डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स

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डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स (डीएमएफ) एक चिप प्रणाली पर प्रयोगशाला के लिए मंच है जो माइक्रोड्रॉपलेट्स के परिचालन पर आधारित है। बूंदों को पृथक इलेक्ट्रोड के समूह के साथ एक मंच पर वितरित, स्थानांतरित, संग्रहीत, मिश्रित, प्रतिक्रिया या विश्लेषण किया जाता है।[1][2] डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स का उपयोग विश्लेषणात्मक विश्लेषण प्रक्रियाओं जैसे मास स्पेक्ट्रोमेट्री, वर्णमिति, इलेक्ट्रोकेमिकल और इलेक्ट्रोकेमिलुमिनसेंस के साथ किया जा सकता है।[1]


अवलोकन

फाइल:डीएमएफ_Array_pic.pdf|लेफ्ट|थंब|611x611px|क्रॉस सेक्शन व्यू के साथ खुले माइक्रोफ्लूडिक प्रणाली के शीर्ष पर बैठी जलीय बूंद। उपयोगकर्ता की आवश्यकताओं (संशोधित इलेक्ट्रोड, इलेक्ट्रोड प्रारूप, प्रयुक्त सामग्री, आदि) को फिट करने के लिए उपकरण डिज़ाइन में परिचालन किया जा सकता है। [3] [4]

डिजिटल माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के अनुरूप, डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक संचालन को पदानुक्रमित डिजाइन संरचनाओं के अन्दर जोड़ा और पुन: उपयोग किया जा सकता है जिससे जटिल प्रक्रियाओं (जैसे रासायनिक संश्लेषण या जैविक परख) को चरण-दर-चरण बनाया जा सके। और निरंतर-प्रवाह माइक्रोफ्लुइडिक्स के विपरीत, डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स[3] पारंपरिक बेंच-टॉप प्रोटोकॉल के समान ही बहुत कम मात्रा और बहुत अधिक स्वचालन के साथ काम करता है। इस प्रकार स्थापित रासायनिक प्रक्रियाओं और प्रोटोकॉल की विस्तृत श्रृंखला को मूल रूप से नैनोलीटर ड्रॉपलेट प्रारूप में स्थानांतरित किया जा सकता है। इलेक्ट्रोवेटिंग, डाइइलेक्ट्रोफोरेसिस और इमिसिबल-फ्लुइड फ्लो तीन सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले सिद्धांत हैं, जिनका उपयोग डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण में माइक्रोड्रॉपलेट्स को उत्पन्न करने और परिचालन करने के लिए किया गया है।

एक डिजिटल माइक्रोफ्लूडिक (डीएमएफ) उपकरण सेट-अप उपयोग किए गए सबस्ट्रेट्स, इलेक्ट्रोड, उन इलेक्ट्रोड के कॉन्फ़िगरेशन, एक डाइइलेक्ट्रिक सामग्री का उपयोग, उस डाइइलेक्ट्रिक सामग्री की मोटाई, हाइड्रोफोबिक परतों और प्रायुक्त वोल्टेज पर निर्भर करता है।[4][5]

[[File:डीएमएफ open and closed system.png|alt=|right|frameless|577x577px|क्रॉस सेक्शन व्यू के साथ खुले और बंद डिजिटल माइक्रोफ्लूडिक प्रणाली के ऊपर बैठी जलीय बूंद। इलेक्ट्रोड के सक्रिय होने के बाद यह छोटी बूंद की गति को दर्शाता है। उपयोगकर्ता की आवश्यकताओं (संशोधित इलेक्ट्रोड, इलेक्ट्रोड प्रारूप, प्रयुक्त सामग्री, आदि) को फिट करने के लिए उपकरण डिज़ाइन में परिचालन किया जा सकता है। [3] [4]]]

उपयोग किया जाने वाला सामान्य सब्सट्रेट इस प्रकार का प्रणाली ग्लास है। यह निर्भर करता है कि प्रणाली खुला है या बंद है, कांच की एक या दो परतें होंगी। उपकरण की निचली परत में व्यक्तिगत रूप से नियंत्रित करने योग्य इलेक्ट्रोड की प्रारूप वाली सरणी होती है।[4] जब बंद प्रणाली को देखते हैं, तो सामान्यतः इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) की ऊपरी परत के माध्यम से पाया जाने वाला निरंतर ग्राउंड इलेक्ट्रोड होता है। डाइइलेक्ट्रिक परत उपकरण की निचली परत में इलेक्ट्रोड के आसपास पाई जाती है और उपकरण पर आवेश और इलेक्ट्रिकल क्षेत्र ग्रेडिएंट बनाने के लिए महत्वपूर्ण है।[5] सतह की ऊर्जा को कम करने के लिए प्रणाली की शीर्ष परत पर हाइड्रोफोबिक परत प्रायुक्त की जाती है जहां बूंद वास्तव में हमारे संपर्क में होगी।[5] प्रायुक्त वोल्टेज इलेक्ट्रोड को सक्रिय करता है और उपकरण की सतह पर बूंदों की वेटेबिलिटी में बदलाव की अनुमति देता है। छोटी बूंद को स्थानांतरित करने के लिए, नियंत्रण वोल्टेज को छोटी बूंद से सटे इलेक्ट्रोड पर प्रायुक्त किया जाता है, और उसी समय, छोटी बूंद के नीचे इलेक्ट्रोड को निष्क्रिय कर दिया जाता है। इलेक्ट्रोड की रैखिक सरणी के साथ विद्युत क्षमता को अलग करके, इलेक्ट्रोड की इस पंक्ति के साथ बूंदों को स्थानांतरित करने के लिए इलेक्ट्रोवेटिंग का उपयोग किया जा सकता है।[6]

इस नींव में संशोधन को मूल डिजाइन संरचना में भी रखा जा सकता है। इसका उदाहरण इंडियम टिन ऑक्साइड परत (एक बंद प्रणाली में ग्राउंड इलेक्ट्रोड) के अन्दर इलेक्ट्रोकेमिलुमिनेसिसेंस डिटेक्टरों को जोड़ना है जो बूंदों में ल्यूमिनोफोरस का पता लगाने में सहायता करते हैं।[7] सामान्यतः, डीएमएफ प्रणाली के मूलभूत घटकों को बदलने के लिए विभिन्न सामग्रियों का भी उपयोग किया जा सकता है जैसे कि सब्सट्रेट के लिए ग्लास के अतिरिक्त पॉलीडाइमिथाइलसिलोक्सेन का उपयोग।[8] सामग्री के वाष्पीकरण को रोकने और सतह के संदूषण को कम करने के लिए बंद प्रणाली में तरल सामग्री, जैसे तेल या अन्य पदार्थ को जोड़ा जा सकता है।[6][9] इसके अतिरिक्त, डीएमएफ प्रणाली बंद उपकरण में तेल के उपयोग के साथ या खुले डीएमएफ उपकरण पर कैटेना (एक निलंबित तार) के उपयोग के साथ आयनिक तरल बूंदों के साथ संगत हो सकता है।[9]

डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स प्रकाश-सक्रिय हो सकते हैं। ऑप्टोइलेक्ट्रोवेटिंग का उपयोग प्रतिरूपित फोटोकंडक्टिविटी वाली सतह के चारों ओर ड्रॉप (तरल) के परिवहन के लिए किया जा सकता है।[10] फोटोइलेक्ट्रोवेटिंग प्रभाव[11] प्रारूप वाले इलेक्ट्रोड की आवश्यकता के बिना सिलिकॉन वेफर पर छोटी बूंद परिवहन प्राप्त करने के लिए भी उपयोग किया जा सकता है।[12]

कार्य सिद्धांत

द्रव के पृष्ठ तनाव गुणों का उपयोग करके बूंदों का निर्माण होता है। उदाहरण के लिए, मोम पेपर जैसी हाइड्रोफोबिक सतह पर रखा गया पानी सतह के साथ अपने संपर्क को कम करने के लिए गोलाकार बूंदों का निर्माण करेगा।[13] सतह हाइड्रोफोबिसिटी में अंतर संपर्क कोण को बदलकर तरल की फैलने और सतह को 'गीला' करने की क्षमता को प्रभावित करता है।[14] जैसे-जैसे सतह की हाइड्रोफोबिसिटी बढ़ती है, संपर्क कोण बढ़ता है, और सतह को गीला करने की छोटी बूंद की क्षमता कम हो जाती है। संपर्क कोण में परिवर्तन, और इसलिए गीलापन, यंग-लिपमैन समीकरण द्वारा नियंत्रित किया जाता है।[4][9][5]

जहाँ प्रायुक्त वोल्टेज के साथ संपर्क कोण है; बिना वोल्टेज वाला संपर्क कोण है; डाइइलेक्ट्रिक की सापेक्ष पारगम्यता है; निर्वात परमिटिटिविटी है; तरल/भराव मीडिया सतही तनाव है; डाइइलेक्ट्रिक मोटाई है।[5]

