizācija kompaktuma dēļ, kas ļauj veikt augstas veiktspējas analīzi

zemākas izgatavošanas izmaksas, kas ļauj izgatavot rentablas vienreizlietojamas mikroshēmas, kas izgatavotas masveida ražošanā.

daļu kvalitāti var pārbaudīt automātiski

drošāka platforma ķīmiskiem, radioaktīviem vai bioloģiskiem pētījumiem funkcionalitātes integrācijas, mazāku šķidruma tilpumu un uzkrāto enerģiju dēļ.

Trūkumi

Nozīmīgākie laboratoriju uz mikroshēmas trūkumi ir šādi:

mikroražošanas process, kas nepieciešams to izgatavošanai, ir sarežģīts un darbietilpīgs, tam nepieciešamas gan dārgas iekārtas, gan specializēts personāls. To var pārvarēt, pateicoties nesenajiem tehnoloģiju sasniegumiem lētas 3D drukāšanas un lāzergravēšanas jomā.

sarežģītajam šķidruma iedarbināšanas tīklam nepieciešami vairāki sūkņi un savienotāji, kuru smalka kontrole ir apgrūtināta. To var pārvarēt ar rūpīgu simulāciju, iekšēju sūkni, piemēram, gaisa maisā iestrādātu mikroshēmu, vai izmantojot centrbēdzes spēku, lai :aizstātu sūknēšanu, t. i., centrbēdzes mikrofluidisko mikroshēmu. Lielākā daļa LOC ir jauni koncepcijas pierādījumi, kas vēl nav pilnībā izstrādāti plašai izmantošanai. Pirms praktiskas pielietošanas ir nepieciešams vairāk apstiprinājumu.

Mikrolitru mērogā, ar ko nodarbojas LOC, dominē no virsmas atkarīgi efekti, piemēram, kapilārie spēki, virsmas raupjums vai ķīmiskā mijiedarbība. Tas dažkārt var padarīt laboratorijas procesu atkārtošanu LOC diezgan sarežģītu un sarežģītāku nekā parastajās laboratorijas iekārtās.

noteikšanas principi ne vienmēr var pozitīvi samazināt skalu, kā rezultātā signāla un trokšņa attiecība ir zema.

Globālā veselība

Tehnoloģija "laboratorija uz mikroshēmas" drīzumā var kļūt par nozīmīgu globālās veselības uzlabošanas pasākumu daļu, jo īpaši izstrādājot testēšanas ierīces, kas paredzētas veselības aprūpes punktos. Valstīs ar ierobežotiem veselības aprūpes resursiem infekcijas slimības, kas attīstītajās valstīs būtu ārstējamas, bieži vien ir nāvējošas. Dažos gadījumos nabadzīgajās veselības aprūpes klīnikās ir pieejami medikamenti noteiktas slimības ārstēšanai, bet trūkst diagnostikas rīku, lai noteiktu pacientus, kuriem šie medikamenti būtu jāsaņem. Daudzi pētnieki uzskata, ka LOC tehnoloģija var būt atslēga uz jauniem jaudīgiem diagnostikas instrumentiem. Šo pētnieku mērķis ir izveidot mikrofluidiskās mikroshēmas, kas ļaus veselības aprūpes pakalpojumu sniedzējiem slikti aprīkotās klīnikās veikt diagnostiskos testus, piemēram, mikrobioloģisko kultūru analīzes, imūnanalīzes un nukleīnskābju analīzes bez laboratorijas atbalsta.

Globālās problēmas

Lai mikroshēmas varētu izmantot apgabalos ar ierobežotiem resursiem, ir jāpārvar daudzas problēmas. Attīstītajās valstīs visaugstāk novērtētās diagnostikas rīku īpašības ir ātrums, jutīgums un specifiskums, bet valstīs, kurās veselības aprūpes infrastruktūra ir mazāk attīstīta, jāņem vērā arī tādas īpašības kā lietošanas ērtums un glabāšanas laiks. Reaģentiem, kas nāk kopā ar mikroshēmu, piemēram, jābūt izstrādātiem tā, lai tie būtu efektīvi mēnešiem ilgi pat tad, ja mikroshēma netiek uzglabāta klimata kontrolētā vidē. Izvēloties materiālus un izgatavošanas paņēmienus, mikroshēmu izstrādātājiem ir jāpatur prātā arī izmaksas, mērogojamība un pārstrādājamība.

