Lab on a chip – laboratorium analityczne mieszczące się w dłoni

Technologia „Lab on a chip” (LoC) została całkiem opisana dobrze np. w anglojęzycznej wersji wikipedii, ale jakoś nie jest za bardzo znana u nas,poza środowiskami specjalistów [Przykładowy całkiem dobry artykuł na specjalistycznym portalu]. Za granicą napisano na ten temat napisano już stosunkowo wiele książek, istnieje też odpowiednie czasopismo naukowe, istniejące od 2001 roku.Nosi ono nazwę (a jakże) „Lab on a chip”. Tymczasem u nas poza środowiskiem biotechnologicznym i może środowiskiem chemików-analityków temat nie jest zbyt znany. Pewnie dlatego,że niestety Polska nie jest obecnie jakimś przodującym technologicznie krajem, niczym USA, Niemcy czy „Azjatyckie Tygrysy… A może, to ze względu na to, że ta technologia wciąż znajduje się w fazie testów, albo dlatego, że jeszcze nie została powszechnie wdrożona ? Nieważne. W każdym razie, jest to niewątpliwie fascynująca technologia, powiązana ściśle z dziedziną sensorów (Wikipedia o sensorach: [PL] [Ang]), zwłaszcza sensorów chemicznych i jest warta omówienia. Nie tylko ze względu na rewolucję w analizie DNA jaką umożliwiają już teraz urządzenia z tej rodziny.

Słowo sensor jednak niewiele mówi ludziom mniej technicznym. A więc może tak bardziej obrazowo ? :

Wchodzisz sobie do sklepu i idziesz na dział mięsny, kupić (powiedzmy) kiełbaskę na grilla (ok, wiem, ”grill w zimie ?!”). Sprawdzasz komórką i już wiesz ile mięska jest w kiełbasie, jaka jest świeża itd. Jesteś wege ? Nie szkodzi. Wyobraź sobie, że dzięki takiemu urządzeniu możesz sprawdzić, czy twoja wegetariańska żywność jest świeża. A może chorujesz na jedną z popularnych chorób cywilizacyjnych albo masz pecha od czasu do czasu zachorować ? Wbudowany np. w twój telefon komórkowy lub inny leżący na biurku analizator być może rozpozna,co ci jest. Sam albo podłączony do komputera z odpowiednim oprogramowaniem… Już nie mówię o sprawdzeniu następnego dnia po imprezce, czy można bezpiecznie pojechać samochodem, albo o telefonie który wykrywając tlenek węgla („czad”) zacznie „hałasować” odpowiednio wcześnie by uratować osoby korzystające z niewłaściwej instalacji przed uduszeniem się,albo pożarem. Słowem – elektroniczny nos, a może i lepiej ? Tak. Przy czym, nie tylko precyzyjniejsze od nosa większości ludzi (niektórzy mają naprawdę wyczulone zmysły) urządzenie ale i kieszonkowe laboratorium analityczne.

Co ważne: Te urządzenia nie muszą być tylko wbudowaną funkcją telefonu komórkowego. Takie coś, to raczej szczególny przypadek. Tu chodzi – jak pisałem – o wyspecjalizowane, a jednocześnie podręczne (i poręczne) małe „laboratorium”. Za w miarę dobrą cenę. Bez potrzeby zdobywania dużych próbek i posiadania licznych odczynników. Bez sporej wiedzy chemicznej. I być może, w przyszłości nie tylko dla bogaczy, lecz raczej do masowego użytku. Co więcej, całą nauka dotycząca zamknięcia laboratorium w jednym małym układzie nie ogranicza się do prostego chipu, lecz równie zawiera w sobie rozwój innych technik analizy chemicznej.

Aktualnym, dobrze opanowanym rozwiązaniem są choćby układy mikrofluidalne zintegrowane z układami w technologii CMOS.

