Að byggja upp örhitara í tilraunastofu á flís þýðir venjulega að setja og mynstra þunnt lag af málmi, ferli sem krefst hreinsherbergja og eitruðra efna. Laser getur hins vegar rakið grafenhitunarrás beint á lak af venjulegu pólýímíðplasti á nokkrum sekúndum og búið til gagnsæja, leiðandi leið sem hitar bara hvarfhólfið. Þessi nýja tækni -laser-induced graphene (LIG)- er að umbreyta því hvernig staðbundin, mynsturhæf upphitun er samþætt í örflæðis- og greiningarflögur, með verulegum afleiðingum fyrir færanleg lækningatæki. Thelaserframkallað grafen gagnsæ hitara rannsóknarstofu á flísaðferðin kemur í stað hefðbundinna málmhitara fyrir kolefnisbundinn, ljóstæran og lífsamhæfðan valkost.
Hvernig leysirframkallað grafín er búið til
Ferlið er ótrúlega einfalt. CO₂ leysirskera í sölu (venjulega 10,6 µm bylgjulengd) er forrituð til að skanna yfir yfirborð pólýímíðfilmu, en algengasta tegundin er Kapton®. Lasergeislinn skilar miklum orkuþéttleika á fókus stað, hækkar hitastig pólýímíðsins staðbundið í yfir 400 gráður. Þessi ákafi, staðbundna hitaljósmyndandi breytir plastinu í gljúpt net nokkurra laga grafenflaga. Kolefnisatómin í fjölliðakeðjunum eru grafítgerðar hratt en frumefni sem ekki eru kolefni (vetni, súrefni, köfnunarefni) þróast sem lofttegundir. Eftir stendur þrívídd, froðulík uppbygging samtengdra grafenblaða.
Mynstur leysisporsins skilgreinir lögun hitara. Laserpenni teiknar hitara í grafeni: með því að færa geislann undir tölvustýringu er hægt að skrifa hvaða handahófskennda leiðandi rúmfræði sem er. Beinar línur, serpentínumynstur og samfléttuð rafskaut eru öll möguleg. Óumbreytt pólýímíð er áfram gegnsætt og sveigjanlegt, en grafen sem leysir framkallað birtist sem dökkgrá eða svört ummerki. Hins vegar, vegna þess að grafenlagið er mjög þunnt (venjulega tugir míkrómetra) og gljúpt, er það næstum ósýnilegt þegar það er skoðað undir sendu ljósi, sem gerir gagnsæja virkni rannsóknarstofu á flís kleift að varðveita.
Gegnsæ upphitun: Lykilkrafa fyrir Lab-on-a-Chip
Í dæmigerðu rannsóknarstofu-á-flísartæki flytja örvökvarásir lífsýni (td blóð, frumusviflausnir eða hvarfefni) í gegnum lítið gler eða fjölliða flís. Margar prófanir, eins og pólýmerasa keðjuverkun (PCR), krefjast nákvæmrar hitastýringar á tilteknum stöðum. Hitari verður að vera nálægt hvarfhólfinu, en samt ætti hann ekki að hindra sjónrænan aðgang fyrir smásjár eða flúrljómunarskynjara. Málmhitarar (td gull, platínu eða indíum tinoxíð) eru annað hvort ógagnsæ eða aðeins að hluta til gegnsær í sýnilegu litrófinu. Þeir krefjast einnig flókinna sputtering, steinþrykk og ætingarskref.
Laser-framkallað grafen býður upp á aðlaðandi valkost:
Mikið gagnsæi– Grafennetið er nógu gljúpt og þunnt til að það gleypir ekki verulega sýnilegt ljós. Þegar það er samþætt í pólýímíð undirlag með gagnsæjum örvökvarásum, helst allt tækið í gegn, sem gerir smásjá eða snjallsímamyndavél kleift að taka myndir af björtu sviðum eða flúrljómun beint í gegnum hitarann.
Mynstur- Engar grímur, ljósþolar eða framkallarar eru nauðsynlegar. Hitamynstrið er teiknað stafrænt og framleitt á mínútum.
