芯片實驗室: 用於人類疾病診斷的低成本即時醫療設備，可能使實驗室變得可有可無

By Fouad Sabry

什麼是芯片實驗室

片上實驗室 (LOC) 是一種將一個或多個實驗室功能集成在一個只有幾毫米到幾平方厘米的集成電路上以實現自動化和高通量篩選的設備。 LOC 可以處理低至皮升以下的極少量流體。片上實驗室設備是微機電系統 (MEMS) 設備的子集，有時也稱為“微型總體分析系統”(µTAS)。 LOC 可以使用微流體、微量流體的物理、操作和研究。然而，嚴格意義上的“芯片實驗室”通常表示將單個或多個實驗室流程縮小到芯片格式，而“微TAS”則致力於集成實驗室流程的總序列以執行化學分析。當事實證明 µTAS 技術不僅僅適用於分析目的時，引入了“芯片實驗室”一詞。

您將如何受益

(I) 關於以下主題的見解和驗證：

第 1 章：芯片實驗室

第 2 章：檢測

第 3 章：介電泳

第 4 章：免疫測定

第 5 章：電生理學

第 6 章：微流體

第 7 章：材料科學

（二）回答公眾關於芯片實驗室的熱門問題。

(III) 片上實驗室在多個領域的實際應用示例。

(IV) 17 個附錄，簡要解釋每個行業的 266 項新興技術，以 360 度全面了解芯片實驗室的技術。

本書的讀者對象

專業人士、本科生和研究生、愛好者、業餘愛好者以及想要超越任何類型的芯片實驗室的基本知識或信息的人。

• Language: 中文
• Publisher: 十億個知識淵博 [Chinese (Traditional)]
• Release date: Jan 26, 2022

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24 - 富勒烯

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26 - 晶元實驗室

27 - 高溫超導

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8 - 石墨烯

9 - 晶元實驗室

10 - 高溫超導

11 - 磁性納米顆粒

12 - 磁流變液

13 - 微流體

14 - 超流動性

15 - 超材料

16 - 金屬泡沫

17 - 多功能結構

18 - 納米材料

19 - 可程式設計物質

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24 - 時間晶體

25 - 半透明混凝土

神經科學中的新興技術

1 - 腦機介面

機器人技術的新興技術

1 - 群體智慧

10億知識淵博

晶片實驗室

用於人類疾病診斷的低成本床旁設備，可能使實驗室變得可有可無

福阿德·薩布里

版權

晶片上的實驗室 版權所有 © 2021 由 Fouad Sabry.保留所有權利。

保留所有權利。未經作者書面許可，不得以任何形式或任何電子或機械手段（包括資訊存儲和檢索系統）複製本書的任何部分。唯一的例外是審稿人，他們可能會在評論中引用簡短的摘錄。

封面由Fouad Sabry設計。

這本書是一部虛構的作品。名稱、人物、地點和事件要麼是作者想像的產物，要麼是虛構使用的。任何與真實人物的相似之處，無論是活著的還是死去的，事件或地點都是完全巧合。

獎金

您可以送出電子郵件至 1BKOfficial.Org +LabonaChip@gmail。 com的主題行晶片上的實驗室：用於人類疾病診斷的低成本護理點設備，可能使實驗室變得可有可無，您將收到一封電子郵件，其中包含本書的前幾章。

福阿德·薩布里

存 取 1BK 網站

www.1BKOfficial.org

前言

我為什麼要寫這本書？

寫這本書的故事始於1989年，當時我是一名高級中學的學生。

它非常 類似於 STEM（科學，技術，工程和數學）學校，現在 在許多發達國家都可以使用。

STEM是一門課程，其基礎是以跨學科和應用的方法教育四個特定學科（科學，技術 ，工程 和數學）的學生。 該術語通常用於解決學校的教育政策或課程選擇。它對勞動力發展、國家安全關切和移民政策都有影響。

圖書館每周都有一堂課，每個學生都可以自由選擇任何書籍並閱讀1小時。該課程的目的是鼓勵學生閱讀教育課程以外的科目。

在圖書館里，當我在看書架上的書時，我注意到了巨大的書，總共5000頁，分為5個部分。書名是《技術百科全書》，它描述了我們周圍的一切，從絕對零到半導體，幾乎每一種技術，在那個時候，都用五顏六色的插圖和簡單的文字來解釋。我開始閱讀百科全書，當然，我無法在每周1小時的課程中完成它

