Wissenschaftler entwickeln tragbare chemische Komplettanalyse ohne Pumpen und Schläuche

Die Portabilität des neuen Geräts ermöglicht quantitative klinische Analysen am Krankenbett oder Umweltanalysen vor Ort

27.02.2024

Forscher der Tokyo Metropolitan University haben ein neues Mikro-Totalanalysesystem entwickelt, das eine Zielchemikalie in einem mikrofluidischen Chip ohne Pumpen, Röhren und teure Detektoren quantifiziert. Die Verbindung reagiert mit anderen Chemikalien und erzeugt ein Gas, das die Tinte in einer angeschlossenen Kammer entlang eines Kanals treibt. Eingebaute Lichtdetektoren helfen bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit und ermöglichen die Messung der ursprünglichen Chemikalie. Die Tragbarkeit des neuen Geräts ermöglicht eine quantitative klinische Analyse am Krankenbett.

Die Mikrofluidik ist eine revolutionäre Technologie, die Präzisionschemie mit weitaus weniger Chemikalien ermöglicht. Durch das Ätzen von dünnen Kanälen und Kammern in einen kompakten Chip, der in die Handfläche passt, kann die Chemie mit Mikrolitermengen von Flüssigkeit in einer stark parallelisierten Reihe von Reaktionsbedingungen durchgeführt werden, was Zeit, Kosten und die Umwelt spart. In jüngster Zeit wird auch der quantitative Nachweis 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 in den Kanälen und Kammern anzutreiben, benötigt die Mikrofluidik jedoch Pumpen, Röhren, um den Fluss in die Kanäle zu leiten, sowie teure Lichtquellen und Detektoren, um die optischen Signale direkt zu messen, die uns sagen, wie viel von den verschiedenen Chemikalien in unseren Kanälen ist. Dies macht eine Methode, die auf Miniaturisierung und Tragbarkeit beruht, weit weniger lukrativ als ursprünglich vorgeschlagen.

Nun hat ein Team unter der Leitung von Associate Professor Hizuru Nakajima von der Tokyo Metropolitan University eine völlig neue Quantifizierungsmethode entwickelt, die ganz ohne zusätzliche Hardware auskommt. Sie haben ein System entwickelt, bei dem eine bestimmte Verbindung von Interesse (Analyt) ein Gas erzeugt; je mehr Analyt vorhanden ist, desto schneller wird das Gas erzeugt. Dieser Überdruck hilft, die Tinte durch einen angeschlossenen Kanal zu treiben. Während die Tinte fließt, blockiert sie das Raumlicht, das zwei organische Photodetektoren (OPDs) erreicht, die entlang des Kanals aufgedruckt sind, und hilft so, die Fließgeschwindigkeit zu messen. Da das Licht nur durch eine dunkle Tinte blockiert werden muss, ist der erforderliche Nachweis kostengünstig und einfach. Da der Fluss durch die Gasproduktion angetrieben wird, gibt es keine Pumpen und keine Schläuche.

Sie demonstrierten ihr System durch die Messung der Menge des C-reaktiven Proteins (CRP), eines Proteins, das mit einer Reaktion des Immunsystems in Verbindung gebracht wird. Zunächst wird eine CRP-haltige Lösung in eine kleine Kammer gegeben; je mehr CRP vorhanden ist, desto mehr haftet an den speziell behandelten Wänden der Kammer. Dann werden mit CRP-Antikörpern und Katalase beschichtete Nanopartikel hinzugefügt; je mehr CRP vorhanden ist, desto mehr Nanopartikel und Katalase bleiben an den Wänden zurück. Wenn Wasserstoffperoxid hinzugefügt wird, hilft die Katalase bei der Produktion von Sauerstoff, wodurch der Kreislauf zwischen Analyt (in diesem Fall CRP) und Tintenfluss geschlossen wird.

Das Team wies nach, dass die CRP-Konzentration in Humanserum selbst bei Vorhandensein gängiger Proteine wie Immunglobulin G (IgG) und Humanserumalbumin genau bestimmt werden kann. Es gab auch eine gute Übereinstimmung mit allgemein verfügbaren, weitaus hardwareintensiveren Methoden. Da der neue Chip des Teams leicht zu transportieren ist, gehen sie davon aus, dass micro-TAS in der klinischen Diagnostik am Krankenbett oder bei der Umweltanalyse im Feld vermehrt zum Einsatz kommen wird.

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Originalveröffentlichung

Kuizhi Qu, Kazuhiro Morioka, Konoka Nakamura, Shoji Yamamoto, Akihide Hemmi, Atsushi Shoji, Hizuru Nakajima; "Development of a C-reactive protein quantification method based on flow rate measurement of an ink solution pushed out by oxygen gas generated by catalase reaction"; Microchimica Acta, Volume 191, 2023-12-13

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