Integrert nanolitersystem - Integrated nanoliter system
Det integrerte nanolitersystemet er en måle-, separerings- og blandingsenhet som er i stand til å måle væsker til nanoliteren , blande forskjellige væsker for et bestemt produkt og skille en løsning til enklere løsninger.
Alle funksjoner i det integrerte nanolitersystemet er spesielt designet for å kontrollere svært lite væske (referert til som mikrofluidiske løsninger). Det integrerte nanolitersystemets skalerbarhet avhenger av hvilken type behandlingsmetode systemet er basert på (referer som teknologiplattform) med hver behandlingsmetode sine fordeler og ulemper. Mulige bruksområder for det integrerte nanolitersystemet er å kontrollere biologiske væsker (referer til som syntetisk biologi ) og nøyaktig detektere endringer i celler for genetiske formål (for eksempel enkeltcellet genuttrykk analyse) der den mindre skalaen direkte påvirker resultatet og nøyaktigheten.
Funksjoner
Den integrerte nanoliter Systemet består av mikrofabrikert fluidic kanaler , ovner, temperatursensorer, og fluorescens detektorer. De mikrofabrikert fluidtekniske kanaler (i utgangspunktet meget små rør) fungere som hovedtransportstrukturer for eventuelle fluider, så vel som hvor reaksjoner som oppstår i systemet. For at de ønskede reaksjonene skal skje, må temperaturen justeres. Derfor er ovner festet til noen mikrofabrikert fluidtekniske kanaler . For å overvåke og opprettholde ønsket temperatur er temperatursensorer avgjørende for vellykkede og ønskede reaksjoner . For å spore væskene nøyaktig før og etter en reaksjon , brukes fluorescensdetektorer for å detektere bevegelsene til væskene i systemet. For eksempel, når et bestemt fluid passerer et bestemt punkt hvor det utløser eller excites emisjon av lys, fluorescens er detektoren i stand til å motta denne emisjon og beregne den tid det tar å nå den visst punkt.
Teknologiplattformer for skalerbarhet
Det er tre forskjellige teknologiplattformer for det integrerte nanolitersystemets skalerbarhet . Derfor varierer hovedbehandlingsmetoden for det integrerte nanolitersystemet fra typen teknologiplattform det bruker. De tre teknologiplattformene for skalerbarhet er elektrokinetisk manipulering, vesikkelinnkapsling og mekanisk ventilering.
Elektrokinetisk manipulasjon
Den viktigste behandlingen fremgangsmåte for styring av fluid under denne teknologien plattformen er den kapillære elektroforese , som er en elektrokinetisk fenomen. Kapillær elektroforese er en god metode for å styre fluider fordi de ladede partiklene i fluidet blir styrt av den styrbare elektriske felt i system. Imidlertid er en ulempe med teknikken at metoden for å kontrollere væskens partikler i stor grad avhenger av partiklenes opprinnelige ladninger. En annen ulempe er at den mulige væsken "lekker" i systemet. Disse "lekkasjene" oppstår gjennom diffusjon som er avhengig av størrelsen på væskens partikler.
Innkapsling av vesikler
Hovedbehandlingsmetoden for å kontrollere væsken under denne teknologiplattformen er å begrense væskene av interesse i bærermolekyler, som vanligvis er dråper av vann, vesikler eller miceller . De bærermolekyler (med fluidet i dem) blir styrt ved individuelt å styre hver bærermolekyler innenfor mikrofabrikert fluidic kanalene . Denne metoden er flott for å løse de mulige væskens "lekkasjer", siden inneslutning av væsken i et bærermolekyl ikke er avhengig av størrelsen på væskens partikler. Imidlertid har denne teknikken en ulempe med hvor kompleks løsningen kan være når du bruker systemet.
Mekanisk ventil
Hovedbehandlingsmetoden for å kontrollere væsken under denne teknologiplattformen er bruk av små mekaniske ventiler . Mekanisk ventil er lik et komplekst rørsystemet fordi mikrofabrikert fluidtekniske kanaler virke som VVS rør mens de forskjellige styrbare ventiler lede fluidet. Mekanisk ventil anses også å være den mest robuste løsningen på ulempene ved elektrokinetisk manipulering og vesikkapsling , siden de mekaniske ventilene fungerer helt uavhengig av væskens fysiske og kjemiske egenskaper. Siden de fysiske egenskaper som utgjør mikrofabrikert fluidtekniske kanaler og mekaniske ventiler er vanskelige å behandle på grunn av systemets ekstremt liten skala, har denne teknikken en ulempe med å lage en integrert nanoliter system med mekanisk ventiler til nanoliter målestokk.
Mulig bruk av dette systemet
Syntetisk biologi
En mulig bruk av det integrerte nanolitersystemet er innen syntetisk biologi (kontroll av biologiske væsker). Siden det integrerte nanoliter systemet i det vesentlige består av mange kontrollerbare mikrofabrikert fluidiske nettverk , integrerte nanoliter systemer er et ideelt miljø for styring av biologiske fluider. En vanlig prosess for syntetisk biologi som bruker det integrerte nanolitersystemet, er behandling av komplekse reaksjoner blant biologiske væsker, som vanligvis innebærer å skille en biologisk løsning til individuelle rene eller enklere reagensløsninger og deretter blande de individuelle løsningene for det ønskede produktet . En fordel ved å bruke det integrerte nanolitersystemet i syntetisk biologi inkluderer ekstremt liten lengde på mikrofluidiske nettverk som resulterer i raske diffusjonshastigheter . En annen fordel er de raske blandingshastighetene på grunn av kombinasjonen av diffusjon og adveksjon ( kaotisk blanding ). Sammenlignet med tidligere mikrofluidiske systemer er en annen fordel den mindre nødvendige mengden reagensløsninger for en enkelt operasjon på grunn av det integrerte nanolitersystemets mikroskopiske skalerbarhet . Mindre nødvendige mengder reagensløsninger har en tendens til å føre til flere operasjoner som kan utføres med mindre forsinkelse fra å samle eller reprodusere de nødvendige mengder reagensløsninger .
Encellet genuttrykk analyse
En annen mulig bruk av det integrerte nanolitersystemet er i encellede genuttrykkanalyser . En fordel med å bruke det integrerte nanolitersystemet er dets evne til å oppdage endringene i et genuttrykk mer nøyaktig enn den forrige teknikken for mikroarray . Nanolitersystemets mikroskopiske skalerbarhet ( nanoliter til picoliter skala) gjør det mulig å analysere genuttrykket på enkeltcellet nivå (rundt 1 picoliter ), mens mikroarrayet analyserer endringer i genuttrykket ved å gjennomsnitte en stor gruppe celler. Et annet praktisk og viktig fordel er den integrerte nanoliter systemets evne til å ha alle de nødvendige biologiske væsker i systemet før operasjonen ved å lagre hvert biologisk væske i en bestemt mikrofabrikert fluidisk nettverk . Det integrerte nanolitersystemet er praktisk fordi de biologiske væskene alle styres av en datamaskin i forhold til hvordan tidligere systemer krevde manuell lasting av hvert biologisk væske. Det integrerte nanolitersystemet er også viktig for genuttrykkanalysen fordi analysen ikke ville være uønsket påvirket av forurensning på grunn av det "lukkede" systemet mens den er i drift.