Table of Contents
مقدمه: آلودگی Microfluidics و Sensor Technology
تکامل سریع تکنولوژی سنسور در پیشرفت تشخیص، نظارت زیست محیطی و کنترل فرآیند صنعتی، محوری بوده است، زیرا تقاضا برای دستگاه های سریع تر، دقیق تر و مینیاتوریزه شده سنجش رشد می کند، یک تکنولوژی فعال به اهمیت می رسد: میکرویدیکس ها به طور چشمگیری تجزیه و تحلیل سیستم های وعده داده شده است که پردازش یا دستکاری (FLT:0 مقدار کم مایعات [به طور معمول با استفاده از روش های پردازش میکرو لیتر، به طور دقیق پردازش های پردازش های میکرو، به طور دقیق، تجزیه و تحلیل می پردازند.
در هسته آن، میکروسیک ها آنچه را که به طور هماهنگ به آن تکنولوژی "کاربر روی تراشه" می گویند را قادر می سازد، با کوچک کردن کل گردش کار آزمایشگاهی بر روی یک تراشه، این سیستم ها حجم نمونه را کاهش می دهند، زمان واکنش را کاهش می دهند و محدودیت های تشخیص را بهبود می دهند، چه زمانی با سنسورهای تشخیص دقیق، میکروسی دیپلتیک دو معیار عملکرد حیاتی را به اشتراک می گذارد: [FLT: [چگونه سریع به سرعت به سرعت به دستگاه های تشخیص آسیب دیده می دهد؟] یک نقطه هشدار دهنده خطر تجزیه و یا بهبود می دهد.
اصول میکروفلیتیک و ارتباط آنها با سن
مقیاس قوانین و رفتار مایع
درک اینکه چرا میکروفلیک ها برای سنجش با فیزیک جریان در مقیاس های کوچک بسیار موثر هستند، تعداد فالک ها به طور معمول بسیار کم است (اغلب کمتر از 100)، به این معنی است که جریان (FLT:0laminar به جای مخلوط کردن میکرو، در حالی که جریان لامینر مخلوط کردن آشفته را از بین می برد، همچنین اجازه می دهد تا سرعت کنترل مایع را کاهش دهد، و برش های دستی را کاهش دهد؛ به طوری که به سرعت تجزیه و برش های دستی دیگر برش می دهد.
نسبت سطح به حجم
دستگاه های Microfluidic دارای نسبت سطح بسیار بالایی به حجم هستند، این ویژگی برای سنسورهایی که بر واکنش های سطح تکیه می کنند (مانند الکتروشیمیایی یا سنسور های زیستی نوری) یک منطقه سطح بزرگتر نسبت به حجم مایع، به این معنی است که یک نسبت بیشتر از مولکول های مقعد می تواند با عنصر سنجش در یک زمان معین ارتباط برقرار کند، که منجر به سیگنال قوی تر در هر واحد و حجم سریع تر می شود، علاوه امکان تشخیص چند وجه فشرده سازی را فراهم می کند.
مکانیزم هایی که Microfluidics زمان پاسخگویی سنسور را بهبود می بخشد
ترکیب سریع از طریق ساختارهای خرد مهندسی شده
از آنجا که جریان لامینار باعث آشفتگی نمی شود، سیستم های میکروفلوئیدیک اغلب شامل میکرو مخلوط های منفعل هستند - مانند ساختارهای استخوان، کانال های مارین یا طرح های تقسیم و تقسیم شده - برای ایجاد یک واکنش هماهنگ کننده مایع سریع تر، این ساختارها کشش و جریان های مایع، مخلوط کردن مسیر انتشار به مقیاس زیر میکرو متر برای سنسور که نیاز به یک واکنش شیمیایی دارد (به طور مستقیم نشان می دهد که می تواند یک سیگنال اتصال سریع تر باشد.
