At bygge et biokemisk laboratorium på en chip

(Phys.org)—Miniaturiserede laboratorie-på-chip-systemer lover hurtige, følsom, og multiplekset detektion af biologiske prøver til medicinsk diagnostik, opdagelse af lægemidler, og high-throughput screening. Ved at bruge mikrofremstillingsteknikker og inkorporere et unikt design af transistorbaseret opvarmning, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign fremmer yderligere brugen af ​​siliciumtransistorer og elektronik til kemi og biologi til point-of-care diagnostik.

Lab-on-a-chip teknologier er attraktive, da de kræver færre reagenser, har lavere detektionsgrænser, tillade parallelle analyser, og kan have et mindre fodaftryk.

"Integration af forskellige laboratoriefunktioner på mikrochips er blevet intenst undersøgt i mange år, " forklarede Rashid Bashir, en Abel Bliss professor i elektro- og computerteknik og i bioteknik ved Illinois. "Yderligere fremskridt af disse teknologier kræver evnen til at integrere yderligere elementer, såsom det miniaturiserede varmeelement, og evnen til at integrere varmeelementer i et massivt parallelt format, der er kompatibelt med siliciumteknologi.

"I dette arbejde, vi demonstrerede, at vi kan opvarme nanoliters volumendråber, individuelt og i en række, ved hjælp af VLSI siliciumbaserede enheder, op til temperaturer, der gør det interessant at udføre forskellige biokemiske reaktioner i disse dråber."

"Vores metode placerer dråber på en række individuelle siliciummikrobølgevarmere på chip for præcist at kontrollere temperaturen af ​​dråber i luften, giver os mulighed for at udføre biokemiske reaktioner, herunder DNA-smeltning og påvisning af enkeltbase mismatches, sagde Eric Salm, avisens første forfatter, "Ultralokaliserede termiske reaktioner i subnanoliter dråber-i-luft, " offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) den 12. februar.

Ifølge Salm, tilgange til at udføre lokaliseret opvarmning af disse individuelle subnanoliter-dråber kan give mulighed for nye applikationer, der kræver parallelle, tid-, og rummultipleksreaktioner på et enkelt integreret kredsløb. Inden for miniaturiserede laboratorie-på-chips, statiske og dynamiske dråber af væsker i forskellige ikke-blandbare medier er blevet brugt som individuelle kar til at udføre biokemiske reaktioner og begrænse produkterne.

"Denne teknologi gør det muligt at udføre cellelyserings- og nukleinsyreamplifikationsreaktioner inden for disse individuelle dråber - dråberne er reaktionsbeholdere eller kuvetter, der individuelt kan opvarmes, " tilføjede Salm.

"Vi demonstrerer også, at ssDNA-probemolekyler kan placeres på varmelegemer i opløsning, tørret, og derefter rehydreret af ssDNA-målmolekyler i dråber til hybridisering og påvisning, " sagde Bashir, der er direktør for Micro and Nanotechnology Laboratory i Illinois. "Denne platform muliggør mange applikationer i dråber, herunder hybridisering af DNA-molekyler med lavt antal kopier, lysering af enkeltceller, undersøgelse af ligand-receptor interaktioner, og hurtig temperaturcyklus til amplifikation af DNA-molekyler.

"I særdeleshed, " tilføjede Bashir, "vores miniaturvarmer kan også fungere som dobbelte varmelegeme/sensorelementer, da disse silicium-på-isolator nanotråd- eller nanobåndstrukturer er blevet brugt til at påvise DNA, proteiner, pH, og pyrophosphater.

Ved at bruge mikrofremstillingsteknikker og inkorporere det unikke design af transistorbaseret opvarmning med individuelle reaktionsvolumener, 'laboratory-on-a-chip'-teknologier kan skaleres ned til 'laboratory-on-a-transistor'-teknologier som sensor/varme-hybrider, der kan bruges til point-of-care diagnostik."