האבולוציה המהירה של biosensors יש פתח יכולות חסרות תקדים בגילוי בזמן אמת של ביומרקרים, פתוגנים, ו contaminants סביבתיים, אך הפוטנציאל האמיתי של כלים אנליטיים אלה הוא לעתים קרובות מוגבל על ידי מורכבות הדגימה של הדגימה של הדגימה ואת הצורך לעיבוד במורד הזרם אמין, תוך הפעלת חומרים סביבתיים מופחתים יותר, משילוב יעיל יותר, תוך הדבקה מהירה יותר, לאחר הדבקה מהירה יותר של חומרים biostractioneration-rectioneration.

תפקיד עיבוד Downstream ב Biosensor Systems

בליבה, עיבוד למטה מגשרים את הפער בין איסוף דגימה גולמית לבין אות אנליטית משמעותית.ביישומים אבחון, למשל, דגימת דם שלמה חייבת להיות מעובדת לבודד פלזמה, לחלץ חומצות קצביות, או לטהר חלבונים לפני הביוסנסטור יכול לכמת סימן מחלה. בדומה, ניטור סביבתי, דגימות מים המכילות מתכות כבדות או חומרי הדברה דורשות מראש כדי לזהות רמות יעילות, מגילויים של חומרים ביולוגיים, וזיהומים מזיקים, סובלים ממגבלות גבוהות של חומרים מזיקים, וזיהומים, וזיהומים של חומרים מזיקים, רגישות נמוכה, וכבדים, או חומרי גלם, או חומרי גלם, סובלים מזיהומים גבוהים, מזיהומים גבוהים של חומרים מזיקים, מזיהומים של חומרים מזיקים, מזיהומים גבוהים של חומרים מזיקים, או חומרי גלם, וכבדים, או חומרי גלם.

שיטות אמנותיות כגון סינון כוח הכבידה, החילוץ אצווה, צינורות ידני חסר אוטומציה וחזרות דרשה על ידי תפוקה גבוהה מודרנית או נקודת-של טיפול יישומים.התעשייה עברה אפוא לכיוון מיני-מחדש, אוטומטי, ואינטליגנטי טכנולוגיות עיבוד במורד הזרם שניתן לצמד בצורה חלקה עם שבבי ביוסנסורים וקוראים מוחזקים יד.

אתגרים הפרדה וטיהור

דגימות ביולוגיות מציגות מריצה מגוונת של תאים, חלבונים, ליומנים וחומצות ניוקליות, שכל אלה יכולים להפריע ספציפית biosensor.לדוגמה, ביוסנסטור אלקטרוכימי לגזול, נוכחות של חומצה או ascorbate יכול ליצור אותות חוצה-reactive. בחיישנים אופטיים, מתפזרים מרקע חלקי ו autofluorescence decon-toises-toises-to-in-to-in-in-toises-to-in-to-to-in-in-inrections-in-in-in-to-in-reative.

יתר על כן, היקף העיבוד משתנה מאוד - ממיקרוליטים במכשיר מעבדה-על-עצ'יפ לליטר בתהליך ביו-מניופיקינג. טכנולוגיות מתפתחות חייבות להיות ניתנות להתאמה לאורך המאזניים, שמירה על יעילות וחסכוניות.אוטומציה, פעולה רציפה, משוב בזמן אמת הופכות לתכונות חיוניות של פלטפורמות עיבוד במורד הזרם המודרני.

מפתח טכנולוגיות ב- Downstream עיבוד לשילוב Biosensor

כמה תחומי טכנולוגיה הוכיחו הבטחה מסוימת בנוגע למגבלות של שיטות קונבנציונליות.אלה כוללים מערכות מיקרו-פלודיות, chromatography אוטומטיים, היפרדות ננוטכנולוגיה-enhanced, סינון membrane מתקדם, ושיטות הפרדה פיזיות חדשניות כגון אקוסטופוזה ודיסלקציה.

