Laboratoř na čipu: Porovnání verzí

Laboratoř na čipu (LOC) je zařízení, které integruje jednu nebo několik laboratorních funkcí na jediném integrovaném obvodu (běžně nazývaném "čip"„čip“) o velikosti pouhých milimetrů až několika centimetrů čtverečních, aby se dosáhlo automatizace a vysoce výkonného screeningu.<ref>{{cite journal |author1=Volpatti, L. R. |author2=Yetisen, A. K. | title = Commercialization of microfluidic devices | journal = Trends in Biotechnology | volume = 32 | issue = 7 | pages = 347–350 |date=Jul 2014 | doi = 10.1016/j.tibtech.2014.04.010 |pmid=24954000 }}</ref> LOC mohou zpracovávat extrémně malé objemy tekutin až do objemu méně než [[piko ]]litrů. Zařízení typu "laboratoř„laboratoř na čipu"čipu“ jsoupatří podmnožinoumezi zařízení typu "mikroelektromechanické systémy" ([[MEMS]]) a někdy se jim říká "mikrosystémy„mikrosystémy celkové analýzy"analýzy“ (µTAS). Zařízení LOC mohou využívat mikrofluidikumikrokapalinovou fyziku, tedy fyziku, manipulaci a studium nepatrných množství tekutin. Přísně vzato však "laboratoř„laboratoř na čipu"čipu“ označuje obecně škálováníminiaturizaci jednotlivýchjednoho nebo vícenásobnýchvíce laboratorních procesů až do formátu čipu, zatímco "µTAS" se věnuje integraci celkové posloupnosti laboratorních procesů k provedení chemické analýzy. Termín "laboratoř„laboratoř na čipu"čipu“ byl zaveden, když se ukázalo, že technologie µTAS jsou použitelné nejen pro účely analýzy.

Po vynálezu [[mikrotechnologie]] (~kolem roku 1954) pro realizaci integrovaných polovodičových[[polovodič]]ových struktur pro mikroelektronické čipy se tyto technologie založené na [[litografie|litografii]] brzy uplatnily také při výrobě tlakových[[senzor|snímačů]] senzorůtlaku (1966). Díky dalšímu rozvoji těchto procesů, které byly obvykle omezeny na kompatibilitu s [[CMOS]], se zpřístupnilvznikl soubor nástrojů pro vytváření mechanických struktur mikrometrových nebo submikrometrových rozměrů takéi v křemíkových destičkách: začala éra mikroelektromechanických systémů (MEMS).

Vedle snímačů tlaku, snímačů airbagů[[airbag]]ů a dalších mechanicky pohyblivých struktur byla vyvinuta zařízení pro manipulaci s kapalinami. Příkladem jsou: kanály (kapilární spoje), směšovače, ventily, čerpadla a dávkovací zařízení. Prvním systémem pro analýzu LOC byl plynový [[chromatograf]], který v roce 1979 vyvinul S. C. Terry na [[Stanfordova univerzita|Stanfordově univerzitě]].<ref>{{Cite journal |author=James B. Angell |author2=Stephen C. Terry |author3=Phillip W. Barth |date=April 1983 |title=Silicon Micromechanical Devices |journal=[[Scientific American]] |volume=248 |issue=4 |pages=44–55 |doi=10.1038/scientificamerican0483-44|bibcode=1983SciAm.248d..44A }}</ref><ref>{{cite journal | author = Terry J.H.Jerman | year = 1979 | title = A Gas Chromatographic Air Analyzer Fabricated on a Silicon Wafer | journal = IEEE Trans. Electron Devices | volume = 26 | issue = 12| pages = 1880–1886 | doi = 10.1109/T-ED.1979.19791 | bibcode = 1979ITED...26.1880T | s2cid = 21971431 }}</ref> Teprve na přelomu 80. a 90. let 20. století se však výzkum LOC začal vážně rozvíjet, když několik výzkumných skupin v Evropě vyvinulo mikropumpy, průtokové senzory a koncepty integrovaných úprav kapalin pro analytické systémy.<ref>A.Manz, N.Graber and H.M.Widmer: Miniaturized total Chemical Analysis systems: A Novel Concept for Chemical Sensing, Sensors and Actuators, B 1 (1990) 244–248.</ref> Tyto koncepty µTAS ukázaly, že integrace kroků předúpravy, které se obvykle provádějí v laboratorním měřítku, může rozšířit funkčnost jednoduchého senzoru směrem ke kompletní laboratorní analýze, včetně dalších kroků čištění a separace.

