Informacija

Kuo skiriasi atviros ar uždaros konfigūracijos naudojimas mikrofluidiniam lustui?

Kuo skiriasi atviros ar uždaros konfigūracijos naudojimas mikrofluidiniam lustui?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Atlieku koledžo BioMed projektą „Lungs-on-a-chip“, kad sukurčiau ligų modelius, ir mačiau, kad kai kurie autoriai naudoja atviras, o kiti uždaras konfigūracijas. Kokius privalumus ir trūkumus jie siūlo gaminant šį įrenginį?


Kuo skiriasi atviros ar uždaros konfigūracijos naudojimas mikrofluidiniam lustui? – Biologija

Marinke W. van der Helm,‡ a Olivier Y. F. Henry, /> ‡ b Amiras Beinas, b Tiama Hamkins-Indik, b Michaelas J. Cronce'as, /> b Viljamas D. Leineweberis, /> b Mathieu Odijkas, /> a Andries D. van der Meer, /> c Janas C. T. Eijkelis, /> a Donaldas E. Ingberis, /> bde Albertas van den Bergas /> a ir Loes I. Segerink /> * a

BIOS Lab on a Chip grupė, MESA+ nanotechnologijų institutas, MIRA Biomedicininės technologijos ir techninės medicinos institutas ir Maxo Plancko kompleksinės skysčių dinamikos centras, Tventės universitetas, P. O. Box 217, 7500 AE Enschede, Nyderlandai
El. Paštas: [email protected]

b Wyss Biologiškai įkvėptos inžinerijos institutas Harvardo universitete, CLSB Bldg. 5 aukštas, 3 Blackfan Circle, Bostonas, JAV
El. Paštas: [email protected]

c Taikomoji kamieninių ląstelių technologija, MIRA Biomedicininės technologijos ir techninės medicinos institutas, Tventės universitetas, P. O. Box 217, 7500 AE Enschede, Nyderlandai

d Kraujagyslių biologijos programa ir chirurgijos skyrius, Bostono vaikų ligoninė ir Harvardo medicinos mokykla, Bostonas, JAV

e Harvardo Johno A. Paulsono inžinerijos ir taikomųjų mokslų mokykla, Harvardo universitetas, Kembridžas, JAV

Anotacija

Čia aprašome impedanso spektroskopijos matavimų derinimo su elektriniu modeliavimu metodus, siekiant atskleisti transepitelinio barjero funkciją ir žmogaus žarnyno epitelio audinių struktūrą, kultivuotą organo mikroskysčių kultūros įrenginyje. Atliekant impedanso spektroskopijos matavimus, elektrinis modeliavimas leido normalizuoti epitelio ląstelių sluoksnio atsparumą, statiškai kultivuojamą žarnyne ant lusto, o tai leido nustatyti transepitelinės elektrinės varžos (TEER) vertes, kurias galima palyginti įvairiose įrenginių platformose. Kultivuojant dinaminiu srautu, žarnyno gaurelių susidarymą lydėjo būdingi impedanso spektrų pokyčiai, išmatuoti eksperimentiškai ir patikrinti modeliuojant, ir mes parodome, kad ląstelių sluoksnio talpos pokyčiai gali būti naudojami kaip gaurelių diferenciacijos matas. Šis impedanso spektroskopijos ir modeliavimo derinimo metodas gali būti pritaikytas geriau stebėti ląstelių sluoksnio charakteristikas bet kuriame luste esančiame organe. in vitro ir sudaryti sąlygas tiesiogiai kiekybiškai palyginti TEER tarp organų lustų platformų, kurios turėtų padėti atlikti organų funkcijos tyrimus.


Mikrolašelių susidarymo mikrofluidikoje apžvalga

Mikro-nanofluidinė technologija plačiai naudojama maisto saugos bandymams, vaistų patikrai, naujų medžiagų sintezei ir bioinžinerijai. Lašelių mikrofluidinė technologija yra svarbi mikro-nanofluidinės technologijos šaka. Mikrolašelių technologija gali pagaminti didelio našumo monodispersinius lašelius. Lašelių technologija įveikia daugybę nuolatinio srauto problemų, tokių kaip mažas mėginio reagento tūris, nėra kryžminio užteršimo ir greita cheminė reakcija. Taigi mikrolašeliai užima svarbią vietą vienos ląstelės analizės, genų sekos nustatymo ir realiojo laiko diagnostikos srityse. Šioje apžvalgoje pagrindinis dėmesys skiriamas skirtingiems mikrolašelių generavimo metodams ir taikymams mikrofluidikoje. Lašelių generavimo metodai yra pasyvūs ir aktyvūs. Pasyvus metodas nereikalauja išorinės jėgos, o aktyvus metodas reikalauja išorinės jėgos, tokios kaip išorinis elektrinis laukas, magnetinis laukas, akustinis laukas ir lazerio laukas. Prognozuojama, kad kiekybinis lašelių generavimas pagal poreikį mikrofluidikoje bus svarbi būsimų tyrimų kryptis. Šioje apžvalgoje pateikiamos naujos idėjos, kaip pritaikyti kiekybinę mikrolašelių generaciją pagal poreikį mikrofluidikoje.

Tai prenumeruojamo turinio peržiūra, prieiga per jūsų įstaigą.


Naujos automatizuotos biologinių mėginių analizės sistemos, paspartinančios ligų aptikimą

Profesorius Thomas Gervais iš Polytechnique Montréal ir jo studentai Pierre-Alexandre Goyette ir Étienne Boulais, bendradarbiaudami su McGill universiteto profesoriaus Davido Junckerio vadovaujama komanda, sukūrė naują mikrofluidinį procesą, skirtą automatizuoti baltymų aptikimą naudojant antikūnus. Šis darbas, straipsnio tema Gamtos komunikacijosatkreipia dėmesį į naujų nešiojamų instrumentų, skirtų paspartinti atrankos procesą ir molekulių analizę biologinėse laboratorijose, atsiradimą, siekiant paspartinti vėžio biologijos tyrimus.

Mikrofluidika reiškia manipuliavimą skysčiais mikroskopiniuose įrenginiuose. Mikroskysčių sistemos, paprastai vadinamos „laboratorijomis mikroschemoje“, yra naudojamos tirti ir analizuoti labai mažo masto cheminius ar biologinius mėginius, pakeičiant itin brangius ir sudėtingus instrumentus, naudojamus tradicinėms biologinėms analizėms. 2001 m. įtraukta į „10 naujų technologijų, kurios pakeis pasaulį“ MIT technologijų apžvalgoje, mikrofluidika laikoma tokia pat revoliucine biologijoje ir chemijoje, kaip ir mikroprocesoriai elektronikoje ir IT, ir taikoma didžiulėje rinkoje.

Šiandien ši jauna disciplina, pradėjusi klestėti 2000-aisiais su uždaromis sistemomis, sudarytomis iš mikrokanalų tinklų, pati radikaliai transformuojama dėl Polytechnique ir McGill universiteto mokslininkų grupės atradimo, kuris sustiprina teorinius ir eksperimentinius pagrindus. atviros erdvės mikrofluidikai.

Ši technologija, kuri pašalina kanalus, palankiai konkuruoja su įprastine mikrofluidika dėl tam tikrų tipų analizės. Iš tiesų, klasikinė uždaro kanalo mikrofluidinių prietaisų konfigūracija turi keletą trūkumų: kanalo skerspjūvių mastelis padidina įtampą, kurią ląstelės patiria kultivuojant, ir jie nesuderinami su ląstelių kultūros standartu, Petri lėkštele, kuri. pramonei sunku jį priimti.

Polytechnique ir McGill universiteto mokslininkų ištirtas naujas požiūris yra pagrįstas mikrofluidiniais daugiapoliais (MFM), vienu metu skysčių siurbimo ir aspiracijos sistema per priešingas mikroangas labai mažame paviršiuje, esančiame uždaroje erdvėje, kurios storis yra mažesnis nei 0,1 mm. „Kai jie liečiasi vienas su kitu, šios skysčių čiurkšlės formuoja modelius, kuriuos galima pamatyti dažant juos cheminiais reagentais“, - sako profesorius Gervaisas. "Mes norėjome suprasti šiuos modelius kurdami patikimą MFM modeliavimo metodą."

ELEGANTIJOS VIZUALINĖS SIMETRIJOS PRIMENANTI DAILINĖS M. C. ESCHER KŪRĄ

Kad suprastų šiuos modelius, profesoriaus Gervaiso komanda turėjo sukurti naują matematinį atvirų daugiapolių srautų modelį. Šis modelis yra pagrįstas klasikine matematikos šaka, žinoma kaip konforminis kartografavimas, kuris išsprendžia problemą, susijusią su sudėtinga geometrija, sumažinant ją iki paprastesnės geometrijos (ir atvirkščiai).

Doktorantė & Eacutetienne Boulais pirmiausia sukūrė modelį, skirtą tirti mikroreaktyvinius susidūrimus daugialypiame dipolyje (MFM su tik dviem angomis), o tada, remdamasi šia matematine teorija, ekstrapoliavo modelį į MFM su keliomis angomis. „Galime padaryti analogiją su šachmatų žaidimu, kuriame yra keturių žaidėjų, vėliau šešių ar aštuonių žaidėjų versija, taikant erdvinę deformaciją, išlaikant tas pačias žaidimo taisykles“, – aiškina jis.

„Kai taikomas konforminis kartografavimas, skysčių srautų susidūrimų sukurti raštai sudaro simetriškus vaizdus, ​​primenančius olandų menininko M.C. Escherio paveikslus“, – priduria jaunasis tyrinėtojas, kuriam aistra yra vizualiųjų menų. "Tačiau toli gražu ne tik estetinis patrauklumas, mūsų modelis leidžia apibūdinti greitį, kuriuo molekulės juda skysčiais, ir jų koncentraciją. Mes apibrėžėme galiojančias taisykles visoms galimoms iki 12 polių sistemos konfigūracijoms, kad sukurtume platų įvairovę. srauto ir difuzijos modelių."

Todėl šis metodas yra visapusiškas įrankių rinkinys, kuris ne tik leis modeliuoti ir paaiškinti MFM vykstančius reiškinius, bet ir ištirti naujas konfigūracijas. Dėl šio metodo dabar galima automatizuoti atviros erdvės mikrofluidinius tyrimus, kurie iki šiol buvo tiriami tik bandymų ir klaidų būdu.

PRIETAISO GAMYBA NAUDOJANT 3D SPAUSDINIMĄ

MFM įrenginio projektavimą ir gamybą atliko Pierre'as-Alexandre'as Goyette'as. Šis prietaisas yra mažas zondas, pagamintas iš dervos, naudojant nebrangų 3D spausdinimo procesą ir prijungtas prie siurblių ir purkštukų sistemos.

„Profesoriaus Junckerio komandos patirtis aptinkant baltymus antikūnais, imobilizuotais ant paviršiaus, buvo neįkainojama valdant šio projekto biologinius aspektus“, – sako biomedicinos inžinerijos doktorantė. „Tyrimų rezultatai patvirtino mano kolegos & Eacutetienne sukurtų modelių tikslumą.

Prietaisas leidžia vienu metu naudoti kelis reagentus, kad būtų galima aptikti įvairias molekules tame pačiame mėginyje, o tai taupo biologų brangų laiką. Tam tikrų tipų testams analizės laikas gali būti sutrumpintas nuo kelių dienų iki kelių valandų ar net kelių minučių. Be to, dėl šios technologijos universalumo ji turėtų būti pritaikyta įvairiems analitiniams procesams, įskaitant imunologinius ir DNR tyrimus.

LINK MIKROFLUIDINIS EKRANAS?

Profesoriaus Gervaiso komanda jau svarsto kitą jo projekto žingsnį – sukurti ekraną, rodantį cheminį vaizdą.

„Tai būtų savotiškas skystųjų kristalų ekrano cheminis ekvivalentas“, – aiškina profesorius Gervaisas. "Taip pat, kaip elektronus perkeliame per ekraną, siųstume įvairios koncentracijos skysčio sroves, kurios reaguotų su paviršiumi. Kartu jie sudarytų vaizdą. Labai džiaugiamės galėdami judėti į priekį įgyvendindami šį projektą, gavome laikinąjį patentą“.