所以，我說服父親買了百科全書。父親在我生命之初為我買了所有的科技工具，第一台電腦和第一本科技百科全書，都對我自己和事業都產生了很大的影響。

我在今年的同一個暑假裡讀完了整本百科全書，然後我開始瞭解宇宙是如何運作的，以及如何將這些知識應用於日常問題。

我對這項技術的熱情始於30年前，現在 的旅程仍在繼續。

這本書是 「 新興技術百科全書」的 一部分， 我試圖給讀者帶來 我在高中時 的 驚人體驗，但不是20世紀，而是21世紀 新興 技術，應用和行業解決方案。

《新興技術百科全書》將由365本書組成，每本書 將專注於一項新興技術。您可以在本書末尾的「即將推出」 部分閱讀新興技術及其按行業分類的清單。

365 本書， 讓讀者有機會在一年內每天增加對一項新興技術的知識。

介紹

我是怎麼寫這本書的？

在每本《新興技術百科全書》的書中，我都試圖直接從人們的腦海中獲取即時、原始的搜索見解，試圖回答他們關於新興技術的問題。

每天有30億次谷歌搜索，其中20%以前從未見過。他們就像是人們思想的直接線。

有時是「如何清除卡紙」。其他時候，這是他們唯一敢與谷歌分享的痛苦恐懼和秘密渴望。

在我追求發現關於「晶片實驗室」的未開發內容創意金礦的過程中，我使用許多工具來收聽來自Google等搜尋引擎的自動完成數據，然後快速製作出每個有用的短語和問題，人們在關鍵字"晶片上的實驗室「周圍詢問」。

它是人洞察的金礦， 我可以用來創造新鮮，超有用的內容，產品和服務。善良 的人，像你一樣，真的想要。

人搜索是有史以來收集的關於人類心理的最重要的資料集。 因此，這本書是一個活生生 的產品， 並且 不斷更新越來越多的關於「晶元實驗室」的新問題的答案，人們，就像你我一樣，想知道這個新興技術，並希望瞭解更多有關它的資訊。

寫這本書的方法是更深入地了解人們如何在「晶元實驗室」中搜索，揭示我不一定會想到的問題和疑問，並用超級簡單易懂的單詞回答這些問題，並導航這本書以一種直截了當的方式圍繞著。

因此，在寫這本書時，我 確保它盡可能地優化和有針對性。 這本書 的目的是幫助 人們進一步理解和 增長 他們對「晶元實驗室」的知識。 我試圖 盡可能密切地回答人們的問題，並展示更多。

這是一種奇妙的，美麗的方式，可以探索人們提出的問題和問題並直接回答它們，併為本書的內容添加洞察力，驗證和創造力-甚至是推銷和建議。這本書揭示了豐富的，不那麼擁擠的，有時令人驚訝的重新搜索需求領域，否則我不會到達。毫無疑問，在使用這種方法閱讀本書后，i  t有望增加潛在讀者的思想知識。