Globālā LOC lietojuma piemēri

Viena no ievērojamākajām un pazīstamākajām LOC ierīcēm, kas nonākusi tirgū, ir mājas grūtniecības testa komplekts, ierīce, kurā izmantota uz papīra balstīta mikrofluidikas tehnoloģija. Cita aktīva LOC pētniecības joma ir saistīta ar veidiem, kā diagnosticēt un ārstēt izplatītas infekcijas slimības, ko izraisa baktērijas, piemēram, bakteriūrija, vai vīrusi, piemēram, gripa. Bakteriūrijas (urīnceļu infekcijas) diagnosticēšanas zelta standarts ir mikrobioloģiskā kultūra. Nesen veiktajā pētījumā, kura pamatā ir tehnoloģija "laboratorija uz mikroshēmas" (Digital Dipstick), mikrobioloģiskā kultūra ir miniaturizēta mikrobioloģiskās mikrolīzes formātā, un to var izmantot veselības aprūpes punktā. Attiecībā uz vīrusu infekcijām labs piemērs ir HIV infekcijas. Šobrīd pasaulē ar HIV ir inficēti aptuveni 36,9 miljoni cilvēku, un 59 % no šiem cilvēkiem saņem pretretrovīrusu ārstēšanu. Tikai 75 % cilvēku, kas dzīvo ar HIV, zināja savu HIV statusu. CD4+ T limfocītu skaita noteikšana cilvēka asinīs ir precīzs veids, kā noteikt, vai cilvēkam ir HIV, un izsekot HIV infekcijas attīstībai. Pašlaik CD4 skaita noteikšanai zelta standarts ir plūsmas citometrija, taču plūsmas citometrija ir sarežģīta metode, kas nav pieejama lielākajā daļā jaunattīstības reģionu, jo tai nepieciešami apmācīti tehniķi un dārgs aprīkojums. Nesen šāds citometrs tika izstrādāts par 5 dolāriem. Vēl viena aktīva LOC pētniecības joma ir kontrolēta atdalīšana un sajaukšana. Šādās ierīcēs ir iespējams ātri diagnosticēt un potenciāli ārstēt slimības. Kā minēts iepriekš, liela motivācija šādu ierīču izstrādei ir tā, ka tās potenciāli var ražot par ļoti zemām izmaksām. Vēl viena pētniecības joma, kas tiek pētīta saistībā ar LOC, ir mājokļa drošība. Vēlama LOC funkcionalitāte ir gaistošo organisko savienojumu (GOS) automātiska uzraudzība. Ja šis lietojums kļūs uzticams, šīs mikroierīces varētu uzstādīt pasaules mērogā un informēt mājokļu īpašniekus par potenciāli bīstamiem savienojumiem.

Augu zinātnes

Laboratorijas uz mikroshēmas ierīces varētu izmantot, lai raksturotu Arabidopsis thaliana putekšņraga vadību. Konkrēti, augs uz mikroshēmas ir miniatūra ierīce, kurā varētu inkubēt putekšņu audus un olšūnas augu zinātniskajiem pētījumiem.

Skatīt arī

• MEMS
• Nanotehnoloģija
• Mikrofluīdika

Atsauces

• Geschke, Klank & Telleman, eds.: Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, 1st ed, John Wiley & Sons. ISBN 3-527-30733-8.
• Herold, KE, Rasooly, A (redaktori). Lab-on-a-Chip Technology: Fabrication and Microfluidics. Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-46-2.
• Herold, KE, Rasooly, A (redaktori). Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis. Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-47-9.
• Yehya H. Ghallab, Wael Badawy. Lab-on-a-chip: Techniques, Circuits, and Biomedical Applications. Artech House, 2010. 220. lpp. ISBN 978-1-59693-418-4.
• (2012) Gareth Jenkins & Colin D Mansfield (eds): Methods in Molecular Biology — Microfluidic Diagnostics, Humana Press, ISBN 978-1-62703-133-2