Sistema nanolitro integrado - Integrated nanoliter system
O sistema nanolitro integrado é um dispositivo de medição, separação e mistura capaz de medir fluidos para o nanolitro , misturar diferentes fluidos para um produto específico e separar uma solução em soluções mais simples.
Todos os recursos do sistema nanolitro integrado são projetados especificamente para controlar um volume muito pequeno de líquido (referido como soluções microfluídicas ). A escalabilidade do sistema nanolitro integrado depende do tipo de método de processamento no qual o sistema é baseado (consulte como plataforma de tecnologia), com cada método de processamento tendo suas vantagens e desvantagens. Os possíveis usos para o sistema nanolitro integrado são no controle de fluidos biológicos (referir-se como biologia sintética ) e detectar com precisão as mudanças nas células para fins genéticos (como a análise de expressão gênica de uma única célula ), onde a escala menor influencia diretamente o resultado e a precisão.
Recursos
O sistema nanolitro integrado consiste em canais fluídicos microfabricados , aquecedores, sensores de temperatura e detectores de fluorescência . Os canais fluídicos microfabricados (basicamente tubos muito pequenos) atuam como as principais estruturas de transporte para quaisquer fluidos, bem como onde as reações ocorrem dentro do sistema. Para que as reações desejadas ocorram, a temperatura precisa ser ajustada. Portanto, os aquecedores são fixados a alguns canais fluídicos microfabricados . Para monitorar e manter a temperatura desejada, os sensores de temperatura são cruciais para reações bem-sucedidas e desejadas . Para rastrear com precisão os fluidos antes e depois de uma reação , detectores de fluorescência são usados para detectar os movimentos dos fluidos dentro do sistema. Por exemplo, quando um determinado fluido passa por certo ponto onde dispara ou excita emissão de luz, o detector de fluorescência é capaz de receber essa emissão e calcular o tempo que leva para chegar a esse determinado ponto.
Plataformas de tecnologia para escalabilidade
Existem três plataformas de tecnologia diferentes para a escalabilidade do sistema nanolitro integrado . Portanto, o principal método de processamento do sistema nanolitro integrado varia de acordo com o tipo de plataforma de tecnologia que está usando. As três plataformas de tecnologia para escalabilidade são manipulação eletrocinética, encapsulamento de vesículas e válvulas mecânicas.
Manipulação Eletrocinética
O principal método de processamento para controlar o fluido nesta plataforma de tecnologia é a eletroforese capilar , que é um fenômeno eletrocinético . A eletroforese capilar é um ótimo método para controlar fluidos porque as partículas carregadas do fluido estão sendo direcionadas pelo campo elétrico controlável dentro do sistema. No entanto, uma desvantagem da técnica é que o método de controle das partículas do fluido depende muito das cargas originais das partículas. Outra desvantagem é que os possíveis "vazamentos" de fluido dentro do sistema. Esses "vazamentos" ocorrem por difusão, que dependem do tamanho das partículas do fluido.
Encapsulamento de vesículas
O principal método de processamento para controlar o fluido sob esta plataforma de tecnologia é confinar os fluidos de interesse em moléculas transportadoras, que geralmente são gotículas de água, vesículas ou micelas . As moléculas transportadoras (com o fluido dentro delas) são controladas pelo direcionamento individual de cada molécula transportadora dentro dos canais fluídicos microfabricados . Esse método é ótimo para solucionar os possíveis "vazamentos" de fluido, uma vez que o confinamento do fluido em uma molécula carreadora não depende do tamanho das partículas do fluido. No entanto, essa técnica tem a desvantagem de quão complexa pode ser a solução ao usar o sistema.
Válvula Mecânica
O principal método de processamento para controlar o fluido sob esta plataforma de tecnologia é o uso de pequenas válvulas mecânicas . A válvula mecânica é semelhante a um sistema de encanamento complexo porque os canais fluídicos microfabricados atuam como os tubos de encanamento enquanto as várias válvulas controláveis direcionam o fluido. A válvula mecânica também é considerada a solução mais robusta para as desvantagens da manipulação eletrocinética e do encapsulamento das vesículas , uma vez que as válvulas mecânicas operam de forma totalmente independente das propriedades físicas e químicas do fluido. Como as propriedades físicas que compõem os canais fluídicos microfabricados e as válvulas mecânicas são difíceis de processar devido à escala extremamente pequena do sistema, esta técnica tem a desvantagem de criar um sistema integrado de nanolitros com válvulas mecânicas na escala de nanolitros .
Possíveis usos deste sistema
Biologia sintética
Uma possível utilização do sistema nanolitro integrado é na biologia sintética (controle de fluidos biológicos ). Uma vez que o sistema de nanolitro integrado é geralmente composto de muitas redes fluídicas microfabricadas controláveis , os sistemas de nanolitro integrados são um ambiente ideal para controlar fluidos biológicos . Um processo comum de biologia sintética que usa o sistema nanolitro integrado é o processamento de reações complexas entre os fluidos biológicos , o que geralmente envolve a separação de uma solução biológica em soluções de reagentes puras ou mais simples e, em seguida, a mistura das soluções individuais para o produto desejado . Uma vantagem de usar o sistema de nanolitro integrado em biologia sintética inclui o comprimento extremamente pequeno das redes microfluídicas que resultam em taxas de difusão rápidas. Outra vantagem são as taxas de mistura rápidas devido à combinação de difusão e advecção ( mistura caótica ). Em comparação com os sistemas microfluídicos anteriores , outra vantagem é a menor quantidade necessária de soluções de reagentes para uma única operação devido à escalabilidade microscópica do sistema nanolitro integrado . Quantidades menores necessárias de soluções de reagentes tendem a levar a mais operações que podem ser realizadas com menos atraso na coleta ou reprodução das quantidades necessárias de soluções de reagentes .
Análise de expressão gênica de célula única
Outro uso possível do sistema nanolitro integrado é na análise de expressão gênica de uma única célula . Um benefício de usar o sistema nanolitro integrado é sua capacidade de detectar as alterações de uma expressão gênica com mais precisão do que a técnica anterior de microarray . A escalabilidade microscópica do sistema nanolitro ( escala de nanolitro para picolitro ) permite que ele analise a expressão do gene no nível de uma única célula (cerca de 1 picolitro ), enquanto o microarray analisa as alterações da expressão do gene calculando a média de um grande grupo de células. Outro benefício conveniente e importante é a capacidade do sistema nanolitro integrado de ter todos os fluidos biológicos necessários no sistema antes da operação, armazenando cada fluido biológico em uma rede fluídica microfabricada específica . O sistema nanolitro integrado é conveniente porque os fluidos biológicos são todos controlados por um computador, em comparação com a forma como os sistemas anteriores exigiam um carregamento manual de cada fluido biológico . O sistema nanolitro integrado também é importante para a análise da expressão gênica porque a análise não seria indesejavelmente influenciada pela contaminação devido ao sistema "fechado" durante a operação.