कुछ स्थितियों में, विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके सब्सट्रेट की हाइड्रोफोबिसिटी को नियंत्रित किया जा सकता है। यह डाइइलेक्ट्रिक (ईडब्ल्यूओडी) पर इलेक्ट्रोवेटिंग घटना को संदर्भित करता है।[5] उदाहरण के लिए, जब किसी इलेक्ट्रोड पर कोई विद्युत क्षेत्र प्रायुक्त नहीं होता है, तो सतह हाइड्रोफोबिक रहेगी और तरल बूंद अधिक संपर्क कोण के साथ अधिक गोलाकार छोटी बूंद बनाएगी। जब विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है, तो ध्रुवीकृत हाइड्रोफिलिक सतह बनाई जाती है। पानी की बूंद तब चपटी हो जाती है और संपर्क कोण कम हो जाता है। इस ध्रुवीकरण के स्थानीयकरण को नियंत्रित करके, हम इंटरफेशियल टेंशन ग्रेडिएंट बना सकते हैं जो डीएमएफ उपकरण की सतह पर छोटी बूंद के नियंत्रित विस्थापन की अनुमति देता है।[6]


बूंद गठन

डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण के साथ नई बूंदों को बनाने के दो विधियाँ हैं। या तो स्थित बूंद को दो में विभाजित किया जा सकता है, या सामग्री के भंडार से नई बूंद बनाई जा सकती है।[15] दोनों प्रक्रियाओं को केवल बंद उपकरणों में काम करने के लिए जाना जाता है,[9][16] चूंकि यह अधिकांश कोई समस्या नहीं है क्योंकि डीएमएफ उपकरणों की शीर्ष प्लेटें सामान्यतः हटाने योग्य होती हैं,[17] इसलिए खुले उपकरण को अस्थायी रूप से बंद किया जा सकता है, छोटी बूंद का गठन आवश्यक होना चाहिए।A droplet being split in a digital microfluidic device. प्रारंभ में, बूंदों का एक गोलाकार खंड जैसा आकार होता है। दोनों तरफ चार्ज किए गए इलेक्ट्रोड छोटी बूंद को विपरीत दिशाओं में खींचते हैं, जिससे बीच में एक पतली गर्दन के साथ दोनों छोर पर तरल का एक बल्ब बनता है, डंबल के विपरीत नहीं। जैसे ही सिरों को खींचा जाता है, गर्दन पतली हो जाती है और जब गर्दन के दोनों किनारे मिलते हैं, तो गर्दन ढह जाती है, दो अलग-अलग बूंदों का निर्माण होता है, प्रत्येक आवेशित इलेक्ट्रोड पर एक।

स्थित छोटी बूंद से

अपरिवर्तित इलेक्ट्रोड पर छोटी बूंद के विपरीत पक्षों पर दो इलेक्ट्रोड आवेश करके छोटी बूंद को विभाजित किया जा सकता है। उसी तरह अनावेशित इलेक्ट्रोड पर छोटी बूंद आसन्न, आवेशित इलेक्ट्रोड की ओर जाएगी,[6] यह छोटी बूंद दोनों सक्रिय इलेक्ट्रोड की ओर बढ़ेगी। तरल पदार्थ दोनों ओर चला जाता है, जिससे बूंद का मध्य भाग गर्दन तक आ जाता है।[15] इलेक्ट्रोड के समान आकार की छोटी बूंद के लिए, विभाजन लगभग तब होगा जब , क्योंकि गर्दन सबसे पतली होगी।[15] गर्दन पर मेनिस्कस (तरल) की वक्रता की त्रिज्या है, जो अवतल वक्र के लिए ऋणात्मक है, और बूंद के लंबे सिरों पर मेंइसकी की वक्रता की त्रिज्या है। यह प्रक्रिया सरल है और समान मात्रा की दो बूंदों में लगातार परिणाम देती है।[15][18]

पारंपरिक विधि[19][15] एक वर्तमान छोटी बूंद को केवल विभाजित इलेक्ट्रोड को प्रारंभ और बंद करके विभाजित करने से अपेक्षाकृत समान मात्रा की नई बूंदों का उत्पादन होता है। हालांकि, पारंपरिक विधि द्वारा बनाई गई नई बूंदों के आयतन में काफी अंतर दिखाई देता है।[20][21] यह अंतर तीव्र जन परिवहन के कारण स्थानीय गड़बड़ियों के कारण होता है।[21] तथापि अंतर कुछ अनुप्रयोगों में नगण्य है, यह अभी भी उन अनुप्रयोगों में समस्या उत्पन्न कर सकता है जो मात्रा में भिन्नता के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हैं,[22][23] जैसे इम्यूनोसेज़[24] और डीएनए प्रवर्धन।[25] पारंपरिक विधि की सीमा को पार करने के लिए, एक वर्तमान छोटी बूंद को विभाजित करने वाले क्षेत्र में इलेक्ट्रोड की क्षमता को धीरे-धीरे बदलकर उन्हें प्रारंभ और बंद करने के अतिरिक्त विभाजित किया जा सकता है।[21] इस पद्धति का उपयोग करते हुए, मात्रा में लगभग 10% भिन्नता से मात्रा में 1% से कम भिन्नता तक, छोटी मात्रा में भिन्नता में उल्लेखनीय सुधार की सूचना दी गई है।[21]


जलाशय से

तरल के जलाशय से नई बूंद का निर्माण उसी तरह से किया जा सकता है जैसे छोटी बूंद को विभाजित करना। इस मामले में, जलाशय स्थिर रहता है जबकि जलाशय से तरल निकालने के लिए इलेक्ट्रोड के अनुक्रम का उपयोग किया जाता है। यह खींचा हुआ तरल और जलाशय तरल की गर्दन बनाते हैं, जो विभाजित बूंद की गर्दन के समान होती है, किन्तु लंबी होती है, और इस गर्दन के ढहने से खींची गई तरल से बिखरी हुई बूंद बन जाती है।[15][26] बंटवारे के विपरीत, चूंकि, इस विधियाँ से बूंदों का वितरण पैमाने और परिणामों में असंगत है। गर्दन के ढहने के लिए जलाशय से तरल को खींचने की कोई विश्वसनीय दूरी नहीं है, अगर यह बिल्कुल भी गिर जाए।[27] चूंकि यह दूरी अलग-अलग होती है, उसी उपकरण में छोड़ी गई बूंदों की मात्रा भी अलग-अलग होगी।[27]

इन विसंगतियों के कारण, बूंदों के वितरण के लिए वैकल्पिक विधियों का उपयोग किया गया है और प्रस्तावित किया गया है, जिसमें जलाशयों से तरल को ज्यामिति में निकालना सम्मिलित है जो पतली गर्दन को मजबूर करता है,[15][28] निरंतर और पुनःपूर्ति योग्य इलेक्ट्रोवेटिंग चैनल का उपयोग करके,[22] और जलाशयों को कोनों में ले जाना जिससे जलाशय को बीच से काट दिया जा सके।[18][28] उत्तरार्द्ध के कई पुनरावृत्तियों से अधिक प्रबंधनीय आकार की बूंदों का उत्पादन हो सकता है।

बूंद परिचालन

बूंदों का विलय

जैसा कि एक वर्तमान छोटी बूंद को इलेक्ट्रोड का उपयोग करके असतत बूंदों के रूप में विभाजित किया जा सकता है (एक वर्तमान छोटी बूंद से देखें),[19][15] बूंदों को इलेक्ट्रोड द्वारा भी बूंद में मिलाया जा सकता है।[29][15] इलेक्ट्रोड के साथ स्थित छोटी बूंद को विभाजित करके नई बूंदों को बनाने के लिए प्रायुक्त ही अवधारणा का उपयोग करते हुए, अपरिवर्तित इलेक्ट्रोड पर आराम करने वाली जलीय बूंद आवेश इलेक्ट्रोड की ओर बढ़ सकती है जहां बूंदें जुड़ जाएंगी और बूंद में विलीन हो जाएंगी।[29][15] चूँकि, सतह के तनाव के कारण विलय की प्रक्रिया समाप्त होने के बाद भी मर्ज की गई छोटी बूंद सदैव गोलाकार आकार नहीं बना सकती है।[15] बूंदों और इलेक्ट्रोड के बीच सुपरहाइड्रोफोबिक सतह को प्रायुक्त करके इस समस्या को हल किया जा सकता है।[29] तेल की बूंदों को भी इसी तरह मिलाया जा सकता है, किन्तु तेल की बूंदें जलीय बूंदों के विपरीत अपरिवर्तित इलेक्ट्रोड की ओर बढ़ेंगी।[30]