DIAGNOSTINIŲ PROCEDŪRŲ IR MEDICININIO GYDYMO TOLESNĖS PRIEMONĖS IŠRADIMAS

Kol kas šios tyrėjų komandos sukurta technologija skirta fundamentinių tyrimų rinkai. "Mūsų procesai leidžia vienu metu paveikti ląsteles daugeliui reagentų", - sako profesorius Gervaisas. "Jie gali padėti biologams tirti baltymų ir reagentų sąveiką dideliu mastu, padidindami tyrimų metu gautos informacijos kiekį ir kokybę."

Jis paaiškina, kad vėliau farmacijos rinka taip pat galės pasinaudoti naujais atrankos sistemos automatizavimo metodais, atsirandančiais dėl atradimo. Galiausiai, tai atveria naują kelią vaistų atradimui, nes palengvina paciento ląstelių kultūrą ir įvairių vaistų poveikį, siekiant nustatyti, į kuriuos iš jų jie reaguoja geriausiai.


Turinys

Biojutiklį paprastai sudaro bioreceptorius (fermentas / antikūnas / ląstelė / nukleorūgštis / aptameras), keitiklio komponentas (puslaidi medžiaga / nanomedžiaga) ir elektroninė sistema, kurią sudaro signalo stiprintuvas, procesorius ir ekranas. [5] Keitikliai ir elektronika gali būti derinami, pvz., CMOS pagrįstose mikrojutiklio sistemose. [6] [7] Atpažinimo komponentas, dažnai vadinamas bioreceptoriumi, naudoja biomolekules iš organizmų arba receptorių, sukurtų pagal biologines sistemas, kad sąveikautų su dominančia analitimi. Šią sąveiką matuoja biokeitiklis, kuris išveda išmatuojamą signalą, proporcingą tikslinės analitės buvimui mėginyje. Bendras biosensoriaus konstrukcijos tikslas – užtikrinti greitą ir patogų tyrimą susirūpinimą keliančioje ar priežiūros vietoje, kurioje buvo įsigytas mėginys. [8] [9]

Biojutiklyje bioreceptorius sukurtas sąveikauti su konkrečia dominančia analitimi, kad būtų sukurtas keitikliu išmatuojamas efektas. Didelis analitės selektyvumas tarp kitų cheminių ar biologinių komponentų matricos yra pagrindinis bioreceptoriaus reikalavimas. Nors naudojamos biomolekulės tipas gali labai skirtis, biojutikliai gali būti klasifikuojami pagal įprastus bioreceptorių sąveikos tipus, apimančius: antikūnus / antigenus, [10] fermentus / ligandus, nukleorūgštis / DNR, ląstelių struktūras / ląsteles arba biomimetines medžiagas. [11] [12]

Antikūnų/antigenų sąveika Redaguoti

Imunosensorius naudoja labai specifinį antikūnų surišimo afinitetą konkrečiam junginiui ar antigenui. Specifinis antikūno ir antigeno sąveikos pobūdis yra analogiškas užrakto ir rakto derinimui, nes antigenas prisijungs prie antikūno tik tada, kai jis turi tinkamą konformaciją. Surišimo įvykiai sukelia fizikinius ir cheminius pokyčius, kurie kartu su žymekliu, pvz., fluorescencinėmis molekulėmis, fermentais ar radioizotopais, gali generuoti signalą. Antikūnų naudojimas jutikliuose turi apribojimų: 1. Antikūnų surišimo pajėgumas labai priklauso nuo tyrimo sąlygų (pvz., pH ir temperatūros) ir 2. antikūno ir antigeno sąveika paprastai yra tvirta, tačiau jungimąsi gali sutrikdyti chaotropiniai reagentai. organinių tirpiklių ar net ultragarso spinduliuotės. [13]

Antikūnų ir antigenų sąveika taip pat gali būti naudojama serologiniams tyrimams arba cirkuliuojančių antikūnų, reaguojančių į konkrečią ligą, aptikimui. Svarbu tai, kad serologiniai tyrimai tapo svarbia pasaulinio atsako į Covid-19 pandemiją dalimi. [14]

Dirbtiniai surišantys baltymai Redaguoti

Antikūnų, kaip biosensorių biologinio atpažinimo komponento, naudojimas turi keletą trūkumų. Jie turi didelę molekulinę masę ir ribotą stabilumą, turi esminių disulfidinių jungčių ir yra brangūs gaminti. Vienu būdu, siekiant įveikti šiuos apribojimus, buvo sukurti antikūnų rekombinantiniai surišimo fragmentai (Fab, Fv arba scFv) arba domenai (VH, VHH). [15] Kitu būdu buvo sukurti maži baltymų karkasai, turintys palankias biofizines savybes, kad sukurtų dirbtines antigeną surišančių baltymų (AgBP) šeimas, galinčias specifiškai prisijungti prie skirtingų tikslinių baltymų, išlaikant palankias pirminės molekulės savybes. Šeimos elementai, kurie specifiškai jungiasi prie tam tikro tikslinio antigeno, dažnai atrenkami in vitro taikant rodymo metodus: fagų rodymą, ribosomų rodymą, mielių rodymą arba mRNR rodymą. Dirbtiniai jungiamieji baltymai yra daug mažesni nei antikūnai (paprastai mažiau nei 100 aminorūgščių liekanų), turi stiprų stabilumą, neturi disulfidinių jungčių ir gali būti išreikšti dideliu derlingumu redukuojant ląstelių aplinką, pavyzdžiui, bakterijų citoplazmą, priešingai nei antikūnai ir jų dariniai. . [16] [17] Todėl jie ypač tinka biojutiklius kurti. [18] [19]

Fermentinės sąveikos Redaguoti

Specifinės fermentų surišimo galimybės ir katalizinis aktyvumas daro juos populiariais bioreceptoriais. Analitės atpažinimas įgalinamas naudojant kelis galimus mechanizmus: 1) fermentas, paverčiantis analitę į produktą, kurį galima aptikti jutikliu, 2) aptikti analitės sukeliamą fermento slopinimą arba aktyvavimą, arba 3) stebint fermento savybių pokyčius, atsirandančius dėl sąveikos su analite. . [13] Pagrindinės priežastys, kodėl fermentai dažnai naudojami biojutikliuose, yra šios: 1) gebėjimas katalizuoti daugybę reakcijų, 2) galimybė aptikti analičių grupę (substratus, produktus, inhibitorius ir katalizinio aktyvumo moduliatorius) ir 3) tinkamumas naudojant kelis skirtingus transdukcijos metodus analitės aptikimui. Pažymėtina, kad kadangi fermentai reakcijose nesunaudojami, biojutiklį galima lengvai naudoti nuolat. Katalizinis fermentų aktyvumas taip pat leidžia nustatyti mažesnes aptikimo ribas, palyginti su įprastais surišimo metodais. Tačiau jutiklio eksploatavimo laiką riboja fermento stabilumas.

Afiniteto surišimo receptoriai Redaguoti

Antikūnai turi didelę surišimo konstantą, viršijančią 10^8 L/mol, o tai reiškia beveik negrįžtamą ryšį, kai susiformuoja antigeno ir antikūno pora. Tam tikroms analitės molekulėms, pvz., gliukozės afinitetui surišti baltymai, kurie suriša savo ligandą dideliu specifiškumu, kaip antikūnas, bet su daug mažesne surišimo konstanta nuo 10^2 iki 10^4 l/mol. Ryšys tarp analitės ir receptoriaus yra grįžtamojo pobūdžio, o greta abiejų jų laisvųjų molekulių yra išmatuojama koncentracija. Pavyzdžiui, gliukozės atveju konkanavalinas A gali veikti kaip afinitetinis receptorius, kurio surišimo konstanta yra 4x10^2 L/mol. [20] 1979 m. Schultzas ir Simsas pasiūlė naudoti afiniteto surišimo receptorius [21], o vėliau buvo sukonfigūruotas į fluorescencinį tyrimą, skirtą gliukozei matuoti atitinkamame fiziologiniame diapazone nuo 4,4 iki 6,1 mmol/l. [22] Jutiklio principo pranašumas yra tai, kad jis nesunaudoja analitės cheminėje reakcijoje, kaip tai vyksta fermentiniuose tyrimuose.

Nukleino rūgščių sąveika Redaguoti

Biosensoriai, kuriuose naudojami nukleorūgščių pagrindu pagaminti receptoriai, gali būti pagrįsti papildančiomis bazių poravimosi sąveikomis, vadinamomis genosensoriais, arba specifiniais nukleino rūgščių pagrindu veikiančiais antikūnų imitatoriais (aptamerais), kaip aptasensoriais. [23] Pirmuoju atveju atpažinimo procesas grindžiamas komplementarių bazių poravimosi principu – adeninas:timinas ir citozinas:guaninas DNR. Jei tikslinė nukleorūgščių seka yra žinoma, papildomas sekas galima susintetinti, paženklinti ir imobilizuoti ant jutiklio. Hibridizacijos įvykį galima aptikti optiškai ir nustatyti tikslinės DNR/RNR buvimą. Pastarajame aptamerai, sukurti prieš taikinį, atpažįsta jį per specifinių nekovalentinių sąveikų sąveiką ir sukeltą derinimą. Šie aptamerai gali būti lengvai pažymėti fluoroforo / metalo nanodalelėmis, kad būtų galima lengvai aptikti optinį ryšį, arba gali būti naudojami be etiketės elektrocheminėse arba konsolinėse aptikimo platformose, skirtose įvairioms tikslinėms molekulėms arba sudėtingiems taikiniams, pavyzdžiui, ląstelėms ir virusams. [24] [25]

Epigenetika Redaguoti

Buvo pasiūlyta, kad tinkamai optimizuotus integruotus optinius rezonatorius galima panaudoti epigenetinėms modifikacijoms (pvz., DNR metilinimui, histono po transliacijos modifikacijoms) aptikti vėžiu ar kitomis ligomis sergančių pacientų kūno skysčiuose. [26] Šiuo metu mokslinių tyrimų lygmeniu kuriami itin jautrūs fotoniniai biojutikliai, siekiant lengvai aptikti vėžines ląsteles paciento šlapime. [27] Įvairiais mokslinių tyrimų projektais siekiama sukurti naujus nešiojamus prietaisus, kuriuose būtų naudojamos pigios, aplinkai nekenksmingos, vienkartinės kasetės, kurias reikia paprasčiausiai tvarkyti, o specialistams nereikia tolesnio apdorojimo, plovimo ar manipuliavimo. [28]

Organelės Redaguoti

Organelės sudaro atskirus skyrius ląstelių viduje ir paprastai atlieka savo funkcijas nepriklausomai.Įvairių rūšių organelės turi skirtingus metabolizmo kelius ir turi fermentų, kad galėtų atlikti savo funkciją. Dažniausiai naudojamos organelės yra lizosomos, chloroplastai ir mitochondrijos. Erdvinis ir laikinasis kalcio pasiskirstymo modelis yra glaudžiai susijęs su visur esančiu signalizacijos keliu. Mitochondrijos aktyviai dalyvauja kalcio jonų metabolizme, kad galėtų kontroliuoti funkciją ir taip pat moduliuoti su kalciu susijusius signalizacijos kelius. Eksperimentai įrodė, kad mitochondrijos turi galimybę reaguoti į didelę kalcio koncentraciją, susidarančią šalia jų, atidarydamos kalcio kanalus. [29] Tokiu būdu mitochondrijos gali būti naudojamos kalcio koncentracijai terpėje nustatyti, o aptikimas yra labai jautrus dėl didelės erdvinės skiriamosios gebos. Kitas mitochondrijų pritaikymas naudojamas vandens užterštumui nustatyti. Ploviklio junginių toksiškumas pažeis ląstelių ir tarpląstelinę struktūrą, įskaitant mitochondrijas. Plovikliai sukels brinkimo efektą, kurį galima išmatuoti sugerties pokyčiu. Eksperimento duomenys rodo, kad pokyčio greitis yra proporcingas ploviklio koncentracijai, todėl užtikrinamas aukštas aptikimo tikslumo standartas. [30]

Ląstelių redagavimas

Ląstelės dažnai naudojamos bioreceptoriuose, nes yra jautrios supančiai aplinkai ir gali reaguoti į visų rūšių stimuliatorius. Ląstelės linkusios prisitvirtinti prie paviršiaus, todėl jas galima lengvai imobilizuoti. Palyginti su organelėmis, jie išlieka aktyvūs ilgesnį laiką, o dėl atkuriamumo jas galima naudoti pakartotinai. Jie dažniausiai naudojami aptikti visuotinius parametrus, tokius kaip streso būklė, toksiškumas ir organiniai dariniai. Jie taip pat gali būti naudojami stebint vaistų gydomąjį poveikį. Vienas iš jų yra naudoti ląsteles herbicidams, kurie yra pagrindiniai vandens teršalai, nustatyti. [31] Mikrodumbliai yra įstrigę ant kvarco mikropluošto, o herbicidais modifikuota chlorofilo fluorescencija surenkama optinio pluošto pluošto gale ir perduodama į fluorimetrą. Dumbliai yra nuolat kultivuojami, kad būtų galima gauti optimalų matavimą. Rezultatai rodo, kad tam tikro herbicido aptikimo riba gali pasiekti subppb koncentracijos lygį. Kai kurios ląstelės taip pat gali būti naudojamos mikrobų korozijai stebėti. [32] Pseudomonas sp. izoliuojamas nuo korozijos pažeistos medžiagos paviršiaus ir imobilizuojamas ant acetilceliuliozės membranos. Kvėpavimo aktyvumas nustatomas matuojant deguonies suvartojimą. Tarp generuojamos srovės ir sieros rūgšties koncentracijos yra tiesinis ryšys. Reakcijos laikas yra susijęs su ląstelių ir supančios aplinkos apkrovimu ir gali būti kontroliuojamas ne ilgiau kaip 5 minutes.

