Центробежный микрожидкостный биочип - Centrifugal micro-fluidic biochip

LabDisk для анализа структуры белков с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей

В центробежный микрожидкостный биочип или же центробежный микрожидкостной биодиск это тип лаборатория на кристалле технология, также известная как лаборатория на диске, которая может использоваться для интеграции таких процессов, как разделение, смешивание, реакция и обнаружение наноразмерных молекул на единой платформе, включая компакт-диск или же DVD. Этот тип микрожидкостного биочипа основан на принципе микрофлюидика; воспользоваться неинерционной накачкой для лаборатория на кристалле устройства, использующие неинерционные клапаны и переключатели под центробежная сила и Эффект Кориолиса распределять жидкости по дискам в очень параллельном порядке.

Этот биодиск представляет собой интеграцию множества технологий в разных областях. Дизайнер должен быть знаком с процессом тестирования биологии, прежде чем создавать подробные микроструктуры на компакт-диске. Некоторые компоненты основных элементов, такие как клапаны, смесительные узлы и разделительные узлы, должны использоваться для завершения всего процесса испытаний. Основные принципы, применяемые в таких микрожидкостных структурах: центробежная сила, Эффект Кориолиса, и поверхностное натяжение. В микрообработка методы, в том числе узор, фотолитография, и травление все должны использоваться, пока конструкция проверена. Как только процесс тестирования биодиска проходит успешно, запускается комплексная методика обнаружения. В этой области учеными предложено множество методов. Самый популярный метод - иммуноанализ который широко используется при тестировании биологии. Последним шагом является получение данных с биодиска с помощью привода компакт-дисков и изменение программного или аппаратного обеспечения, позволяющего выполнять эту функцию. Популярным методом является считывание данных с биодиска с помощью обычного привода компакт-дисков с некоторым разработанным программным обеспечением, что дает преимущество низкой стоимости.

Как только центробежный микрожидкостный биочип будет разработан достаточно хорошо для производства в больших масштабах, он окажет большое влияние на промышленность, а также на медицинское обслуживание, особенно в развивающихся странах, где нет высокоточного оборудования.^{[нужна цитата ]} Люди в развитых странах, которые хотят проводить такие регулярные проверки на дому, также могут извлечь выгоду из этой новой технологии.

История

Центробежная микрофлюидная платформа, включая чип и устройство, была в центре внимания академических и промышленных исследований в течение почти 40 лет. В первую очередь, нацеленные на биомедицинские приложения, в систему был адаптирован ряд анализов. Платформа получила успех в качестве исследовательского или клинического инструмента и недавно получила дальнейшее коммерческое использование.^[1][2][3] Тем не менее, эта микрожидкостная технология «лаборатория на кристалле» пережила головокружительный всплеск за последние 10–15 лет, и новые разработки в области центробежных микрожидкостных технологий могут обеспечить широкое использование платформы. Поэтому были разработаны различные платформы для работы с жидкостями для реализации таких единичных операций, как взятие пробы, предварительное кондиционирование проб, подача реагентов, дозирование, аликвотирование, регулирование клапанов, маршрутизация, смешивание, инкубация, промывка, а также аналитическое или препаративное разделение.^[4] Интеграция такой подготовки проб, инкубации и анализа на автономном диске в устройство, которое управляет вращением для автоматической работы, способствует диагностике от образца к ответу в пункт обслуживания биомедицинская платформа.^[5]

Доктор Марк Маду из Калифорнийского университета в Ирвине является одним из лидеров в области создания центробежных микрожидкостных биочипов. Он выполнил несколько исследовательских проектов в этой области и добился больших успехов, таких как пневматическая накачка в центробежных микрофлюидных платформах, интеграция трехмерного диэлектрофореза с угольным электродом и серийная сифонная арматура.^[6] Члены его группы работают над проектами, включая лизис клеток, ПЦР-карту, гибридизацию ДНК, диагностику сибирской язвы и обнаружение респираторных вирусов (см. Внешние ссылки). Д-р Хуа-Чжун Ю из SFU.ca также добился больших успехов в этой области, предложив новый метод считывания оцифрованной молекулярной диагностики и новый метод обнаружения ДНК на пластиковом компакт-диске.^[7][8] (см. внешние ссылки) Д-р Ганг Логан Лю из UIUC в настоящее время также занимается этой областью (см. внешние ссылки).