छोटी बूंद परिवहन

इलेक्ट्रोड की सरणी का उपयोग करके असतत बूंदों को अत्यधिक नियंत्रित विधियाँ से ले जाया जा सकता है।[31][32][30] उसी तरह बूंदों को अपरिवर्तित इलेक्ट्रोड से आवेश इलेक्ट्रोड में स्थानांतरित किया जाता है, या इसके विपरीत, बूंदों को लगातार इलेक्ट्रोड के साथ इलेक्ट्रोड को क्रमिक रूप से सक्रिय करके ले जाया जा सकता है।[33][30][15] चूंकि छोटी बूंदों के परिवहन में इलेक्ट्रोड की सरणी सम्मिलित होती है, इसलिए कई इलेक्ट्रोड को कई बूंदों के परिवहन पर बेहतर नियंत्रण के लिए प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर उपर्युक्त रूप से वोल्टेज प्रायुक्त करने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है।[33]

इलेक्ट्रोस्टैटिक सक्रियण द्वारा विस्थापन

बंद प्रणाली को प्रायुक्त करने से त्रि-आयामी छोटी बूंदों का सक्रियण संभव हो गया है; इस प्रणाली में अमिश्रणीय द्रव माध्यम में μL आकार की छोटी बूंद होती है। बूंद और माध्यम को दो विद्युत चुम्बकीय प्लेटों के बीच सैंडविच किया जाता है, जिससे दो प्लेटों के बीच EM क्षेत्र बनता है।[34][35] इस पद्धति का उद्देश्य निचली तलीय सतह से छोटी बूंद को ऊपरी समानांतर तलीय सतह पर स्थानांतरित करना और इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों के माध्यम से वापस नीचे करना है।[34][36] इस तरह के कण सक्रियण और लंबवत गति के पीछे की भौतिकी को एन. एन. लेबेडेव और आई. पी. स्कालस्काया के शुरुआती कार्यों से समझा जा सकता है।[37] अपने शोध में, उन्होंने पूरी तरह से प्रवाहकीय और असीम रूप से फैलने वाली सतह के कारण समान चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में पूरी तरह से गोल प्रवाहकीय कण द्वारा अधिग्रहित मैक्सवेल विद्युत आवेश को मॉडल करने का प्रयास किया था।[37] उनका मॉडल उपकरण के अन्दर माइक्रोड्रॉपलेट्स की Z-दिशा गति की भविष्यवाणी करने में सहायता करता है क्योंकि यह सूक्ष्म बूंद पर कार्य करने वाली ताकतों की परिमाण और दिशा को निरुपित करता है। इसका उपयोग अवांछित और अनियंत्रित कण गति के लिए त्रुटिहीन रूप से भविष्यवाणी करने और सही करने में सहायता के लिए किया जा सकता है। मॉडल बताता है कि दो सतहों में से पर डाइइलेक्ट्रिक कोटिंग लगाने में विफल होने से प्रत्येक इलेक्ट्रोड के संपर्क में छोटी बूंद के अन्दर आवेश का व्युत्क्रम हो जाता है और बदले में बूंदों को इलेक्ट्रोड के बीच अनियंत्रित रूप से उछाल का कारण बनता है।

डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स (डीएमएफ), पहले से ही कई जैविक क्षेत्रों में आसानी से अनुकूलित हो चुका है।[38][39][40] डीएमएफ के अन्दर त्रि-आयामी गति को सक्षम करके, जैविक अनुप्रयोगों में प्रौद्योगिकी का और भी अधिक व्यापक रूप से उपयोग किया जा सकता है, क्योंकि यह 3-डी सूक्ष्म वातावरण की अधिक त्रुटिहीन नकल कर सकता है। इस प्रकार की विधि को नियोजित करने का बड़ा लाभ यह है कि यह दो अलग-अलग वातावरणों को छोटी बूंद से सुलभ होने की अनुमति देता है, जिसका लाभ दो सतहों के बीच माइक्रोफ्लुइडिक कार्यों को विभाजित करके लिया जा सकता है। उदाहरण के लिए, जबकि निचले तल का उपयोग बूंदों को स्थानांतरित करने के लिए किया जा सकता है, ऊपरी प्लेट आवश्यक रासायनिक और/या जैविक प्रक्रियाओं को पूरा कर सकती है।[34] इस लाभ का जैविक समुदाय में व्यावहारिक प्रयोग प्रोटोकॉल में अनुवाद किया जा सकता है, जैसे डीएनए प्रवर्धन के साथ युग्मन।[41][36][42] यह चिप को छोटा करने की भी अनुमति देता है, और शोधकर्ताओं को माइक्रोड्रॉपलेट विश्लेषण के लिए प्लेटफॉर्म डिजाइन करने में अधिक स्वतंत्रता देता है।[34]


ऑल-टेरेन ड्रॉपलेट एक्चुएशन (एटीडीए)

ऑल-टेरेन माइक्रोफ्लुइडिक्स विधि है जिसका उपयोग गैर-पारंपरिक सतह प्रकारों पर तरल बूंदों के परिवहन के लिए किया जाता है।[43] पारंपरिक माइक्रोफ्लुइडिक्स प्लेटफॉर्म के विपरीत, जो आम तौर पर प्लानर और क्षैतिज सतहों तक ही सीमित हैं, एटीडीए घुमावदार, गैर-क्षैतिज और उल्टे सतहों पर छोटी बूंदों को परिचालन करने में सक्षम बनाता है।[43] यह तेजी से प्रोटोटाइप विधि के माध्यम से सतह में तांबे और पॉलीमाइड की लचीली पतली चादरों को सम्मिलित करके संभव बनाया गया है।[43][44] यह उपकरण कई तरल पदार्थों के साथ बहुत अच्छी तरह से काम करता है, जिसमें जलीय बफ़र्स, प्रोटीन और डीएनए के समाधान, और बिना मिलाए गोजातीय सीरम सम्मिलित हैं।[43] एटीडीए सिलिकॉन तेल या प्लूरोनिक एडिटिव्स जैसे F-68 के साथ संगत है, जो प्रोटीन, जैविक सीरम और डीएनए जैसे जैविक तरल पदार्थों से निपटने के समय गैर-विशिष्ट अवशोषण और जैव-दूषण को कम करता है।[43][45] इस तरह के समूहअप की खामी यह है कि बूंदों का तेजी से वाष्पीकरण होता है।[43] एटीडीए खुले डिजिटल माइक्रोफ्लूइडिक्स का रूप है, और इस तरह उपकरण को बूंदों के वाष्पीकरण को कम करने के लिए आर्द्र वातावरण में समझाया जाना चाहिए।[46]

कार्यान्वयन

ईडब्ल्यूओडी-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक बायोचिप्स के विभिन्न अवतारों में से में, 1987 में साइटोनिक्स द्वारा पहली बार जांच की गई[47] और बाद में उन्नत लिक्विड लॉजिक द्वारा व्यावसायीकरण किया गया, दो समानांतर ग्लास प्लेटें हैं। नीचे की प्लेट में व्यक्तिगत रूप से नियंत्रित इलेक्ट्रोड की प्रारूप वाली सरणी होती है और शीर्ष प्लेट को निरंतर ग्राउंड (बिजली) के साथ लेपित किया जाता है। जल विरोधी के साथ लेपित डाइइलेक्ट्रिक विद्युत इन्सुलेशन सतह की गीली-क्षमता को कम करने और बूंद और नियंत्रण इलेक्ट्रोड के बीच समाई जोड़ने के लिए प्लेटों में जोड़ा जाता है। बूंदों में जैव रासायनिक मानक और भराव माध्यम, जैसे कि सिलिकॉन तेल, फ्लोरिनेटेड तेल, या हवा, प्लेटों के बीच सैंडविच होते हैं और बूंदों को भराव माध्यम के अंदर यात्रा करते हैं। छोटी बूंद को स्थानांतरित करने के लिए, नियंत्रण वोल्टेज को छोटी बूंद से सटे इलेक्ट्रोड पर प्रायुक्त किया जाता है, और उसी समय, छोटी बूंद के नीचे इलेक्ट्रोड को निष्क्रिय कर दिया जाता है। इलेक्ट्रोड की रैखिक सरणी के साथ विद्युत क्षमता को अलग करके, इलेक्ट्रोड की इस पंक्ति के साथ बूंदों को स्थानांतरित करने के लिए इलेक्ट्रोवेटिंग का उपयोग किया जा सकता है।

