lab-on-a-chip

Enkelte laboratorietester har allerede blitt effektivt miniatyrisert ved hjelp av LOC og er nå tilgjengelig på markedet. Av disse er de mest brukte blodsukkermålere og såkalt sidestrømstester («lateral flow-tests» på engelsk). Sidestrømstester brukes blant annet i graviditets- og covid-hurtigtester, og det generelle oppsettet er forklart i Figur 1. Det er også laget LOC som kan påvise humant immunsviktvirus (HIV), samt noen som gjennomfører polymerasekjedereaksjon (PCR).

Potensielle bruksområder for LOC inkluderer deoksyribonukleinsyre(DNA)-analyser, avansert medisinsk diagnostikk, som testing etter kreft eller hjerte- og karsykdommer, samt simulering av organer utenfor kroppen med såkalte «organ-on-a-chip». Sistnevnte kombinerer LOC med stamcelleteknologi for å lage forenklede biologiske modeller av organer, som videre kan brukes til grunnforskning eller testing av medisiner. LOC kan potensielt bidra til mer effektiv og økonomisk forskning og også gjøre klinisk diagnostikk enklere og mer tilgjengelig for pasienter.

Siden LOC i mange tilfeller ikke trenger et laboratorium eller mye støtteapparat for å utføre tester, muliggjør teknologien behandling og testing på avsidesliggende områder uten god infrastruktur. Dette er spesielt viktig for at innbyggere i utviklingsland skal kunne få god og allmenn tilgjengelig helsehjelp. I slike områder kan man eksempelvis kunne teste etter hiv og få på plass nødvendig hjelp før pasienten blir alvorlig syk, og sykdommen sprer seg. Teknologien kan også anvendes på sykehus og legekontor, hvor man kan få prøvesvar med en gang, heller enn å måtte sende prøver til et laboratorium.

Utenfor medisin brukes LOC til flere typer målinger, blant annet for å analysere næringsinnhold i jord eller påvise kontaminasjoner i drikkevann.

LOC-feltet hadde sin oppstart i 1990 med artikkelen Miniaturized total chemical analysis systems: a novel concept for chemical sensing, skrevet av Andreas Manz og medforfattere. Manz poengterte at mange kjemiske prosesser er betydelig mer effektive på mindre skala, spesielt grunnet økt diffusjonshastighet og laminær væskestrøm. Miniatyrisering var derfor ønskelig.

Både partikkel- og varmediffusjon har en eksponentiell proporsjonalitet mellom tid og lengde. Dette betyr at om avstanden en partikkel skal forflytte seg dobles, vil det ta fire ganger så lang tid. Tilsvarende vil en reduksjon i væskeinnholdet til et rør fra 1dl til 0,1 dl føre til at temperaturendringer skjer 100 ganger så raskt. Dette gir et stort insentiv til å miniatyrisere laboratorieprosesser som krever forflytning av partikler eller regulering av temperatur, da små endringer kan få stor innvirkning på effektivitet.

Ved bruk av små kanaler går væskestrøm fra å være turbulent, altså kaotisk, til å bli laminær, eller rettlinjet. Denne endringen kan beregnes ved hjelp av Reynolds’ tall. Laminær strøm gjør flere prosesser som er kompliserte på stor skala, enkle i LOC. Dette gjelder for eksempel å lage veldefinerte konsentrasjonsgradienter og separering av mikroskopiske objekter (f.eks. celler, se Figur 2). Laminær strøm gir også veldig forutsigbar væskestrøm, som fører til at modellering av LOC blir betraktelig enklere. Dette muliggjør simulering av brikker før de faktisk lages fysisk.

Sensorer er nødvendige i mange LOC-applikasjoner for å påvise tilstedeværelse av, eller bedømme mengden av, en analytt i en løsning. Det er imidlertid utfordrende å lage sensorer som er forenlige med størrelsen til LOC, samtidig som de er billige nok til å produseres industrielt. Dette har fremmet innovasjon av nye sensorer, og det finnes i dag mange ulike sensortyper som brukes i diverse LOC-applikasjoner.

Sensorene som benyttes i LOC, er klassifisert etter deteksjonsmetode og inkluderer blant annet elektrokjemiske, optiske og magnetiske sensorer. Analytten og dens kjemiske egenskaper bestemmer hvilken sensortype som er optimal. For en blodsukkermåler, hvor analytten er glukose, vil det for eksempel være gunstig å bruke en elektrokjemisk sensor. Årsaken til dette er at glukose kan brytes ned av et spesifikt enzym, og i prosessen danne et elektroaktivt stoff som kan reagere med en elektrode for å skape en målbar strøm.

LOC står overfor flere utfordringer, hovedsakelig industrialisering og kommersialisering av teknologien, samt problemer med å øke antall analyser en enkelt brikke kan gjennomføre parallelt. Bruk og design av LOC er tett knyttet til den tilgjengelige teknologien innen fabrikkering og modifisering av overflater og sensorer. Dette setter begrensninger for hva en brikke kan gjøre og hvor lett det er å kommersialisere et produkt.

Strukturene i LOC er ofte på mikrometerskala, noe som gjør fabrikkering spesielt krevende. Det trengs teknikker som både har høy presisjon og kort produksjonstid. I de tilfellene hvor slike teknikker finnes, har andre problemer ofte hindret kommersialisering. Materialene disse teknikkene kan anvendes på, er som regel enten svært dyre, eller utsatt for rask degenerering utenfor laboratorieforhold. Et eksempel på dette er polydimethylsiloxane (PDMS), som er mye brukt til LOC-prototyper siden det både er billig og lett å fabrikere. PDMS er imidlertid utsatt for degradering over tid og absorberer lett hydrofobe molekyler, noe som kan påvirke ytelsen. Fabrikkeringsteknikkene for PDMS er heller ikke egnet for oppskalering, noe som gjør høy produksjon vanskelig.

For å oppnå bedre ytelse og høyere produksjon, har flere LOC-bruksområder forsøkt å øke antallet tester som kan gjøres parallelt på brikker (parallellisering), men dette har bydd på utfordringer. En teknikk for å oppnå høy grad av parallellisering er å danne et stort antall uniforme gass- eller væskedråper og gjennomføre den ønskede testen på alle samtidig. Det har imidlertid vist seg at når et system skal prosessere mange slike dråper, har dråpene en tendens til å smelte sammen om temperatur eller trykk blir for høyt og dermed hindre parallellisering.

• nanovitenskap