Лаборатория в кармане

▎Привет, Хабр!

 
Мир стремится к миниатюризации. Курс нашего технологического развития направлен на уменьшение габаритов и массы производимой техники и, следовательно, на удешевление производимых устройств. Попутно мы учимся объединять несколько функций в одном исполнении. Это логично и объяснимо. Буквально несколько десятилетий назад компьютеры были монструозными массивными вычислительными машинами размером с бабушкин сервант. Сейчас же есть девайсы в разы меньше настольного ПК, но с большим набором функций. 


Вычислительная машина ЭНИАК 1946 года и современный девайс

А фотоаппараты? Первые камеры-обскуры были достаточно громоздкими агрегатами, причем трудно переносимыми относительно сегодняшнего времени. И как сильно нужно было «похимичить», чтобы проявить фото. А сейчас достаточно нажать на кнопку (или просто тапнуть на экран) смартфона и получить фотографии не хуже, чем из фотостудии. 

▎Тренд науки и техники

 
Эргономичные и многофункциональные девайсы захватывают мир. Да и такой тренд на уменьшение свойственен не только для техники, но и для науки. Если ранее в микробиологии для идентификации болезнетворных микроорганизмов использовали множество окрасок и биохимических тестов (сколько реактивов уходило на одни только среды Гисса, специальные питательные индикаторы, меняющие свои цвета, позволяющие выявлять биохимические особенности и определять энтеробактерии), то сейчас, с накоплением знаний и миниатюризацией технологий, не составляет труда определить заболевание, а то и вид бактерий за несколько часов, а то и минут, воспользовавшись высокоточными методами ПЦР или ИФА. Более того, результаты ПЦР не нужно визуализировать методом электрофореза. Вполне себе существует риал-тайм-метод, позволяющий детектировать результаты реакции прямо в ходе её протекания. 

 
Среды Гисса. Изменение цвета указывает на продуцирование тех или иных метаболитов. 9-11. Жидкая среда Гисса: 9. Исходная среда; 10. Разложение углевода до кислоты; 11. Разложение углевода до кислоты и газа.
12-14. Полужидкая среда Гисса: 12. Исходная среда; 13. Разложение углевода до кислоты; 14. Разложение углевода до кислоты и газа


Визуализация результата ПЦР методом гель-электрофореза. Полученный результат подсвечивают через трансиллюминатор

А возможно ли миниатюризовать целую лабораторию до размера лабы для фиксиков? Как ни странно, такие решения уже существуют. Поговорим о них подробнее, ведь при всей своей футуристичности они продвинулись достаточно далеко и постоянно совершенствуются. Технология называется «лаборатория-на-чипе». 

▎Принцип работы карманной лаборатории

 
            
Чтобы понять, как организована работа в лаборатории на чипе, сперва следует вспомнить про то, как построена работа в обычной лаборатории. В целом, все операции в лаборатории сводятся к слиянию одних жидкостей с другими с последующей фиксацией результатов. Вспомните свои лабораторные по химии в школе, когда один раствор подмешивали к другому и получали результат. 

В классических лабораториях, в целом, история точно такая же, только требования к чистоте и пробоподготовке другие. Отсюда следует, что операции смешивания, транспортировки и т. п. можно перевести из макромира, где идут операции с миллилитрами, в микромир, где операции идут на микро- и наноуровне. 

Как же устроена такая лаборатория, если там производятся такие мелкие операции? Лаборатория-на-чипе изготавливается в виде пластины с множеством микроканалов, которые могут пересекаться между собой или идти параллельно, образовывать схемы или же причудливые узоры. Функционально эти  многочисленные канальцы напоминают сообщающиеся сосуды. В них происходит смешивание одних жидкостей с другими в точных пропорциях и точных объемах. В результате выполняется реакция так, как если бы она выполнялась в пробирке. Только вот нам не нужно столько реактивов и не нужен лаборант. Результаты работы можно фиксировать с помощью микроэлектродов или с применением фотометрии. По сути, точно так же, как делают в больших лабораториях. Такие чипы работают под действием микрогидродинамики, и манипуляции с ними известны под общим названием «технология микрофлюидных чипов», или просто «Микрофлюидика».