अनुप्रयोग

प्रयोगशाला स्वचालन

संश्लेषित जीव विज्ञान विज्ञान जैसे अनुसंधान क्षेत्रों में, जहां अत्यधिक पुनरावृत्त प्रयोग आम है, वर्कफ़्लोज़ को स्वचालित करने के लिए काफी प्रयास किए गए हैं।[48][49][50] डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स को अधिकांश प्रयोगशाला स्वचालन समाधान के रूप में देखा जाता है, जिसमें लिक्विड हैंडलिंग रोबोट और बूंद-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक्स जैसे वैकल्पिक समाधानों पर कई लाभ हैं।[51][52][53] इन बताए गए फायदों में अधिकांश प्रायोगिक अभिकर्मकों की आवश्यक मात्रा में कमी, संदूषण और क्रॉस-संदूषण की संभावना में कमी, पुनरुत्पादन में संभावित सुधार, थ्रूपुट में वृद्धि, व्यक्तिगत छोटी बूंदों की क्षमता और साथ एकीकृत करने की क्षमता सम्मिलित है। सेंसर और डिटेक्टर मॉड्यूल एंड-टू-एंड या यहां तक ​​कि बंद लूप वर्कफ़्लो ऑटोमेशन करने के लिए।[51][52][53][54]


कम प्रयोगात्मक पदचिह्न

डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स और सामान्य रूप से माइक्रोफ्लुइडिक्स के मुख्य लाभों में से एक, माइक्रोलिटर स्केल आयतन के लिए पिकोलिटर का उपयोग और क्रियान्वयन है। बेंच से डीएमएफ प्रणाली के लिए अनुकूलित वर्कफ़्लोज़ को छोटा किया जाता है, जिसका अर्थ है कि काम की मात्रा को पारंपरिक विधियों के लिए सामान्य रूप से आवश्यक अंशों तक कम कर दिया जाता है। उदाहरण के लिए, थाईट्रोंग एट अल। अगली पीढ़ी अनुक्रमण (एनजीएस) पुस्तकालय लक्षण वर्णन की प्रक्रिया को स्वचालित करने के उद्देश्य से एक केशिका वैद्युतकणसंचलन (सीई) मॉड्यूल के साथ डीएमएफ प्रणाली विकसित किया था। एगिलेंट टेक्नोलॉजीज जैवविश्लेषक (सामान्यतः अनुक्रमण लाइब्रेरी आकार वितरण को मापने के लिए उपयोग किया जाने वाला उपकरण) की तुलना में, डीएमएफ-सीई प्रणाली ने दस गुना कम मानक मात्रा का उपभोग किया।[55] वर्कफ़्लो के लिए आयतन कम करना विशेष रूप से लाभदायक हो सकता है यदि अभिकर्मक महंगे हों या दुर्लभ मानकों जैसे कि ट्यूमर कोशिकाओं और प्रसवपूर्व मानकों को परिचालित करते हैं।[53] लघुकरण का अर्थ अपशिष्ट उत्पाद की मात्रा में कमी भी है।

संदूषण की कम संभावना

डीएमएफ-आधारित कार्यप्रवाह, विशेष रूप से टॉप-प्लेट ग्राउंड इलेक्ट्रोड के साथ बंद विन्यास का उपयोग करने वालों को कुछ पारंपरिक प्रयोगशाला कार्यप्रवाहों की तुलना में बाहरी संदूषण के प्रति कम संवेदनशील दिखाया गया है। इसे स्वचालित चरणों के समय न्यूनतम उपयोगकर्ता सहभागिता के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, और तथ्य यह है कि बड़ी मात्रा की तुलना में छोटी मात्रा पर्यावरण प्रदूषकों के लिए कम प्रकाशित होती है, जिसे मिश्रण के समय खुली हवा में प्रकाशित करने की आवश्यकता होती है। रुआन एट अल ने अपने डीएमएफ-आधारित डिजिटल संपूर्ण जीनोम अनुक्रमण प्रणाली का उपयोग करते हुए बहिर्जात अमानवीय डीएनए से न्यूनतम संदूषण और नमूनों के बीच कोई क्रॉस-संदूषण नहीं देखा।[53]


बेहतर प्रजनन क्षमता

पुनरुत्पादन के उद्देशों पर नियंत्रण पाना वैज्ञानिक विषयों में बढ़ती चिंता का विषय बन गया है।[56] ही प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल के कई पुनरावृत्तियों को दोहराने की आवश्यकता होने पर पुनरुत्पादन विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो सकता है।[57] लिक्विड हैंडलिंग रोबोट का उपयोग करना, जो प्रायोगिक चरणों के बीच आयतन हानि को कम कर सकता है, अधिकांश त्रुटि दर को कम करने और पुनरुत्पादन में सुधार करने के लिए उपयोग किया जाता है। सीआरआईएसपीआर जीन 9 संपादन के लिए एक स्वचालित डीएमएफ सिस्टम सिन्हा एट अल द्वारा वर्णित किया गया था और H1299 फेफड़ों के कैंसर कोशिकाओं को संस्कृति और आनुवंशिक रूप से संशोधित करने के लिए उपयोग किया गया था। लेखकों ने नोट किया कि लोकी में जीन नॉकआउट में कोई भिन्नता नहीं देखी गई जब डीएमएफ उपकरण पर कोशिकाओं को सुसंस्कृत किया गया, जबकि अच्छी प्लेटों में संवर्धित कोशिकाओं ने अपस्ट्रीम लोकी नॉकआउट क्षमता में परिवर्तनशीलता दिखाई। परिवर्तनशीलता में इस कमी को अच्छी तरह से प्लेट विधियों की तुलना में डीएमएफ उपकरण पर अधिक समरूप और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य बनाने के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था।[58]


बढ़ा हुआ थ्रूपुट

जबकि डीएमएफ प्रणाली कुछ तरल हैंडलिंग पिपेटिंग रोबोट, या कुछ बूंद-आधारित माइक्रोफ्लुइडिक प्रणाली द्वारा प्राप्त समान थ्रूपुट से मेल नहीं खा सकते हैं, मानवीकृत रूप से किए गए पारंपरिक विधियों की तुलना में अभी भी थ्रूपुट लाभ हैं।[59]


व्यक्तिगत छोटी बूंद पता

डीएमएफ ड्रॉपलेट लेवल एड्रेसबिलिटी की अनुमति देता है, जिसका अर्थ है कि अलग-अलग बूंदों को स्थानिक रूप से अलग माइक्रोरिएक्टर के रूप में माना जा सकता है।[51]बूंदों के नियंत्रण का यह स्तर वर्कफ़्लोज़ के लिए महत्वपूर्ण है जहां प्रतिक्रियाएं अभिकर्मक मिश्रण और ऊष्मायन समय के क्रम के प्रति संवेदनशील होती हैं, किन्तु जहां इन मापदंडों के इष्टतम मूल्यों को अभी भी निर्धारित करने की आवश्यकता हो सकती है। सेल-फ्री प्रणाली, और लियू एट अल में इस प्रकार के वर्कफ़्लोज़ सामान्य हैं। ओपनड्रॉप चिप पर रिमोट-नियंत्रित सेल मुक्त प्रोटीन संश्लेषण करने के लिए प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट डीएमएफ-आधारित रणनीति प्रदर्शित करने में सक्षम थे।[60]

एंड-टू-एंड और क्लोज्ड-लूप ऑटोमेशन के लिए डिटेक्टर मॉड्यूल इंटीग्रेशन

अधिकांश उद्धृत लाभ डीएमएफ प्लेटफार्मों में ऑन-चिप सेंसर और ऑफ-चिप डिटेक्टर मॉड्यूल के साथ एकीकृत करने की उनकी क्षमता है।[51][60]सिद्धांत रूप में, पैरामीटर अनुकूलन की प्रक्रिया को स्वचालित करने के लिए रीयल-टाइम और एंड-पॉइंट डेटा का उपयोग मशीन सीखने के विधियों के संयोजन के साथ किया जा सकता है।

पृथक्करण और निष्कर्षण

डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स का उपयोग लक्ष्य विश्लेषणों के पृथक्करण और निष्कर्षण के लिए किया जा सकता है। इन विधियों में चुंबकीय कणों[61] तरल-तरल निष्कर्षण,[62] ऑप्टिकल चिमटी,[63] और द्रव गतिकी का उपयोग सम्मिलित है।[64][65][66][67][68][69][70][71]

चुंबकीय कण

चुंबकीय कण पृथक्करण के लिए रुचि के विश्लेषण वाले घोल की छोटी बूंद को डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स इलेक्ट्रोड सरणी पर रखा जाता है और इलेक्ट्रोड के आवेशों में परिवर्तन द्वारा स्थानांतरित किया जाता है। छोटी बूंद को सरणी के तरफ चुंबक के साथ इलेक्ट्रोड में ले जाया जाता है जिसमें चुंबकीय कणों को विश्लेषण के लिए बाध्य करने के लिए क्रियाशील किया जाता है। फिर इसे इलेक्ट्रोड के ऊपर ले जाया जाता है, चुंबकीय क्षेत्र को हटा दिया जाता है और कणों को छोटी बूंद में निलंबित कर दिया जाता है। मिश्रण सुनिश्चित करने के लिए छोटी बूंद को इलेक्ट्रोड सरणी पर घुमाया जाता है। चुंबक को फिर से लगाया जाता है और कण स्थिर हो जाते हैं और छोटी बूंद दूर चली जाती है। विश्लेषण को निकालने के लिए इस प्रक्रिया को धोने और रेफरेंस बफ़र्स के साथ दोहराया जाता है।[64][65][66][67][68][69][70][71]