Конструкция конструкции

Конструкция конструкции основана на принципе микрофлюидики, в платформе используются типовые компоненты. Многие структуры для центробежных микрожидкостных биочипов были разработаны, более интересные еще не выпущены. Группа Маду изобрела структуру клапанной камеры в 2004 году.^[9] В последние годы Saki Kondo выпустила вертикальную конструкцию для транспортировки жидкости, благодаря которой конструкция стала трехмерной.^[10] Группа Маду также изобрела серийную конструкцию сифонных клапанов, которая значительно упрощает контроль потока.^[6] Хун Чен создал спиральный микроканал, который позволяет проводить параллельное тестирование с большим количеством шагов.^[11]

Принцип

Принцип центробежного микрожидкостного биочипа включает основные силы частицы, а также принцип управления потоком.

Псевдосилы, действующие в центробежной микрофлюидике. В то время как центробежная сила всегда действует радиально наружу, сила Кориолиса действует перпендикулярно как ω, так и скорости жидкости, а сила Эйлера пропорциональна угловому ускорению.^[12]

Для частицы в потоке основными силами являются центробежная сила, Сила Кориолиса, Сила Эйлера и вязкая сила.

Центробежная сила играет роль насоса в проточной жидкости. Он предлагает основной источник для передачи жидкости, текущей от внутреннего радиуса CD к внешнему радиусу. Величина центробежной силы определяется радиусом расположения частицы и скоростью вращения. Формула для плотности центробежной силы:

${ displaystyle f _ { mathrm { omega}} = N { omega} ^ {2} r.}$

куда N это масса плотность жидкости, ω то угловая частота и р (радиальное) расстояние между частицей и центром диска.

Формула для плотности силы Кориолиса:

${ displaystyle f _ { mathrm {C}} = 2N { omega} u.}$

куда ты это скорость потока.

Сила Кориолиса возникает, когда жидкость имеет компонент скорости в радиальном направлении. Эта сила обычно меньше, чем центробежная сила, когда скорость вращения недостаточно высока. Когда дело доходит до высокого угловая частота, сила Кориолиса влияет на поток жидкости, который часто используется для разделения потока жидкости в блоке разделения.^[13]

Другая основная сила Сила Эйлера, которое часто определяют как ускорение угловой частоты. Например, когда КД вращается с постоянной скоростью, сила Эйлера относительно медленная. Формула плотности силы Эйлера:

${ displaystyle f _ { mathrm {E}} = Nr { frac {d { omega}} {dt}}.}$

Что касается частицы в потоке жидкости, сила вязкости равна:

${ displaystyle f _ { mathrm {v}} = v { frac { partial ^ {2} u} { partial x ^ {2}}}.}$

v вязкость жидкости.

Что касается всего потока жидкости, поверхностное натяжение играет важную роль в управлении потоком. Когда поток проходит через переменное поперечное сечение, поверхностное натяжение уравновешивает центробежную силу и в результате блокирует поток жидкости. Если жидкость хочет попасть в следующую камеру, необходима более высокая скорость вращения. Таким образом, из-за поверхностного натяжения процесс течения делится на несколько этапов, что упрощает управление потоком.

Типовой компонент

В центробежной микрожидкостной структуре есть различные типовые устройства, включая клапаны, устройство измерения объема, смешивание и переключение потока. Эти типы юнитов могут составлять структуры, которые можно использовать по-разному.

Клапаны

Пассивные клапаны, приводимые в действие исключительно центробежными силами: (а) капиллярный, (б) гидрофобный, (в) разрывное уплотнение, (г) центробежно-пневматическое избыточное давление, (д) ​​центробежно-пневматическое давление, (е) удаленно вентилируемая сборная камера (например, путем смачивания растворимой пленки56), (g) удаленно вентилируемая входная камера (например, с помощью структуры клепсидры), (h) капиллярный сифон, (i) переливной сифон и (j) пневматический сифонный клапан.^[12]

Принцип работы клапанов - это баланс между центробежной силой и поверхностным натяжением. Когда центробежная сила меньше поверхностного натяжения, поток жидкости будет удерживаться в исходной камере; когда центробежная сила превышает поверхностное натяжение из-за более высокой скорости вращения, поток жидкости ломает клапан и перетекает в следующую камеру. Это можно использовать для управления процессом потока, просто контролируя скорость вращения диска.

Наиболее часто используемые клапаны включают гидрофильный клапан, гидрофобный клапан, сифон клапан и жертвенный клапан.

Что касается гидрофильных и гидрофобных клапанов, генерация поверхностного натяжения практически одинакова. Это внезапная смена поперечное сечение канала, создающего поверхностное натяжение. Поток жидкости будет удерживаться в гидрофильном канале, когда поперечное сечение внезапно станет большим, тогда как поток будет удерживаться, когда поперечное сечение гидрофобного канала внезапно уменьшится.

Сифонный клапан просто основан на феномене сифона. Когда поперечное сечение канала достаточно мало, жидкость в камере может течь по каналу за счет поверхностного натяжения. В отличие от гидрофильных или гидрофобных клапанов, в этой модели поверхностное натяжение действует как насос, тогда как центробежная сила действует как сопротивление.

Жертвенный клапан - это новая технология, управляемая с помощью лазерного излучения. Эти жертвенные клапаны состоят из наночастиц оксида железа, диспергированных в парафиновая свеча. При возбуждении лазерным диодом наночастицы оксида железа внутри парафина действуют как интегрированные нанонагреватели, заставляя воск быстро плавиться при относительно низкой интенсивности возбуждения лазерного диода. Работа клапана не зависит от скорости вращения или расположения клапанов и, следовательно, позволяет проводить более сложные биологические анализы, встроенные в диск.^[1]

Измерение объема

Принцип распределения.

Измерение объема - типичная функция центробежных жидкостных систем для достижения определенного количества жидкого реагента. Этого можно добиться, просто подключив переливной канал к камере. Как только жидкость окажется на уровне переливного канала, остальная жидкость будет направлена ​​в сливную камеру, соединенную с переливным каналом.

Смешивание

Смешивание - важная функция микрофлюидики, которая объединяет различные реагенты для последующего анализа. Поскольку жидкость ограничена микромасштабной областью, смешивание становится затруднительным из-за низкого Число Рейнольдса с ламинарным потоком. Это означает, что нет конвективного перемешивания, а есть диффузия, которая ограничивает процесс перемешивания. Решить эту проблему можно несколькими способами. Типичный способ - вращать диск в разные стороны, а именно по часовой стрелке и против часовой стрелки вращение.

Переключение потока

Переключение потока необходимо при маршрутизации реагентов в разные камеры. Распространенным методом переключения потока в центробежном устройстве является использование Сила Кориолиса внутри Y-образной конструкции. Когда скорость вращения слишком низкая, поток жидкости будет следовать первоначальному пути; когда скорость вращения достаточно высока, то есть почти на том же уровне, что и центробежная сила, поток жидкости направляется в другую камеру.

Другие

При необходимости в микрофлюидных платформах также используются другие функции, такие как осаждение. Из-за разной массы и радиуса между разными частицами эти частицы можно разделить по вязкости и скорости. Таким образом может быть достигнуто осаждение различных частиц.

Материалы

Многие структуры могут быть сформированы с использованием наиболее распространенной технологии быстрого прототипирования, мягкой литографии с полидиметилсилоксан (ПДМС). PDMS - недорогой прозрачный эластомерный полимер с эластичными механическими свойствами при комнатной температуре. В лаборатории ПДМС смешивают небольшими партиями, разливают в формы, например, полиметилметакрилат) (PMMA), с микромасштабными характеристиками и отверждаемый при умеренных температурах от минут до часов. Открытые каналы PDMS закрываются путем прикрепления компонента, несущего канал, к предметному стеклу или второй плоской части PDMS. Входные и выходные отверстия могут быть легко сформированы с помощью пробивных инструментов. Хотя многие модификации поверхности не являются постоянными для PDMS из-за его относительно высокой подвижности цепи по сравнению с полимерами, PDMS по-прежнему остается актуальным в качестве материала для микрофлюидных приложений.

Термопласты также входят в обиход. Использование технических термопластов имеет множество преимуществ, хотя большинство из них еще не реализовано. Есть несколько товарных пластиков, которые оказались подходящими для медицинских микрофлюидных приложений. К ним относятся полиметилметакрилат) (ПММА), полистирол, поликарбонат, и множество циклических полиолефин материалы. ПММА обладает хорошими оптическими свойствами для флуоресценции, а режимы УФ-обнаружения относительно легко запечатать сами по себе. Они доступны в сортах, подходящих как для литья под давлением, так и для компрессионного формования. Полистирол - это материал, известный своими исследованиями. Поликарбонаты имеют высокую температуру стеклования, но плохие оптические свойства для флуоресцентного обнаружения. Циклические полиолефины, по-видимому, обладают наилучшим сочетанием оптических и механических свойств.^[14]

Обнаружение

Отправка сигнала

Базовые приготовления

Прежде чем молекулы вступят в реакцию с реагентами, их следует подготовить к реакциям. Наиболее типичным является разделение центробежной силой. В случае с кровью, например, осаждение клеток крови из плазмы может быть достигнуто путем вращения биодиска в течение некоторого времени. После разделения для всех молекулярных диагностических анализов требуется этап клеточного / вирусного лизиса, чтобы высвободить геномный и протеомный материал для последующей обработки. Типичные методы лизиса включают химический и физический метод. Метод химического лизиса, который является самым простым способом, использует химические детергенты или ферменты для разрушения мембран. Физический лизис может быть достигнут при использовании системы разбивания шариков на диске. Лизис происходит из-за столкновений и сдвигов между гранулами и клетками, а также в результате сдвига трения вдоль стенок камеры лизиса.

ELISA / FIA

ELISA (иммуноферментные анализы) и FIA (флуоресцентный иммуноанализ) - это два метода иммуноанализ. Иммуноанализы - стандартные инструменты, используемые в клинической диагностике. Эти тесты основаны на специфическом обнаружении либо антитела, либо антигена и обычно выполняются путем мечения представляющего интерес антитела / антигена с помощью различных средств, таких как флуоресцентные или ферментные метки. Однако стирка, смешивание и инкубация всегда занимает много времени. При интеграции в микрожидкостные биодиски время обнаружения становится чрезвычайно коротким, и такие типы тестов могут широко использоваться в этой области.

В методе ELISA ферменты используются для получения детектируемого сигнала от комплекса антитело-антиген. На первом этапе любой присутствующий антиген будет связываться с антителами, нанесенными на поверхность канала. Затем, детектирующие антитела добавляют для связывания с антигеном. Вторичное антитело, связанное с ферментом, следует за детектирующими антителами и связывается с ними. Наконец, когда добавляется субстрат, он превращается ферментом в определяемую форму. Основываясь на этом принципе, Серджи Мораис провел мультиплексные микроиммуноанализы на универсальном цифровом диске. Этот мультиплексный анализ может обеспечить пределы обнаружения (IC10) 0,06 мкг / л и чувствительность (IC50) 0,54 мкг / л.^[15]

Помимо типичных анализов ELISA, флуоресцентные иммуноанализы (FIA) также вводятся на центробежном микрофлюидном устройстве. Принцип FIA почти такой же, как и у ELISA; наиболее существенное отличие состоит в том, что вместо ферментов используются флуоресцентные метки.

Анализ нуклеиновых кислот

Определение нуклеиновых кислот с использованием ген-специфической амплификации нуклеиновых кислот с флуоресцентным красителем или зондом, микроматрицы нуклеиновых кислот, такие как микроматрицы ДНК, стали важными инструментами для генетического анализа, профилирования экспрессии генов и генетической диагностики. В ген-специфической амплификации нуклеиновых кислот стандартная ПЦР или изотермическая амплификация, такая как петлевое изотермическое усиление (LAMP), используется для амплификации целевого генетического маркера ДНК-связывающим флуоресцентным красителем, или для генерации сигнала применяется зонд, специфичный для последовательности.^[16] Флуоресценцию можно обнаружить в модифицированном приводе CD / DVD или дисковом устройстве.^[17]

