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Lab-on-a-Chip

Chemomechanische Schaltkreise rationalisieren den Analysealltag

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Chemische Chipsteuerung vereinfacht Lab-on-Chip-System

In ersten Arbeiten entwickelten die Forscher Schaltkreise mit rein chemischer Chipsteuerung [2, 3]. Obwohl es ein wenig verrückt erscheint, ist dieses Konzept in Wirklichkeit sehr simpel und vereinfacht den Aufbau des Lab-on-Chip-Gesamtsystems entscheidend. Die chemische Chipsteuerung ist so leistungsstark, dass sie komplett den elektronischen Computer, die Steuersoftware und die elektromechanische Steuerungstechnik, welche zum Betrieb der heutigen MEMS-basierten LOC notwendig sind, ersetzen.

Sie nutzen dabei den Umstand, dass die Prozessmedien neben den chemischen Datensignalen, z.B. die Probe und das Analyt, hauptsächlich aus Wasser bestehen. Genau dieses Wasser dient in den chemICs als binäres Steuersignal der Chip-Bauelemente. Liegt das Wasser nicht am Bauelement an (Steuersignal = 0), ist dieses nicht aktiv. Schaltet das Steuersignal jedoch auf 1 (das Wasser liegt am Bauelement an), beginnt dieses, seine exakt definierte fluidische Aufgabe abzuarbeiten, indem es gespeicherte chemische Energie definiert in mechanische Energie umsetzt. Die Chipsteuerung ist hardware-kodiert. Alle Chip-Befehle sind durch Bauelemente in den Chip integriert und die Chip-Programme durch die Zusammenschaltung der Bauelemente zu einer mikrofluidischen Schaltung vorgegeben. Durch das integrierte Steuerwerk und die chemische Energieversorgung operieren die Schaltkreise vollautomatisch und energieautark.

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Herstellung chemomechanischer Schaltkreise

Die Schaltkreise bestehen komplett aus Plastik und werden mit äußerst kostengünstigen Kunststofftechnologien hergestellt. Im universitären Forschungslabor nutzt man für die Chip-Substratherstellung das Heißprägen für Thermoplaste sowie die Softlithografie für Elastomere. Die Bauelemente werden mit verschiedenen Drucktechniken wie Sieb- und Maskendruck sowie fotolithografisch auf die Substrate aufgebracht, wobei jedes Material seine eigene Strukturierungstechnik benötigt.

Zur Realisierung chemomechanischer Schaltkreise kann man auf eine einzigartige Bauelementepalette zugreifen. Sie umfasst Mikropumpen, Mikroventile, chemische Sensoren, schaltbare Speicher und transistorähnliche Komponenten [2-4]. Im Unterschied zu den Bauelementen MEMS-basierter LOC müssen die Chip-Bauelemente von chemICs eine Zweifachfunktion erfüllen: (a) eine definierte fluidische Funktion und (b) eine Zeitdefinitionsfunktion. Letzteres ist nötig, da die Bauelemente bei den mikrochemomechanischen Schaltkreisen nicht wie bei den MEMS-basierten LOC durch einen Computer gesteuert werden. Die Funktionsweise chemomechanischer Bauelemente wird anhand von Mikroventilen erläutert.

Schließkomponenten bestehen aus Hydrogelen (s. Abb. 2). Schaltet das chemische Steuersignal auf 1, beginnt der Kunststoff unter Wasseraufnahme zu quellen und den Ventilsitz zu schließen. Durch entsprechende Wahl des Polymers und Komponentendimensionierung lässt sich die Schließzeit der Bauelemente sekundengenau vordefinieren – in einem Bereich von unverzüglich (die Bauelemente schließen so schnell, dass keine Flüssigkeit an ihnen vorbei fließen kann) bis zu einigen Minuten.

Sind die chemICs für eine Einmalnutzung konzipiert – aus Kontaminationsgründen ist eine Einmalnutzung häufig erforderlich – lassen sich Öffnerkomponenten aus wasserlöslichen Kunststoffen realisieren (s. Abb. 3). Deren Öffnungszeit lässt sich durch die Auswahl der Polymere und durch die Ventilkonstruktion ebenfalls genau vordefinieren.

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