کاهش فاصله های Diffusion
در سنسورهای مقیاس ماکرو معمولی، مقعد یا میلی متر برای رسیدن به منطقه تشخیص فعال باید سفر کند.در سنسورهای میکروفلوئیدیک-integrated، سنسور اغلب به طور مستقیم در داخل میکروکانال قرار دارد، با مقعد مجبور به سفر مسافت ها در جهت ده ها میکرومتر است، زیرا زمان انتشار متناسب با فاصله مربع است، این پاسخ کاهش می تواند به عنوان مثال کاهش سرعت در کنترل جریان واقعی، و کاهش سرعت سیستم های کنترل جریان، به روز رسانی های جریان، و کاهش سرعت در سیستم های کنترل جریان است.
کنترل دقیق حجم نمونه و سرعت جریان
Microfluidics اجازه می دهد تا برای تجزیه دقیق حجم بسیار کوچک (به تصویر کشیدن) - استفاده از تکنیک هایی مانند پمپاژ الکتروکینتیک، پمپ سرنگ یا جریان نازک منفعل، این دقت به حداقل رساندن تغییرات در اندازه نمونه که می تواند کالیبراسیون سنسور را تحت تاثیر قرار دهد، علاوه بر این میزان جریان کنترل شده اطمینان حاصل می کند که مقعد تازه به طور مداوم به سنسور تحویل داده می شود، جلوگیری از تجمع یا (هیچ یک تغییر اندازه دقیق نمی تواند سرعت پردازش جریان پردازش را بهبود بخشد:
مکانیزم هایی که Microfluidics بهبود می یابد
مینیاتور نمونه قاره و Cross-Talk
کانال های میکروفلوئیدیک به شدت خطر آلودگی هوا یا تبخیر را کاهش می دهند که می تواند به طور قطع به طور قطع به عنوان مثال، برای سنسورهایی که سطوح ردیابی مقعدی را تشخیص می دهند (به عنوان مثال، نشانگرهای زیستی در خون یا فلزات سنگین در آب)، حتی آلودگی جزئی می تواند نتایج کاذب یا ضعیف را تولید کند.
افزایش سیگنال انتقال و کاهش نویز پس زمینه
نسبت سطح بالا به حجم و محیط کنترل شده میکرو، امکان تحرک بهتر عناصر تشخیص (antibodies، آنزیم ها، پروب های DNA) در سطوح سنسور را فراهم می کند، هنگامی که این عناصر در یک میکروکانال قرار دارند، اتصال مولکول های هدف سیگنال قوی تری را در هر منطقه واحد تولید می کند.در عین حال، صدای پس زمینه از اتصال غیر خاص می تواند با استفاده از دقت کمپلوئید کاهش یابد (F) که به طور مستقیم باعث کاهش سیگنال های محدود می شود.
ادغام کانال های کالیبراسیون و مرجع
طراحی میکروسیاسی اغلب شامل کانال های مرجع یکپارچه یا ویژگی های کالیبراسیون داخلی است.برای مثال، یک تراشه می تواند حاوی کانال های موازی متعدد باشد: یکی برای نمونه، یکی برای یک استاندارد شناخته شده، و یکی برای مقایسه پاسخ سنسور در این کانال ها، حرکت و اثرات ماتریس می تواند به طور خودکار اصلاح شود. - به جای تکیه بر اندازه گیری های مرجع خارجی - در اندازه گیری های دقت زیست محیطی (به خصوص در شرایط زیست محیطی)
انواع سنسور کلیدی که از ادغام Microfluidic بهره مند می شوند
سنسور الکتروشیمیایی
سنسورهای الکتروشیمیایی - مانند سنسورهای گلوکز ایزومتریک، الکترود های انتخابی قوی (انتخاب کننده) و آشکارسازهای فلزی سنگین ولتمومتر - به طور گسترده ای به دلیل هزینه پایین و حساسیت بالا آنها استفاده می شوند. علاوه بر این میکروفلدی عملکرد خود را با ارائه یک رژیم حمل و نقل توده ای به خوبی تعریف شده بهبود می بخشد.
سنسور های نوری (Absorbance، Fluorescence، SPR)
سنسور های مبتنی بر فلوئوم (SPR) و fluorescence (تحریم های موجی بر روی امواج evanescent در نزدیکی سطح سنسور تکیه می کنند. کانال های میکروفلوئیدیک که دقیقاً با طول مسیر نوری هماهنگ می شوند، همچنین قابلیت بارگیری چندگانه را به عنوان سنسور های انتقال دهنده، کانال های میکروسی با طول مسیر تعریف شده (اغلب با ادغام فیبرهای نوری یا استفاده از زمین لرزه های موجی) کاهش می دهد.