Velký nárůst výzkumného a komerčního zájmu nastal v polovině 90. let, kdy se ukázalo, že technologie µTAS poskytují zajímavé nástroje pro [[genomika|genomické]] aplikace, jako je [[kapilární elektroforéza]] a [[DNA čip|DNA mikročipy]]. Velký nárůst podpory výzkumu přišel také od armády Spojených států, zejména od agentury DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency ([[DARPA]]), která se zajímala o přenosné systémy detekce [[biologická zbraň|biologických/]] nebo [[chemická zbraň|chemických bojových látek]]. Přidaná hodnota se neomezovala pouze na integraci laboratorních procesů pro analýzu, ale také na charakteristické možnosti jednotlivých komponent a aplikaci na jiné, neanalytické laboratorní procesy. Proto byl zaveden termín "laboratoř„laboratoř na čipu"čipu“.

Ačkoli je použití LOC stále nové a skromné, je pozorován rostoucí zájem firem a skupin aplikovaného výzkumu v různých oblastech, jako je analýza (např. chemická analýza, monitorování životního prostředí, lékařská diagnostika a buněčná fyzika), ale také v syntetické chemii (např. rychlý screening a mikroreaktory pro farmacii). Kromě dalšího vývoje aplikací se očekává, že se výzkum v oblasti systémů LOC rozšíří také směrem ke zmenšování struktur pro manipulaci s kapalinami pomocí nanotechnologií. Submikrometrové a nanorozměrné kanály, DNA labyrinty, detekce a analýza jednotlivých buněk<ref>{{cite journal | author = Chokkalingam Venkat | author2 = Tel Jurjen | author3 = Wimmers Florian | author4 = Liu Xin | author5 = Semenov Sergey | author6 = Thiele Julian | author7 = Figdor Carl G. | author8 = Huck Wilhelm T.S. | year = 2013| title = Probing cellular heterogeneity in cytokine-secreting immune cells using droplet-based microfluidics | journal = Lab on a Chip | volume = 13 | issue = 24| pages = 4740–4744 | doi = 10.1039/C3LC50945A | pmid = 24185478 }}</ref> a nanosenzory by se mohly stát proveditelnými a umožnit nové způsoby interakce s biologickými druhy a velkými molekulami. Bylo napsáno mnoho knih, které se zabývají různými aspekty těchto zařízení, včetně transportu tekutin<ref name=Kirby>{{cite book | author=Kirby, B.J. | title=Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices| url=http://www.kirbyresearch.com/textbook| year=2010| publisher=Cambridge University Press| isbn=978-0-521-11903-0}}</ref><ref name=Bruus>{{cite book | author=Bruus, H. | title=Theoretical Microfluidics | year= 2007}}</ref><ref name=Karniadakis>{{cite book | author=Karniadakis, G.M. | author2=Beskok, A. | author3=Aluru, N. | title=Microflows and Nanoflows | year=2005 | publisher =[[Springer Verlag]] }}</ref>, vlastností systémů<ref name=Tabeling>{{cite book | author=Tabeling, P. | title=Introduction to Microfluidic}}</ref>, technik snímání<ref name=":0">{{Cite journal|title = Sensing methods for dielectrophoresis phenomenon: from bulky instruments to lab-on-a-chip|journal = IEEE Circuits and Systems Magazine|date = 2004-01-01|issn = 1531-636X|pages = 5–15|volume = 4|issue = 3|doi = 10.1109/MCAS.2004.1337805|first1 = Y.|last1 = Ghallab|first2 = W.|last2 = Badawy|s2cid = 6178424}}</ref> a bioanalytických aplikací<ref name=Berthier>{{cite book |author1=Berthier, J. |author2=Silberzan, P. | title=Microfluidics for Biotechnology}}</ref><ref name=Gomez>{{cite book | author=Gomez, Frank A. | title=Biological Applications of Microfluidics |isbn=978-0470074831}}</ref>.

Zařízení „laboratoř na čipu“ by mohla být použita k charakterizaci vedení [[pylová láčka|pylových láček]] u [[Huseníček rolní|huseníčku rolního]]. Konkrétně je rostlina na čipu miniaturní zařízení, ve kterém by bylo možné inkubovat pylové pletivo a [[zárodečný vak]] pro botanické studie.<ref>{{cite journal |author1=AK Yetisen, A.K. |author2=L Jiang, L. |author3=Cooper, J. R Cooper. |author4=Y Qin, Y. |author5=R Palanivelu, R. |author6=Y Zohar, Y. |title=A microsystem-based assay for studying pollen tube guidance in plant reproduction. |journal= J. Micromech. Microeng. |volume=25 |issue= 5|pages= 054018|date=May 2011 |doi= 10.1088/0960-1317/21/5/054018|bibcode=2011JMiMi..21e4018Y }}</ref>