Отдельным же направлением развития лабораторий на чипе является цифровая микрофлюидика. В широком смысле цифровая микрофлюидика является частным случаем обычной микрофлюидики, где все также сводится к перемещению жидкости по микроканалам, однако, основная особенность цифровой флюидики заключается в методе переноса жидкости и определении траектории её движения.
Это электрическая актюация пико- и нанообъемных капель жидкости на гидрофобной поверхности с кучей электродов. Фактически, движение капель по «виртуальным» каналам за счет электрического воздействия на них. 

Внешний вид лаборатории-на-чипе:


А теперь напомню, лаба достигает максимум нескольких квадратных сантиметров в поперечнике. Стандартное лабораторное оборудование, необходимое для проведения подобных работ имеет размеры на несколько порядков больше, в то время, как лаборатория на чипе — менее спичечного коробка. Это ее неоспоримое преимущество и самый большой минус. 

С экономической точки  зрения – одни достоинства. Больше не нужны огромные количества реактивов, на синтез или доставку которых уходит уйма времени. Не нужно эксплуатировать научных сотрудников и студентов (хоть студенты и бесплатно это делают, но не все). А точность и скорость анализа при этом намного выше, чем при проведении анализа специалистами-биологами и химиками. Всё-таки человеческого фактора никто не отменял. Более того, с увеличением количества анализов на одном чипе уменьшается стоимость каждого отдельного анализа. 

А вот второе преимущество на деле ещё и огромный минус. Это быстрая диагностика и отклик. В микромире диффузия химических веществ, переключение потока и рассеивание тепла происходит в разы быстрее, чем в макромире. Можно изменять температуру за миллисекунды или смешивать вещества за такое же время. Это другая физика. Совсем не бытовая. То, что может работать у вас в лаборатории или дома, окажется совершенно неэффективным и малопригодным в каналах микролаборатории. Так, для чипов становятся существенными такие параметры как вязкость, поверхностное натяжение, число Рейнольдса и пр.
В случае цифровой микрофлюидики наиболее простая и понятная реализация перемещения жидкости достигается при помощи двумерной электродной сетки. В каждой ячейке сетки находится электрод. Напряжение, прилагаемое к активированному электроду на ячейке, создает электрическое поле, которое будет тянуть на себя соседние микрокапли посредством минимизации энергии. Ввиду того, что электроды в сетке активируются независимыми входами, ими просто управлять. Но нужно быть осторожным, ведь чем больше размер сетки, тем труднее будет разрабатывать входы и точки доступа.Особенность в том, что для каждого электрода в отдельной ячейке требуется нанесение индивидуальной электрической линии, причем она не должна пересекать другие линии и электроды. Соответственно, большая плотность электродов влечет трудности при разработке.

Но для решения таких проблем нашелся свой метод. Это сетки с перекрестными ссылками. Тут уже используется двухслойная структура, где напряжение подается на перпендикулярные линейные электроды верхнего ряда и нижнего столбца. Вся прелесть в том, что каждый линейный электрод действует одновременно как исполнительный и как собственная адресная линия. Таким образом сокращается количество электродов. Но нет плюсов, на которые не нашлись бы свои минусы. Если на сетке объявится несколько капель, которые будут находиться на одной строке или столбце, то активация столбца или строки приведет к передвижению всех капель. Это называется микродроповая интерференция. 

Микродроповое вмешательство. Если две капли находятся на одном столбце,  то, при подаче напряжения, будут перемещаться обе капли:

                    

Но такая задача легко алгоритмизируется и реализуется при помощи программирования. Первые айтишники, задействованные в разработке чипа, предложили маршрутизатор microdrop. Алгоритм, основанный на линейном программировании, позволил разделить передвижение по кликам. Т. е. по программе, где отображается электродная сеть и есть возможность тапать на желаемое местоположение капли. Но это только алгоритмическое решение микродропа и усложнение схемы передвижений капель. 

                                     

Сейчас же разработчики предлагают мультиплексор, использующий нелинейную зависимость между движением капли и приложенным к ней напряжением.  Контролируемое перемещение капель достигается путем удвоения дифференциального напряжения, между перекрывающимися электродами, имеющими противоположные полярности. Система построена таким образом, что только удвоенное напряжение преодолевает пороговое напряжение, необходимое для перемещения. Таким образом, можно передвинуть только одну или пару капель на большой матрице.