سنسور های زیستی و سنسور های ایمنی
سنسور های زیستی که از آنتی بادی ها، مناسبرها یا پروب های DNA به عنوان عناصر تشخیص استفاده می کنند، نیاز به مراحل دقیق و شستشو برای دستیابی به ویژگی های بالا دارند. سیستم عامل های میکروفلوئیدیک این مراحل را با حداقل دخالت انسان، کاهش تنوع حرکتی اپراتور، سرعت اتصال کوتاه، اجازه می دهد تا به عنوان مثال که به طور معمول ساعت ها در یک میکروست برای کاهش سرعت تشخیص دقیق در سرعت، کاهش سرعت تشخیص تراشه، در سرعت تشخیص، افزایش می یابد.
برنامه های کاربردی در پزشکی تشخیصی
تست Point-of-Care (POC)
شاید قابل مشاهده ترین تاثیر ادغام سنسور میکروفلوئیدیک در تشخیص نقطه-LT-care باشد، دستگاه هایی مانند ابوت i-STAT، روچ Cobas Liat و تست های سریع مبتنی بر تراشه برای بیماری های عفونی به سرعت در خواندن میکروارگانیسم ها برای پردازش نمونه های خون یا بزاق با حداقل مراحل کاربر سازگار است.
سنسور های نظارت مستمر و پایدار
مانیتورهای بهداشتی قابل تحمل، مانند مانیتورهای گلوکز مداوم (CGMs) برای مدیریت دیابت[۳]، توسط میکروفلدیک ها انقلابی شده اند، آخرین CGMs، مانند Dexcom G7 و ابوت Freestyle Libre ۳، استفاده از میکروLT های درمانی برای نمونه گیری مایع بدون درد.
تشخیص سریع بیماری های عفونی
سنسورهای Microfluidic به ابزارهای خط مقدم برای شناسایی پاتوژن ها و نشانگرهای زیستی خود تبدیل شده اند.برای مثال، سیستم Cepheid GeneXpert ادغام شده است، تقویت اسید هسته ای و تشخیص در یک کارتریج میکروفلوئیدیک (به حداقل رساندن زمان از نمونه برای پاسخ به 45 دقیقه (در مقایسه با ساعت ها یا روزهای فرهنگ)، درمان اسید PCR را قادر می سازد (به موقع) ، این روش های اتصال مثبت را افزایش می دهد.
برنامه های کاربردی در نظارت بر محیط زیست
تشخیص زمان واقعی آلودگی آب
سنسورهای زیست محیطی با چالش های غلظت کم مقعد، شرایط سخت و نیاز به عملیات طولانی مدت بدون محدودیت (LT2) مقابله با سنسورهای میکروفلوئیدیک این را با نیاز به حجم نمونه بسیار کوچک - مهم برای هر دو سایت منبع محدود از راه دور و نمونه های با ارزش بالا تجزیه و تحلیل آب (به عنوان مثال، سنسورهای الکتروشیمیایی میکروسی می تواند سطوح سرب، کادم، و جیوه را در تجزیه و تحلیل آب (F) برای بخش های هشدار دهنده های کوچک (F) تشخیص زمان دقیق برای هر میلیاردی).