מיקרודיקליקה ומעבדה-on-a-Chip Systems

מיקרודיקליקים מאפשרים מניפולציה מדויקת של כרכים קטנים - nanoliters באופן צמיגים למיקרוליטים - עם ערוצים שהם עשרות עד מאות מיקרומטר בקוטר. כאשר משולבים עם ביוסנסורים, מכשירים מיקרו-השפעהיים יכולים לבצע עיבוד דגימות רב-שלבי על שבב יחיד, להפחית באופן דרסטי את התערבות ידנית ועיבוד זמן.

דוגמה בולטת היא שילוב של תזרים מאוחר יותר עם מודולים טרום ריכוז מיקרו-השפעה. על ידי שילוב של קרום ו שסתום הידרוג'ל, החוקרים פיתחו מכשירים המתמקדים ב-Orytes מאות לפני זיהוי, דוחקים מגבלות של גילוי לתוך טווח תת-אפמול.

כמה פלטפורמות מסחריות משלבות כעת הכנת דגימת מיקרו-השפעה עם biosensor אלקטרו-כימיקליים או אופטית biosensor Readouts.לדוגמה, מערכת BioFire FilmArray משתמשת במערךים מיקרו-השפעהיים כדי לחלץ, לטהר, ולהגביר חומצות קצביות מדגימות קליניות, ואחריו זיהוי PCR בזמן אמת - כל בתוך חתומה אחת חתומה.

שילוב של הנדסת דגימות וזיהוי

הגליכה הקדושה של אינטגרציה ביוסנסורית היא מדגם-in, מכשיר תשובה הדורש התערבות למשתמש מעבר לטעון את דגימה הגלומה. Microfluidics מאפשר זאת על ידי שילוב מודולים פונקציונליים מרובים על שבב אחד: אזור סינון להסרת פסולת גדולה, תא ערבוב עבור תוספת מהדהדת, אזור הפרדה (למשל, מגנטי להיות ללכוד), וגילוי של אתגר החיסרון חיצוני, ללא תזמון מורכב, אשר יכול למנוע שליטה חיצונית, ללא תזמון, תזמון, לחץ חיצוני, ללא תזמון, תזמון חיצוני, ללא תזמון, לחץ דם, ללא תזמון חיצוני, תזמון מבודד, או תזמון חיצוני, תזמון, ללא תזמון מבודד, ללא תזמון מבודד, ללא תזמון, ללא תזמון מבודד, תזמון חיצוני, תזמון מבודד, תזמון חיצוני, תזמון.

ההתקדמות האחרונה בדפוס תלת מימדי ולימוזינה רכות הורידה את המחסום כדי להמריץ שבבים כאלה.יתר על כן, השימוש במיקרו-השפעה של טיפות מים- שבו תגובות מתרחשות בתוך טיפות מים-בנפט - הפלרציה המסלקת את הצוואר ומאפשרת גבוהה באמצעות תא בודד או ניתוח חד-פעמי.

קישור חיצוני:0 (הטבע סוקר חומרים ביקורת על מיקרו-השפעה על biosensingFLT:1 מספק סקירה מצוינת של אינטגרציה ברמת השבבים האחרונים.

Chromatography אוטומטית עם biosensor Feedback

Chromatography נשאר עבודת טיהור מטה הזרם בייצור ביו-פארמי וכימיה אנליטית.טכנולוגיות מתפתחות הן אוטוממות ומצמצם תהליכים chromatographic תוך שילוב משוב ביוסנסורים עבור אופטימיזציה בזמן אמת בזמן אמת. במערכות ספסל מסורתיות, שברים נאספים באופן ידני ומאוחר יותר ניתחו פלטפורמות אוטומטיות, עם זאת, להשתמש ביוסנסורים מקוונים עבור פאסיביות, UVresive, UVS, או ספוג אירועים ספציפיים רק כדי לגרום רק כדי לגרום שבריריים ספציפיים של איסוף אופטיקה.

