El sistema integrado de nanolitros es un dispositivo de medición, separación y mezcla que puede medir fluidos en nanolitros , mezclar diferentes fluidos para un producto específico y separar una solución en soluciones más simples. [1]
Todas las funciones del sistema de nanolitros integrado están diseñadas específicamente para controlar volúmenes muy pequeños de líquido (denominados soluciones microfluídicas ). La escalabilidad del sistema integrado de nanolitros depende del tipo de método de procesamiento en el que se basa el sistema (conocido como plataforma tecnológica), y cada método de procesamiento tiene sus ventajas y desventajas. Los posibles usos del sistema integrado de nanolitros son el control de fluidos biológicos (conocido como biología sintética ) y la detección precisa de cambios en las células con fines genéticos (como el análisis de expresión genética unicelular ), donde la escala más pequeña influye directamente en el resultado y la precisión.
El sistema integrado de nanolitros consta de canales fluídicos microfabricados , calentadores, sensores de temperatura y detectores de fluorescencia . Los canales de fluidos microfabricados (básicamente tuberías muy pequeñas) actúan como las principales estructuras de transporte para cualquier fluido, así como donde se producen reacciones dentro del sistema. Para que se produzcan las reacciones deseadas , es necesario ajustar la temperatura. Por lo tanto, los calentadores están unidos a unos canales fluídicos microfabricados . Para monitorear y mantener la temperatura deseada, los sensores de temperatura son cruciales para lograr reacciones exitosas y deseadas . Para rastrear con precisión los fluidos antes y después de una reacción , se utilizan detectores de fluorescencia para detectar los movimientos de los fluidos dentro del sistema. Por ejemplo, cuando un fluido específico pasa por un punto determinado donde desencadena o excita la emisión de luz, el detector de fluorescencia puede recibir esa emisión y calcular el tiempo que tarda en llegar a ese punto determinado. [1]
Existen tres plataformas tecnológicas diferentes para la escalabilidad del sistema integrado de nanolitros . Por lo tanto, el principal método de procesamiento del sistema integrado de nanolitros varía según el tipo de plataforma tecnológica que se utiliza. Las tres plataformas tecnológicas para la escalabilidad son la manipulación electrocinética, la encapsulación de vesículas y la válvula mecánica. [2]
El principal método de procesamiento para controlar el fluido bajo esta plataforma tecnológica es la electroforesis capilar , que es un fenómeno electrocinético . La electroforesis capilar es un excelente método para controlar fluidos porque las partículas cargadas del fluido son dirigidas por el campo eléctrico controlable dentro del sistema. Sin embargo, una desventaja de la técnica es que el método para controlar las partículas del fluido depende en gran medida de las cargas originales de las partículas. Otra desventaja es que el posible fluido "se escapa" dentro del sistema. Estas "fugas" se producen por difusión que depende del tamaño de las partículas del fluido. [2]
El principal método de procesamiento para controlar el fluido bajo esta plataforma tecnológica es confinar los fluidos de interés en moléculas portadoras, que generalmente son gotas de agua, vesículas o micelas . Las moléculas portadoras (con el fluido dentro de ellas) se controlan dirigiendo individualmente cada molécula portadora dentro de los canales fluídicos microfabricados . Este método es excelente para solucionar posibles "fugas" de fluido, ya que el confinamiento del fluido en una molécula portadora no depende del tamaño de las partículas del fluido. Sin embargo, esta técnica tiene la desventaja de cuán compleja puede ser la solución al utilizar el sistema. [2]
El principal método de procesamiento para controlar el fluido bajo esta plataforma tecnológica es el uso de pequeñas válvulas mecánicas . La válvula mecánica es similar a un sistema de plomería complejo porque los canales fluídicos microfabricados actúan como tuberías mientras las diversas válvulas controlables dirigen el fluido. Las válvulas mecánicas también se consideran la solución más sólida a las desventajas de la manipulación electrocinética y la encapsulación de vesículas , ya que las válvulas mecánicas funcionan de forma completamente independiente de las propiedades físicas y químicas del fluido. Debido a que las propiedades físicas que componen los canales fluídicos microfabricados y las válvulas mecánicas son difíciles de procesar debido a la escala extremadamente pequeña del sistema, esta técnica tiene la desventaja de crear un sistema de nanolitros integrado con válvulas mecánicas a escala de nanolitros . [2]
Un posible uso del sistema integrado de nanolitros es en biología sintética (control de fluidos biológicos ). Dado que el sistema integrado de nanolitros generalmente se compone de muchas redes fluídicas microfabricadas controlables , los sistemas integrados de nanolitros son un entorno ideal para controlar fluidos biológicos . Un proceso común de biología sintética que utiliza el sistema integrado de nanolitros es el procesamiento de reacciones complejas entre fluidos biológicos , lo que generalmente implica separar una solución biológica en soluciones reactivas individuales puras o más simples y luego mezclar las soluciones individuales para obtener el producto deseado . Una ventaja de utilizar el sistema integrado de nanolitros en biología sintética incluye la longitud extremadamente pequeña de las redes de microfluidos que dan como resultado velocidades de difusión rápidas . Otra ventaja son las rápidas velocidades de mezcla debido a la combinación de difusión y advección ( mezcla caótica ). En comparación con los sistemas de microfluidos anteriores , otra ventaja es la menor cantidad necesaria de soluciones reactivas para una sola operación debido a la escalabilidad microscópica del sistema de nanolitros integrado . Cantidades necesarias más pequeñas de soluciones reactivas tienden a conducir a más operaciones que se pueden llevar a cabo con menos demora en la recolección o reproducción de las cantidades necesarias de soluciones reactivas . [3]
Otro posible uso del sistema integrado de nanolitros es el análisis de la expresión genética unicelular . Un beneficio de utilizar el sistema integrado de nanolitros es su capacidad para detectar los cambios de la expresión genética con mayor precisión que la técnica anterior de microarrays . La escalabilidad microscópica del sistema de nanolitros ( escala de nanolitro a picolitro ) le permite analizar la expresión genética a nivel de una sola célula (alrededor de 1 picolitro ), mientras que la micromatriz analiza los cambios de la expresión genética promediando un gran grupo de células. Otro beneficio conveniente e importante es la capacidad del sistema integrado de nanolitros de tener todos los fluidos biológicos necesarios en el sistema antes de la operación almacenando cada fluido biológico en una red de fluidos microfabricada específica . El sistema integrado de nanolitros es conveniente porque todos los fluidos biológicos están controlados por una computadora en comparación con cómo los sistemas anteriores requerían una carga manual de cada fluido biológico . El sistema integrado de nanolitros también es importante para el análisis de la expresión genética porque el análisis no se vería indeseablemente influenciado por la contaminación debido al sistema "cerrado" mientras está en funcionamiento. [4]