В микрочипах нуклеиновых кислот процесс иммобилизации зонда и усиления сигнала можно разделить на пять этапов. Поверхность микроканала сначала облучается УФ-светом в присутствии озона для получения гидрофильной поверхности с высокой плотностью групп карбоновых кислот (этап 1). Затем молекулы зонда (биотин, ДНК или IgG плазмы человека) ковалентно присоединяются к поверхности поликарбона посредством амидного связывания (этап 2). Позже молекулы-мишени маркируются флуоресцентными метками, и эта меченная биотином целевая ДНК гибридизируется с ДНК зонда, иммобилизованной на диске (этап 3). Впоследствии наночастицы золота связываются с мишенью через стрептавидин конъюгат (шаг 4). Затем серебро наносится на золотое «зерно» (этап 5), чтобы увеличить размер частиц с нескольких до нескольких сотен нанометров. Усиление флуоресценции будет обнаружено системой обнаружения в дисководе компакт-дисков.^[7]

Прием сигнала

Система обнаружения должна быть дополнена компонентом приема сигнала. Существует примерно три типа систем, которые можно использовать для обнаружения. Первый - это Модификация оборудования и программного обеспечения, что означает, что привод CD / DVD следует модифицировать, а программное обеспечение также следует разрабатывать одновременно. Этот тип потребует излишней рабочей силы и затрат и может оказаться нецелесообразным в развивающихся странах или районах проживания коренных народов. Второй тип - это Модификация программного обеспечения стандартным оборудованием, что означает, что обнаружение может быть достигнуто путем разработки клиентского программного обеспечения на таких платформах, как C ++, без каких-либо изменений в оборудовании. Третий - это Стандартное оборудование и существующее программное обеспечение, что означает, что обнаружение может быть осуществлено просто с использованием существующего оборудования. Ману Паллапа описал новый протокол для считывания и количественной оценки анализов связывания биотина и стрептавидина со стандартным оптическим приводом, успешно используя текущее программное обеспечение для анализа CD-данных (IsoBuster).^[18] Оба последних типа имеют большое значение при столкновении с различными ситуациями.

Независимо от того, какой тип системы обнаружения используется, метод считывания является важным фактором. В основном существует два метода считывания: AAS (полученные аналоговые сигналы) и ERD (обнаружение ошибок считывания). В методе AAS для определения мультианалитов на DVD аналоговые сигналы, полученные непосредственно с фотодиода привода CD / DVD, хорошо коррелируют с оптической плотностью продуктов реакции. Метод ERD основан на анализе ошибок чтения. Он может использовать один и тот же универсальный цифровой диск и стандартный DVD-привод без какого-либо дополнительного оборудования.

ERD

В методе ERD положение и уровень результирующей ошибки считывания соответствуют физическому местоположению и интенсивности сигнала биоанализа соответственно. Затем ошибки сравниваются с идеально записанным компакт-диском, чтобы определить время, когда была считана одна определенная ошибка. Существует несколько бесплатных диагностических программ для качества компакт-дисков, таких как PlexTools Professional, Kprobe и CD-DVD Speed, которые можно использовать для доступа к статистической информации об ошибках в приводе CD / DVD и для создания графика, отображающего изменение частота ошибок блока как функция времени воспроизведения. Например, в типичном компакт-диске CD-R емкостью 700 МБ, содержащем 79,7 минут аудиоданных, радиус возникновения ошибки можно рассчитать по следующему уравнению:^[7]

${ displaystyle r = { sqrt {{t over 79,7} (58 ^ {2} -25 ^ {2}) + 25 ^ {2}}}}$

т время чтения и р - это радиус расположения.

ААС

В методе AAS набор сервосистем (фокусировка, отслеживание, салазки и сервоприводы шпинделя) удерживает лазерный луч сфокусированным на спиральной дорожке и позволяет вращать диск и перемещать лазерную головку во время сканирования. Плата усиления / обнаружения (DAB) интегрирована в привод CD / DVD и включает в себя фотодатчик и электронную схему для усиления радиочастотного сигнала, извлекаемого из фотодиодного преобразователя. Фотодатчик генерирует сигнал запуска при обнаружении метки запуска. Оба сигнала поступают на плату сбора данных USB2.0 (DAQ) для оцифровки и количественной оценки.^[19]

Смотрите также

Примечания

Рекомендации