Audinių redagavimas

Audiniai naudojami biojutikliui, kad būtų galima nustatyti esamų fermentų gausą. Audinių, kaip biosensorių, pranašumai yra šie: [33]

  • lengviau imobilizuojami, palyginti su ląstelėmis ir organelėmis
  • didesnis aktyvumas ir stabilumas išlaikant fermentus natūralioje aplinkoje
  • prieinamumas ir žema kaina
  • vengiant varginančio fermentų ekstrahavimo, centrifugavimo ir valymo darbų
  • yra būtinų kofaktorių, kad fermentas veiktų
  • įvairovė, suteikianti daugybę pasirinkimų, susijusių su skirtingais tikslais.

Taip pat yra tam tikrų audinių trūkumų, tokių kaip specifiškumo trūkumas dėl kitų fermentų trukdžių ir ilgesnis atsako laikas dėl transporto barjero.

Svarbi biojutiklio dalis yra pritvirtinti biologinius elementus (mažas molekules / baltymus / ląsteles) prie jutiklio paviršiaus (ar tai būtų metalas, polimeras ar stiklas). Paprasčiausias būdas yra funkcionalizuoti paviršių, kad jis būtų padengtas biologiniais elementais. Silicio drožlių / silicio dioksido stiklo atveju tai gali būti padaryta naudojant poliliziną, aminosilaną, epoksisilaną arba nitroceliuliozę. Vėliau surištas biologinis agentas taip pat gali būti fiksuojamas, pavyzdžiui, sluoksnį po sluoksnio nusodinant alternatyviai įkrautas polimerines dangas. [34]

Arba gali būti naudojamos trimatės grotelės (hidrogelis/kserogelis) chemiškai arba fiziškai jas sulaikant (tai reiškia, kad biologinis elementas yra išlaikomas tvirtu ryšiu, o fiziškai jie yra laikomi savo vietoje ir negali praeiti pro gelio matricos poras). Dažniausiai naudojamas hidrogelis yra sol-gelis, stiklinis silicio dioksidas, gaunamas polimerizuojant silikato monomerus (pridedamas kaip tetraalkilortosilikatai, tokie kaip TMOS arba TEOS), dalyvaujant biologiniams elementams (kartu su kitais stabilizuojančiais polimerais, tokiais kaip PEG). fizinio įstrigimo atveju. [35]

Kita hidrogelių grupė, kuri susidaro tinkamomis ląstelėms ar baltymams sąlygomis, yra akrilato hidrogelis, kuris polimerizuojasi inicijuojant radikalą. Vienas radikalų iniciatorių tipas yra peroksido radikalas, paprastai gaunamas sujungiant persulfatą su TEMED (poliakrilamido gelis taip pat dažnai naudojamas baltymų elektroforezei), [36] arba šviesa gali būti naudojama kartu su fotoiniciatoriumi, pvz., DMPA (2, 2-dimetoksi-2-fenilacetofenonas). [37] Išmaniosios medžiagos, imituojančios biologinius jutiklio komponentus, taip pat gali būti klasifikuojamos kaip biojutikliai, naudojant tik aktyviąją arba katalizinę vietą arba analogiškas biomolekulės konfigūracijas. [38]

Biojutikliai gali būti klasifikuojami pagal jų biotransduktorių tipą. Dažniausiai biojutikliuose naudojami biokeitiklių tipai:

  • elektrocheminiai biojutikliai
  • optiniai biojutikliai
  • elektroniniai biojutikliai
  • pjezoelektriniai biojutikliai
  • gravimetriniai biojutikliai
  • piroelektriniai biojutikliai
  • magnetiniai biojutikliai

Elektrocheminis redagavimas

Elektrocheminiai biojutikliai paprastai yra pagrįsti reakcijos, kuri gamina arba sunaudoja elektronus, fermentine katalize (tokie fermentai teisingai vadinami redokso fermentais). Jutiklio substrate paprastai yra trys elektrodai: etaloninis elektrodas, darbinis elektrodas ir priešinis elektrodas. Tikslinė analitė dalyvauja reakcijoje, kuri vyksta ant aktyvaus elektrodo paviršiaus, o reakcija gali sukelti elektronų perdavimą per dvigubą sluoksnį (sukurdama srovę) arba gali prisidėti prie dvigubo sluoksnio potencialo (sukuriant įtampą). Mes galime išmatuoti srovę (elektronų srauto greitis dabar yra proporcingas analitės koncentracijai) esant fiksuotam potencialui arba potencialą galima išmatuoti esant nulinei srovei (tai suteikia logaritminį atsaką). Atkreipkite dėmesį, kad darbinio arba aktyvaus elektrodo potencialas yra jautrus erdvės krūviui ir jis dažnai naudojamas. Be to, be etikečių ir tiesioginis elektrinis mažų peptidų ir baltymų aptikimas yra įmanomas pagal jų vidinį krūvį naudojant biofunkcionalizuotus jonams jautrius lauko efekto tranzistorius. [39]

Kitas pavyzdys, potenciometrinis biojutiklis (potencialas, sukurtas esant nulinei srovei) suteikia logaritminį atsaką su dideliu dinaminiu diapazonu. Tokie biojutikliai dažnai gaminami atspausdinant elektrodų raštus ant plastikinio pagrindo, padengto laidžiu polimeru, o tada prijungiamas tam tikras baltymas (fermentas arba antikūnas). Jie turi tik du elektrodus ir yra ypač jautrūs ir tvirti. Jie leidžia aptikti analites tokiais kiekiais, kuriuos anksčiau buvo galima pasiekti tik HPLC ir LC/MS, ir be kruopštaus mėginio paruošimo. Visi biojutikliai paprastai reikalauja minimalaus mėginio paruošimo, nes biologinio jutimo komponentas yra labai selektyvus atitinkamai analitei. Signalas susidaro dėl elektrocheminių ir fizinių pokyčių laidžiajame polimero sluoksnyje dėl pokyčių, vykstančių jutiklio paviršiuje. Tokie pokyčiai gali būti siejami su jonų stiprumu, pH, hidratacija ir redokso reakcijomis, pastarosios dėl fermento etiketės virsmo substratu. [40] Lauko efekto tranzistoriai, kurių vartų sritis buvo modifikuota fermentu arba antikūnu, taip pat gali aptikti labai mažas įvairių analičių koncentracijas, nes analitės prisijungimas prie FET užtvaros srities sukelia nutekėjimo pokyčius. šaltinio srovė.

Impedanso spektroskopija pagrįstas biosensorių kūrimas šiais laikais vis labiau populiarėja, o akademinėje bendruomenėje ir pramonėje randama daug tokių prietaisų / patobulinimų. Įrodyta, kad vienas toks prietaisas, pagrįstas 4 elektrodų elektrochemine ląstele, naudojant nanoporinę aliuminio oksido membraną, aptinka mažas žmogaus alfa trombino koncentracijas esant dideliam serumo albumino fonui. [41] Taip pat impedanso biojutikliuose buvo naudojami tarpusavyje sujungti elektrodai. [42]

Jonų kanalų jungiklis Redaguoti

Įrodyta, kad naudojant jonų kanalus galima labai jautriai aptikti tikslines biologines molekules. [43] Įdėjus jonų kanalus į palaikomas arba pririštas dvisluoksnes membranas (t-BLM), pritvirtintas prie auksinio elektrodo, sukuriama elektros grandinė. Fiksavimo molekulės, tokios kaip antikūnai, gali būti prijungtos prie jonų kanalo, kad tikslinės molekulės surišimas kontroliuotų jonų srautą per kanalą. Tai lemia išmatuojamą elektros laidumo pokytį, kuris yra proporcingas taikinio koncentracijai.

Jonų kanalo jungiklio (ICS) biojutiklis gali būti sukurtas naudojant gramicidiną, dimerinį peptido kanalą, pririštoje dvisluoksnėje membranoje. [44] Vienas gramicidino peptidas su prijungtu antikūnu yra mobilus, o vienas – fiksuotas. Sulaužius dimerį, sustabdoma jonų srovė per membraną. Elektrinio signalo pokyčio dydis labai padidėja membraną nuo metalinio paviršiaus atskiriant hidrofiliniu tarpikliu.

Įrodyta, kad naudojant skirtingas membranų ir gaudymo konfigūracijas, kiekybiškai aptinkama didelė tikslinių rūšių klasė, įskaitant baltymus, bakterijas, vaistus ir toksinus. [45] [46] Europos mokslinių tyrimų projektas Greensense kuria biojutiklį, skirtą atlikti kiekybinį piktnaudžiavimo narkotikais, pvz., THC, morfijaus ir kokaino [47] atranką seilėse ir šlapime.

Be reagentų fluorescencinis biojutiklis Redaguoti

Biojutiklis be reagentų gali stebėti tikslinę analitę sudėtingame biologiniame mišinyje be papildomo reagento. Todėl jis gali veikti nuolat, jei yra imobilizuotas ant tvirtos atramos. Fluorescencinis biosensorius reaguoja į sąveiką su tiksline analite, pakeisdamas jo fluorescencines savybes. Be reagentų fluorescencinį biojutiklį (RF biojutiklį) galima gauti integruojant biologinį receptorių, nukreiptą prieš tikslinę analitę, ir solvatochrominį fluoroforą, kurio emisijos savybės yra jautrios vietinės aplinkos pobūdžiui, vienoje makromolekulėje. Fluoroforas atpažinimo įvykį paverčia išmatuojamu optiniu signalu. Naudojant išorinius fluoroforus, kurių emisijos savybės labai skiriasi nuo vidinių baltymų, triptofano ir tirozino, fluoroforų, galima nedelsiant aptikti ir kiekybiškai įvertinti analitę sudėtinguose biologiniuose mišiniuose. Fluoroforas turi būti integruotas toje vietoje, kur jis yra jautrus analitės prisijungimui, nepažeidžiant receptoriaus afiniteto.