לדוגמה, עמודות chromatography חד פעמיות מצוידות שבבים biosensor יכול לפקח על עקומת פריצת דרך של חלבון יעד, להבטיח כי רק שבריריות גבוהה נאספות.זה מפחית פסולת ומזרז פיתוח תהליך. בהקשר של שילוב ביוסנסורים, מערכות chromatography אוטומטיות הם יחד עם מחסניות חד פעמיות עבור ניטור רציף של תכונות איכות בזרם ביו-מעבדים.

גודל-exclusion chromatography (SEC) הוא גם להיות מקטן על שבבים מיקרו-השפעהיים, המאפשר החלפת חיץ מהירה וביטול דגימות לפני שהם מגיעים לביוסנסטור במורד הזרם.מערכות ה-SEC מבוססות שבב כאלה הוכחו לטיהור אקסומדומים ממדיה של תרבות התא, ואחריו הדמיה של פני השטח עבור ביוסמן ביומטריהרנט.

קישור חיצוני:0 [מאמר הכימיה האנליטית על שילוב ביוסנסוגרפיה אוטומטי של chromatographic אינטגרציה של כרומוזום fLT:1] פרטים על מערכת כפולה עם ניטור בזמן אמת.

הפרדה ננוטכנולוגיה-התעורר

ננו חומריסטים מהפכה בעיצוב ביוסנסאור על ידי הגדלת שטח פני השטח, שיפור ניכוי אותות, ומאפשר מנגנוני הפרדה חדשים.בעיבוד מטה הזרם, חלקיקים מגנטיים (MNPs), חלקיקים זהב (AuNPs), צינורות פחמן (CNTs), וננו-מברנס ממוחזר משמשים כדי ללכוד, להתרכז ולשחרר מולקולות יעד עם ספציפי.

הפרדה מגנטית היא אחד התהליכים המתקדמים ביותר nanoטכנולוגיה-enabled מטה הזרם. מיצוי MNPs פונקציונליים עם נוגדנים, אדפטמרס, או פולימרים מאוישים מולקולרית יכול ללכוד מטרות ממאכות מורכבות תחת שדה מגנטי.החלקיקים הם אז לשטוף, חמקמק, ואת טיהור מוצג על ידי biosensor.

חלקיקים זהב, לעומת זאת, משמשים לעתים קרובות עבור חישה צבעונית ו plasmonic, אבל הם יכולים גם לשמש סוכנים ללכוד כאשר פונקציונלי עם אלמנטים הכרה. שלהם הורמון הכחדה גבוהה שלהם יעיל מאפשר זיהוי חזותי, צמצום הצורך עבור כלי יקר.שלב לכידת מבוסס AuNP עם זרימה מאוחרת יותר או שבבים מיקרו-השפעה מספקים בדיקות אבחון מהיר עבור מטרות כגון טיפול לב או SARS-Coen2.

ננונו בנוי membranes, כגון אלה שנעשו מ סגסוגת אלומיניום או פוליקרבונט מעקב, מציעים גדלים פומר מוגדר היטב עבור הפרדה בגודל-exclusion. כאשר מכוסים עם ligands ספציפיים, membranes אלה יכול במקביל לסנן ולכידת biomolecules, הזרמת עיבוד לתוך צעד אחד.

קישור חיצוני:0 (מדע ראשי) דף הנושא על ננוטכנולוגיה בעיבוד מטה הזרם 1 מספק רקע על יישומים ננו-חומריים שונים.

חידושים מתקדמים של Membrane Filtration

טכניקות סינון Membrane - microfiltration, אולטרה-פרופיל, nanofiltration - הם בשימוש נרחב ביו-מעבד עבור ריכוז ו desalting. החידושים המתפתחים להתמקד בפיתוח membranes עם גודל טונה, נוגדנים תכונות, ותפקוד פני השטח כדי לשפר את הספציפיות עבור יישומים ביוסנסורים.

מלמברנס חכם להגיב לגירויים חיצוניים (pH, טמפרטורה, שדה חשמלי) יכול לשחרר אריות נתפסים על הביקוש, המאפשר שילוב חלקה עם biosensors למטה הזרם.לדוגמה, membranes תרמורספוני מבוסס על פולי(N-isopylacrylamide) להרחיב או לכווץ בתגובה לשינויים בטמפרטורה, המאפשרים לכידת מבוקרת ושחרור של חלבונים.

התפתחות מבטיחה נוספת היא השימוש של dielectrophoretic (DEP) membranes, שבו שדה חשמלי מוחל על פני מנברן ⁇ חלקיקים המבוססים על תכונות dielectric שלהם. DEP membranes יכול להפריד חיידקים, וירוסים, ואפילו exosomes מדגימות מורכבות ללא תוויות, ואת החלקיקים לכודים ניתן להיות מעוות ישירות עבור זיהוי חומצי.

טכניקות נוספות: מערכות דו-שלביות, Acoustophoresis ועוד

מערכות דו-phase (ATPS) לנצל את חוסר היכולת של שני פולימרים (למשל, פוליאתילן גליקול ו dextran) כדי לחלק ביומולקולטים לשלבים נפרדים. ATPS מציע תנאים קלים המשמרים פעילות חלבון ויכולים להתרכז אנאליים תוך הסרת זיהום עם microfluidics, ATPS מאפשר מיצוי מהיר של שבבים משולבים עם שבבים.

Acoustophoresis משתמש גלי עמדה קוליים גבוהים כדי לתמרן חלקיקים בגודל, צפיפות, ודחיסות. שיטה זו ללא מגע יכול להפריד באופן רציף תאים מטרה או חרוזים ללא coustophoresis כבר מוזג עם מאגרי biosensor עבור זיהוי מרוביםxed של ציטונים וחומצות גרעין, עם שיעורי עיבוד של כמה מיקרו-דלקתיים מתאים עבור יישומים הרגעה.

Dielectrophoresis (DEP) ללא membranes - שבו אלקטרודות ליצור שדות חשמליים שאינם חד-ממדיים כדי ללכוד חלקיקים קוטביים - היפרדות ללא תווית של תאים וננו-חלקיקים. DEP כבר משולב שבבים מיקרו-השפעהיים עבור לכידת להפיץ תאים סרטניים לפני ניתוח גנטי במורד הזרם באמצעות ביוסנסורים.

אסטרטגיות ואתגרים

בעוד טכנולוגיות בודדות מתקדמות במהירות, השילוב המוצלח של עיבוד במורד הזרם עם ביוסנס דורש שיקול זהיר של דרישות ברמת המערכת.גורמי מפתח כוללים אוטומציה, ניטור בזמן אמת, קנה מידה, עלות וידידות למשתמש.

אוטומציה ובדיקה בזמן אמת

אוטומציה מפחיתה את השגיאה האנושית ומאפשרת עיבוד מוכח.פלטפורמות מתפתחות רבות משלבות מיקרו-בקרים, שסתום סויה, משאבות peristaltic כדי לרצף שלבים טיפול נוזלים. עם זאת, אוטומציה אמיתית דורשת לולאות משוב שמתאימות פרמטרים לעיבוד בהתבסס על מקרי חיישנים.לדוגמה, מערכת משולבת עשויה להשתמש ב- pH מעקב על שבב חליפין כדי לקבוע מתי החלפת חיץ היא מושלמת, או רצף של אלגוריתמי להתאמה לאלגוריתמיתאמת לאלגוריתמית של עיבוד בזמן.

ניטור בזמן אמת גם מרחיב את בקרת איכות. על ידי הצבת ביוסנסורים במספר נקודות לאורך קו במורד הזרם, מפעילי יכולים לאמת את הסרת הפרעות ולהבטיח התאוששות אנאלית גבוהה לפני המדידה הסופית.זה חשוב במיוחד בתהליכי ייצור רציף שבו איכות המוצר יש לשמור על פני שעות או ימים.

