Table of Contents

מבוא: הקונפורמציה של Microfluidics וטכנולוגיית חיישן

האבולוציה המהירה של טכנולוגיית החיישן כבר חשובה בקידום אבחון, ניטור סביבתי, ובקרת תהליכים תעשייתיים.כפי שהביקוש לחיישנים מהירים יותר, מדויקים יותר, ומכשירים זעירים גדל, אחד המאפשר טכנולוגיה עלתה להסתברות: מיקרו-קלידיים.

במרכזו, מיקרו-השפעהידיקים מאפשרים מה שנקרא "מעבד-און-א-צ'יפ" טכנולוגיה.על ידי הקטנת זרימת עבודה במעבדה כולה על שבב, המערכות הללו מקטיןות את נפח הדגימות, להפחית את זמני התגובה ולשפר את גבולות הגילוי.כאשר בשילוב עם חיישנים, מיקרו-השפעה מטפל בשני מדדי הביצועים הקריטיים ביותר: FLT:5: כמה מהר החיישן מגיב לשינוי מדויק של 3F2 טיפול רפואי, כאשר הוא שינוי מדויק של חומרים מדויקים או ליתר דיוק, כאשר הוא מספק מדדי-F2 טיפול פסיכולוגי, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כאשר הוא משתנה באופן מדויק של כל אמצעי זהירות, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, בין אם הוא מספק שני מדדייקים, בין אם הוא מספק טיפול פסיכולוגי, בין אם הוא מספק שני מדדי-D2, בין אם הוא מספק טיפול פסיכולוגי:

יסודות מיקרופלודיקים וההתעמקות שלהם ל Sensing

חוקי עריכת דין והתנהגות פלונית

הבנת מדוע מיקרו-fluidics כל כך יעיל עבור חישה מתחיל עם הפיזיקה של זרימה בקנה מידה קטן. במיקרו-ערוצים, המספר ריינולדס הוא בדרך כלל נמוך מאוד (לעתים פחות מ -100), כלומר זרימה היא FLT:0 (laminar) ולא turbulentuaFLT:1 בעוד זרם laminar מבטל תערובת כאוטי, זה גם מאפשר שליטה מדויקת של מינרלים נוזליים וקטים, יש צורך חיישנים חד-פעמיים אחרים.

משטח-to-Volume Ratio

מכשירים מיקרו-השפעהיים יש יחס גבוה מאוד פני השטח לנפח.תכונה זו מועילה לחיישנים הנשען על תגובות פני השטח (כגון ביוסנסורים אלקטרוכימיים או אופטיים) שטח משטח גדול יותר ביחס לנפח הנוזלי פירושו כי שיעור גדול יותר של מולקולות זיהוי אנאליות יכול אינטראקציה עם אלמנט החישה בזמן נתון, המוביל לאות חזק יותר לנפח ולשוויון מהיר יותר, יתר על פני השטח גבוה יותר עבור יחסי זיהוי מרובים, אשר מאפשר נפח מנפח קטן, ללא נפח מנפחים.

מכניזם של אילו מיקרו-fluidics משפר את זמן התגובה של החיישנים

שילוב מהיר באמצעות מיקרו-מבנה מהנדס

מכיוון שזרימת laminar אינה מספקת תנופה, מערכות מיקרו-השפעה לעתים קרובות משלבות מיקרו-מיקסרים פסיביים – כגון מבני ה-Herringbone, ערוצי נחשין, או עיצובים מפוצלים-ו-recombine – כדי לגרום להדבקה כאוטית. מבנים אלה וזרמים נוזליים מתוחים, להפחית את נתיב המיזוג של מדדי ה-micro-mcgicericeric Remixing באופן מהיר יותר מאשר את ה-atraericlyericingeric Remixing a Seconds.

מרחק Diffusion Distance

בחיישנים מאקרו בקנה מידה קונבנציונלי, אנאליטים חייבים לנסוע ס"מ או מ"מ כדי להגיע לאזור גילוי פעיל.בחיישנים מכוונת מיקרו-השפעה, החיישן ממוקם לעתים קרובות ישירות בתוך המיקרוסקופ, עם ה-Virtte נאלץ לנסוע מרחקים על סדר של עשרות מיקרומטרים קריטיים. כי זמן דיפוזיה הוא פרופורציונלי למרחק, הפחתת תגובה זו מזמנים ל-Dolacty, לדוגמה, עבור מערכות בקרה אינטראקטיביות, באמצעות מדבקה עם לחץ דם קריטיות, עם , עם דחוסות בין מחזוריטיסות, בין התחממות אלקטרו-שניות, בין התחממות אינטראקטיביות, עם למערכות בקרה אינטראקטיביות.