मानव सीरम एल्ब्यूमिन एंटीबॉडी के साथ लेपित चुंबकीय कणों का उपयोग मानव सीरम एल्ब्युमिन को अलग करने के लिए किया गया है, डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स का उपयोग करके इम्यूनोप्रेजर्वेशन के लिए अवधारणा कार्य के प्रमाण के रूप में।5 डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स के साथ पूरे रक्त के मानक से डीएनए निष्कर्षण भी किया गया है।3 प्रक्रिया चुंबकीय कणों के रूप में सामान्य कार्यप्रणाली का अनुसरण करती है, किन्तु इसमें डीएनए निष्कर्षण से पहले कोशिकाओं को नष्ट करने के लिए डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक प्लेटफॉर्म पर पूर्व-उपचार सम्मिलित है।[66]


तरल-तरल निष्कर्षण

अमिश्रणीय तरल पदार्थों का लाभ उठाकर डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक उपकरण पर तरल-तरल निष्कर्षण किया जा सकता है।9 दो बूंदें, में जलीय चरण में विश्लेषण होता है, और दूसरा अमिश्रणीय आयनिक तरल इलेक्ट्रोड सरणी पर मौजूद होता है। दो बूंदों को मिलाया जाता है और आयनिक तरल विश्लेषण को निकालता है, और बूंदों को आसानी से अलग किया जा सकता है।[62]


ऑप्टिकल चिमटी

बूंदों में कोशिकाओं को अलग करने के लिए ऑप्टिकल चिमटी का भी उपयोग किया गया है। इलेक्ट्रोड सरणी पर दो बूंदों को मिलाया जाता है, में कोशिकाएं होती हैं, और दूसरी में पोषक तत्व या दवाएं होती हैं। बूंदों को मिश्रित किया जाता है और फिर कोशिकाओं को विभाजित होने से पहले बड़ी बूंद के तरफ ले जाने के लिए ऑप्टिकल चिमटी का उपयोग किया जाता है।[72][63] अंतर्निहित सिद्धांतों पर अधिक विस्तृत विवरण के लिए, ऑप्टिकल चिमटी देखें।

हाइड्रोडायनामिक पृथक्करण

कणों को चुंबकीय पृथक्करण के बाहर उपयोग के लिए प्रायुक्त किया गया है, हाइड्रोडायनामिक बलों के साथ बूंदों के थोक से कणों को अलग करने के लिए।[61] यह इलेक्ट्रोड सरणियों पर केंद्रीय इलेक्ट्रोड और उसके आसपास के इलेक्ट्रोड के 'स्लाइस' के साथ किया जाता है। बूंदों को सरणी पर जोड़ा जाता है और परिपत्र प्रारूप में घुमाया जाता है, और घुमावदार से हाइड्रोडायनामिक बल कणों को केंद्रीय इलेक्ट्रोड पर एकत्रित करने का कारण बनता है।[61]


रासायनिक संश्लेषण

डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स (डीएमएफ) तरल अभिकर्मकों के सूक्ष्म पैमाने की मात्रा को नियंत्रित करने की क्षमता के कारण छोटे पैमाने पर रासायनिक संश्लेषण प्रतिक्रियाओं में त्रुटिहीन परिचालन और समन्वय की अनुमति देता है, जिससे समग्र कम अभिकर्मक उपयोग और अपशिष्ट की अनुमति मिलती है।[73] इस विधि का उपयोग पेप्टाइडोमिमेटिकस और पोजीट्रान एमिशन टोमोग्राफी ट्रैसर जैसे संश्लेषण यौगिकों में किया जा सकता है।[74][75][76] पॉज़िट्रॉन एमिशन टोमोग्राफी ट्रैसर को नैनोग्राम मात्रा की आवश्यकता होती है और इस तरह, डीएमएफ पारंपरिक मैक्रो-स्केल विधियों की तुलना में 90-95% दक्षता के साथ ट्रैसर के स्वचालित और तेजी से संश्लेषण की अनुमति देता है।[75][77]

डीएमएफ में सामान्यतः कार्बनिक अभिकर्मकों का उपयोग नहीं किया जाता है क्योंकि वे डीएमएफ उपकरण को गीला कर देते हैं और बाढ़ का कारण बनते हैं; चूंकि कार्बनिक अभिकर्मकों का संश्लेषण डीएमएफ विधियों के माध्यम से जैविक अभिकर्मकों को आयनिक तरल बूंद के माध्यम से ले जाकर प्राप्त किया जा सकता है, इस प्रकार कार्बनिक अभिकर्मक को डीएमएफ उपकरण में बाढ़ से रोका जा सकता है।[78] बूंदों को विपरीत आवेशों को प्रेरित करके साथ जोड़ा जाता है और इस प्रकार उन्हें दूसरे की ओर आकर्षित किया जाता है।[79] यह बूंदों के स्वचालित मिश्रण की अनुमति देता है। बूंदों के मिश्रण का उपयोग कुओं में अभिकर्मकों को वितरित करके और क्रिस्टल जमाव के समाधान को वाष्पित करके मुद्रण के लिए धातु-कार्बनिक संरचना के क्रिस्टल को जमा करने के लिए भी किया जाता है।[80] धातु-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क क्रिस्टल निक्षेपण की यह विधि अपेक्षाकृत सस्ती है और इसके लिए व्यापक रोबोटिक उपकरणों की आवश्यकता नहीं होती है।[80]

डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स (डीएमएफ) का उपयोग करके रासायनिक संश्लेषण को कई उल्लेखनीय जैविक प्रतिक्रियाओं पर प्रायुक्त किया गया है। इनमें पोलीमरेज श्रृंखला अभिक्रिया (पीसीआर), साथ ही डीएनए और पेप्टाइड्स का निर्माण सम्मिलित है।[78][81] न्यूनीकरण, ऐल्किलीकरण, और एंजाइमैटिक पाचन ने भी डीएमएफ का उपयोग करते हुए मजबूती और पुनरुत्पादनीयता दिखाई है, जो प्रोटिओमिक्स के संश्लेषण और हेर-फेर की क्षमता का संकेत देता है।[82] इन प्रतिक्रियाओं के उत्पादों से प्राप्त स्पेक्ट्रा अधिकांश उनके पुस्तकालय स्पेक्ट्रा के समान होते हैं, जबकि केवल बेंच-स्केल रिएक्टेंट्स के छोटे से अंश का उपयोग करते हैं।[74] इस प्रकार, इन संश्लेषणों को सूक्ष्म पैमाने पर संचालित करने से वांछनीय प्रयोगात्मक परिणाम उत्पन्न करते समय उत्पादित अभिकर्मकों और अपशिष्ट उत्पादों पर खर्च किए गए धन को सीमित करने का लाभ होता है। चूंकि, डीएमएफ के माध्यम से इन प्रतिक्रियाओं को पूरा करने के लिए कई चुनौतियों को दूर करने की आवश्यकता है। उसी सिंथेसिस के बेंच-स्केल संस्करणों की तुलना में रासायनिक प्रतिक्रियाओं में कम दक्षता की रिपोर्टें आई हैं, क्योंकि कम उत्पाद उत्पन्नवार देखी गई है।[81] इसके अतिरिक्त, चूंकि पिकोलिटर और नैनोलिटर आकार के मानकों का विश्लेषण किया जाना चाहिए, इसलिए विश्लेषण में उपयोग किए जाने वाले किसी भी उपकरण को संवेदनशीलता में उच्च होना चाहिए। इसके अतिरिक्त, माइक्रोचैनल्स और जलाशयों को संचालित करने के लिए आवश्यक तारों और पंपों की व्यापक मात्रा के कारण प्रणाली समूहअप अधिकांश मुश्किल होता है।[81] अंत में, मानक अधिकांश विलायक वाष्पीकरण के अधीन होते हैं जो मात्रा में परिवर्तन और अभिकारकों की एकाग्रता की ओर जाता है, और कुछ स्थितियों में प्रतिक्रियाएं पूरी नहीं होती हैं।[83]