我採用了一種獨特的方法，使本書的內容始終保持新鮮。這種方法取決於通過使用搜索傾聽工具來傾聽人們的思想。這種方法說明我：

準確地與讀者見面，這樣我就可以創建相關的內容，引起共鳴，並推動 對主題的更多理解。

保持我的手指緊緊抓住脈搏，這樣當人們以新的方式談論這項新興技術時，我就可以獲得更新，並監控隨時間的變化趨勢。

發現隱藏的問題寶藏需要有關新興技術的答案，以發現意想不到的見解和隱藏的利基，從而提高 內容的相關性並賦予 其勝利優勢。

不要再把時間浪費在直覺上，不要猜測讀者想要的內容， 用人們需要的東西填滿書的內容 ，告別 基於猜測的無窮無盡的內容創意 。

做出可靠的決策，並承擔更少的風險，讓前排座位即時瞭解人們 想要閱讀和想知道的內容，並使用搜索數據做出大膽的決定，關於要包含哪些主題和要排除哪些主題。

簡化我的內容製作以識別內容創意，而無需手動篩選個人意見，從而節省數天甚至數周的時間。

通過回答他們的問題，幫助人們以直接的方式增加他們的知識，這真是太好了。

我認為這本書的寫作方法是獨一無二的，因為它整理並跟蹤讀者在搜尋引擎上提出的重要問題。

確認

寫一本書比我想像的更難，比我想像的更有收穫。如果沒有著名研究人員完成的工作，這一切都是不可能的，我要感謝他們為增加公眾對這項新興技術的認識所做的努力。

奉獻

對於開悟者，那些看待事物不同，並希望世界變得更好的人 - 他們不喜歡現狀或現有狀態。你可以過多地不同意他們，你可以與他們爭論得更多，但你不能忽視他們，你不能低估他們，因為他們總是會改變事情......他們推動人類前進，雖然有些人可能認為他們是瘋狂的人或業餘愛好者，但其他人則認為天才和創新者，因為那些開悟到足以認為他們可以改變世界的人，是那些這樣做的人，並帶領人們走向啟蒙運動 。

碑文

晶元實驗室（LOC）是一種在僅毫米至幾平方釐米的單個積體電路上集成一個或多個實驗室功能以實現自動化和高通量篩選的設備。LOC可以處理極小的流體體積，低至低於皮升。晶片實驗室設備是微機電系統（MEMS）設備的一個子集，有時稱為「微總分析系統」（μTAS）。LOCs可以使用微流體，物理，操作和微量流體的研究。然而，嚴格認為的「晶元實驗室」通常表示將單個或多個實驗室過程縮小為晶元格式，而μTAS則專用於集成實驗室過程的整個序列以執行化學分析。引入「晶元實驗室」一詞時，發現μTAS技術不僅適用於分析目的。

目錄

晶片實驗室

作者的其他書籍

作者系列

晶片實驗室

版權

獎金

前言

介紹

確認

奉獻

碑文

目錄

第1章 晶元實驗室

第2章 分析

第3章 介電泳

第4章 免疫分析

第5章 電生理學

第6章 微流體

第7章 材料科學

結語

關於作者

即將推出

附錄：各行業的新興技術

第1章 晶元實驗室

晶元實驗室（LOC）是一種在僅毫米至幾平方釐米的單個積體電路（通常稱為晶片）上集成一個或多個實驗室功能以實現自動化和高通量篩選的裝置。LOC可以處理極小的流體體積，低至低於皮升。晶片實驗室設備是微機電系統（MEMS）設備的一個子集，有時稱為「微總分析系統」（μTAS）。LOCs可以使用微流體，對微量流體的物理，操作和研究。然而，嚴格認為的「晶元實驗室」通常表示將單個或多個實驗室過程縮小為晶元格式，而μTAS則專用於集成實驗室過程的整個序列以執行化學分析。引入「晶元實驗室」一詞時，發現μTAS技術不僅適用於分析目的。

歷史

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微機電系統晶元，有時稱為晶片上的實驗室

隨著微技術（1954年）的發展，用於為微電子晶元創建集成半導體架構，這些基於光刻的技術很快在壓力感測器製造中實現（1966年）。隨著這些通常受CMOS相容性限制的技術的進步，一個用於在矽晶圓中創建微米或亞微米級機械結構的工具箱變得可用：微機電系統（MEMS）時代已經開始。

除了壓力感測器，安全氣囊感測器和其他機械可移動的結構外，還開發了流體處理裝置。例如：通道（毛細管連接）、混合器、閥門、泵和計量裝置。第一個LOC分析系統是氣相色譜儀，由斯坦福大學的S.C. Terry於1979年開發。然而，直到20世紀80年代末和90年代初，隨著歐洲的一些研究小組開發了微型泵，流量感測器和分析系統集成流體處理的概念，LOC研究才開始認真增長。這些μTAS概念表明，通常在實驗室規模上進行的預處理步驟的集成可以將簡單的感測器功能擴展到完整的實驗室分析，包括額外的清潔和分離步驟。

20世紀90年代中期，研究和商業興趣得到了極大的提升，當時μTAS技術為基因組學應用提供了有趣的工具，如毛細管電泳和DNA微陣列。研究支援也大大增加，來自軍方，特別是DARPA（國防高級研究計劃局），因為他們對便攜式生物/化學戰劑檢測系統感興趣。附加值不僅僅限於集成實驗室過程進行分析，還包括單個元件的特徵可能性以及應用於其他非分析實驗室過程。因此，引入了「晶元實驗室」一詞。