שליטה על רמת הדגמה ורמת זרימת

(החומרים) מאפשרים את הניתוק המדויק של כרכים קטנים מאוד – כלפי מטה ל-picoliters – שימוש בטכניקות כגון משאבה אלקטרוקית, משאבות סינינגה, או זרימה פסיבית של קפיילרים (הדיוק הזה מצמצם את הצטברות של 3) שיכול להשפיע על יחסי החיישן-החליפה (pto-Fsignation) ו-Raterte (pto-Fsign) כדי להבטיח כי ®etation) נשטפתים מחדש את רמת ה-Fsignal ReLT2 (pto) של ריצוף (pto) ו-Fsigni) באופן קבוע (plusation) של LT2 (pluserto-Fsignal ReLT)

מכניזם של אילו מיקרו-fluidics משפר את יעילות החיישנים

מיני דוגמאות לזיהום ו- Cross-Talk

ערוצים מיקרו-השפעה סגורים מאוד להפחית את הסיכון של זיהום אוויר או evaporation כי יכול למגיפה samss-well Assays. עבור חיישנים לזהות רמות של פיטורים (למשל, ביומרקרים בדם או מתכות כבדות במים), אפילו זיהום קטן יכול לייצר תוצאות חיוביות או מקודדות.

הגדלת אות Transduction ו-Des רקע

היחס הגבוה לנפח ולמיקרו-סביבה מבוקרת מאפשר אי-יציבות טובה יותר של אלמנטים מזהים (אנטיbodies, אנזימים, בדיקות DNA) על פני השטח של החיישן.כאשר אלמנטים אלה ארוזים במיקרו-ערוצים, המחייב של מולקולות היעד מייצר אות חזק יותר לאזור יחידה.

שילוב של קליברציה וערוצי היגיינה

עיצוב מיקרו-השפעהי כולל לעתים קרובות ערוצי התייחסות משולבים או תכונות של קיטור מובנה.לדוגמה, שבב יחיד יכול להכיל ערוצי מקבילים מרובים: אחד עבור הדגימה, אחד עבור תקן ידוע, ואחד עבור ריק. על ידי השוואת התגובה של החיישן על פני הערוצים האלה, סחף ואפקטי מריצה ניתן לתקן באופן אוטומטי.זה על קיטוב שבב - במקום להסתמך על התייחסות חיצונית - חיישנים יציבים במיוחד (דפס) שבו ניתן לתקן את רמת הלחות טמפרטורה).

סוגי חיישן מרכזיים אשר נהנים משילוב מיקרו-השפעהי

חיישן אלקטרו-כימי

חיישנים אלקטרוכימיים – כגון חיישני גלוקוז אמפרומטריים, אלקטרודות אלקטרודות אלקטרוליטיות עוצמתיות ותנומטריות כבדות מתכת - משמשים רבות בשל העלות הנמוכה שלהם ורגישות גבוהה.מיקרוקלואידים משפרים את הביצועים שלהם על ידי מתן משטר תחבורה המוני מוגדר היטב.במיקרו-ערוצים שולטים על דיפוזה, ומאפשרים ל- ⁇ להגיע אל פני השטח האלקטרודנציה המבוקרת בדרגה הנטורית של אלקטרו-אלקטרומגנטית (D) אשר מאפשרת ירידה מהירה יותר, ו-אלקטרומגנטית (DFSDDERFD) גבוהה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, מ-FDVicerd) מ-FLTDERCDC, מ-Ficericericericericerd) ל-FDValated מחדש, מאפשר העברה מהירה יותר, כלומר, מ-FDNS.

חיישן אופטי (Absorbance, Fluorescence, SPR)

התחדשות פני השטח (SPR) וחיישנים המבוססים על פלואורנטיה מסתמכים על אינטראקציות גל evanescent ליד משטח חיישן.microfluidic ערוצים אשר בדיוק מתאימים עם אורך הדרך האופטית משפרים את הכדאיות.בחיישנים קולטים, ערוצים מיקרו-השפעהיים עם אורך מיקרו-שפעת מוגדר (לעיתים קרובות מושג על ידי שילוב סיבים אופטיים או שימוש בשגיאות גיאומטריות גל) שונים מנפחים של חיישנים, כדי להפחית את ה-לקטיביים מרובים, כגון:

ביוסנסורים ו- Immunosensors

ביוסנסורים המשתמשים נוגדנים, אמפטימרס, או בדיקות DNA כאלמנטים הכרה דורשים שילוב מדויק וצעדי כביסה כדי להשיג ספציפי גבוה. פלטפורמות מיקרופלודיות לאוטומט את השלבים האלה עם התערבות אנושית מינימלית, צמצום יכולת הווריד המושרה של המפעילה.מרחקים הקצרים מאיצים קינטיקה מחייבת, ומאפשרים כי בדרך כלל לוקח שעות מיקרוטר כדי להשלים בתוך דקות ספורות, יתר על פני השטח המהיר יותר כדי לשפר את יעילות ה-מחדש של חיישן.

יישומים באבחון רפואי

Point-of-Care (POC) בדיקה

(אולי ההשפעה הגלויה ביותר של שילוב חיישן מיקרו-השפעה היא באבחון בשלב של טיפול: מכשירים כגון Abbott i-STAT, רוש קובס ליט, ומבחנים מהירים המבוססים על שבבים עבור מחלות מדבקות מסתמכים על מיקרו-קלידיקים כדי לעבד דגימות דם או סיבולת עם שלבים מינימליים של CRVid (לעיתים קרובות 10-100 מיקרו-ליטר) הוא יתרון עבור אוכלוסיות פגיעות כמו ניאון או תגובה מהירה של 15 שעות לאחר מכן.

חיישן מעקב שוטף וקבוע

(המפקחים על בריאות עונדת, כגון צגים רגולאליים רצופים (CGMs) עבור ניהול סוכרת, הוחלפו על ידי מיקרו-השפעהידיקים (CGMs האחרון, כמו Dexcom G7 ו- Abbott Freestyle Libre 3, השתמשו במיקרו-fluidicmicrofluidic ניטור עבור דגימות מיקרו-Fidic נוזליות באופן קבוע (DLC) של מחקר מיקרו-רפואי מספק את הנוזלים ל-רפואיים קצרים וקצרים (DVal Revast) באופן קבוע:

גילוי מחלות מהיר

חיישנים מיקרו-השפעה הפכו לכלים הקדמיים לגילוי פתוגנים וסימנים ביולוגיים שלהם.לדוגמה, מערכת Cepheid GeneXpert משלבת הכנת הדגימה, numcleic חומצה amplification, וגילוי בעגלת מיקרו-פלודימאלית. על ידי צמצום זמן מדגימה כדי לענות על כ 45 דקות (בהשוואה לשעות או ימים לתרבות), היא מאפשרת זמן של טיפול מיקרו-דלקת ריאות (Credicolicolres) כי הוא מצמצם את הזיהומים אחרים של דלקתיים (מקור)

יישומים ב- Environmental Monitoring

גילוי בזמן אמת של זיהום מים

חיישנים סביבתיים מתמודדים עם אתגרים של ריכוזים אנאליים נמוכים, תנאים קשים, וצריכים לטווח ארוך ללא השגחה.microfluidic חיישניים מיקרו-השפעה לטפל בהם על ידי דרישה של כמויות קטנות מאוד של דגימות מדגם - חשוב הן לאתרים מרוחקים והן דגימות ערכיות גבוהות של 3.לדוגמה, חיישני מיקרו-כימיקליים מיקרו-רגישים יכולים לזהות רמות של מוביל, קדמיום, וכספית במים עם זיהוי לחלקים קצרים של ניתוח טכני (F) מאפשר בדיקות אלקטרו-אווירה-אווירה-F2 דקות (DV) לבדיקות אלקטרו-F) מוקדם של בדיקות אלקטרו-אווירהטווח זמן (קיצור של בדיקות אלקטרו-DV).

חיישן גז וחשמל

בעוד מיקרו-fluidics מטפל באופן מסורתי נוזלים, הסתגלות לחישה גז הם מתעוררים.ערוצי מיקרופלודי יכול לרכז חלקיקים באוויר על ידי מיקוד לא רצוי או thermophoresis, ולאחר מכן לספק אותם אלמנט רגיש (למשל, מיקרו-מאזן גבישי quartz או סרט chemirsive). זה preconcentation מגביר את התגובה הן זמן והן רגישות חנקנית.