डीएमएफ द्वारा संश्लेषित अणुओं की संरचना और शुद्धता अधिकांश क्लासिक विश्लेषणात्मक विधियों का उपयोग करके निर्धारित की जाती है। परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी को संबंधित मध्यवर्ती, उत्पादों और प्रतिक्रिया कैनेटीक्स का विश्लेषण करने के लिए सफलतापूर्वक प्रायुक्त किया गया है।[74][84] संभावित मुद्दा जो एनएमआर के उपयोग के माध्यम से उत्पन्न होता है, कम द्रव्यमान संवेदनशीलता है, चूंकि इसे अलग-अलग द्रव्यमान के अणुओं को अलग करने में सहायता करने वाले माइक्रोकॉइल को नियोजित करके ठीक किया जा सकता है।[74] यह आवश्यक है क्योंकि बेंच-स्केल मानक आकारों की तुलना में माइक्रोलिटर से नैनोलिटर रेंज में मानक आकार के संकेत -से-ध्वनि अनुपात नाटकीय रूप से कम हो गए हैं, और इस उद्देश्यों को समाधान करने के लिए माइक्रोकोइल दिखाए गए हैं।[85] मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एमएस) और उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी (एचपीएलसी) का भी इस चुनौती से निपटने के लिए उपयोग किया गया है।[78][74] यद्यपि एमएस डीएमएफ के माध्यम से प्राप्त प्रतिक्रियाओं के उत्पादों को अलग करने के लिए आकर्षक विश्लेषणात्मक विधि है, किन्तु यह अपनी कमजोरियों को प्रस्तुत करता है। मैट्रिक्स-असिस्टेड लेज़र डिसोर्शन आयनाइज़ेशन (एमएएलडीआई) और इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण (ईएसआई) एमएस को वर्तमान में माइक्रोफ्लुइडिक रासायनिक प्रतिक्रियाओं के विश्लेषण के साथ जोड़ा गया है। चूंकि, इन विधियों से जुड़े क्रिस्टलीकरण और कमजोर पड़ने से अधिकांश प्रतिकूल दुष्प्रभाव होते हैं, जैसे मानक हानि और होने वाली साइड प्रतिक्रियाएं।[17] डीएमएफ में एमएस के उपयोग पर बाद के खंड में अधिक विस्तार से चर्चा की गई है।

सेल कल्चर

क्षेत्र या विश्व-से-चिप इंटरफेस में उपयोग करने के लिए डीएमएफ चिप को कनेक्ट करना मानवीकृत पंप और जलाशयों के माध्यम से पूरा किया गया है जो उपकरण को रोगाणुओं, कोशिकाओं और मीडिया को वितरित करते हैं।[86] व्यापक पंपों और वाल्वों की कमी सरल और कॉम्पैक्ट प्रणाली में निष्पादित कोशिकाओं को सम्मिलित करने वाले विस्तृत बहु-चरणीय अनुप्रयोगों की अनुमति देती है।[59] आवेदन में, माइक्रोबियल संस्कृतियों को चिप पर स्थानांतरित कर दिया गया है और माइक्रोबियल ऊष्मायन के लिए आवश्यक बाँझ प्रक्रियाओं और तापमान के उपयोग के साथ बढ़ने की अनुमति दी गई है। यह सत्यापित करने के लिए कि यह माइक्रोबियल विकास के लिए व्यवहार्य स्थान था, उपकरण में परिवर्तन (आनुवांशिकी) किया गया था।[86] इसमें इशरीकिया कोली को वेक्टर और हीट शॉकिंग बैक्टीरिया को तब तक प्रकाशित करना सम्मिलित है जब तक कि वे डीएनए को ग्रहण नहीं कर लेते है। इसके बाद एग्रोस जेल वैद्युतकणसंचलन चलाकर यह सुनिश्चित किया जाता है कि बैक्टीरिया द्वारा वांछित प्लाज्मिड वेक्टर को ले लिया गया था। इस अध्ययन में पाया गया कि डीएनए वास्तव में बैक्टीरिया द्वारा लिया गया था और भविष्यवाणी के अनुसार व्यक्त किया गया था।

मानव कोशिकाओं को एकल कोशिकाओं (डीआईएससी) में डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक इम्यूनोसाइटो चिकित्सा में भी परिचालन किया गया है, जहां डीएमएफ प्लेटफार्मों का उपयोग सेल में फॉस्फोराइलेटेड प्रोटीन को लेबल करने के लिए संस्कृति और एंटीबॉडी का उपयोग करने के लिए किया गया था।[87] संवर्धित कोशिकाओं को फिर स्क्रीनिंग के लिए हटा दिया जाता है और चिप से हटा दिया जाता है। अन्य विधि डीएमएफ प्लेटफॉर्म के अन्दर हाइड्रोजेल का संश्लेषण करती है। यह प्रक्रिया हाइड्रोजेल का उत्पादन करने के लिए अभिकर्मकों को वितरित करने के लिए इलेक्ट्रोड का उपयोग करती है, और जेल में अवशोषण के लिए सेल संस्कृति अभिकर्मकों की डिलीवरी करती है।[76][45] हाइड्रोजेल 2डी सेल कल्चर पर सुधार है क्योंकि 3डी सेल कल्चर ने सेल-सेल इंटरैक्शन और सेल-बाह्य मैट्रिक्स इंटरैक्शन में वृद्धि की है।[45] गोलाकार सेल कल्चर कोशिकाओं को बूंदों को वितरित करने के लिए डीएमएफ की क्षमता के आसपास विकसित और विधि है। विद्युत क्षमता का अनुप्रयोग सीधे हैंगिंग सेल कल्चर में ड्रॉपलेट ट्रांसफर के स्वचालन की अनुमति देता है।[76]][88] यह 3 आयामी सेल कल्चर के रूप में लाभदायक है और अधिक जैविक रूप से प्रासंगिक संस्कृतियों की अनुमति देकर विवो ऊतक में बेहतर नकल करता है जिसमें मानव शरीर में समान रूप से बाह्य मैट्रिक्स में कोशिकाएं बढ़ रही हैं।[88] सेल कल्चर में डीएमएफ प्लेटफॉर्म का अन्य उपयोग बूंदों के अंदर एकल अणु पोलीमरेज़ श्रृंखला अभिक्रिया का उपयोग करके इन विट्रो सेल-फ्री क्लोनिंग करने की क्षमता है।[89] पोलीमरेज़ श्रृंखला अभिक्रिया प्रवर्धित उत्पादों को फिर खमीर कोशिकाओं में ट्रांसफ़ेक्शन और वेस्टर्न ब्लॉट प्रोटीन पहचान द्वारा मान्य किया जाता है।[89]

डीएमएफ का उपयोग करने वाले सेल कल्चर अनुप्रयोगों से उत्पन्न होने वाली समस्याओं में उपकरण फ्लोर पर प्रोटीन सोखना और कोशिकाओं को साइटोटोक्सिसिटी सम्मिलित हैं। प्लेटफ़ॉर्म के फर्श पर प्रोटीन के सोखने को रोकने के लिए, उपकरण की सतह को कोट करने के लिए पृष्ठसक्रियकारक स्थिर सिलिकॉन तेल या हेक्सेन का उपयोग किया गया था, और बूंदों को तेल या हेक्सेन के ऊपर परिचालन किया गया था।[87] बाद में सेल संस्कृतियों पर जहरीले प्रभाव को रोकने के लिए हेक्सेन को संस्कृतियों से तेजी से वाष्पित किया गया था।[90] प्रोटीन आसंजन को हल करने के लिए और विधि उपकरण में बूंदों के लिए प्लुरोनिक एडिटिव्स को जोड़ना है।[91] प्लूरोनिक योजक सामान्यतः साइटोटॉक्सिक नहीं होते हैं किन्तु कुछ को सेल संस्कृतियों के लिए हानिकारक दिखाया गया है।[46]

जैविक विश्लेषण के लिए उपकरण समूह अप की जैव-संगतता महत्वपूर्ण है। प्लूरोनिक एडिटिव्स खोजने के साथ-साथ जो साइटोटोक्सिक नहीं हैं, ऐसा उपकरण बनाना जिसका वोल्टेज और विघटनकारी गति सेल व्यवहार्यता को प्रभावित नहीं करेगा। लाइव/डेड असेस के रीडआउट के माध्यम से यह दिखाया गया कि बूंदों को स्थानांतरित करने के लिए न तो वोल्टेज की आवश्यकता होती है, न ही चलती संस्कृतियों की गति से सेल व्यवहार्यता प्रभावित होती है।[46]