Lágmarkskostnaður– Venjulegur CO₂ leysirgrafari (kostar nokkur þúsund dollara) kemur í stað margra hundruð þúsund dollara hreinherbergisaðstöðu. Þetta gerir frumgerð lýðræðis og gerir hraða endurtekningu kleift.
Rafmagns og hitauppstreymi
Grafen sem leysir framkallað er framleitt við ákjósanlegar aðstæður (td 3,5–5 W leysirafl við hóflegan skannahraða) hefur blaðviðnám sem er venjulega minna en 100 ohm á fermetra. Fyrir dæmigerða snefilbreidd hitara frá 500 µm til 1 mm er viðnámið sem myndast nógu lágt til að mynda umtalsverða Joule-hitun með spennu 5–12 V-samhæft við rafhlöðuknúin færanleg tæki.
Þegar lítill spenna er settur yfir grafenbrautina flæðir straumur og viðnámshitun á sér stað. Gljúpa grafenfroðan flytur hita á skilvirkan hátt til aðliggjandi pólýímíð undirlags og til hvers kyns örvökvarásar eða hvarfhólfs sem er í snertingu við það. Hægt er að ná hitastigi upp í 100–200 gráður á nokkrum sekúndum, með frábærri staðbundinni staðsetningu vegna þess að leysiskilgreint mynstur takmarkar hitun við rakið svæði.
Hitastýring með lokuðu lykkju er náð með því að samþætta örlítinn viðnámshitaskynjara (RTD) sem er framleiddur með sama grafenferli sem framkallað er af laser. Annað, fínni grafenspor er teiknað við hliðina á hitaranum og viðnám hans er fylgst með. Með einföldu PID-stýringaralgrími (útfært í örstýringu) er hægt að stilla hitaraúttakið til að viðhalda markhitastigi innan ±0,5 gráður -nægilegt fyrir mörg líffræðileg og efnahvörf, þar á meðal PCR hitauppstreymi.
Lífsamrýmanleiki og ávinningur af samþættingu
Kolefni, í formi grafen, er í eðli sínu lífsamhæft. Ólíkt sumum málmhitara sem geta skolað eitruðum jónum inn í lífsýni, losar grafen af völdum leysir ekki frumudrepandi aukaafurðir. Nokkrar rannsóknir hafa sýnt fram á lífvænleika frumna og eðlilega PCR mögnun beint á LIG-hituðum flögum. Þetta gerir tæknina hentuga fyrir greiningartæki sem eru ætluð til notkunar með sýni úr mönnum.
Ennfremur útilokar allt-í-einn undirlagsaðferðin jöfnunarskref. Sama lak af pólýímíði getur þjónað sem:
Byggingarstuðningur fyrir örvökvarásir (td með því að lagskipa annað leysiskorið lag).
Hitari undirlagið.
Skynjarundirlagið (fyrir RTD eða jafnvel rafefnafræðileg rafskaut, einnig framleitt af LIG).
Gegnsætt hlíf fyrir sjónræna skoðun.
Færanleg PCR vél byggð á þessari meginreglu getur haft hvarfhólf, hitara og hitaskynjara allt samþætt í einn fjölliða flís sem er ekki stærri en frímerki. Kubburinn er settur í einfaldan rafhlöðuknúinn lesanda og viðbragðið er fylgst með í gegnum gagnsæja hitara með því að nota ódýran LED og ljósnema.
Hraða þróun greiningartækja
Einfaldleiki og hraði grafenframleiðslu sem leysir framkallar flýtir fyrir rannsóknum og þróun á örvökvagreiningartækjum. Vísindamenn sem ekki hafa aðgang að hreinu herbergi geta nú frumgerð af sérhönnuðum gagnsæjum hitara á einum síðdegi. Hæfni til að prófa mismunandi rúmfræði hitara hratt (td serpentín fyrir jafna þekju eða litla hringlaga púða fyrir punkthitun) gerir kleift að fínstilla einsleitni hitastigs og orkunotkun.
Dæmi um sýndar LIG-hitaranotkun í tækjabúnaði á tilraunastofu eru:
Ör-PCR hólf– 10‑µL hvarfrúmmál er hitað í gegnum þrjár hitalotur (denaturering, anneal, extend) fyrir erfðafræðilega DNA mögnun.
