Лаборатории на чипе БЫКОВ РОМАН Г Р РММ

Лаборатории на чипе БЫКОВ РОМАН Г Р. РММ 2 -41 2014 г

Что такое лаборатории на чипе? § Лаборатории на чипе – класс субмиллиметровых биоаналитических устройств § Выполняет функции: проведение флюидных процессов, зондирование, анализ и разделение биохимических проб § Объединяет флюидику, электронику, оптику и биосенсоры § Анализирует: метаболиты, молекулы, протеины, нуклеиновые кислоты, клетки и вирусы

МЭМС (Микроэлектромеханические системы) Встраиваемые системы Микрофлюидные ЛНЧ μ-TAS биосенсоры Имплантанты

Применения §Аналитическая химия в медицине (автоматизация проведения анализов, выявление заболеваний)

Применения §Аналитическая химия в медицине (автоматизация проведения анализов, выявление заболеваний) §Дозирование лекарств (микроиглы)

Микроиглы

Изготовление микроигл

Микроиглы

Применения §Аналитическая химия в медицине (автоматизация проведения анализов, выявление заболеваний) §Дозирование лекарств(микроиглы) §Биотехнологии (анализ ДНК)

Анализ ДНК Изготовление чипов

Анализ ДНК A T A G G C G G T C C G A T G C C T T G C A T T A A C G T A G C C G DNA Sample Optical Scan substrate Unhybridized array Laser

Применения §Аналитическая химия в медицине (автоматизация проведения анализов, выявление заболеваний) §Дозирование лекарств(микроиглы) §Биотехнологии (анализ ДНК) §Защита окружающей среды (экологический мониторинг)

Применения §Аналитическая химия в медицине (автоматизация проведения анализов, выявление заболеваний) §Дозирование лекарств(микроиглы) §Биотехнологии (анализ ДНК) §Защита окружающей среды (экологический мониторинг) §Автотранспорт (доставка жидкостей в двигателях)

Линейное ускорение Плотность заряда (подушка безопасности) (аккумулятор) Аzide Алкоголь (водитель) Температура (комфорт) Кислород (воздух/топливо) Угловое ускорение (подвеска) Расход воздуха (воздух/топливо) Гироскопы (навигация) NOX Давление (выхлоп) (шины, АВС)

Применения §Аналитическая химия в медицине (автоматизация проведения анализов, выявление заболеваний) §Дозирование лекарств §Биотехнологии (анализ ДНК) §Защита окружающей среды (экологический мониторинг) §Автотранспорт (доставка жидкостей в двигателях) §Электроника (струйные принтеры)

Технические преимущества ЛНЧ §Портативность §Модульность §Перенастраиваемость §Автоматизированная обработка образцов Лаборатория на чипе §Низкое энергопотребление §Мало подвижных компонентов §Простота интеграции Лабораторный процесс

Преимущества в эксплуатации ЛНЧ • Автоматизация лабораторных процессов (транспортировка проб, дозирование и смешивание) • Значительно уменьшается время лабораторных испытаний • Требуют малые объемы образцов и реагентов • Меньшее загрязнение образцов при испытаниях благодаря герметичности • Поддержка непрерывного и сегментированного потока • Ускорение химических реакций за счет использования малых объемов образцов • Однородность температуры из-за крошечных объемов жидкостей • Относительно высокая производительность обработки

Преимущества в производстве §Массовость производства §Низкая стоимость замены §Относительно короткий цикл разработки §Существуют коммерческие системы автоматизированного проектирования программного обеспечения §Существует коммерческое программное обеспечение для моделирования

Для функционирования ЛНЧ необходимы модули для: §Получения образцов § Извлечение § Смесители § Клапаны § Насосы § Реакции § Разделения § Распознавания

Извлечение образцов Фильтрация Хроматография §Фильтры должны выдерживать перепады давления §Подбор веществ для захвата и освобождения частиц §Одинаковый размер пор §Создание камер

Хроматография

Для функционирования ЛНЧ необходимы модули для: §Получения образцов § Извлечение § Смесители § Клапаны § Насосы § Реакции § Разделения § Распознавания

A) Ламинарный поток Б)