जैविक निष्कर्षण

जैविक अलगाव में सामान्यतः कम सांद्रता उच्च मात्रा के मानक सम्मिलित होते हैं। यह आवश्यक छोटे मानक मात्रा के कारण डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स के लिए समस्या उत्पन्न कर सकता है।[67] डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक प्रणाली को मैक्रोफ्लुइडिक प्रणाली के साथ जोड़ा जा सकता है जिसे मानक मात्रा कम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, बदले में विश्लेषण एकाग्रता में वृद्धि हुई है।[67] यह पृथक्करण के लिए चुंबकीय कणों के समान सिद्धांतों का पालन करता है, किन्तु चुंबकीय कणों के चारों ओर तरल पदार्थ की बड़ी मात्रा को चक्रित करने के लिए छोटी बूंद को पंप करना सम्मिलित है।[67] सूखे मूत्र के मानकों से ड्रग एनालिटिक्स निकालने की भी सूचना मिली है। निष्कर्षण विलायक की छोटी बूंद, इस मामले में मेथनॉल, सूखे मूत्र के मानक के मानक पर बार-बार प्रवाहित होती है, फिर अंतिम इलेक्ट्रोड में ले जाया जाता है जहां केशिका के माध्यम से तरल निकाला जाता है और फिर मास स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग करके विश्लेषण किया जाता है।[92]

इम्यूनोसैस

डिजिटल माइक्रोफ्लूइडिक्स (डीएमएफ) की उन्नत फ्लूड हैंडलिंग क्षमताएं डीएमएफ को प्रतिरक्षा प्लेटफॉर्म के रूप में अपनाने की अनुमति देती हैं क्योंकि डीएमएफ उपकरण तरल अभिकर्मकों की छोटी मात्रा में परिचालन कर सकते हैं। डीएमएफ प्लेटफॉर्म का उपयोग करके दोनों विषम इम्युनोसेज़ (एंटीजन इमोबिलाइज्ड एंटीबॉडीज के साथ इंटरैक्ट करते हैं) और सजातीय इम्यूनोसेज़ (एंटीबॉडीज सॉल्यूशन में एंटीबॉडीज के साथ इंटरैक्ट करते हैं) विकसित किए गए हैं।[93] विषम इम्यूनोसेज़ के संबंध में, डीएमएफ उपकरण की सतह (ऑन-चिप) पर सभी डिलीवरी, मिश्रण, ऊष्मायन और धुलाई चरणों का प्रदर्शन करके विस्तारित और गहन प्रक्रियात्मक चरणों को सरल बना सकता है। इसके अतिरिक्त, स्थित इम्यूनोऐसे विधि और विधियाँ, जैसे कि चुम्बकीय बीड-आधारित एसेज़, एलिसा और इलेक्ट्रोकेमिकल डिटेक्शन, को डीएमएफ इम्यूनोऐसे प्लेटफॉर्म पर सम्मिलित किया गया है।[94][95][96][97]

मानव इंसुलिन, इंटरल्यूकिन 6|IL-6, कार्डिमार्कर ट्रोपोनिन I (cTnI), थायरॉयड उत्तेजक हार्मोन (TSH) जैसे कई विश्लेषणों का पता लगाने के लिए डीएमएफ इम्यूनोएसे प्लेटफॉर्म पर चुंबकीय मनका-आधारित जांच का समावेश प्रदर्शित किया गया है। ), sTNF-RI, और 17β-एस्ट्राडियोल।[96][98][99][100] उदाहरण के लिए, 8 मिनट से भी कम समय में पूरे रक्त से सीटीएनआई का पता लगाने के लिए चुंबकीय मनका-आधारित दृष्टिकोण का उपयोग किया गया है।[98]संक्षेप में, प्राथमिक एंटीबॉडी वाले चुंबकीय मोतियों को लेबल किए गए माध्यमिक एंटीबॉडी के साथ मिलाया गया था, इनक्यूबेट किया गया था, और धोने के चरणों के लिए चुंबक के साथ स्थिर किया गया था। छोटी बूंद को तब रसायनयुक्त अभिकर्मक के साथ मिलाया गया था और साथ में एंजाइमेटिक प्रतिक्रिया का पता लगाने के लिए फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब के साथ चिप पर मापा गया था।

सामान्यतः इम्युनोसेज़ और अन्य एंजाइम-आधारित बायोकेमिकल एसेज़ करने के लिए उपयोग किए जाने वाले एलिसा टेम्पलेट को आईजीई और आईजीजी जैसे एनालिटिक्स का पता लगाने के लिए डीएमएफ प्लेटफॉर्म के साथ उपयोग के लिए अनुकूलित किया गया है।[101][102] उदाहरण में,[94]आईजीई का पता लगाने के लिए एलिसा आधारित इम्यूनोएसे सहित डीएमएफ उपकरणों की मात्रा का ठहराव क्षमताओं को स्थापित करने के लिए जैवपरख की श्रृंखला आयोजित की गई थी। सुपरपराचुम्बकीय नैनोपार्टिकल्स को एलिसा टेम्प्लेट का उपयोग करके IgE की मात्रा निर्धारित करने के लिए एंटी-IgE एंटीबॉडी और फ्लोरोसेंटली लेबल वाले एप्टामर्स के साथ स्थिर किया गया था। इसी तरह, IgG का पता लगाने के लिए, IgG को डीएमएफ चिप पर स्थिर किया जा सकता है, हॉर्सरैडिश-पेरोक्सीडेज (एचआरपी)-लेबल वाले IgG के साथ संयुग्मित किया जा सकता है, और फिर HRP और टेट्रामेथिलबेंज़िडाइन के बीच प्रतिक्रिया के उत्पाद निर्माण से जुड़े रंग परिवर्तन के माप के माध्यम से मात्रा निर्धारित की जाती है।[101]

वर्णमिति डिटेक्शन (यानी, एलिसा, चुम्बकीय बीड-आधारित एसेज़) से परे डीएमएफ इम्यूनोएसेज़ की क्षमताओं और अनुप्रयोगों का और विस्तार करने के लिए, इलेक्ट्रोकेमिकल डिटेक्शन टूल्स (जैसे, माइक्रोइलेक्ट्रोड्स) को टीएसएच और रूबेला वायरस जैसे एनालिटिक्स का पता लगाने के लिए डीएमएफ चिप्स में सम्मिलित किया गया है।[97][103][104] उदाहरण के लिए, रैकस एट अल।[103] डीएमएफ चिप सतह पर एकीकृत माइक्रोइलेक्ट्रोड और पहले से रिपोर्ट किए गए रासायनिक संदीप्ति IgG इम्यूनोएसे को प्रतिस्थापित किया[105] इलेक्ट्रोएक्टिव प्रजाति के साथ, रूबेला वायरस का पता लगाने में सक्षम। उन्होंने रूबेला वायरस, एंटी-रूबेला आईजीजी, और एंटी-ह्यूमन आईजीजी के साथ चुंबकीय मोतियों को क्षारीय फॉस्फेट के साथ लेपित किया, जो बदले में इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करता था जिसे ऑन-चिप माइक्रोइलेक्ट्रोड द्वारा पता लगाया गया था।

मास स्पेक्ट्रोमेट्री

डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स (डीएमएफ) और मास स्पेक्ट्रोमेट्री के युग्मन को सामान्यतः अप्रत्यक्ष ऑफ-लाइन विश्लेषण, प्रत्यक्ष ऑफ-लाइन विश्लेषण और इन-लाइन विश्लेषण में वर्गीकृत किया जा सकता है।[17] और इस युग्मन के मुख्य लाभ विलायक और अभिकर्मक के उपयोग में कमी के साथ-साथ विश्लेषण के समय में कमी है।[106]

अप्रत्यक्ष ऑफ-लाइन विश्लेषण डीएमएफ उपकरणों का उपयोग अभिकारकों को संयोजित करने और उत्पादों को अलग करने के लिए होता है, जिन्हें तब हटा दिया जाता है और मानवीकृत रूप से मास स्पेक्ट्रोमीटर में स्थानांतरित कर दिया जाता है। यह दृष्टिकोण मानक तैयार करने के कदम के लिए डीएमएफ का लाभ उठाता है किन्तु संदूषण के अवसर भी पेश करता है क्योंकि मानक स्थानांतरित करने के लिए मानवीकृत हस्तक्षेप की आवश्यकता होती है। इस विधि के उदाहरण में, चिप पर ग्रीको तीन-घटक संघनन किया गया था और शमन और आगे के विश्लेषण के लिए माइक्रोपिपेट द्वारा चिप को हटा दिया गया था।[78]