Przykładowy układ oparty o (mikro)kanaliki na szkle – bez chipu. Żródło – Wikipedia:

To, co widać na obrazku, to jeszcze stosunkowo „klasyczny” analityczny (mikro)reaktor chemiczny – w tym przypadku jeszcze o stosunkowo dużych rozmiarach i stosunkowo mało skomplikowany,bez układu elektronicznego. Tego typu (mikro)reaktory chemiczne Składają się one zazwyczaj z wielu „studni” na odczynniki (charakterystyczne kółka), kanałów i komór reakcyjnych, obszaru wyjściowego. Czasem dodatkiem może być odpowiedni element służący do separacji chemicznej. Rezultatem jest odpowiednia substancja chemiczna „na wyjściu”, która oddziałuje chemicznie albo w inny sposób na odpowiednią część układu – czy to elektryczną,czy chemiczną. W niektórych przypadkach są one koniecznym „bardziej mechanicznym” elementem układu. Same otwory i mikrokanaliki wycinać można np. przy użyciu precyzyjnego lasera CO2.

Następnie, można dokonać pomiaru – czy to dzięki efektom optycznym (obserwowanym np. jako świecąca się dioda), czy to dzięki efektom elektrycznym.

Sposobów, na uzyskanie wyników takiego pomiaru w formie elektrycznej jest wiele, np:

  • oddziaływanie wyizolowanej substancji – lub substancji uzyskanej w wyniku reakcji z odpowiednim reagentem poszukiwanej substancji na obwód elektryczny (co najbardziej pasować może do takiego układu, który mógłby być stosowany np. w smartfonie).
  • wykorzystanie sensora mechanicznego, którego mechaniczny sygnał można przetworzyć w impuls elektryczny dzięki piezoelektrykowi
  • pomiar za pomocą odpowiednich układów temperatury
  • pomiar zmian pola magnetycznego
  • itd.

Urządzenie Lab on a Chip ze strony http://microfabb.com/lab-on-a-chip/

Należy zaznaczyć, że odpowiednie elektrody mogą być również wprowadzone w (mikro)kanaliki, przez który przepływa substancja w trakcie reakcji,albo i przed reakcją. Same zaś komory reakcyjne z (mikro)kanalikami, ”studniami” i resztą układów mogą być (i zazwyczaj bywają) naniesione bezpośrednio na klasyczny układ scalony będący rodzajem mikroprocesora i uniwersalnego sensora. Na tym polega cała sztuczka. Układ elektroniczny (czy inny) dzięki określonemu bodźcowi, lub zespołowi bodźców na określonym poziomie potwierdza obecność danej substancji chemicznej. Cała reszta to odpowiednie pobieranie próbek, odpowiednie reakcje chemiczne i miniaturyzacja.

LoC - wizja artystyczna. Na podstawie obrazu ze strony: http://microlab.dei.uminho.pt/labchip/labchip.htm

Oczywiście problemem mogą być wyniki typu „false positive” i „false negative” (potencjalnie nieco ograniczona precyzja), poza tym, niektórych substancji zapewne nie da się wykrywać dokładnie tymi metodami. Tyle, że dotychczasowe techniki chemiczne nie są wcale koniecznie zawsze lepsze. A mówimy tu o tanim i podręcznym laboratorium, nie o wyeliminowaniu dużych laboratoriów chemicznych – więc to rozwiązanie będzie przynajmniej dla części zastosowań wystarczające.

Czy zatem niebawem dostaniemy takie podręczne urządzenia analityczne za rozsądną cenę ? Nie stanie się to zapewne szybko, ale możliwe, że najpóźniej w następnym dziesięcioleciu zaczną się pojawiać nawet telefony z funkcjami, które przedstawiłem we wstępie dla osób mniej technicznych.

PS: Szczęśliwego nowego roku 2015 !

Reklamy

One thought on “Lab on a chip – laboratorium analityczne mieszczące się w dłoni

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s