Antikūnai ir dirbtinės antigeną surišančių baltymų (AgBP) šeimos puikiai tinka RF biosensorių atpažinimo moduliui, nes jie gali būti nukreipti prieš bet kurį antigeną (žr. pastraipą apie bioreceptorius). Aprašytas bendras būdas integruoti solvatochrominį fluoroforą į AgBP, kai žinoma komplekso su jo antigenu atominė struktūra ir tokiu būdu paversti jį RF biojutikliu. [18] AgBP liekana identifikuojama jų komplekso antigeno kaimynystėje. Ši liekana paverčiama cisteinu, naudojant nukreiptą mutagenezę. Fluoroforas yra chemiškai sujungtas su mutantu cisteinu. Kai dizainas sėkmingas, prijungtas fluoroforas netrukdo surišti antigeną, šis surišimas apsaugo fluoroforą nuo tirpiklio ir jį galima aptikti pasikeitus fluorescencijai. Ši strategija galioja ir antikūnų fragmentams. [48] ​​[49]

Tačiau, nesant konkrečių struktūrinių duomenų, turi būti taikomos kitos strategijos. Antikūnus ir dirbtines AgBP šeimas sudaro hiperkintamų (arba atsitiktinių imčių) liekanų pozicijų rinkinys, esantis unikaliame baltymo subregione ir palaikomas pastovaus polipeptido karkaso. Likučiai, sudarantys tam tikro antigeno surišimo vietą, parenkami iš hiperkintamų liekanų. Pakeitus šią liekaną, bet kurį šių šeimų AgBP galima paversti RF biojutikliu, specifiniu tiksliniam antigenui, tiesiog prijungus solvatochrominį fluoroforą prie vienos iš hiperkintamų liekanų, kurios sąveikai su antigenu turi mažai reikšmės arba visai neturi reikšmės. į cisteiną mutagenezės būdu. Tiksliau sakant, strategija apima individualų hiperkintamų pozicijų likučių keitimą į cisteiną genetiniame lygmenyje, chemiškai sujungiant solvatochrominį fluoroforą su mutantu cisteinu, o tada išlaikant susidariusius konjugatus, kurie turi didžiausią jautrumą (parametras, kuris apima tiek fluorescencinio signalo afinitetas, tiek kitimas). [19] Šis metodas taip pat galioja antikūnų fragmentų šeimoms. [50]

A posteriori tyrimai parodė, kad geriausi fluorescenciniai biojutikliai be reagentų gaunami tada, kai fluoroforas nesukelia nekovalentinės sąveikos su bioreceptoriaus paviršiumi, o tai padidintų foninį signalą, ir kai jis sąveikauja su rišamąja kišene prie bioreceptoriaus paviršiaus. tikslinis antigenas. [51] RF biojutikliai, gauti aukščiau nurodytais metodais, gali veikti ir aptikti tikslines analites gyvų ląstelių viduje. [52]

Magnetiniai biojutikliai Redaguoti

Magnetiniai biojutikliai naudoja paramagnetines arba supraparamagnetines daleles arba kristalus, kad aptiktų biologinę sąveiką. Pavyzdžiai gali būti ritės induktyvumas, varža ar kitos magnetinės savybės. Įprasta naudoti magnetines nano arba mikrodaleles. Tokių dalelių paviršiuje yra bioreceptoriai, kurie gali būti DNR (papildomi sekai ar aptameriams), antikūnai ar kiti. Bioreceptoriaus surišimas turės įtakos kai kurioms magnetinių dalelių savybėms, kurias galima išmatuoti naudojant kintamosios srovės susceptometriją, [53] Holo efekto jutiklį, [54] milžinišką magnetinės varžos įrenginį [55] ir kt.

Kiti Redaguoti

Pjezoelektriniuose jutikliuose naudojami kristalai, kurie patiria tamprią deformaciją, kai jiems taikomas elektrinis potencialas. Kintamasis potencialas (AC) sukuria stovinčią bangą kristale būdingu dažniu. Šis dažnis labai priklauso nuo kristalo elastinių savybių, todėl, jei kristalas yra padengtas biologinio atpažinimo elementu, (didelės) tikslinės analitės prisijungimas prie receptoriaus pakeis rezonanso dažnį, o tai duoda surišimą. signalas. Režimu, kuriame naudojamos paviršinės akustinės bangos (SAW), jautrumas labai padidėja. Tai specializuotas kvarco kristalų mikrobalanso, kaip biojutiklio, pritaikymas

Elektrochemiliuminescencija (ECL) šiais laikais yra pirmaujanti biosensorių technika. [56] [57] [58] Kadangi sužadintos rūšys sukuriamos naudojant elektrocheminį stimulą, o ne šviesos sužadinimo šaltinį, ECL rodo geresnį signalo ir triukšmo santykį, palyginti su fotoliuminescencija, o poveikis yra minimalus dėl šviesos sklaidos ir liuminescencinio fono. . Visų pirma, koreaktantas ECL, veikiantis buferiniame vandeniniame tirpale teigiamo potencialo srityje (oksidacinis redukcijos mechanizmas), galutinai padidino ECL imuniniam tyrimui, kaip patvirtina daugelis mokslinių tyrimų programų ir, dar daugiau, buvimas svarbių įmonių, kurios sukūrė komercinę aparatinę įrangą. didelio našumo imunologinių tyrimų analizė rinkoje, kurios vertė kasmet siekia milijardus dolerių.

Termometriniai biojutikliai yra reti.

MOSFET (metalo oksido-puslaidininkio lauko efekto tranzistorius arba MOS tranzistorius) išrado Mohamedas M. Atalla ir Dawonas Kahngas 1959 m., o pademonstravo 1960 m. [59] Po dvejų metų Leland C. Clark ir Champ Lyons išrado. pirmasis biojutiklis 1962 m. [60] [61] Vėliau buvo sukurti biosensoriniai MOSFET (BioFET) ir nuo tada jie buvo plačiai naudojami fiziniams, cheminiams, biologiniams ir aplinkos parametrams matuoti. [62]

Pirmasis BioFET buvo jonams jautrus lauko efekto tranzistorius (ISFET), kurį 1970 m. išrado Piet Bergveld elektrocheminiams ir biologiniams tikslams. [63] [64] Adsorbcijos FET (ADFET) patentavo P.F. Cox 1974 m., o vandeniliui jautrų MOSFET pademonstravo I. Lundstrom, M.S. Shivaraman, CS Svenson ir L. Lundkvist 1975 m. [62] ISFET yra specialus MOSFET tipas su užtvarais tam tikru atstumu [62] ir kur metaliniai užtvarai pakeičiami jonams jautria membrana, elektrolito tirpalu ir atskaitos elektrodas. [65] ISFET plačiai naudojamas biomedicinoje, pavyzdžiui, DNR hibridizacijos aptikimui, biomarkerių aptikimui iš kraujo, antikūnų aptikimui, gliukozės matavimui, pH jutimui ir genetinėms technologijoms. [65]

Iki devintojo dešimtmečio vidurio buvo sukurti kiti BioFET, įskaitant dujų jutiklį FET (GASFET), slėgio jutiklį FET (PRESSFET), cheminį lauko tranzistorių (ChemFET), etaloninį ISFET (REFET), fermentais modifikuotą FET (ENFET). ir imunologiškai modifikuotas FET (IMFET). [62] 2000-ųjų pradžioje buvo sukurti BioFET, tokie kaip DNR lauko efekto tranzistorius (DNAFET), genų modifikuotas FET (GenFET) ir ląstelių potencialo BioFET (CPFET). [65]

Tinkamas biosensorių išdėstymas priklauso nuo jų taikymo srities, kurią galima grubiai suskirstyti į biotechnologijas, žemės ūkį, maisto technologijas ir biomediciną.

Biotechnologijoje auginimo sultinio cheminės sudėties analizė gali būti atliekama tiesioginiu, tiesioginiu, tiesioginiu ir neprisijungus. Kaip nurodė JAV maisto ir vaistų administracija (FDA), mėginys nepašalinamas iš proceso srauto, kai naudojami tiesioginiai jutikliai, o nukreipiami nuo gamybos proceso tiesioginiams matavimams. Tiesiai veikiančių jutiklių mėginys gali būti paimtas ir analizuojamas arti proceso srauto. [66] Pastarojo pavyzdys yra laktozės stebėjimas pieno perdirbimo įmonėje. [67] Neprisijungę biojutikliai yra lyginami su bioanalitiniais metodais, kurie naudojami ne lauke, o laboratorijoje. Šie metodai daugiausia naudojami žemės ūkyje, maisto technologijoje ir biomedicinoje.

Medicinoje biojutikliai paprastai skirstomi į kategorijas in vitro ir in vivo sistemas. An in vitro, biojutiklio matavimas vyksta mėgintuvėlyje, kultūros lėkštelėje, mikrotitravimo plokštelėje ar kitur už gyvo organizmo ribų. Jutiklis naudoja bioreceptorių ir keitiklį, kaip aprašyta aukščiau. Pavyzdys an in vitro biosensorius yra fermento laidumo biojutiklis, skirtas gliukozės kiekiui kraujyje stebėti. Yra iššūkis sukurti biojutiklį, kuris veiktų pagal testavimo vietoje principą, t. y. toje vietoje, kur reikia atlikti bandymą. [68] [69] Vienas iš tokių tyrimų yra nešiojamų biosensorių kūrimas. [70] Atsisakius laboratorinių tyrimų, galima sutaupyti laiko ir pinigų. POCT biosensorius gali būti naudojamas tiriant ŽIV tose vietose, kur pacientams sunku išsitirti. Biosensorius gali būti siunčiamas tiesiai į vietą ir gali būti naudojamas greitas ir paprastas testas.

An in vivo biosensorius yra implantuojamas prietaisas, veikiantis kūno viduje. Žinoma, biosensoriniai implantai turi atitikti griežtus sterilizavimo reikalavimus, kad būtų išvengta pradinio uždegiminio atsako po implantavimo. Antrasis rūpestis susijęs su ilgalaikiu biologiniu suderinamumu, t. y. nežalinga sąveika su kūno aplinka numatytu naudojimo laikotarpiu. [72] Kita kylanti problema yra nesėkmė. Jei yra gedimas, prietaisas turi būti pašalintas ir pakeistas, todėl reikia atlikti papildomą operaciją. In vivo biojutiklio taikymo pavyzdys būtų insulino stebėjimas organizme, kurio kol kas nėra.

Dauguma pažangių biosensorinių implantų buvo sukurti nuolatiniam gliukozės stebėjimui. [73] [74] Paveikslėlyje parodytas prietaisas, kuriam naudojamas Ti korpusas ir baterija, kaip nustatyta širdies ir kraujagyslių implantams, pvz., širdies stimuliatoriams ir defibriliatoriams. [71] Jo dydis nustatomas pagal akumuliatorių, kurio reikia vienerių metų eksploatavimo laikui. Išmatuoti gliukozės duomenys bus perduodami belaidžiu ryšiu iš kūno MICS 402–405 MHz juostoje, kaip patvirtinta medicininiams implantams.

Biosensoriai taip pat gali būti integruoti į mobiliųjų telefonų sistemas, todėl jie yra patogūs ir prieinami daugeliui vartotojų. [75]

Yra daug galimų įvairių tipų biosensorių pritaikymo būdų. Pagrindiniai reikalavimai, kad biosensorinis metodas būtų vertingas mokslinių tyrimų ir komercinio pritaikymo požiūriu, yra tikslinės molekulės identifikavimas, tinkamo biologinio atpažinimo elemento prieinamumas ir galimybė, kad vienkartinėms nešiojamoms aptikimo sistemoms būtų teikiama pirmenybė, o ne jautriems laboratoriniams metodams. kai kuriose situacijose. Kai kurie pavyzdžiai yra gliukozės kiekio stebėjimas pacientams, sergantiems cukriniu diabetu, kiti su medicinine sveikata susiję tikslai, aplinkosaugos taikymas, pvz. pesticidų ir upių vandens teršalų, pvz., sunkiųjų metalų jonų, aptikimas, [76] nuotolinis ore plintančių bakterijų aptikimas, pvz. vykdant kovos su bioteroristinę veiklą, nuotolinis vandens kokybės pakrančių vandenyse aptikimas, internete aprašant įvairius moliuskų etologijos aspektus (biologinius ritmus, augimo tempus, neršto ar mirties įrašus) apleistų dvigeldžių grupėse visame pasaulyje, [77] patogenų aptikimą, toksinių medžiagų lygių nustatymas prieš ir po bioremediacijos, organofosfato aptikimas ir nustatymas, įprastinis analitinis folio rūgšties, biotino, vitamino B12 ir pantoteno rūgšties matavimas kaip alternatyva mikrobiologiniam tyrimui, vaistų likučių maiste, pvz., antibiotikų ir augimo stimuliatorių, nustatymas. , ypač mėsa ir medus, vaistų atradimas ir naujų junginių biologinio aktyvumo įvertinimas, baltymų inžinerija biosensoriuose [78] ir toksiškų metabolitų, tokių kaip mikotoksinai, aptikimas.