डायरेक्ट ऑफ-लाइन विश्लेषण डीएमएफ उपकरणों का उपयोग होता है जिन्हें मास स्पेक्ट्रोमीटर में आंशिक रूप से या पूरी तरह से निर्मित और शामिल किया गया है। इस प्रक्रिया को अभी भी ऑफ-लाइन माना जाता है, हालांकि डिवाइस की डिजिटल क्षमताओं के उपयोग के बिना, प्रतिक्रिया के बाद की कुछ प्रक्रियाओं को मैन्युअल रूप से (लेकिन चिप पर) किया जा सकता है। इस तरह के उपकरणों का सबसे अधिक उपयोग एमएलडीआई-एमएस के साथ संयोजन में किया जाता है। एमएलडीआई-आधारित डायरेक्ट ऑफ-लाइन उपकरणों में, ड्रॉपलेट को सुखाया जाना चाहिए और मैट्रिक्स के साथ-साथ पुन: क्रिस्टलीकृत किया जाना चाहिए - संचालन जिसमें अक्सर वैक्यूम कक्षों की आवश्यकता होती है।[17][107] क्रिस्टलीकृत विश्लेषण के साथ चिप को फिर विश्लेषण के लिए एमएलडीआई-एमएस में रखा जाता है। एमएलडीआई-एमएस युग्मन के साथ DMF में उठाया गया एक मुद्दा यह है कि एमएलडीआई-एमएस के लिए आवश्यक मैट्रिक्स अत्यधिक अम्लीय हो सकता है, जो ऑन-चिप प्रतिक्रियाओं में हस्तक्षेप कर सकता है।[108]

इनलाइन विश्लेषण उन उपकरणों का उपयोग है जो मास स्पेक्ट्रोमीटर में सीधे फ़ीड करते हैं, जिससे किसी भी मानवीकृत परिचालन को समाप्त कर दिया जाता है। इनलाइन विश्लेषण के लिए विशेष रूप से निर्मित उपकरणों और उपकरण और मास स्पेक्ट्रोमीटर के बीच हार्डवेयर को जोड़ने की आवश्यकता हो सकती है।[17] इनलाइन विश्लेषण को अधिकांश इलेक्ट्रोस्प्रे आयनीकरण के साथ जोड़ा जाता है। उदाहरण में, डीएमएफ चिप को छेद के साथ बनाया गया था जिससे माइक्रोचैनल का निर्माण हुआ[109] बदले में, यह माइक्रोचैनल इलेक्ट्रोस्प्रे आयनाइज़र से जुड़ा था जो सीधे मास स्पेक्ट्रोमीटर में उत्सर्जित होता था। एकीकरण परिवेश आयनीकरण विधि जहां आयन मास स्पेक्ट्रोमीटर के बाहर डीएमएफ के खुले या अर्ध-खुले माइक्रोफ्लुइडिक प्रकृति के साथ बहुत कम या कोई उपचार जोड़े के साथ बनते हैं और डीएमएफ और एमएस प्रणाली के बीच आसान इनलाइन कूपिंग की अनुमति देता है। भूतल ध्वनिक तरंग (एसएडब्लु) आयनीकरण जैसी परिवेश आयनीकरण विधियों सपाट पीजोइलेक्ट्रिक सतह पर सतह तरंगें उत्पन्न करती हैं जो सतह के तनाव को दूर करने के लिए तरल इंटरफ़ेस पर पर्याप्त ध्वनिक ऊर्जा प्रदान करती हैं और द्रव्यमान विश्लेषक में चिप से आयनों को हटाती हैं।[110][17]कुछ कपलिंग मास स्पेक्ट्रोमीटर के भौतिक इनलेट पर बाहरी उच्च-वोल्टेज पल्स स्रोत का उपयोग करते हैं [111] किन्तु ऐसे परिवर्धन की वास्तविक भूमिका अनिश्चित है।[112]

मास स्पेक्ट्रोमेट्री के साथ डीएमएफ के व्यापक एकीकरण के लिए महत्वपूर्ण बाधा जैविक संदूषण है, जिसे अधिकांश जैव-दूषण कहा जाता है।[17] डीएमएफ प्रणाली के उपयोग में उच्च गहन विश्लेषण महत्वपूर्ण लाभ है,[106]किन्तु इसका मतलब है कि वे प्रयोगों के बीच संदूषण को पार करने के लिए विशेष रूप से संवेदनशील हैं। परिणामस्वरूप, मास स्पेक्ट्रोमेट्री के साथ डीएमएफ के युग्मन को अधिकांश क्रॉस संदूषण को रोकने के लिए कई विधियों के एकीकरण की आवश्यकता होती है जैसे कि कई धोने के चरण,[113][114] जैविक रूप से संगत पृष्ठसक्रियकारक,[115] और या सुपर हाइड्रोफोबिक सतहें बूंदों के सोखने को रोकने के लिए।[116][117] उदाहरण में, अमीनो एसिड के लक्षण वर्णन के समय क्रॉस संदूषक संकेत में कमी के लिए संदूषण की तीव्रता का पता लगाने की सीमा से नीचे गिरने के लिए प्रत्येक मानक बूंद के बीच 4-5 धोने के चरणों की आवश्यकता होती है।[114]



लघु मास स्पेक्ट्रोमीटर

पारंपरिक मास स्पेक्ट्रोमीटर अधिकांश बड़े होने के साथ-साथ निषेधात्मक रूप से महंगे और उनके संचालन में जटिल होते हैं, जिसके कारण विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए लघु द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर (एमएमएस) के आकर्षण में वृद्धि हुई है। एमएमएस को सामर्थ्य और सरल संचालन के लिए अनुकूलित किया जाता है, अधिकांश अनुभवी तकनीशियनों की आवश्यकता को छोड़कर, निर्माण की कम लागत होती है, और प्रयोगशाला से क्षेत्र में डेटा संग्रह के हस्तांतरण की अनुमति देने के लिए आकार में काफी छोटा होता है।[118] ये लाभ अधिकांश कम प्रदर्शन की कीमत पर आते हैं जहां एमएमएस संकल्प, साथ ही पहचान और मात्रा की सीमाएं विशेष कार्यों को करने के लिए अधिकांश पर्याप्त रूप से पर्याप्त होती हैं। एमएमएस के साथ डीएमएफ के एकीकरण में विलायक लागत को कम करते हुए, बहुत कम लागत पर लैब ग्रेड विश्लेषण को सक्षम करते हुए, थ्रूपुट, रिज़ॉल्यूशन और ऑटोमेशन को बढ़ाकर एमएमएस प्रणाली के महत्वपूर्ण सुधार की क्षमता है। उदाहरण में मूत्र दवा परीक्षण के लिए कस्टम डीएमएफ प्रणाली के उपयोग ने मानक प्रयोगशाला विश्लेषण के तुलनीय प्रदर्शन के साथ केवल 25 किलो वजन वाले उपकरण के निर्माण को सक्षम किया।[119]


परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी

परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स (डीएमएफ) के साथ एनएमआर माइक्रोकॉइल्स के उपयोग के माध्यम से किया जा सकता है, जो इलेक्ट्रोचुम्बकीय कंडक्टिंग कॉइल हैं जो आकार में 1 मिमी से कम हैं। उनके आकार के कारण, इन माइक्रोकॉइल्स की कई सीमाएं हैं, जो उनके द्वारा संचालित मशीनरी की संवेदनशीलता को सीधे प्रभावित करती हैं।

डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स से पहले के माइक्रोचैनल/माइक्रोकॉइल इंटरफेस में कई कमियां थीं जैसे कि कई बड़ी मात्रा में विलायक वेस्ट बनाते थे और आसानी से दूषित हो जाते थे।[120][121] इस तरह, डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स का उपयोग और एकल बूंदों में परिचालन करने की इसकी क्षमता आशाजनक है।

डिजिटल माइक्रोफ्लुइडिक्स और एनएमआर रिलैक्सोमीटर के बीच इंटरफेस ने प्रणाली के निर्माण का नेतृत्व किया है जैसे कि माइक्रोस्केल्स पर विशिष्ट अणुओं की सांद्रता का पता लगाने और मापने के लिए उपयोग किया जाता है।[121] कुछ ऐसी प्रणालियों के साथ दो चरण प्रक्रियाओं का उपयोग करते हुए जिसमें डीएमएफ उपकरण बूंदों को एनएमआर पहचान स्थल तक ले जाते हैं।[122] माइक्रोफ्लुइडिक्स के संयोजन के साथ उच्च-क्षेत्र एनएमआर और 2डी एनएमआर की परिचयात्मक प्रणाली भी विकसित की गई है।[120] ये प्रणालियाँ दूसरी प्लेट के स्थान पर एनएमआर माइक्रोकॉइल्स के साथ सिंगल प्लेट डीएमएफ उपकरणों का उपयोग करती हैं। वर्तमान में, इस इंटरफ़ेस के और संशोधित संस्करण में स्पंदित फ़ील्ड ग्रेडिएंट्स (पीएफजी) इकाइयाँ सम्मिलित हैं, जो इस प्लेटफ़ॉर्म को अधिक परिष्कृत एनएमआर माप (जैसे एनएमआर डिफ्यूसोमेट्री, ग्रेडिएंट एन्कोडेड पल्स माप) करने में सक्षम बनाती हैं।[123] इस प्रणाली को तेजी से कार्बनिक प्रतिक्रियाओं की निगरानी में सफलतापूर्वक प्रायुक्त किया गया है।[124]

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