סקלאלה ושיקולים

עבור שלב של טיפול או פריסת שדה, מכשירים חייבים להיות קומפקטיים, זולים וקלים לפעול. Microfluidics ומחסניות חד פעמיות להתמודד דרישות אלה, אבל קנה הייצור של מיליוני יחידות בשנה נשאר אתגר.חומרים כמו thermoplastics (למשל, cyclic olefin פולימר) מציעים שכפול זול עלות באמצעות הזריקה, בעוד מערכות מבוסס נייר הם אפילו זול יותר, אבל יש חיים מוגבל טיפול מדויק.

בקנה מידה תעשייתי, chromatography אוטומטיים ומערכות סינון membrane חייב להתמודד עם כמויות גדולות ללא רזולוציה או תשואה. רדיפה רציפה באמצעות chromatography multicolumn (כגון chromatography תקופתית נגד-הווה) הוא צובר אימוץ, צמצום השימוש ב-Resin ו-buffer הצריכה. integrating מערכות כאלה עם biosensors מקוונים מאפשר שחרור בזמן אמת, בדיקות פוטנציאליות על ידי פאסיביות כגון תקלות.

ניתוחי Cost-benefit מראים כי בעוד עיבוד במורד הזרם מתקדם מגביר את ההון העליון, הוא מקטין את עלויות התפעול למבחן ומאפשר זמן מהיר יותר ל-result. עבור יישומים אבחון בקנה מידה האוכלוסייה, חיסכון זה יכול להיות משמעותי.

אזורי יישומים

ההתכנסות של עיבוד במורד הזרם וביוסנסורים כבר משנה מספר מגזרים.כאן אנו מדגישים שלושה תחומים שבהם ההשפעה בולטת ביותר.

המונחים: point-of-Care Diagnostics

בבדיקות מחלות זיהומיות, הכנת הדגימה מהירה היא קריטית. למערכות משולבות שיכולות לחלץ חומצות קצביות או חלבונים מדמונים או קידוד בתוך 10 דקות זמינים כעת מסחרית.לדוגמה, פלטפורמת GeneXpert משתמשת במחסנית המשלבת עיבוד דגימות, טיהור חומצה נוקלית, וגילוי בזמן אמת PCR. לאחרונה, ביונזירים המבוססים על CRIS כבר משולבים עם החלטות מטבוליות עבור טיפול ויראלית טיפול זההת טיפול.

ניסיון המגיפה הוא פיתוח מואץ של עיבוד משולב של זרם ל- biosensors. בעתיד, אנו יכולים לצפות שפלטפורמות כאלה יתמודדו עם לוחות של מטרות - וירוסים משפטיים, זיהומים המועברים במגע מיני, וסימנים למחלות כרוניות - עם מודול הכנה מדגם יחיד.

פיקוח סביבתי

ביוסנסורים משמשים יותר ויותר לפקח על איכות המים, זיהום האוויר, ומזהמים הקרקע. עם זאת, דגימות סביבתיות מכילות לעתים קרובות ריכוזים נמוכים של משככי מטרה (למשל, חומרי הדברה, מתכות כבדות, מיקרו-cystins) ורמות גבוהות של חומצות זיהוי לחות או חלקיקים חלקיקים חלקיקים המעורבים להפריע זיהוי. . ⁇ מטה את מערכות עיבוד מיקרוסקופ באמצעות חלקיקים מגנטיים או microfluidic-conic-concreconcreconcreconcreects כדי לזהות רמות של חומרים אלה של חומרים כימיים מסוימים לאחר מכן.

buoys אוטומטיים מצויד עם מערך biosensor ו יחידות סינון משולב הם כעת פרוס באגמים ומאגרים לספק נתונים בזמן אמת מתמשך על רעלנים ציאניבקטיים.מערכות כאלה מסתמכות על עיבוד זרם חזק כדי לטפל בשינויים של מזחלות מים ללא רעייה.