Перемешивание в капле

Пассивный хаотический миксер

Для функционирования ЛНЧ необходимы модули для: §Получения образцов § Извлечение § Смесители § Клапаны § Насосы § Реакции § Разделения § Распознавания

Клапаны из эластомеров §Хороший клапан должен быть гибким, затвор должен полностью закрывать клапан §Poly-Si клапаны: cилы микропривода ограничены, поэтому жесткость ограничевает минимальный размер §Модуль Юнга эластомеров может быть выше более чем на 2 порядка

Для функционирования ЛНЧ необходимы модули для: §Получения образцов § Извлечение § Смесители § Клапаны § Насосы § Реакции § Разделения § Распознавания

Механизмы §Градиент давления §Электрокинетических сил §Силы поверхностного натяжения §Электросмачивание §Термокапилляры §Поверхностных акустических волнах §Магнитогидродинамика §Диэлектрофорез

Лаборатории на CD §Когда CD вращается центробежная сила заставляет жидкости на их поверхности двигаться наружу §Центробежной силой можно перемещать жидкости через микроканалах, даже через гидрофобные барьеры в каналах, выборочно высвобождая различные реагенты

Перистальтический насос §Используются эластомерные клапаны § 3 клапана на 1 канале закрываются в последовательности 101, 100, 110, 011, 001 § 2, 35 нл/с при частоте 75 Гц, прикладываемая сила 1 м. Н

Электросмачивание Без напряжения Капля на гидрофобной поверхности образует большой краевой угол При приложении напряжения Поверхностная энергия капли увеличивается, в результате угол уменьшается, капля смачивает поверхность

Электросмачивание §Электрический потенциал может контролировать поверхностное натяжение на диэлектрической поверхности твердого тела §Асимметричные углы контакта создают внутреннее давление, дисбаланс, ведущий движению §Операция может быть выполнена для дискретных капель §Низкое напряжение: 25 В DC для v = 30 мм/с; 100 В AC для v = 200 мм/с

Генерация капель НА ПЕРЕСЕЧЕНИИ Т-ОБРАЗНЫЙ

Термокапиллярный эффект §Локальный нагрев снижает поверхностное натяжение, вытягивая жидкость к поверхности охладителя §Температура поверхности управляется встроенными нагревателями §v = 600 мкм/С для жидкости ПДМС + Низкое рабочее напряжение (2 -3 V) + Работает с полярными и неполярными жидкостями

Для функционирования ЛНЧ необходимы модули для: §Получения образцов § Извлечение § Смесители § Клапаны § Насосы § Реакии § Разделения § Распознавания

Методы разделения Электрофорез § В смеси Лаурилсульфат Натрия. Полиакриламидный Гель (SDS-PAGE) § SDS денатурирует вещество и дает ему заряд § PAGE способствует разделению по размеру

Методы разделения Диффузия § С помощью 2 -D “полосы препятствий” и электрический поля в направлении Y § Тяжелые частицы больше движутся в направлении X § Препятствия: 1. 5× 6 мкм 2 при 45° угол § Может быть применен для ДНК, белков, клеток § v = 1 -15 мкм/С, для 10 см решетки

Для функционирования ЛНЧ необходимы модули для: §Получения образцов § Извлечение § Смесители § Клапаны § Насосы § Реакии § Разделения § Распознавания

Распознавание Хемилюминесценция или электрохемилюминесценция §Ru(bpy)3+2 окисляется до Ru(bpy)3+3 §Который реагирует с аминокислотами, глюкозой, продуктами ПЦР и др. §И излучает свет с длиной волны 620 нм Преимущества: §Лазер не требуется §Низкий или нулевой фонового сигнала; высокая чувствительность

Производство ЛНЧ

Lab on a Chip?

Заключение 3. 43

Лаборатории на чипе ЛНЧ – понятие, включающее в себя устройства для любого вида исследований Включают в себя микрофлюидные чипы, а так же беспоточные чипы: датчики и массивы (биочипы)

µTAS (micro Total Analysis System) Интегрированная система, которая выполняет все действия в анализе на микрофлюидном чипе §отбор проб §предварительная обработка §транспортировка проб §химические реакции §разделение аналитов §изоляция продуктов §детектирование

Анализ ДНК

Separation by Isoelectric Focusing 7. 17