Transcript BioMEMS for Diagnostics
BioMEMS for Diagnostics
Εισαγωγή MEMS: Oποιoδήποτε σύστημα περιλαμβάνει εξαρτήματα των οποίων οι διαστάσεις κυμαίνονται από 1μm εώς 100μm Εμβιομηχανική και βιοιατρική τεχνολογία ΜΕΜS: Διάγνωση Θεραπεία
Εισαγωγή • • • • Βασικά στοιχεία ΒιοMEMS Αισθητήρες (βιο-αισθητήρες) Επενεργητές (επεξεργασία microfluidics) Μετατροπείς (άμεσα συνδεδεμένους με τους βιοαισθητήρες ) Συστήματα επικοινωνίας με άλλες συσκευές (κυρίως για in-vitro BioMEMS
Αισθητήρες Βιουποδοχέας Μετατροπέας
Αισθητήρες Βιουποδοχείς • Αντισώματα (γρήγορη αντίδραση με αντιγόνα-ανίχνευση) • Ένζυμα (Καταλυτική δράση για ανίχνευση ουσιών) • Ακολουθίες DNA (για ανίχνευση DNA) • Μικροοργανισμοί (για έλεγχο τοξικότητας)
Ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες: Μετράνε είτε το ρεύμα (αμπερόμετρο) είτε την τάση (ποτενσιόμετρο) που παράγεται από ηλεκτροχημικές αντιδράσεις Αισθητήρες
Διαχωρισμός βιοαισθητήρων ανάλογα με τους μετατροπείς τους
Ακουστικοί Βιοαισθητήρες: Μέσω του υπολογισμού της συχνότητας ή των απωλειών διάδοσης ενός κυματος πάνω σε επιφάνεια ανιχνεύεται αλλαγή στη μάζα Οπτικοί βιοαισθητήρες: Ανιχνεύουν αλλαγές στην οπτική πυκνότητα (από χρωστικές και φθορίζουσες ουσίες ή αλλαγή ανακλαστικότητας εξαιτίας συγκέντρωσης αντιγόνου) που παράγεται από οπτική πηγή. Θερμιδομετρικοί Βιοαισθητήρες: Μετρούν τη θερμότητα μιας βιοχημικής αντίδρασης είτε διατηρόντας τη θερμοκρασία σταθερή είτε μετρώντας αλλαγή στη θερμοκρασία
Αισθητήρες • • • Μικροδοκοί Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες Έχουν τις ρίζες τουσ στη μικροσκοπία σάρωσης (SFM) Ταξινομούνται ανάλογα με την ιδιοτητα της μικροδοκού που χρησιμοποιούν
Αισθητήρες -Αισθητήρες με μικροδοκούς σε ταλάντωση • Πιεζοηλεκτρικά στρώματα δημιουργούν εξαναγκασμένες ταλαντώσεις • Αλλαγές στη μάζα που βρίσκεται πανω στις μικροδοκούς οδηγούν σε αλλαγές στα χαρακτηριστικά της ταλάντωσης
Αισθητήρες -Αισθητήρες με μικροδοκούς σε κάμψη Ειδική επίστρωση στις μικροδοκούς προσροφά συγκεκριμένα μόρια παραμορφώνοντας τες. Μετρωντας αυ΄τη την παραμόρφωση μπορούμε να ανιχνεύσουμε την παρουσία ορισμένων ουσιών.
Αισθητήρες Τεχνικές Μέτρησης σε Μικροδοκούς-ανάκλαση ακτίνων laser • • Κυρίως σε μικροδοκούς σε κάμψη • Δέσμη laser προσπίπτει επάνω σε ανακλαστική επιφάνεια της μικροδοκού Αλλαγή στη γωνία της μικροδοκού αλλάζει το σημείο πρόσπτωσης της ανακλώμενης ακτίνας • Το ίδιο μπορεί να γίνει σε πολλαπλές δοκούς με πολλαπλές ακτίνες και σύστημα διαίρεσης χρόνου στον αισθητήρα
Αισθητήρες Τεχνικές Μέτρησης σε Μικροδοκούς-κυματοδηγοί • Κυρίως σε μικροδοκούς σε ταλάντωση • Διέλευση φωτός μέσα από τη μικροδοκό-με την απώλεια ευθυγράμισης μειώνεται η φωτεινή ενέργεια • Κατάλληλος αισθητήρας μετράει ενέργεια που προσπίπτει σε αυτόν
Αισθητήρες Τεχνικές Μέτρησης σε Μικροδοκούς-Πιεζοαντιστάσεις • Υλικά που μεταβάλουν την εσωτερική τους αντίσταση ανάλογα με την επιφανειακή τάση που δέχονται • Είτε ως επίστρωση πάνω στη μικροδοκό είτε μέσα σε αυτήν • Υπολογίζεται τάση ΄των υλικών με γέφυρα Wheatstone