פיקוח ובקרה

בייצור ביו-פארצטי, שמירה על איכות המוצר דורשת מעקב בזמן אמת של תכונות איכות קריטיות כגון titer חלבון, aggregation, ו שלאחר-translational שינויים.אוטומטיים של יחידות עיבוד במורד הזרם שלוקחות מכסות קטנות מביולוגיות ביולוגיות, לטהר את המוצר, להאכיל אותו לתוך biosensors for ניתוח הופכים להיות חלק בלתי נפרד עבור טכנולוגיה אנליטית (PAT) לדוגמה, שני מדדים בזיהוי יעיל עם רמות של פעילות גופנית חד פעמית, עם ריכוזית, עם רמות של פעילות גופנית אוטומטית עם ויזואלית, עם ויזואלית, עם ויזואלית של פעילות גופנית חד פעמית, עם ויזואלית, עם ויזואלית של פעילות גופנית חד פעמית, עם ויזואלית עם מוטציות עם ויזואלית יכול להיות ויזואלית עם ויזואלית.

בנוסף, העלייה של דרישות עיבוד ביו-תרגול מתמשך של עיבוד במורד הזרם.טכנולוגיות כמו סימולציה של צ'רומטולוגיה וסינון זרימה טנגנטינטלי משולב עם לולאות משוב ביוסנסורים כדי לשמור על ניתוח מצב יציב.אינטגרציה זו מפחיתה את זמני ההחזקה ומשפרת את עקביות המוצר.

כיוונים עתידיים ו- Outlook

העשור הקרוב כנראה יראה אפילו שילוב חזק יותר של עיבוד במורד הזרם וביחישה.התקדמות בבינה מלאכותית ולמידה של מכונה תאפשר שליטה חיזוי של תהליכי הפרדה, צמצום פסולת וגמישות.לדוגמה, אלגוריתמים של למידה חיזוק יכולים לייעל את התזמון ואת רצף של של היטלציה בצ'רומטולוגיה בהתבסס על קלט חיישן, משימה שדורשת כיום מפעילי מומחים.

ביוסנסורים לבישים ושתלים גם עומדים ליהנות מ עיבוד מיניסטרי מופחת.עבור צגים גלוקוז מתמשך, מיקרודיאליזה בדיקה עם membrane משולב להפחית את ההתערבות של acetaminophen וסמים אחרים. בדומה, חיישנים מושתלים עבור נוירוטרנסמיטרים יכולים לשלב res-exchanges to Remove אלקטרואקטיביים, להאריך את חיי היומיום.

גבול נוסף הוא ההתכנסות של עיבוד ביוסנסטור למטה עם ניתוח תאים יחיד.על ידי שימוש microfluidics או microwell ערכות כדי לבודד תאים בודדים, lysis למטה וגילוי ביומרקר ניתן לבצע על אלפי תאים במקביל.זה יכול לאפשר זיהוי תאים נדירים (למשל, הפצת תאים) עם רגישות חסרת תקדים.

לבסוף, סטנדרטיזציה וקבלה רגולטורית יהיו מכריעים עבור סוכנויות אימוץ נרחבות.ה- FDA ו- EMA מפתחים הנחיות למכשירים המשלבים הכנה וזיהוי דגימות.כפי שמסגרות אלה בוגרות, ליצרנים יהיו מסלולים ברורים יותר לשוק עבור מערכות משולבות חדשניות חדשניות.

לסיכום, טכנולוגיות עיבוד מטה הזרם מפורקות מחסומים מסורתיים לפריסת ביוסנסורים. Microfluidics, אוטומציה, ננוטכנולוגיה ושיטות הפרדה מתקדמות מתאחדות ליצירת מערכות מהירות יותר, רגישות יותר וקלות יותר לשימוש.האבולוציה המתמשכת של טכנולוגיות אלה חיונית לחשיפת הפוטנציאל המלא של biosensors בתחום הבריאות, הגנה סביבתית, וביוטכנולוגיה תעשייתית.