Dažnas komercinio biojutiklio pavyzdys yra gliukozės kiekio kraujyje biojutiklis, kuris naudoja fermentą gliukozės oksidazę, kad suskaidytų gliukozės kiekį kraujyje. Tai darydamas jis pirmiausia oksiduoja gliukozę ir naudoja du elektronus, kad redukuotų FAD (fermento komponentą) į FADH2. Tai savo ruožtu oksiduoja elektrodu keliais etapais. Gauta srovė yra gliukozės koncentracijos matas. Šiuo atveju elektrodas yra keitiklis, o fermentas yra biologiškai aktyvus komponentas.

Kanarėlė narve, kurią kalnakasiai naudoja įspėti apie dujas, galėtų būti laikoma biojutikliu. Daugelis šiuolaikinių biosensorių taikomųjų programų yra panašios, nes juose naudojami organizmai, kurie reaguoja į toksiškas medžiagas daug mažesnėmis koncentracijomis, nei gali aptikti žmonės, kad įspėtų apie jų buvimą. Tokie prietaisai gali būti naudojami aplinkos monitoringui, [77] pėdsakų dujų aptikimui ir vandens valymo įrenginiuose.

Daugelis optinių biosensorių yra pagrįsti paviršiaus plazmoninio rezonanso (SPR) metodu. [79] [80] Tai išnaudoja specifinę ir kitų medžiagų savybę, kad plonas aukso sluoksnis ant didelio lūžio rodiklio stiklo paviršiaus gali sugerti lazerio šviesą, sukurdamas elektronų bangas (paviršiaus plazmonus) ant aukso paviršiaus. Tai įvyksta tik tam tikru kampu ir krintančios šviesos bangos ilgiu ir labai priklauso nuo aukso paviršiaus, todėl tikslinės analitės prisijungimas prie aukso paviršiaus receptorių sukuria išmatuojamą signalą.

Paviršiaus plazmoninio rezonanso jutikliai veikia naudojant jutiklio lustą, sudarytą iš plastikinės kasetės, laikančios stiklo plokštę, kurios viena pusė yra padengta mikroskopiniu aukso sluoksniu. Ši pusė liečiasi su instrumento optiniu aptikimo aparatu. Tada priešinga pusė susiliečia su mikroskysčių srauto sistema. Kontaktas su srauto sistema sukuria kanalus, per kuriuos tirpale gali būti perduodami reagentai. Šią stiklo jutiklio lusto pusę galima modifikuoti įvairiais būdais, kad būtų galima lengvai pritvirtinti dominančias molekules. Paprastai jis yra padengtas karboksimetildekstranu arba panašiu junginiu.

Lūžio rodiklis lusto paviršiaus srauto pusėje turi tiesioginės įtakos šviesos, atsispindėjusios nuo auksinės pusės, elgsenai. Prisirišimas prie lusto srauto pusės turi įtakos lūžio rodikliui ir tokiu būdu biologinė sąveika gali būti išmatuota iki didelio jautrumo tam tikros rūšies energijos. Prie paviršiaus prisitvirtinus biomolekulėms pakinta terpės lūžio rodiklis, o SPR kampas kinta priklausomai nuo šio pokyčio.

Fiksuoto bangos ilgio šviesa atsispindi nuo auksinės lusto pusės viso vidinio atspindžio kampu ir aptinkama prietaiso viduje. Krintančios šviesos kampas keičiamas, kad bangos sklidimo greitis atitiktų paviršiaus plazmonų plitonų sklidimo greitį. [81] Tai skatina išnykstančios bangos prasiskverbimą pro stiklo plokštę ir tam tikru atstumu į paviršių tekantį skystį.

Kiti optiniai biojutikliai daugiausia pagrįsti atitinkamo indikatorinio junginio absorbcijos arba fluorescencijos pokyčiais ir jiems nereikia visos vidinio atspindžio geometrijos. Pavyzdžiui, buvo pagamintas visiškai veikiantis prototipas, aptinkantis kazeiną piene. Prietaisas pagrįstas aukso sluoksnio sugerties pokyčių aptikimu. [82] Biojutikliu galima laikyti ir plačiai naudojamą tyrimo priemonę – mikromasyvą.

Biologiniai biojutikliai dažnai apima genetiškai modifikuotą natūralaus baltymo arba fermento formą. Baltymas yra sukonfigūruotas taip, kad aptiktų konkrečią analitę, o gaunamas signalas nuskaitomas aptikimo prietaisu, pvz., fluorometru arba luminometru. Neseniai sukurto biosensoriaus pavyzdys yra tas, kuris aptinka analitės cAMP (ciklinio adenozino monofosfato) citozolinę koncentraciją – antrąjį pasiuntinį, dalyvaujantį ląstelių signalizacijoje, kurią sukelia ligandai, sąveikaujantys su ląstelės membranos receptoriais. [83] Panašios sistemos buvo sukurtos tirti ląstelių atsakus į natūralius ligandus arba ksenobiotikus (toksinus arba mažų molekulių inhibitorius). Tokius „tyrimus“ dažniausiai naudoja farmacijos ir biotechnologijų įmonės vaistų atradimų kūrime. Daugeliui šiuo metu naudojamų cAMP tyrimų reikia ląstelių lizės prieš matuojant cAMP. Gyvų ląstelių biosensorius cAMP gali būti naudojamas nelizuotose ląstelėse su papildomu kelių skaitymų pranašumu, kad būtų galima ištirti receptorių atsako kinetiką.

Nanobiojutikliai naudoja imobilizuotą bioreceptorių zondą, kuris yra selektyvus tikslinėms analitės molekulėms. Nanomedžiagos yra išskirtinai jautrūs cheminiai ir biologiniai jutikliai. Nano skalės medžiagos pasižymi unikaliomis savybėmis. Dėl didelio paviršiaus ploto ir tūrio santykio galima greitai ir pigiai reaguoti, naudojant įvairius dizainus. [84]

Kiti išnykstančios bangos biojutikliai buvo komercializuoti naudojant bangolaidžius, kur sklidimo per bangolaidį konstanta keičiasi molekulėms absorbuojant bangolaidžio paviršių. Vienas iš tokių pavyzdžių, dvigubos poliarizacijos interferometrija naudoja palaidotą bangolaidį kaip atskaitą, pagal kurią matuojamas sklidimo konstantos pokytis. Kitos konfigūracijos, pvz., Mach-Zehnder, turi litografiškai apibrėžtas atskaitos svirtis ant pagrindo. Didesnį integracijos lygį galima pasiekti naudojant rezonatoriaus geometriją, kai žiedo rezonatoriaus rezonansinis dažnis pasikeičia, kai molekulės absorbuojamos. [85] [86]

Pastaruoju metu daugybės skirtingų detektorių molekulių matricos buvo pritaikytos vadinamuosiuose elektroniniuose nosies įtaisuose, kur detektorių atsako modelis yra naudojamas medžiagos pirštų atspaudams paimti. [87] Wasp Hound kvapo detektoriumi mechaninis elementas yra vaizdo kamera, o biologinis elementas yra penkios parazitinės vapsvos, kurios buvo paruoštos spietėti reaguojant į konkrečios cheminės medžiagos buvimą. [88] Tačiau dabartinės komercinės elektroninės nosys nenaudoja biologinių elementų.

Gliukozės stebėjimas Redaguoti

Prekyboje parduodami gliukozės monitoriai priklauso nuo amperometrinio gliukozės jutimo naudojant gliukozės oksidazę, kuri oksiduoja gliukozę gaminant vandenilio peroksidą, kurį aptinka elektrodas. Siekiant įveikti amperometrinių jutiklių apribojimus, atliekama daugybė naujų jutimo metodų, tokių kaip fluorescenciniai gliukozės biojutikliai, tyrimų. [89]

Interferometrinis atspindžio vaizdo jutiklis Redaguoti

Interferometrinis atspindžio vaizdo jutiklis (IRIS) yra pagrįstas optinių trukdžių principais ir susideda iš silicio-silicio oksido substrato, standartinės optikos ir mažos galios koherentinių šviesos diodų. Kai šviesa apšviečiama per mažo padidinimo objektyvą ant sluoksniuoto silicio-silicio oksido substrato, sukuriamas interferometrinis parašas. Kadangi ant substrato paviršiaus kaupiasi biomasė, kurios lūžio rodiklis panašus kaip silicio oksidas, pasikeičia interferometrinis parašas ir pokytis gali būti koreliuojamas su kiekybiškai įvertinama mase. Daaboul ir kt. naudojo IRIS, kad gautų maždaug 19 ng/mL jautrumą be etiketės. [90] Ahn ir kt. pagerino IRIS jautrumą naudojant masinio žymėjimo techniką. [91]

Nuo pat pirmojo paskelbimo IRIS buvo pritaikytas įvairioms funkcijoms atlikti. Pirma, IRIS integravo fluorescencinio vaizdo gavimo galimybę į interferometrinį vaizdo gavimo instrumentą kaip galimą būdą spręsti fluorescencinių baltymų mikrogardelių kintamumą. [92] Trumpai tariant, fluorescencinių mikrogardelių kitimas daugiausia atsiranda dėl nenuoseklaus baltymų imobilizacijos ant paviršių ir gali sukelti klaidingas alergijos mikrogardelių diagnozes. [93] Norint ištaisyti bet kokius baltymų imobilizavimo pokyčius, duomenys, gauti naudojant fluorescencinį modalumą, yra normalizuojami pagal duomenis, gautus naudojant modalumą be etiketės. [93] IRIS taip pat buvo pritaikytas atlikti atskirų nanodalelių skaičiavimą, tiesiog perjungiant mažo didinimo objektyvą, naudojamą biomasės kiekybiniam įvertinimui be etikečių, į didesnį objektyvo padidinimą. [94] [95] Šis būdas leidžia atskirti sudėtingų žmogaus biologinių mėginių dydį. Monroe ir kt. naudojo IRIS, kad kiekybiškai įvertintų baltymų koncentraciją žmogaus kraujyje ir serume, ir nustatė alergenų jautrumą apibūdintuose žmogaus kraujo mėginiuose, naudojant nulinį mėginio apdorojimą. [96] Kiti praktiniai šio prietaiso panaudojimo būdai apima virusų ir patogenų aptikimą. [97]

Maisto analizė Redaguoti

Yra keletas biosensorių pritaikymo maisto analizėje. Maisto pramonėje patogenams ir maisto toksinams aptikti dažniausiai naudojama optika, padengta antikūnais. Paprastai šių biosensorių šviesos sistema yra fluorescencinė, nes tokio tipo optiniai matavimai gali labai sustiprinti signalą.

Sukurta daugybė imuninių ir ligandų surišimo tyrimų, skirtų aptikti ir išmatuoti mažas molekules, tokias kaip vandenyje tirpūs vitaminai ir cheminiai teršalai (vaistų likučiai), tokie kaip sulfonamidai ir beta agonistai, skirti naudoti SPR pagrįstose jutiklių sistemose, dažnai. pritaikytas iš esamo ELISA ar kito imunologinio tyrimo. Jie plačiai naudojami maisto pramonėje.

DNR biosensoriai Redaguoti

DNR gali būti biojutiklio analitė, aptinkama tam tikromis priemonėmis, tačiau ji taip pat gali būti naudojama kaip biojutiklio dalis arba, teoriškai, net kaip visas biojutiklis.

