Wissenschaftler liefern tragbare chemische Gesamtanalysen ohne Pumpen und Schläuche

Forscher der Tokyo Metropolitan University haben ein neues Mikro-Gesamtanalysesystem entwickelt, das eine Zielchemikalie in einem Mikrofluidik-Chip ohne Pumpen, Schläuche und teure Detektoren quantifiziert. Die Verbindung reagiert mit anderen Chemikalien, um ein Gas zu erzeugen, das Tinte in einer verbundenen Kammer entlang eines Kanals drückt. Integrierte Lichtdetektoren helfen bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit und ermöglichen so die Messung der ursprünglichen Chemikalie. Die Portabilität des neuen Geräts ermöglicht eine quantitative klinische Analyse am Krankenbett.

Mikrofluidik ist eine revolutionäre Technologie, die Präzisionschemie mit deutlich weniger Chemikalien ermöglicht. Durch das Einätzen dünner Kanäle und Kammern in einen kompakten Chip, der in Ihre Handfläche passt, kann Chemie mit Flüssigkeitsmengen im Mikroliterbereich unter einer weitgehend parallelisierten Reihe von Reaktionsbedingungen durchgeführt werden, was Zeit, Kosten und die Umwelt spart.

In jüngerer Zeit wurde auch die quantitative Erkennung von Chemikalien in diese Miniaturgeräte integriert. Diese Mikro-Gesamtanalysesysteme (Micro-TAS) versprechen eine vollständige chemische Analyse, die alle Vorteile der Mikrofluidik nutzt.

Um den Fluss um Kanäle und Kammern herum anzutreiben, benötigt die Mikrofluidik jedoch Pumpen und Schläuche, um den Fluss in die Kanäle zu koppeln, sowie teure Lichtquellen und Detektoren, um die optischen Signale direkt zu messen, die uns sagen, wie viele verschiedene Chemikalien sich in unseren Kanälen befinden. Dies macht eine auf Miniaturisierung und Portabilität basierende Methode weitaus weniger handlich als ursprünglich vorgeschlagen.

Doch nun hat ein Team unter der Leitung von außerordentlichem Professor Hizuru Nakajima von der Tokyo Metropolitan University eine völlig neue Quantifizierungsmethode entwickelt, mit der die zusätzliche Hardware vollständig entfallen kann. Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Microchimica Acta.

Sie entwickelten ein System, bei dem eine bestimmte Verbindung (Analyt) ein Gas erzeugt; Je mehr Analyt vorhanden ist, desto schneller wird das Gas produziert. Dieser Überdruck trägt dazu bei, Tinte durch einen verbundenen Kanal zu treiben.

Während die Tinte entlangfließt, blockiert sie das Raumlicht, das zwei organische Fotodetektoren (OPDs) erreicht, die entlang des Kanals gedruckt sind, und hilft so, die Fließgeschwindigkeit zu messen. Da das Licht nur durch eine dunkle Tinte blockiert werden muss, ist die erforderliche Erkennung kostengünstig und einfach. Da der Fluss durch die Gasproduktion angetrieben wird, gibt es keine Pumpen und keine Rohre.

Sie demonstrierten ihr System, indem sie die Menge an C-reaktivem Protein (CRP) maßen, einem Protein, das mit einer Reaktion des Immunsystems verbunden ist.

Zunächst wird eine CRP-haltige Lösung in eine kleine Kammer gegeben; Je mehr CRP vorhanden ist, desto mehr haften an den speziell behandelten Wänden der Kammer. Anschließend werden mit CRP-Antikörpern und Katalase beschichtete Nanopartikel hinzugefügt; Je mehr CRP vorhanden ist, desto mehr Nanopartikel und Katalase verbleiben an den Wänden. Wenn Wasserstoffperoxid hinzugefügt wird, hilft die Katalase dabei, Sauerstoff zu produzieren, wodurch der Kreislauf zwischen Analyt (in diesem Fall CRP) und Tintenfluss geschlossen wird.

Das Team zeigte, dass die CRP-Konzentration im menschlichen Serum genau nachgewiesen werden konnte, selbst in Gegenwart gängiger Proteine ​​wie Immunglobulin G (IgG) und menschliches Serumalbumin.

Es gab auch eine gute Übereinstimmung mit allgemein verfügbaren, weitaus hardwareintensiveren Methoden. Angesichts der Tatsache, dass der neue Chip des Teams leicht zu transportieren ist, gehen sie davon aus, dass Mikro-TAS in der klinischen Diagnose am Krankenbett oder bei der Umweltanalyse vor Ort häufiger zum Einsatz kommen wird.