Tvärsnitt av enheten med en droppe. Den vänstra sidan visar en ouppvärmd droppe med DNA FRET-konstruktionen i dubbelsträngad form. Den högra sidan visar en uppvärmd droppe där FRET-konstruktionen har denaturerats, vilket resulterar i en ökning av fluorescensen.
(Phys.org)—Miniatyriserade laboratorie-på-chip-system lovar snabba, känslig, och multiplexerad detektion av biologiska prover för medicinsk diagnostik, drog upptäckt, och screening med hög genomströmning. Genom att använda mikrotillverkningstekniker och införliva en unik design av transistorbaserad uppvärmning, forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign utvecklar ytterligare användningen av kiseltransistorer och elektronik till kemi och biologi för point-of-care diagnostik.
Lab-on-a-chip-teknologier är attraktiva eftersom de kräver färre reagenser, har lägre detektionsgränser, möjliggör parallella analyser, och kan ha ett mindre fotavtryck.
"Integration av olika laboratoriefunktioner på mikrochips har studerats intensivt under många år, " förklarade Rashid Bashir, en Abel Bliss professor i elektro- och datorteknik och i bioteknik vid Illinois. "Ytterligare framsteg av dessa teknologier kräver förmågan att integrera ytterligare element, såsom det miniatyriserade värmeelementet, och möjligheten att integrera värmeelement i ett massivt parallellt format som är kompatibelt med silikonteknologi.
"I det här arbetet, vi visade att vi kan värma nanolitervolymdroppar, individuellt och i en uppsättning, använder VLSI silikonbaserade enheter, upp till temperaturer som gör det intressant att göra olika biokemiska reaktioner inom dessa droppar."
"Vår metod placerar droppar på en rad individuella mikrovågsvärmare av kisel på chipet för att exakt kontrollera temperaturen på droppar i luften, tillåter oss att utföra biokemiska reaktioner, inklusive DNA-smältning och detektion av enkelbasfelmatchningar, sa Eric Salm, tidningens första författare, "Ultralokaliserade termiska reaktioner i subnanoliterdroppar-i-luft, " publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) den 12 februari.
Enligt Salm, metoder för att utföra lokal uppvärmning av dessa individuella subnanoliterdroppar kan möjliggöra nya tillämpningar som kräver parallella, tid-, och rymdmultiplexreaktioner på en enda integrerad krets. Inom miniatyriserade laboratorie-på-chips, statiska och dynamiska droppar av vätskor i olika oblandbara medier har använts som individuella kärl för att utföra biokemiska reaktioner och begränsa produkterna.
"Denna teknologi gör det möjligt att utföra cellysering och nukleinsyraamplifieringsreaktioner inom dessa individuella droppar - dropparna är reaktionskärlen eller kyvetterna som kan värmas individuellt, " tillade Salm.
"Vi visar också att ssDNA-sondmolekyler kan placeras på värmare i lösning, torkad, och sedan rehydreras av ssDNA-målmolekyler i droppar för hybridisering och detektion, sa Bashir, som är chef för Micro and Nanotechnology Laboratory i Illinois. "Denna plattform möjliggör många applikationer i droppar inklusive hybridisering av DNA-molekyler med lågt antal kopior, lysering av enstaka celler, utfrågning av ligand-receptor-interaktioner, och snabb temperaturcykling för amplifiering av DNA-molekyler.
"I synnerhet, " lade Bashir till, "vår miniatyrvärmare kan också fungera som dubbla värmare/sensorelement, eftersom dessa kisel-på-isolator nanotråd- eller nanorbandstrukturer har använts för att detektera DNA, proteiner, pH, och pyrofosfater.
Genom att använda mikrotillverkningstekniker och införliva den unika designen av transistorbaserad uppvärmning med individuella reaktionsvolymer, "Laboratory-on-a-chip"-teknologier kan skalas ner till "laboratory-on-a-transistor"-teknologier som sensor/värmare-hybrider som kan användas för diagnostik på vårdställen."
