Finite-State-Maschine, implementiert als pneumatischer Schaltkreis unter Verwendung von Mikrofluidikventilen, um ein Labor zu schaffen

Bericht vom 5. Juni 2023

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von Bob Yirka, Phys.org

Eine Gruppe biochemischer Ingenieure, Siavash Ahrar, Manasi Raje, Irene Lee und Elliot Hui von der University of California, Irvine, hat einen Finite-State-Machine (FSM) entwickelt, der als pneumatischer Schaltkreis mithilfe von Mikrofluidikventilen implementiert ist, um ein Labor auf einem Gerät aufzubauen -Chip. Ihre Arbeit wird in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

In den letzten Jahren haben Biochemie- und Maschinenbauingenieure auf das Ziel hingearbeitet, viele chemische Prozesse zu automatisieren, die derzeit von Hand durchgeführt werden – beispielsweise geschulte Labortechniker, die Pipetten verwenden, um die Konzentration einer in einer Flüssigkeit gelösten Chemikalie zu bestimmen. Die Automatisierung solcher Aufgaben würde sie nicht nur kostengünstiger machen, sondern auch beschleunigen und möglicherweise medizinische Laborergebnisse in Minuten statt in Stunden liefern. Zu diesem Zweck haben Ingenieure daran gearbeitet, ein sogenanntes Lab-on-a-Chip zu bauen. Bei diesem neuen Versuch hat das Forschungsteam die Pneumatik auf das Problem angewendet.

Bei vielen chemischen Prozessen kommt es zur Bewegung von Flüssigkeiten. Die Forscher versuchten, beim Aufbau von Schaltkreisen für den Einsatz in einem potenziellen Lab-on-a-Chip Wasserdruck anstelle von Elektrizität zu nutzen. Sie schufen ein winziges Sandwich, bestehend aus Glasscheiben als Brot und einer Silikonplatte als Innenteil. Doch bevor sie ihr Sandwich zubereiteten, ätzten sie die Glasscheiben, um den Durchtritt einer Flüssigkeit zu ermöglichen, und bohrten Löcher in die Silikonfolie, um die Kanäle in den Glasscheiben zu verbinden.

Um die bekannten Nullen und Einsen darzustellen, die in FSMs verwendet werden, verwendete das Team Druck – normaler Atmosphärendruck stellte eine Null und vakuuminduzierter Druck eine Eins dar. Die Codierungsprogramme wurden erstellt, indem Löcher in die Silikonfolie gestochen wurden, die an die Lochkarten erinnern, die in den frühen Tagen der Computer verwendet wurden.

Anschließend testete das Team seine Idee, indem es ein einfaches 4-Bit-Labor auf einem Chip entwickelte, das für die Durchführung einer seriellen Verdünnung programmiert war – also zur Bestimmung der Konzentration einer Chemikalie in einer Lösung. Das Team zeigte, dass mikrofluidische Geräte wie ihres eines Tages dazu verwendet werden könnten, Blut nicht nur auf Viren wie SARS-CoV-2, sondern auch auf deren Konzentration zu testen.

Mehr Informationen: Siavash Ahrar et al., Pneumatische Computer zur eingebetteten Steuerung der Mikrofluidik, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg0201

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