Yra daug metodų, leidžiančių aptikti DNR, kuri paprastai yra priemonė aptikti organizmus, turinčius tą konkrečią DNR. DNR sekos taip pat gali būti naudojamos, kaip aprašyta aukščiau. Tačiau yra daugiau į ateitį nukreiptų metodų, kai DNR gali būti susintetinta, kad fermentai būtų laikomi biologiniame, stabiliame gelyje. [98] Kiti pritaikymo būdai yra aptamerų, DNR sekos, turinčios specifinę formą, kad galėtų surišti norimą molekulę, projektavimas. Novatoriškiausi procesai tam naudoja DNR origami, sukuriančias sekas, kurios susilanksto į nuspėjamą struktūrą, kuri yra naudinga aptikimui. [99] [100]

Mikrobiniai biosensoriai Redaguoti

Mikrobiniai biojutikliai išnaudoja bakterijų atsaką į tam tikrą medžiagą. Pavyzdžiui, arseną galima aptikti naudojant ars operoną, randamą keliuose bakterijų taksonuose. [101]

Ozono biojutikliai Redaguoti

Kadangi ozonas filtruoja žalingą ultravioletinę spinduliuotę, žemės atmosferos ozono sluoksnyje aptiktos skylės sukėlė susirūpinimą, kiek ultravioletinių spindulių pasiekia žemės paviršių. Ypatingą susirūpinimą kelia klausimai, kaip giliai į jūros vandenį prasiskverbia ultravioletinė spinduliuotė ir kaip ji veikia jūros organizmus, ypač planktoną (plaukiojančius mikroorganizmus) ir planktoną puolančius virusus. Planktonas sudaro jūrinių maisto grandinių pagrindą ir, kaip manoma, daro įtaką mūsų planetos temperatūrai ir orams, įsisavindamas CO2 fotosintezei.

Radiobiologijos ir aplinkos sveikatos laboratorijos (Kalifornijos universitetas, San Franciskas) mokslininkas Denebas Karentzas sukūrė paprastą ultravioletinių spindulių skverbties ir intensyvumo matavimo metodą. Dirbdama Antarkties vandenyne, ji į įvairius gylius panardino plonus plastikinius maišelius, kuriuose buvo specialių atmainų E. coli kurie beveik visiškai negali atitaisyti ultravioletinės spinduliuotės žalos savo DNR. Bakterijų žūties rodikliai šiuose maišeliuose buvo lyginami su to paties organizmo neeksponuotų kontrolinių maišelių rodikliais. Bakteriniai „biojutikliai“ atskleidė nuolatinius reikšmingus ultravioletinių spindulių pažeidimus 10 m gylyje ir dažnai 20 ir 30 m gylyje. Karentzas planuoja papildomus tyrimus, kaip ultravioletiniai spinduliai gali paveikti sezoninį planktono žydėjimą (augimo spurtus) vandenynuose. [102]

Metastazavusių vėžio ląstelių biojutikliai Redaguoti

Metastazės yra vėžio plitimas iš vienos kūno dalies į kitą per kraujotakos arba limfinę sistemą. [103] Skirtingai nuo radiologinių vaizdų tyrimų (mamogramų), kurie siunčia energijos formas (rentgeno spindulius, magnetinius laukus ir kt.) per kūną, kad būtų galima tik daryti vidines nuotraukas, biojutikliai gali tiesiogiai ištirti naviko piktybinę galią. Biologinio ir detektoriaus elemento derinys leidžia gauti nedidelį mėginio poreikį, kompaktišką dizainą, greitus signalus, greitą aptikimą, didelį selektyvumą ir didelį tiriamos analitės jautrumą. Palyginti su įprastais radiologiniais vaizdavimo tyrimais, biojutikliai turi pranašumą, nes ne tik išsiaiškina, kiek vėžys išplitęs ir patikrina, ar gydymas veiksmingas, bet ir yra pigesni, efektyvesni (laiko, sąnaudų ir produktyvumo atžvilgiu) metastazių įvertinimo ankstyvosiose stadijose. vėžys.

Biologijos inžinerijos mokslininkai sukūrė onkologinius krūties vėžio biojutiklius. [104] Krūties vėžys yra dažniausias moterų vėžys visame pasaulyje. [105] Pavyzdys galėtų būti transferino ir kvarco kristalų mikrobalansas (QCM). Kaip biojutiklis, kvarco kristalų mikrobalansai sukuria kristalo stovinčios bangos dažnio svyravimus dėl kintamo potencialo, kad aptiktų nanogramų masės pokyčius. Šie biojutikliai yra specialiai sukurti sąveikauti ir pasižymi dideliu selektyvumu ląstelių (vėžinių ir normalių) paviršių receptoriams. Idealiu atveju tai suteikia kiekybinį ląstelių, turinčių šį receptorių, aptikimą paviršiaus plote, o ne kokybinį vaizdo aptikimą, kurį suteikia mamografija.

Seda Atay, Hacettepe universiteto biotechnologijų tyrinėtojas, eksperimentiškai stebėjo šį specifiškumą ir selektyvumą tarp QCM ir MDA-MB 231 krūties ląstelių, MCF 7 ląstelių ir badaujančių MDA-MB 231 ląstelių in vitro. [104] Kartu su kitais tyrėjais ji sukūrė metodą, kaip nuplauti šias skirtingas metastazavusias ląsteles virš jutiklių, kad būtų galima išmatuoti masės poslinkius dėl skirtingų transferino receptorių kiekių. Visų pirma, krūties vėžio ląstelių metastazavusią galią gali nustatyti kvarco kristalų mikrobalansai su nanodalelėmis ir transferinu, kurie potencialiai prisijungtų prie transferino receptorių vėžio ląstelių paviršiuose. Yra labai didelis selektyvumas transferino receptoriams, nes jie per daug ekspresuojami vėžio ląstelėse. Jei ląstelės turi didelę transferino receptorių ekspresiją, o tai rodo jų didelę metastazavimo galią, jos turi didesnį afinitetą ir labiau jungiasi prie QCM, kuris matuoja masės padidėjimą. Atsižvelgiant į nanogramų masės pokyčio dydį, galima nustatyti metastazavimo galią.

Be to, pastaraisiais metais didelis dėmesys buvo skiriamas plaučių vėžio biomarkerių aptikimui be biopsijos. Šiuo atžvilgiu biosensoriai yra labai patrauklūs ir pritaikomi įrankiai, skirti greitai, jautriai, specifiniam, stabiliam, ekonomiškam ir neinvaziniam ankstyvos plaučių vėžio diagnozės nustatymui. Taigi, vėžio biojutikliai, susidedantys iš specifinių bioatpažinimo molekulių, tokių kaip antikūnai, papildomi nukleorūgščių zondai ar kitos imobilizuotos biomolekulės ant keitiklio paviršiaus. Bioatpažinimo molekulės specifiškai sąveikauja su biomarkeriais (taikiniais), o sugeneruotas biologines reakcijas keitiklis paverčia išmatuojamu analitiniu signalu. Priklausomai nuo biologinio atsako tipo, gaminant vėžio biojutiklius, tokius kaip elektrocheminiai, optiniai ir masės keitikliai, naudojami įvairūs keitikliai. [106]


Eksperimentiniai rezultatai

Kai lustas yra nukreiptas į savo kraštą gravitacijos atžvilgiu, kaip parodyta 3A pav.θ = 0°), tankesnis mėlynas skystis lieka horizontalaus kanalo apačioje, o mažiau tankus geltonas – kanalo viršuje. Todėl skysčiai išeina iš maišytuvo lusto tomis pačiomis kryptimis, iš kurių jie pateko (geltonas skystis 1 išleidimo angoje ir mėlynas skystis 2 išleidimo angoje). Šis atvejis yra identiškas modeliavimui, parodytam 1A pav. Kai lustas laikomas plokščias gravitacijos atžvilgiu 3B pav.θ = 90°), abu skysčiai persiorientuoja gravitacijos atžvilgiu (sukasi 90° pagal laikrodžio rodyklę), kad tankesnis mėlynas skystis būtų horizontalaus kanalo apačioje, o mažiau tankus geltonas – kanalo viršuje. Kai horizontalus kanalas suskaidomas, abiejų išvesties kanalų turinys yra toks pat (∼50% geltonos ir ~50% mėlynos spalvos, kuri išėjimo angose ​​rodoma žalia spalva). Ši situacija yra identiška modeliavimui, parodytam 2C pav. Galiausiai, kai lustas yra orientuotas į jį kitas kraštas 3C pav. (θ = 180°), geltoni ir mėlyni skysčiai keičiasi vietomis horizontaliame kanale, kad tankesnis mėlynas skystis būtų apačioje, o mažiau tankus geltonas skystis viršuje. Dėl to skysčiai palieka išleidimo kanalus priešingas iš kur jie pateko, geltonu skysčiu 2 išleidimo angoje ir mėlynu skysčiu 1 išėjime.

Siekiant parodyti orientacija pagrįstą skysčio srauto valdymą įvairiais kampais (ne tik trimis kampais, parodytais 3 pav.), maišytuvo lustas buvo valdomas kampais nuo 0° iki 180° 15° žingsniais. Kaip ir anksčiau, tankesnis mėlynas skystis buvo sacharozės tirpalas (tankis = 1, 07 g / ml), o mažiau tankus geltonas skystis buvo vanduo (tankis = 1, 00 g / ml). 4 pav. parodyta kiekvieno dažiklio koncentracija dviejuose išvesties kanaluose. Kaip maišytuvo lusto sukimosi kampas θ kinta nuo 0° iki 180°, mėlynojo skysčio koncentracija 1 išėjimo angoje pakyla ir geltono skysčio krenta, o 2 išleidimo angoje stebima priešinga tendencija. Koncentracijos santykis su sukimosi kampu yra apytiksliai tiesinis, kaip prognozuojama pagal 5 lygtį. Šie eksperimentiniai duomenys nukrypsta nuo prognozuojamo modelio kampuose, esančiuose netoli 0° ir 180°, kur išleidžiamų skysčių koncentracijos yra ne 100% ir 0%, kaip prognozuota, o ∼90% ir ~10%. Tikėtina, kad taip yra dėl difuzijos maišytuvo lusto horizontaliame kanale, dėl kurio nedidelis kiekis maišosi tarp dviejų skysčių srautų. Šio difuzinio maišymo poveikis ryškiausias kampuose, esančiuose netoli 0° ir 180°, kai išleidimo angose ​​turėtų būti grynų (nesumaišytų) skysčių pagal 5 lygtį, o jų turinys yra ~90 % grynumo. Be to, skysčio koncentracijos ir sukimosi kampo santykis 4 pav. nėra grynai tiesinis, bet atrodo, kad jis turi aukštesnės eilės formą. Tai gali būti siejama su 3D spausdinto mikrofluidinio kanalo skerspjūvio geometrija dėl ribotos 3D spausdintuvo skiriamosios gebos. 1 mm kanalas buvo atspausdintas naudojant stereolitografinį 3D spausdintuvą, kurio nuokrypis yra ± 200 μm. Dėl to gali susidaryti mikroskysčių kanalas, kuris nėra tobulai apskritas ir reikalauja sudėtingesnio modelio, nei parodytas 5 lygtyje. Tačiau klaidų juostos 4 pav. patvirtina, kad išleidimo angos koncentracijos yra atkuriama ir nuspėjama sukimosi kampo funkcija. lusto, ir būtų galima lengvai gauti aukštesnės eilės funkciją, kuri numato skysčio koncentraciją lustoje bet kokiu sukimosi kampu θ iki kelių procentinių punktų.

Taip pat rodomos kiekvienoje išleidimo angoje surinkto skysčio nuotraukos ir lusto orientacijos iliustracija kiekvienu sukimosi kampu. N = 3 kiekvieno taško klaidų juostų matavimai rodo ±1 standartinį nuokrypį. Šie rezultatai rodo, kad mišinio sudėtis priklauso nuo drožlės sukimosi kampo, o bet koks norimas mišinys gali būti sukurtas tiesiog orientuojant lustą ir reikiamą kampą.