פרספקטיבה עתידית: מגמות מתפתחות ואתגרים בלתי פתורים

שילוב עם בינה מלאכותית ולמידה של מכונות

הסביבה העשירה של מערכות חיישן מיקרו-השפעה היא התאמה טבעית ללמידה מכונה (ML) אלגוריתמי ML ניתן לאמן לזהות דפוסים בסיגנלים, לתקן עבור סחף, לסווג אריות, ואפילו לחזות כישלונות.לדוגמה, אלגוריתמים מיקרו-השפעה אלקטרודות אלקטרודות אלקטרודות אלקטרודות אלקטרודות אלקטרודות אלקטרודות בעלות ML יכולים לפצות על שילוב של סטיות בזמן אמת, שיפור דיוק ללא שינוי פיזי.

פלטפורמות מרובות וגבוהות באמצעות מחשבים

חיישני מיקרו-השפעה עתידיים יכילו יותר ויותר מאות ערוצי מקבילה, כל אחד עם אלמנט חיישן שונה או כימיה זיהוי בו זמנית של עשרות סמנים ביולוגיים, פתוגנים, או חומרים סביבתיים מדגימה אחת.אתגר המפתח הוא ניהול ההפצה הנוזלית ורכישת נתונים ללא מורכבות מוגברת או עלות.התקדמות בדפוס תלת מימד ומיקרו-אפבריבית תאפשר יותר מורכבות של ערוצים גיאומטריים, בעוד ששילוב יכול לקרוא חיישנים אופטיים רבים בחיישנים אופטיים.

חומרים חידושים: חיישנים גמישים וגלוגרדנטיים

(לרחיב את השימוש ביישומים לבישים ובפריטים חד-פעמיים, החוקרים מפתחים חיישנים מיקרו-השפעהיים על תת-שכבות גמישות (למשל, PDMS, hydrogels, נייר) וחומרים ביו-דידידיים המבוססים על נייר 3DIcs מבטיחים במיוחד עבור הגדרות קוד נמוך כי זה זול, קל למרקם, ואינו דורש משאבות חיצוניות - פעולות מונעות את זרימתם אלה.

אתגרים לאימוץ נרחב

למרות ההצלחות, כמה מכשולים נשארים. שיבושים ביולוגיים (החומרה) של מיקרו-ערוצים ומשטחי חיישן יכולים להפיג ביצועים על פני שימוש מורחב. Solutions כוללים ציפויים נגד מיפוי, פרוטוקולי ניקוי תקופתיים, ושינויים עם פולימרים זכיפיים.בנוסף, יציבות קליברציה וסובלנות ייצור צריכים שיפור כדי להבטיח כי חיישנים עולים בקנה אחד עם עלות של חומרים מיקרו-קליים - למרות שורדים, מעכבים רחבים של דיוקים, מעכבים, מעכבים של סוללות, מעכבים סטנדרטיים סטנדרטיים של סוללות.

מסקנה: סינרגיה טרנספורמטיבית

מיקרודיקליקים שינו באופן יסודי את הנוף של טכנולוגיית חיישן.על ידי ניצול התופעות הפיזיות הייחודיות בקנה מידה מיקרומטר, מכשירים מיקרו-השפעהיים מעצימים חיישנים כדי להשיג זמני תגובה מהירים יותר ודיוק גדול יותר מאשר המאקרו-scales שלהם.המנגנונים - תערובת רפיד, מרחקי גילוי קצרים, טיפול בדגמי מדויק, והפחתה של זיהום רפואי - הם מועילים באופן אוניברסלי, בין אם החיישן הוא אלקטרוכימי, אופטי, או ביולוגי, או ביולוגי, כבר, אשר מאפשר ניטור רפואי אמיתי, אשר מספק, אשר מספק, אשר מספק, אשר מספק, חי אבחון, אבחון, אבחון, אשר כבר, אבחון, אשר מספק, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אבחון, אשר מסייע, אשר מסייע, אבחון, הוא כבר, אבחון, אשר מסייע, אבחון, אשר מסייע, אבחון, טיפול פסיכולוגי, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר כבר, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, טיפול פסיכולוגי, אשר מסייע, אשר כבר, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע, אשר מסייע

ככל שהחומרים המדעיים, ניתוח הנתונים ושיטות ההיווצרות ממשיכים להתקדם, הדור הבא של חיישנים מיקרו-השפעהיים מבטיח להיות אפילו יותר משולבים, אינטליגנטיים, נגישים.האתגר עכשיו הוא לתרגם אבטיפוס מעבדה למכשירים חזקים, בעלי יכולת ייצור המונים שניתן לפרוס בהגדרות קליניות, סביבות מרוחקות ואפילו מוצרים צרכניים יומיומיים.