Tricorder-Technologie: Offen

Mar 17, 2023

Anmerkung der Redaktion: Sie sind auf einer Exkursion zu einem entfernten analogen Ort auf der Erde – oder in einer anderen Welt. Ihr Tricorder muss angesichts der Einschränkungen von Größe, Leistung und Rechenleistung so viel wie möglich leisten – in abgelegenen und extremen Umgebungen. Wie können Sie eine Seite aus dem Spielplan des Mars Viking Lander Teams übernehmen und ein Biologielabor in ein einziges Gerät – in diesem Fall Ihren Tricorder – packen? Welche Fragen möchten Sie mit den von Ihnen erfassten Daten stellen/beantworten? Nach welchen Biosignaturen würden Sie suchen? Brauchen Sie vor Ort eine Antwort – oder können Sie warten, bis Sie wieder im Basislager sind? Benötigt Ihr Tricorder ein integriertes Alliving zur Verarbeitung von Daten und zum Lernen? Behalten Sie all dies im Hinterkopf, wenn Sie diese Pressemitteilung lesen.

Diese Studie wird von Prof. Xueji Zhang (Universität Shenzhen) und Prof. Tailin Xu geleitet. (Universität Shenzhen). Tröpfchenarrays mit offenen Kanälen haben in der biochemischen Analyse, der Überwachung von Bioflüssigkeiten, der Erkennung von Biomarkern und bei Zellinteraktionen große Aufmerksamkeit auf sich gezogen und zeichnen sich durch die Vorteile Miniaturisierung, Parallelisierung, hohen Durchsatz, Einfachheit und Zugänglichkeit aus. Eine solche Strategie verbessert nicht nur die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Biosensors, sondern macht auch die anspruchsvolle Ausrüstung und langwierigen Prozesse überflüssig, was großes Potenzial für miniaturisierte Sensorplattformen der nächsten Generation zeigt.

Die Open-Channel-Plattform weist die hervorragende Leistung der Tröpfchenverankerung durch physikalische oder chemische Bohrlöcher für die anschließende Tröpfchenmanipulation und -analyse auf, was einzigartige Vorteile für die Verbesserung der Effizienz und Genauigkeit der Spurenbiosensorik bietet. Erstens beträgt das Reaktionsvolumen im Tröpfchen nur Mikroliter oder Nanoliter. Zweitens können einzelne Tröpfchen eine parallele Hochdurchsatzanalyse für mehrere Ziele durchführen. Drittens können Mikrotröpfchen biochemische Reaktionen beschleunigen. Schließlich ermöglichen miniaturisierte Reaktoren mit offenem System einen einfachen Zugang zur Reinigung, Mischung und Verstärkung und ermöglichen die vielseitige Kombination mit verschiedenen Signalausgabeansätzen.

Tröpfchenmanagement zur kolorimetrischen Erkennung. a) 96-Well-Mikrotiter-Array zum Nachweis von Sacchariden. Wiedergabe mit Genehmigung von Ref. [70]. b) flüssige Murmeln zur kolorimetrischen Überwachung enzymatischer Prozesse. Wiedergabe mit Genehmigung von Ref. [71]. Copyright 2021 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. c) Tröpfchenpräzise Selbstaufteilung für gleichzeitige Mehrfacherkennung. Wiedergabe mit Genehmigung von Ref. [72]. Copyright 2020 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. d) Tröpfchenmanipulation im offenen Kanal für Multiplex-Bioassays. Wiedergabe mit Genehmigung von Ref. [73]. Copyright 2018 American Chemical Society. e) Superbenetzbare und flexible Bänder zur Schweißprobenahme und -überwachung. Wiedergabe mit Genehmigung von Ref. [74]. Copyright 2019 American Chemical Society. Copyright 2021 American Chemical Society. f) Mikrokammerverbände für eine multiplexierte schnelle Urinanalyse. Wiedergabe mit Genehmigung von Ref. Copyright 2020 Elsevier.

Solche Plattformen mit offenem Kanal können basierend auf der Positionsbeziehung zwischen dem Tröpfchen mit offenem Kanal und der Plattformschnittstelle in vier Fälle unterteilt werden: i) Tröpfchen unter der Oberfläche, z. B. Mikrokammer; ii) Tröpfchen an der Oberfläche, z. B. ein benetzbares Muster; iii) Tröpfchen auf der Oberfläche: z. B. Minisäulenplattform; und iv) Tröpfchen in der Oberfläche, beispielsweise flüssige Murmeln. Jede Plattform verfügt über eine einzigartige Strategie zum Einschließen und Bilden von Tröpfchen im offenen Kanal, die mit den angegebenen Anwendungsszenarien und unvermeidlichen internen Einschränkungen einhergeht.

Tröpfchenanordnungen mit offenen Kanälen werden häufig in der Biosensorik eingesetzt. Sie bieten den Vorteil eines geringeren Proben- und Reagenzienverbrauchs, bieten die Möglichkeit von In-situ-Analysen und erhöhen die Empfindlichkeit durch schnellere Diffusion im Mikromaßstab. Dieser Aufsatz konzentriert sich auf solche Sensoranwendungen solcher Tröpfchen mit offenem Kanal, indem sie mit Signalausgabeansätzen (Fluoreszenz, elektrochemisch, SERS, kolorimetrisch, MS und mehrere Methoden) kombiniert werden.

Mit der Nachfrageförderung und technologischen Innovation werden vielfältigere Plattformen und Sensoransätze für die Biosensorik von Tröpfchen in offenen Kanälen eingesetzt. Es bleiben jedoch noch einige wissenschaftliche und technologische Herausforderungen von der Grundlagenforschung bis zur angewandten Forschung bestehen: Instabilität des Mikrosystems; Intelligente Signalausgabe; Kontrollierbare Verdunstung; Berührungslose Tröpfchenanordnung. Zukünftig wird die Open-Channel-Tröpfchenplattform mit den Vorteilen der Stabilität, Portabilität und Integration in eine umfassende Biosensorik von der Analyse exsudativer Körperflüssigkeit bis zur invasiven Gewebeflüssigkeits-/Bluterkennung eine herausragende Rolle spielen.

Astrobiologie, Tricorder

SpaceRef-Mitbegründer, Explorers Club Fellow, Ex-NASA, Auswärtsteams, Journalist, Weltraum- und Astrobiologie, ehemaliger Bergsteiger.