Подача напряжения меньше порогового по столбцам:
                
Подача напряжения по строке. Удвоение дифференциального напряжения между перекрывающимися электродами:

    

▎Дробление капель

 
Над каплями и производятся все манипуляции. Капли могут сливаться и дробиться. И если по слиянию у читателя вопросы вряд ли возникнут, то насчет дробления и дозирования капель могут и появиться. Дело в том, что движение капель в чипе основано на явлении электросмачиваемости (изменение смачиваемости под действием электрического поля). Угол смачиваемости необходимо контролировать. Это можно делать с помощью только низкоуровневых языков программирования или интегрируя высокоуровневый и низкоуровневый код. Причем буквально смена угла на один градус может привести к разделению капель на другие объемы. И при работе в обычной лаборатории такой объем спокойно бы приняли за погрешность, которой можно пренебречь, а в чипе ошибка может быть фатальной. 

А вот в классической микрофлюидике капли можно разделять за счет создания Y-образных каналов, которые просто позволяют не только поделить капли, но и направить их «по адресу»:

    
    Слияние и дробление капель на чипе 

▎Изготовление чипа

 
Сейчас чипы, действующие по принципу классической микрофлюидики, могут быть изготовлены в лаборатории при наличии в оной чистого помещения. И стоит отметить, что цифровая микрофлюидика как раз тут не особо подойдет. Все потом, что «цифру» еще как следует не изучили и не оптимизировали, это направление пока только развивается. А обычная микрофлюидика уже доступна и понятна, а посему ниже будет следовать описание создания чипа как раз под классику. 

Для создания каналов используют технологии травления стекла или кремния плавиковой кислотой. Для создания каналов используется технология фотолитографии. Стекло или кремниевые пластины используются такие же, что и для производства интегральных схем, но вот только по каким-то причинам отбракованные. Их легко можно найти на китайских интернет-площадках и подходят они уже для решения иных прикладных задач. У них идеально гладкая поверхность, что позволяет наносить на поверхность рисунки любой формы, точно также как и при изготовлении микросхем. Рисунок наносится на пластину с использованием фоторезистивной краски. Краской смазывают подложку и облучают ультрафиолетом (подойдет даже лампа для маникюра). 

В местах, задетых ультрафиолетом, краску можно будет снять и добраться до кремния. После чего все смазывают плавиковой кислотой и она выжигает все, кроме мест, покрытых фоторезистивной краской. Причем, на скорость прожигания напрямую влияет концентрация плавиковой кислоты. Так можно контролировать глубину прожигания. После всех манипуляций краску можно удалить и получить слой кремния с рисунком. 


    Изготовление формочки для лаборатории-на-чипе

Потом на основе кремния делают формочку и заливают ее полидиметилсилоксаном (ПДМС), а затем добавляют отвердитель. Почти как работа с эпоксидной смолой. Только вот ПДМС намного устойчивее. После того, как ПДМС застынет, его можно отделить от формочки и получится пласт с рисунком, полученным на первоначальной пластине. Сверху ПДМС накрывают стеклом и получают герметичный блок, внутри которого расположены каналы. Та самая лаборатория-на-чипе. Finally. В стекле проделывают отверстия, которые будут служить входами и выходами. В них можно пропускать трубки, а также  дозировать и отбирать жидкости. Важно, чтобы лаборатория не превратилась в герметичный сосуд,, а иначе как все контролировать? Замкнутая система попросту превратит лабораторию в одноразку. 

            
    Изготовление лаборатории-на-чипе из шаблона

▎Перспективы развития микрофлюидики. 

 
Мне кажется, «будущее» лаборатории-на-чипе заключается в переходе на цифровую флюидику, как на более простой и управляемый метод. Да и не нужно будет мучиться над созданием множества канальцев или заказывать их на аутсорсе. Если преодолеть сложности разработки, с которыми сейчас сопряжена цифровая микрофлюидика, чипы станут значительно дешевле. Далее дело за малым — сделать удобный маршрутизатор. 
Читатели, вероятно, слышали про «интернет вещей», или IoT. А исследователи из компании «КвантуМДэкс» из Ньюкасл-апон-Тайн в Англии планируют создание «интернета жизни», который объединит сведения, получаемые в лабораториях-на-чипе по всему миру, причем учетом геолокации чипа. Только вообразите, какой массив данных можно будет получить. Это позволит эпидемиологам оперировать невероятно подробными данными о распространении болезней в режиме реального времени. Так можно мониторить малярию, помогать прогнозировать вспышки Эболы, определять новые резистентные штаммы. Есть надежда, что новые технологии помогут предотвратить эпидемии.

Автор: Анастасия Новосадская

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS