(Phys.org) — Geminiaturiseerde laboratorium-op-chip-systemen beloven snelle, gevoelig, en multiplexdetectie van biologische monsters voor medische diagnostiek, ontdekking van medicijnen, en high-throughput screening. Met behulp van microfabricagetechnieken en met een uniek ontwerp van op transistors gebaseerde verwarming, onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign bevorderen het gebruik van siliciumtransistor en elektronica in de chemie en biologie voor point-of-care-diagnostiek.

Lab-on-a-chip-technologieën zijn aantrekkelijk omdat ze minder reagentia nodig hebben, lagere detectielimieten hebben, parallelle analyses mogelijk te maken, en kan een kleinere voetafdruk hebben.

"De integratie van verschillende laboratoriumfuncties op microchips is jarenlang intensief bestudeerd, " legde Rashid Bashir uit, een Abel Bliss hoogleraar elektrische en computertechniek en bio-engineering in Illinois. "Verdere vorderingen van deze technologieën vereisen de mogelijkheid om aanvullende elementen te integreren, zoals het geminiaturiseerde verwarmingselement, en de mogelijkheid om verwarmingselementen te integreren in een enorm parallel formaat dat compatibel is met siliciumtechnologie.

"In dit werk, we hebben aangetoond dat we volumedruppels van nanoliter kunnen verwarmen, afzonderlijk en in een reeks, met behulp van op VLSI op silicium gebaseerde apparaten, tot temperaturen die het interessant maken om verschillende biochemische reacties in deze druppeltjes uit te voeren."

"Onze methode plaatst druppeltjes op een reeks individuele siliciummicrogolfverwarmers op de chip om de temperatuur van druppeltjes in de lucht nauwkeurig te regelen, waardoor we biochemische reacties kunnen uitvoeren, inclusief DNA-smelten en detectie van mismatches van enkele basen, " zei Erik Salm, eerste auteur van het artikel, "Ultragelokaliseerde thermische reacties in subnanoliterdruppels in de lucht, " gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) op 12 februari.

Volgens Zalm, benaderingen om gelokaliseerde verwarming van deze individuele subnanoliterdruppels uit te voeren, kunnen nieuwe toepassingen mogelijk maken die parallelle, tijd-, en ruimtemultiplexreacties op een enkele geïntegreerde schakeling. Binnen geminiaturiseerde laboratorium-op-chips, statische en dynamische vloeistofdruppels in verschillende niet-mengbare media zijn gebruikt als individuele vaten om biochemische reacties uit te voeren en de producten te beperken.

"Deze technologie maakt het mogelijk om cellys- en nucleïnezuuramplificatiereacties uit te voeren binnen deze individuele druppeltjes - de druppeltjes zijn de reactievaten of cuvetten die afzonderlijk kunnen worden verwarmd, ' voegde Salm er aan toe.

"We demonstreren ook dat ssDNA-probemoleculen in oplossing op verwarmingstoestellen kunnen worden geplaatst, droog, en vervolgens gerehydrateerd door ssDNA-doelmoleculen in druppeltjes voor hybridisatie en detectie, " zei Bashir, die directeur is van het Micro and Nanotechnology Laboratory in Illinois. "Dit platform maakt veel toepassingen in druppeltjes mogelijk, waaronder hybridisatie van DNA-moleculen met een laag aantal kopieën, lysering van enkele cellen, ondervraging van ligand-receptor interacties, en snelle temperatuurcycli voor amplificatie van DNA-moleculen.

"Opmerkelijk, " voegde Bashir toe, "onze geminiaturiseerde verwarming zou ook kunnen functioneren als dubbele verwarmings-/sensorelementen, aangezien deze silicium-op-isolator nanodraad- of nanoribbon-structuren zijn gebruikt om DNA te detecteren, eiwitten, pH, en pyrofosfaten.

Door microfabricagetechnieken te gebruiken en het unieke ontwerp van op transistor gebaseerde verwarming op te nemen met individuele reactievolumes, 'laboratory-on-a-chip'-technologieën kunnen worden verkleind tot 'laboratory-on-a-transistor'-technologieën als sensor/verwarmer-hybriden die kunnen worden gebruikt voor point-of-care-diagnostiek."