Επεξεργασία microfluidics Ανάλυση δειγμάτων Απαιτείται προεργασία microfluidics και επεξεργασία Απαραίτητες διεργασίες • Παράδοση δειγμάτων σε κατάλληλες ποσότητες και θέσεις • Θερμική επεξεργασία δειγμάτων • Μίξη αντιδραστηρίων • Φιλτράρισμα
Μικροαντλίες Επεξεργασία microfluidics • πιεζοηλεκτρική παραµόρφωση • µονάδες πεπιεσµένου αέρα • ηλεκτροστατικά επαγόµενα φορτία • ροές από ηλεκτρο-όσµωση
Μικροκανάλια Επεξεργασία microfluidics • Υψηλός λόγος επιφάνειας ως προς το µαζικό όγκο-αντιδραστήρια στα τοιχώµατα του καναλιούαντιδρούν πολύ αποτελεσµατικά • Ηλεκτροφορετικός διαχωρισµός στα τοιχώματα
Επεξεργασία microfluidics • Παράλληλες ροές χωρίς ανάμειξη- διαχωρισμός μακρομορίων –Η filter
Bio-chips • • Συνδυάζουν microfluidic ΜΕΜS και MEMs βιοαισθητήρων Χωρίζονται σε: -Genechips (πρωτεινικά Chips) • • -Lab on a chip (μΤΑS) Εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες “Δοκιμαστικοί σωλήνες”
Bio-chips Genechips • Πρόβολοι μονόκλωνων ακολουθιών νουκλεοτιδίων τοποθετούνται πάνω σε πλάκες (plate-based DNA arrays) ή gel (gel-based DNA arrays) • Οι πρόβολοι έχουν επιλεγεί με μέγιστη αλληλοεπικάλυψη για έλεγχο ενός γονιδιώματος αλλά και παραλλαγών του.
• διερεύνηση των σχήματωv της γονιδιακής έκφρασης (RNA)-ελέγχος ενεργού γονιδίου-αναγνώριση ανώμαλων κυτταρικών μηχανισμών • Ανανώριση ενεργής ακολουθίας με κατάλληλους αισθητήρες
Bio-chips Genechips
Bio-chips Lab on a chip • Μικρορευστομηχανικά κυκλώματα πραγματοποιούν οποιαδήποτεβιοχημική επεξεργασία • Ενεργούν σαν δοκιμαστικοί σωλήνες χωρίς τοιχώματα • Περιέχουν ειδικά μόρια ‘ανίχνευσης’- αισθητήρες
Εφαρμογές • • • • Mικροφασματόμετρο Πηγή φωτός διεγείρει τύπους ενώσεων Οι ενώσεις εκπέμπουν υπέρυθρο φώς Τα εκπεμπόμενα μήκη κυματος τροφοδοτούνται σε μικροτσίπ Αναγνωρίζονται οι ενώσεις από το φάσμα
Εφαρμογές
Ανίχνευση ιού
• Δείγμα αίματος τοποθετείται στο chip και αναμειγνύεται μαγνητικά σταγονίδια προ επιστρωμένα με κατάλληλο αντίσωμα που συνενώνεται με αντισώματα της συγκεκριμένης νόσου • Καθιζάνουν και πραγματοποιείται μαγνητική πλύση • Η ηλεκτρική αντίσταση της διάταξης αντιστοιχεί στον αριθμό των σταγονιδίων τα οποία είναι ακινητοποιημένα στους αισθητήρες χάρη στο δεσμό αντισώματος- αντιγόνου
Εφαρμογές Χαρακτηρισμός Κυττάρων Χωρίς Επισήμανση • • • • • Οι ηλεκτρικές και διηλεκτρικές ιδιότητες ενός δείγματος μπορούν να προσδιοριστούν με φασματοσκοπία αντίστασης-τα φυσιολογικά γεγονότα και οι μορφολογικές ιδιότητες των βιολογικών ιστών είναι προσδιορίσιμες από τη φαματοσκοπία ηλεκτρικής αντίστασης Τα παραπανω μπορουν να υλοποιηθούν με τριχοειδικό κύτταρο μέτρησης Διαθέτει χοανοειδής εισόδους στις οποίες τοποθετείται το δείγμα Κατάλληλα ηλεκτρόδια μετρούν την πτώση τάσης και πραγματοποιείται χαρακτηρισμος των κυττάρων διάμετρος του τριχοειδούς θα πρέπει να ταιριάζει με το βιολογικό δείγμα
Εφαρμογές Polymerase Chain Reaction • Προκειμένου να γίνει ανάλυση μιας νουκλεοτιδικής αλυσίδας πρέπει να γίνει διαχωρισμός των κλώνων DNA και ενίσχυση του με PCR • Με κατάλληλα μικρο-κανάλια και διαδοχικές θερμάνσεις και ψύξεις σε κατάλληλες θερμοκρασίες η διαδικασία αυτή μπορει να επιτευχθεί σε ένα τσιπ μικρορευστομηχανικής