Norėdami ištirti kanalo skerspjūvio formos vaidmenį orientacijos valdomoje mikrofluidikoje, sukūrėme ir 3D atspausdinome maišytuvo lustus su kvadratinio (1 × 1 mm) ir stačiakampio (1 × 1, 25 mm) skerspjūvio kanalais. Tada pakartojome eksperimentus iš 5A pav., naudodami kvadratines ir stačiakampes drožles sukimosi kampams θ = 0°, 90° ir 180°. 5A paveiksle pateikti rezultatai patvirtina, kad lusto orientacija vis dar gali būti naudojama skysčių maišymuisi kontroliuoti kvadratinių ir stačiakampių skerspjūvių drožlėse, nors stačiakampio skerspjūvio drožlėje pastebimas didesnis nukrypimas nuo numatytų skysčio koncentracijų. Tai rodo, kad orientacija pagrįstas mikrofluidikos valdymas geriausiai veikia kanaluose, kurių kraštinių santykis yra artimas vienam, esant didesniems kraštinių santykiams, kanalo geometrija trukdo norimam skysčio sukimuisi kanale. Mes apsiribojome 1 mm kanalo skersmeniu, nes norėjome ištirti skirtingas geometrijas ir kraštinių santykius naudodami 3D spausdintuvą, tačiau tie patys reiškiniai buvo pastebėti įprastame stikliniame 180 mikroskysčių kanale. μm (duomenys neskelbtini). Taip pat ištyrėme dviejų skirtingo tankio skysčių, tekančių stačiakampiais kanalais su daug didesniu kraštinių santykiu, elgesį (skerspjūvio matmenys 1 mm × 5 mm duomenys nerodomi). Eksperimentiniai rezultatai dar labiau patvirtina teiginį, kad orientacija pagrįstas mikrofluidikos valdymas yra praktiškiausias kanaluose, kurių skerspjūvio kraštinių santykis yra artimas vienam (apvalūs ir kvadratiniai kanalai).

(A) Geltonų ir mėlynų dažų koncentracijos 1 išėjimo angoje maišytuvo drožlėse, laikomose 0°, 90° ir 180° kampu, drožlėms su apskrito, kvadratinio ir stačiakampio kanalo skerspjūviais. Lustų orientacija gali būti naudojama norint valdyti skysčius ant lusto įrenginiuose, kurių kanalų skerspjūvis yra įvairus, nors stačiakampio kanalo veikimas šiek tiek pablogėja. Šie rezultatai rodo, kad mikrofluidiniai kanalai, kurių kraštinių santykis yra artimas vienam, geriausiai tinka orientacijai pagrįsti valdymui. (B) Išleidimo skysčio koncentracijos išmatuotos 1 išėjimo angoje, nukreipiant maišytuvo lustą 0°, 90° ir 180° kampu, esant keturiems skirtingiems skysčių tankiams prie 1 įleidimo angos. Skysčio tankis 2 įleidimo angoje buvo pastovus 1,00 g/mL. Kai skysčių tankis nesiskiria tarp dviejų įleidimo skysčių, skysčio perorientavimas nepastebimas ir negalima naudoti orientacijos pagrįsto valdymo (kontrolinis atvejis). Tačiau jei skysčio tankis 1 įleidimo angoje yra tik 2 % didesnis nei skysčio tankis 2 įleidimo angoje, tada tekantys skysčiai persiorientuoja gravitacijos atžvilgiu ir galimas orientacija pagrįstas valdymas.

Be kanalo geometrijos, skysčio tankis turi įtakos mūsų reiškiniui. Sukimosi greitį įtakoja tankio skirtumas. Tačiau praktiškai mes nustatėme, kad visi pastebėti sukimai buvo beveik akimirksniu. Apibūdinimo tikslais kanalo ilgis buvo per ilgas. Tačiau, jei kanalo skersmuo yra 1 mm, sukimasis turi būti bent 10 mm. Kuo didesnis skirtumas tarp skysčių tankių, tuo greitesnis sukimasis. Sukimosi greitis gali būti padidintas toliau didinant skirtumą tarp skysčių tankių, tačiau dėl to padidėjus koncentracijos gradientams padidės difuzinis srautas, o tai gali sudaryti sąlygas daugiau maišytis tarp dviejų sluoksnių.

Norint nustatyti, kokio tankio skirtumo tarp dviejų skysčių reikia, norint naudoti orientaciją pagrįstą kontrolę, buvo paruošti skirtingų koncentracijų (taigi ir skirtingo tankio) sacharozės tirpalai, kaip parodyta 5B pav. Eksperimentai buvo atlikti naudojant tirpalus, kurių tankis buvo 1,00 g/mL (kontrolė), 1,02 g/mL, 1,07 g/mL ir 1,12 g/ml. Kaip ir anksčiau, antrojo skysčio tankis buvo pastovus 1,00 g / ml (vandens). 5B pav. parodytu kontroliniu atveju dviejų skysčių tankis maišytuvo lustoje nesiskiria, todėl skysčiai lustoje neperorientuojami, o skysčių koncentracija išleidimo angose ​​yra pastovi, nepaisant to, koks yra maišytuvo orientacijos kampas. lustas, tačiau kai vieno įvesties skysčio tankis padidinamas tik 2% iki 1,02 g/mL, skysčiai vėl orientuojasi gravitacijos atžvilgiu ir parodoma orientacija pagrįsta kontrolė.


Pneumatiniai vožtuvai prieš peristaltinį siurblį

Arba monolitiniai elastomeriniai vožtuvai ir siurbliai gali būti pagaminti naudojant minkštą litografiją, skirtą naudoti mikroskalėje. Elastomerinio peristaltinio siurblio pavyzdys matomas 3 paveikslo dešinėje. Tokie įrenginiai kaip šis ir kiti mikroskysčių įrenginiai leidžia išvengti kelių alternatyvių įrenginių problemų, pvz., burbuliukų susidarymo ir priklausomybės nuo srauto. Šis dizainas buvo sudarytas taip, kad būtų kryžminio kanalo išdėstymas. Prietaisas veikia spaudžiant viršutinį kanalą, dėl kurio apatinis kanalas užsidaro. Tai stumia skystį išilgai kelio, kaip tai darytų peristaltinis siurblys. Skystis gali likti sterilus, nes jo niekada nereikia išeiti iš vamzdelio arba būti veikiamas išorės užteršimo. Reagavimo laikas yra itin greitas, o įrenginius galima supakuoti labai arti vienas kito. Šie pneumatiniai vožtuvai ir siurbliai yra naudingi įvairioms reikmėms, vienas iš jų yra laboratorija ant lusto [3].


Panašūs įrašai DOE PAGES ir OSTI.GOV kolekcijose:

3 milijonai pacientų 2008 m. Nepaisant pozitronais pažymėtų atsekamųjų medžiagų sėkmės daugelyje mokslų, yra ribota galimybė įperkamai ir patogiai kurti ir naudoti naujus atsekamus elementus. Integruoti mikrofluidiniai lustai yra nauja technologija, gerai suderinta su atsekamųjų medžiagų koncentracija. Mūsų tikslas yra sukurti mikrofluidinius lustus ir naujus sintezės metodus, kad būtų galima pigiai platinti įvairių tipų žymeklius ir sukurti naujos kartos radiochemikų, kuriems yra daug daugiau ir neužpildytų darbo vietų. Programos tikslai: 1. Sukurti integruotą mikroskysčių platformos technologiją, skirtą įvairių klasių molekulių masyvams sintetinti ir 18F žymėti. 2. Įtraukite mikroskysčių lustus į mažus kompiuteriu valdomus įrenginius („Sintezatorius“) su platforma, sujungta su kompiuteriu elektroniniam ir skysčių įvesties/išvesties valdymui. 3. Sukurkite decentralizuotą modelį su sintezatoriais, skirtą molekuliniams vaizdavimo zondams atrasti ir gaminti. Tam reikia tik nebrangių [18F]fluorido jonų tiekimo iš komercinių PET radiofarmacinių vaistinių, palyginti su centralizuotu ciklotronų įrenginių metodu, sintetinančiomis ir gabenančiomis kelių skirtingų tipų 18F zondus. . 4. Sukurkite padėčiai jautrią lavininio fotodiodo (PSAPD) kamerą, skirtą beta dalelėms, įterptoms į mikroskysčių lustą, kad būtų galima vaizduoti ir matuoti transportavimo bei biocheminių reakcijų greitį į tinkamus naujus 18F pažymėtus zondus įvairiose ląstelių kultūrose. Šie tikslai pasiekiami vykdant mokslinių tyrimų ir švietimo programą, apimančią radiochemiją, sintetinę chemiją, biochemiją, inžineriją ir biologiją Crumpo molekulinio vaizdo gavimo institute. Radiochemijos mokymo programa suteikia galimybę doktorantams ir doktorantams atlikti molekulinį vaizdavimą in vitro ląstelėse ir mikroorganizmuose mikrofluidiniuose lustuose ir in vivo naudojant PET, pradedant naujomis radiochemijos (makro ir mikro lygiais), biochemijos ir biologijos technologijomis iki vaizdo gavimo principų, žymeklio kinetikos, farmakokinetika ir biocheminiai tyrimai. Naujos kartos radiochemikai bus panardinti į biochemiją ir biologiją, kuriai yra kuriami jų pažymėti zondai šių procesų tyrimams. Šioje programoje inžinieriai ir radiochemikai integruoja mikrofluidikos ir radioaktyviojo žymėjimo principus kartu su tinkamu sistemos projektavimu ir chemijos taisyklių rinkiniais, kad gautų sintezatorius, leidžiančius biologijos ir farmacijos mokslininkams sukurti įvairius zondų rinkinius, kad jie galėtų siekti savo interesų. Ši pažanga taip pat leistų radiochemikams sutelkti dėmesį į tolesnę greitų, didelio derlingumo sintetinių reakcijų evoliuciją naudojant naujas įgalinančias technologijas, o ne į kasdienę radioaktyviųjų žymeklių gamybą, kurią turėtų atlikti technologai. Integrinių grandynų išradimas elektronikoje sukūrė platformos technologiją, kuri leido vystyti idėjas ir pritaikymus daug daugiau, nei buvo galima įsivaizduoti iš pradžių. Tikimasi, kad mikroskysčių radiochemija, užuot pateikusi technologiją, padėsianti išspręsti vieną problemą, taps platforma, leidžiančia kitiems išspręsti daugelį problemų. Kaip šio tikslo dalis, kitas programos tikslas yra komercializuoti iš šio darbo gaunamas technologijas, kad jos galėtų būti pateiktos kitiems, norintiems ja naudotis. & Laquo mažiau


Elektroninę papildomą medžiagą galima rasti internete adresu https://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4020841.

Paskelbė Karališkoji draugija pagal „Creative Commons“ priskyrimo licencijos sąlygas http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/, kuri leidžia neribotą naudojimą, jei nurodomas pirminis autorius ir šaltinis.

Nuorodos

Paulius D, Pallandre A, Miserere S, Weber J, Viovy J-L

. 2007 Laminavimu pagrįstas greitas mikrofluidinių prietaisų prototipų kūrimas naudojant lanksčius termoplastinius substratus. Elektroforezė 28, 1115–1122. (doi:10.1002/elps.200600503) Crossref, PubMed, Google Scholar

Thompson BL, Ouyang Y, Duarte GRM, Carrilho E, Krauss ST, Landers JP

. 2015 m. Nebrangus, greitas mikrofluidinių prietaisų prototipų kūrimas naudojant viršutines skaidres ir lazerinio spausdinimo, pjaustymo ir laminato gamybos metodą. Nat. Protok. 10, 875–886. (doi:10.1038/nprot.2015.051) Crossref, PubMed, Google Scholar

Weigl BH, Bardell R, Schulte T, Battrell F, Hayenga J

. 2001 m. Plonasluoksnių laminato mikrofluidinių prietaisų projektavimas ir greitas prototipų kūrimas. Biomed. Mikroįrenginiai 3, 267–274. (doi:10.1023/A:1012448412811) Crossref, Google Scholar

2011 Mikrofluidika pagrįsta infekcinių ligų diagnostika besivystančiame pasaulyje. Nat. Med. 17, 1015–1019. (doi:10.1038/nm.2408) Crossref, PubMed, Google Scholar

Li M, Li S, Wu J, Wen W, Li W, Alici G

. 2012 Paprastas ir ekonomiškas integruotų elektroninių-mikrofluidinių prietaisų gamybos metodas, naudojant lazeriu margintą PDMS sluoksnį. Mikrofluidas. Nanofluidas. 12, 751–760. (doi:10.1007/s10404-011-0917-z) Crossref, Google Scholar

Jokerst JC, Emory JM, Henry CS

. 2012 Mikrofluidikos pažanga aplinkos analizei . Analitikas 137, 24–34. (doi:10.1039/C1AN15368D) Crossref, PubMed, Google Scholar