سنسور هوائی و گاز
در حالی که میکروسیک ها به طور سنتی مایعات را کنترل می کنند، سازگاری برای سنجش گاز در حال ظهور است. کانال های میکروسیفلیک می توانند ذرات هوا را با تمرکز بی سابقه یا تروففرازیس متمرکز کنند، سپس آنها را به یک عنصر سنجش (به عنوان مثال، یک تعادل بلور کوارتز یا یک فیلم پیش از آلودگی) انتقال دهند.این گام پیش از آلودگی هر دو زمان پاسخ و حساسیت برای سنسورهای ذخیره سازی گاز سمی (مانند ترکیبات گاز مایع کنترل دقیق تر)
چشم انداز آینده: روند نوظهور و چالش های حل نشده
ادغام با هوش مصنوعی و یادگیری ماشین
محیط غنی از داده های سیستم های سنسور میکروفلوئیدیک یک ویژگی طبیعی برای یادگیری ماشین (ML) الگوریتم ML می تواند آموزش دیده برای تشخیص الگوهای در سیگنال های سنسور، درست برای حرکت، طبقه بندی مقعد و حتی پیش بینی شکست ها به عنوان مثال، میکروسیاسی یون های انتخابی همراه با ML می تواند برای مداخله یون ها در زمان واقعی، بهبود دقت بدون تغییر فیزیکی، به عنوان یک نمونه قابل دسترسی تر، به احتمال زیاد یک تغییر میکروکسی، جبران کند.
پلتفرم های چندگانه و با ولتاژ بالا
سنسورهای میکروسیاسی آینده به طور فزاینده ای صدها کانال موازی را شامل می شوند، هر کدام با یک عنصر سنسور مختلف یا شیمی تشخیص می شوند.این اجازه می دهد تا تشخیص همزمان ده ها از نشانگرهای زیستی، پاتوژن ها یا آلودگی های زیست محیطی از یک نمونه واحد را به طور همزمان انجام دهد، چالش کلیدی مدیریت توزیع مایع و کسب اطلاعات بدون افزایش پیچیدگی یا هزینه.
نوآوری های مواد: سنسورهای انعطاف پذیر و Bological
برای گسترش استفاده در برنامه های پوشیدنی و قابل استفاده، محققان در حال توسعه سنسورهای میکروفلوئیدیک (به عنوان مثال، PDMS، ⁇ s، کاغذ) و مواد تجزیه و تحلیل شده مبتنی بر کاغذ (به ویژه امیدوار کننده برای تنظیمات منبع کم است زیرا ارزان است، آسان برای پارچه، و نیاز به پمپ های خارجی - سنسور جریان جریان مبتنی بر کاغذ (F) است که به طور کامل قابل استفاده از مواد شیمیایی است:
چالش های اتخاذ گسترده
علی رغم موفقیت ها، چندین موانع باقی مانده است.ک.ک.ک.بی.وخ) کانال های میکرو و سطوح سنسور می توانند عملکرد را در طول استفاده گسترده کاهش دهند. Solutions شامل پوشش های ضدخش، پروتکل های تمیز کردن دوره ای و اصلاح سطح با کاهش ضخامت پلیمر های قابل اطمینان، علاوه بر این، ثبات کالیبراسیون و تحمل تولید نیاز به بهبود دارد تا اطمینان حاصل شود که سنسورهای ثابت در سراسر دستگاه های مختلف ورودی - مانع از کاهش دقت گسترده ای از قابلیت اطمینان از مصرف مواد مخدر می شوند.
نتیجه گیری: یک Synergy
میکروفلیک اساساً چشم انداز تکنولوژی سنسور را تغییر داده است، با بهره برداری از پدیده های فیزیکی منحصر به فرد در مقیاس های میکرومتر، دستگاه های میکروفلوئیدیک سنسورهای را قادر می سازد تا به زمان پاسخ سریع تر و دقت بیشتری نسبت به پیشینیان ماکرو مقیاسی خود دست یابند - مخلوط کردن سریع، فاصله های انتشار کوتاه، کنترل دقیق نمونه، و آلودگی های زیست محیطی که در حال حاضر آن را بهبود می بخشد.
به عنوان علم مواد، تجزیه و تحلیل داده ها و روش های ساخت و ساز همچنان پیشرفت می کنند، نسل بعدی از سنسورهای میکروسیوئیدیک وعده می دهد که حتی یکپارچه تر، هوشمند و قابل دسترس تر باشد.چالش اکنون این است که نمونه های آزمایشگاهی را به دستگاه های قوی و قابل بازیافت تبدیل تبدیل تبدیل کنید که می توانند در تنظیمات بالینی، محیط های دور و حتی محصولات مصرفی روزمره مستقر شوند.