Einfrumu hitaörvun– Gagnsær hitari sem er settur undir örvökvagildru gerir nákvæma hitauppstreymi einstakra frumna á meðan myndataka er í gegnum hitarann.
Stýrð efnahvörf– Staðbundin upphitun flýtir fyrir viðbrögðum í tilteknum rásum án þess að hafa áhrif á nærliggjandi svæði.
Afbólun á örvökvakerfum– Hægt er að nota gagnsæjan LIG hitara til að mynda hita á staðnum til að reka út loftbólur sem myndast í örrásum.
Takmarkanir og núverandi rannsóknir
Þó að tæknin sé mjög efnileg, er enn eftir að takast á við nokkrar áskoranir fyrir víðtæka upptöku:
Langtíma stöðugleiki- Gljúpa grafenbyggingin getur oxast hægt við hærra hitastig (yfir 150 gráður) í lofti. Innhjúpun með þunnu parýleni eða SiO₂ lagi bætir stöðugleika.
Breytileiki lak viðnám- Gæði LIG fer eftir pólýimíð gerð, leysirafli og skönnunarhraða. Minniháttar breytingar geta breytt hitaþolnum um 10–20%, sem krefst kvörðunar eða endurgjafarstýringar.
Vélrænn sveigjanleiki– Fyrir forrit sem krefjast sveigjanlegs hitara (td greiningarplástra sem hægt er að nota), virkar LIG á pólýímíði vel, en endurtekin beygja getur sprungið grafennetið. Rannsóknir á grafeni af völdum leysir á öðrum fjölliða hvarfefnum (td PEEK, PET) eru í gangi.
Skala upp– Mest hefur verið unnið á rannsóknarkvarða (hitaflötur 1–10 cm²). Fyrir fjöldaframleiðslu er verið að þróa rúllu-til-rúllu leysirvinnslu, en skýrar viðskiptaleiðir eru enn að koma fram.
Framtíðarhorfur
Laser-framkallað grafen er truflandi, glæsilega einföld tækni sem gæti sett háþróaðan, gagnsæjan örhitara inn í hvern greiningarflís, byggður ekki í steypu, heldur með skrifborðsleysi. Eftir því sem CO₂ leysikerfi verða enn hagkvæmari og færanlegri mun aðgangshindrun fyrir smíði örhitara halda áfram að minnka. Nú þegar er verið að kanna samþættingu við snjallsímabyggð útlestrarkerfi, sem leiðir til raunverulegra greiningarvettvanga fyrir smitsjúkdóma, erfðapróf og umhverfisvöktun.
Thelaserframkallað grafen gagnsæ hitara rannsóknarstofu á flíshugmyndafræði breytir hönnunarferlinu: hitarinn er ekki lengur sérstakt, ógegnsætt lag sem krefst ytri jöfnunar; það er ritað beint inn í undirlagið, gagnsætt og fullkomlega skráð með örvökva. Hitastýring verður eins einföld og að draga línu.
Niðurstaða
Framtíð lækningatækja er rituð af ljósi. Laser-framkallað grafen gerir CO₂ leysi kleift að umbreyta algengri pólýímíð filmu í munstraðan, gagnsæjan og lífsamhæfðan örhitara á nokkrum sekúndum. Með blaðviðnám undir 100 Ω/□ og hitastýringu sem hægt er að ná með samþættum LIG RTD, býður þessi tækni upp á ódýran, hraðvirkan frumgerð vettvang fyrir rannsóknarstofu-á-flís tæki, sérstaklega flytjanlegar PCR vélar og frumuörvunarpróf. Þó að stöðugleiki og sveigjanleiki séu enn áskoranir, táknar meginreglan-leysir sem teiknar hitara í grafeni-einni aðgengilegustu og glæsilegustu framfarir í örhitunartækni. Fyrir rannsakendur og tækjaframleiðendur er hæfileikinn til að búa til gagnsæjan, sérsniðinn hitara á skrifborðs leysigrafara öflugt tæki sem færir háþróaða hitastýringu út úr hreinherberginu og í hendur frumkvöðla.