Bruijns B, van Asten A, Tiggelaar R, Gardeniers H

. 2016 Mikrofluidiniai prietaisai teismo DNR analizei: apžvalga. Biosensoriai 6, 41. (doi:10.3390/bios6030041) Crossref, Google Scholar

van den Bergas A, Craighead HG, Yang P

. 2010 Nuo mikroskysčių taikymo iki nanofluidinių reiškinių. Chem. Soc. Rev. 39, 899–900. (doi:10.1039/c001349h) Crossref, PubMed, Google Scholar

Mielczarek WS, Obaje EA, Bachmann TT, Kersaudy-Kerhoas M

. 2016 m. Mikrofluidinis kraujo plazmos atskyrimas medicininei diagnostikai: ar verta? Laboratorijos lustas 16, 3441–3448. (doi:10.1039/C6LC00833J) Crossref, PubMed, Google Scholar

Li M, Zhao F, Zeng J, Qi J, Lu J, Shih W-C

. 2014 m. mikrofluidiniu paviršiumi patobulintas Ramano sklaidos jutiklis su monolitiškai integruotomis nanoporingo aukso diskų matricomis, kad būtų galima greitai ir be etikečių aptikti biomolekulinę medžiagą. Biomedo 19, 111 611. (doi:10.1117/1.JBO.19.11.111611) „Google Scholar“

Songjaroen T, Dungchai W, Chailapakul O, Henry CS, Laiwattanapaisal W

. 2012 m. Kraujo atskyrimas mikrofluidinio popieriaus pagrindu pagamintuose analitiniuose prietaisuose . Laboratorijos lustas 12, 3392–3398. (doi:10.1039/c2lc21299d) Crossref, PubMed, Google Scholar

Chen J-Y, Huang Y-T, Chou H-H, Wang C-P, Chen C-F

. 2015 m. Greitas ir nebrangus kraujo grupavimas ant termoplastinių lustų. Laboratorijos lustas 24, 4533–4541. Google Scholar

Hou G, Zhang H, Xie G, Xiao K, Wen L, Li S, Tian Y, Jiang L

. 2014 m. Ultratrace gliukozės aptikimas naudojant fermentų funkcionalizuotus atskirus nanokanalus. J. Mater. Chem. A 2, 19 131–19 135. (doi: 10.1039/C4TA05013D) Crossref, Google Scholar

Sharma H, Nguyen D, Chen A, Lew V, Khine M

. 2011 Netradiciniai nebrangūs gamybos ir modeliavimo metodai, skirti priežiūros taško diagnostikai. Ann. Biomed. Inž. 39, 1313–1327. (doi:10.1007/s10439-010-0213-1) Crossref, PubMed, Google Scholar

Martinez AW, Phillips ST, Whitesides GM, Carrilho E

. 2010 m. Diagnostika besivystančiam pasauliui: mikrofluidiniai popieriniai analitiniai prietaisai . Anal. Chem. 82, 3–10. (doi:10.1021/ac9013989) Crossref, PubMed, Google Scholar

Nie Z, Nijhuis CA, Gong J, Chen X, Kumachev A, Martinez AW, Narovlyansky M, Whitesides GM

. 2010 Elektrocheminis jutimas popieriniuose mikroskysčių įrenginiuose . Laboratorijos lustas 10, 477–483. (doi: 10.1039 / B917150A) Crossref, PubMed, Google Scholar

Cate DM, Adkins JA, Mettakoonpitak J, Henry CS

. 2015 m. Naujausi popierinių mikroskysčių prietaisų pokyčiai . Anal. Chem. 87, 19–41. (doi:10.1021/ac503968p) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2017 m. Verčiame puslapį: tobulinama popierinė mikrofluidika, skirta plačiam diagnostikos naudojimui . Chem. Rev. 117, 8447–8480. (doi:10.1021/acs.chemrev.7b00024) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2014 m. trimačių mikrofluidinių kanalų gamyba viename celiuliozinio popieriaus sluoksnyje. Mikrofluidas. Nanofluidas. 16, 819–827. (doi:10.1007/s10404-014-1340-z) Crossref, Google Scholar

Carrilho E, Martinez AW, Whitesides GM

. 2009 Suprasti spausdinimą vašku: paprastas popierinės mikrofluidikos mikrorašinimo procesas. Anal. Chem. 81, 7091–7095. (doi:10.1021/ac901071p) Crossref, PubMed, Google Scholar

Renault C, Koehne J, Ricco AJ, Crooks RM

. 2014 m. popierinių skystųjų prietaisų trimatis vaškinis raštas. Langmuir 30, 7030–7036. (doi:10.1021/la501212b) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2015 m. Mikrofluidiniai popieriniai analitiniai prietaisai, pagaminti naudojant nebrangią fotolitografiją ir įspaudus Parafilm®. Laboratorijos lustas 15, 1642–1645 m. (doi:10.1039/C5LC00044K) Crossref, PubMed, Google Scholar

Abe K, Suzuki K, Citterio D

. 2008 Rašaliniu spausdintuvu atspausdintas mikrofluidinis multianalitinis cheminių jutimų popierius . Anal. Chem. 80, 6928–6934. (doi:10.1021/ac800604v) Crossref, PubMed, Google Scholar

Li X, Tian J, Nguyen T, Shen W

. 2008 Popieriniai mikrofluidiniai prietaisai apdorojant plazmą . Anal. Chem. 80, 9131–9134. (doi:10.1021/ac801729t) Crossref, PubMed, Google Scholar

Yamada K, Henares TG, Suzuki K, Citterio D

. 2015 Popieriaus rašaliniu spausdintuvu spausdinami mikroskysčių analizės prietaisai . Angew. Chem. Tarpt. Red. 54, 5294–5310. (doi:10.1002/anie.201411508) Crossref, PubMed, Google Scholar

. 2013 m. Popieriaus mikroskysčių prietaisų gamybos metodas alkilsilanu savaime surenkamas ir UV/O3 modeliavimas . Anal. Chem. 85, 1327–1331. (doi:10.1021/ac303138x) Crossref, PubMed, Google Scholar

Li X, Tian J, Garnier G, Shen W

. 2010 Popierinių mikrofluidinių jutiklių gamyba spausdinant . Koloidinis. Surf B 76, 564–570. (doi:10.1016/j.colsurfb.2009.12.023) Crossref, PubMed, Google Scholar

Weng C-H, Chen M-Y, Shen C-H, Yang R-J

. 2014 m. spalvoti vašku atspausdinti laikmačiai, skirti dvimačiams ir trimačiams tyrimams popieriniuose įrenginiuose . Biomikrofluidikai 8, 066502. (doi: 10.1063/1.4902246) Crossref, PubMed, Google Scholar

Zhong ZW, Wang ZP, Huang GXD

. 2012 m. vaško ir popieriaus medžiagų, skirtų popieriniams mikrofluidiniams prietaisams gaminti, tyrimas. Mikrosistema. Techn. 18, 649–659. (doi:10.1007/s00542-012-1469-1) Crossref, Google Scholar

Dungchai W, Chailapakul O, Henry CS

. 2009 Popieriaus mikroskysčių elektrocheminis aptikimas. Anal. Chem. 81, 5821–5826.(doi:10.1021/ac9007573) Crossref, PubMed, Google Scholar

Yamada K, Shibata H, Suzuki K, Citterio D

. 2017 m. Popieriaus mikroskysčių praktinio pritaikymo medicininėje diagnostikoje link: naujausios technologijos ir iššūkiai. Laboratorijos lustas 17, 1206–1249. (doi:10.1039/C6LC01577H) Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar

Nosrati R, Gong MM, San Gabriel MC, Pedraza CE, Zini A, Sinton D

. 2016 m. Popierinis vyrų vaisingumo potencialo kiekybinis įvertinimas . Clin. Chem. 62, 458. (doi:10.1373/clinchem.2015.250282) Crossref, PubMed, Google Scholar

Nie Z, Deiss F, Liu X, Akbulut O, Whitesides GM

. 2010 Popierinių mikrofluidinių prietaisų integravimas su komerciniais elektrocheminiais skaitytuvais . Laboratorijos lustas 10, 3163–3169. (doi:10.1039/c0lc00237b) Crossref, PubMed, Google Scholar

Revilla M, Aleksandras J, Glibertas premjeras

. 2005 Karbamido analizė pakrančių vandenyse: fermentinių ir tiesioginių metodų palyginimas . Limnol. Oceanogr. Metodai 3, 290–299. (doi:10.4319/lom.2005.3.290) Crossref, Google Scholar

Huang C-J, Lin J-L, Chen P-H, Syu M-J, Lee G-B

. 2011 m. Daugiafunkcinė elektrocheminė jutimo sistema, naudojanti mikroskysčių technologiją karbamido ir kreatinino aptikimui. Elektroforezė 32, 931–938. (doi:10.1002/elps.201000679) Crossref, PubMed, Google Scholar

Maleva M, Borisova G, Chukina N, Nekrasova G, Prasad MNV

. 2013 Eksogeninio karbamido įtaka fotosintezės pigmentams, 14 CO2 įsisavinimą ir ureazės aktyvumą Elodea densa– poveikis aplinkai. Aplinka. Sci. Užteršti. Res. 20, 6172–6177. (doi:10.1007/s11356-013-1639-4) Crossref, PubMed, Google Scholar

Ma W-J, Luo C-H, Lin J-L, Chou S-H, Chen P-H, Syu M-J, Kuo S-H, Lai S-C

Dungchai W, Chailapakul O, Henry CS

. 2010 m. kelių kolorimetrinių indikatorių naudojimas popieriniuose mikroskysčių įrenginiuose . Anal. Chim. Acta 674, 227–233. (doi:10.1016/j.aca.2010.06.019) Crossref, PubMed, Google Scholar

Duanas C, Alibakhshi MA, Kim D-K, Brown CM, Craik CS, Majumdar A

. 2016 m. Elektroninis fermentinių reakcijų nanokanaluose aptikimas be etikečių. ACS nano 10, 7476–7484. (doi:10.1021/acsnano.6b02062) Crossref, PubMed, Google Scholar

Venkatesan VK, Suryanarayana CV

. 1956 Karbamido tirpalų laidumas ir kitos fizikinės savybės . J. Phys. Chem. 60, 775–776. (doi:10.1021/j150540a016) Crossref, Google Scholar

. 2015 m. Įrengta daugybe fermentų legiruotų siūlų mikrofluidinė sistema, skirta kraujo karbamido azoto ir gliukozės aptikimui visame žmogaus kraujyje. Biomikrofluidikai 9, 022402. (doi: 10.1063/1.4915616) Crossref, PubMed, Google Scholar

Ho WO, Krause S, McNeil CJ, Pritchard JA, Armstrong RD, Athey D, Rawson K

. 1999 Elektrocheminis jutiklis karbamido ir kreatinino kiekiui serume matuoti, pagrįstas fermentų katalizuojamos polimero transformacijos kintamosios srovės varžos matavimu. Anal. Chem. 71, 1940–1946 m. (doi:10.1021/ac981367d) Crossref, PubMed, Google Scholar

Song Y, Liu H, Tan H, Xu F, Jia J, Zhang L, Li Z, Wang L

. 2014 m. pH perjungiama elektrocheminė jutimo platforma, pagrįsta chitozanu sumažintu grafeno oksidu / konkanavalinu, skirtu gliukozės ir karbamido tyrimui. Anal. Chem. 86, 1980–1987 m. (doi:10.1021/ac402742m) Crossref, PubMed, Google Scholar


Kairėje pavaizduotame apatiniame jungiklyje apkrova yra tarp maitinimo bėgio ir N kanalo MOSFET, atliekančio perjungimą.

Viršutiniame jungiklyje, parodytame dešinėje, apkrova yra tarp žemės ir P kanalo MOSFET, atliekančio perjungimą.

Žemutinės pusės jungikliai yra patogūs valdyti šviesos diodus, reles, variklius ir tt, nes paprastai juos galite valdyti tiesiai iš mikrovaldiklio išvesties, kol VKoks skirtumas tarp atviros ar uždaros mikroskysčių lusto konfigūracijos ? – Biologija, [nobr][H1toH2]


Žiūrėti video įrašą: Stogo šiltinimas akmens mineralinė vata ir poliuretano putomis? (Sausis 2023).