雖然LOC的使用仍然年輕且有限，但企業和應用研究小組對分析（例如，化學分析，環境監測，醫學診斷和細胞組學）等領域的興趣日益濃厚，而且在合成化學領域（例如，用於藥物的快速篩選和微反應器）。除了進一步的應用進展外，LOC系統的研究計劃擴展到基於納米技術的流體處理結構的縮小規模。亞微米級和納米級通道、DNA迷宮、單細胞檢測和分析以及納米感測器都可能成為現實，為與生物物種和大型化學品的相互作用開闢了新的途徑。已經寫了很多關於這些設備的書籍，包括流體運動，系統特性，感測方法和生物分析應用。

晶片材料和製造技術

光刻是大多數LOC製造技術的基礎。由於這些發達的技術是直接從半導體生產中發展而來的，因此大多數程式最初都是在矽中進行的。由於對特定光學特性、生物或化學相容性、更低的生產成本和更快的原型設計的需求，玻璃、陶瓷和金屬蝕刻、沉積和粘合等新工藝、聚二甲基矽氧烷 （PDMS） 加工（例如軟光刻）、非化學計量硫醇烯聚合物（OSTEmer） ）加工，基於厚膜和立體光刻的3D列印以及快速複製方法對低成本和簡單LOC原型設計的需求最終導致ESCARGOT的開發，這是一種用於製造PDMS微流體器件的簡單技術（嵌入式SCAffold RemovinG開放技術）。該技術使用可溶解的支架在單個PDMS塊中創建微流體通道（例如通過3D列印製成）。此外，LOC部門正在擴大，包括基於光刻的微系統技術，納米技術和精密工程。最後，使用印刷電路板（PCB）基板的LOC器件的開發是一個有趣的替代方案，因為它具有以下顯著特徵：具有集成電子，感測器和執行器的市售基板;低成本的一次性設備;和高商業化潛力。這些被稱為PCB上的實驗室小工具（LOP）。

優勢

LOC可能提供特定於其應用的優勢。典型優點包括：

低耗液量（更少的浪費、更低的試劑成本和更少的診斷所需樣品量）

擴散距離短、加熱速度快、表面體積比高、熱容小，因此分析和響應時間更快。

由於系統回應速度更快（例如，放熱化學反應的熱控制），改進了過程控制

由於集成了大量功能和小體積，因此系統結構緊湊

由於緊湊性，大規模並行化，允許高通量分析

降低製造成本，允許在批量生產中製造具有成本效益的一次性晶元

零件品質可自動驗證

由於功能集成，減少了流體量和儲存的能量，該平臺是化學，放射性或生物實驗的更安全的平臺。

弊

晶元實驗室最突出的缺點是：

微製造過程複雜且勞動密集型，需要昂貴的設備和經驗豐富的員工。它是可以克服的，因為最近在低成本3D列印和鐳射雕刻方面的技術進步。

錯綜複雜的流體驅動網路需要多個泵和介面，而微調具有挑戰性。它可以通過嚴格的類比，固有泵（例如氣囊嵌入晶元）或通過用離心力代替泵送（即離心微流體生物晶元）來規避。

絕大多數 LOC都是新的概念驗證應用程式，尚未完全開發供公眾使用。在開始實際工作之前，需要更多的驗證。

表面依賴性現象，如毛細管力、表面粗糙度和化學相互作用，在LOC工作的微升尺度上更為主要。這使得在LOC中重現實驗室操作比使用標準實驗室設備更加困難和複雜。

檢測原理不一定能以一種好的方式縮小，從而導致低信噪比。

全球衛生

晶元實驗室技術可能很快在全球衛生工作中發揮關鍵作用，特別是在創建護理點檢測設備方面。在衛生保健資源匱乏的國家，在富裕國家可控的傳染病往往是致命的。在某些情況下，貧困的醫療機構擁有治療特定疾病的藥物，但缺乏診斷能力來確定哪些患者應該接受藥物治療。許多專家認為，LOC技術可能是開發強大的新診斷工具的關鍵。研究人員的目標是開發微流控晶元，使資源貧乏的診所的醫療保健專業人員能夠在不使用實驗室的情況下執行微生物培養測定，免疫測定和核酸測定等診斷程式。

全球挑戰

在晶元可用於資源有限的地方之前，必須克服許多障礙。工業化國家診斷工具最受推崇的特徵是速度、敏感性和特異性;但是，在醫療基礎設施不太成熟的國家，還必須考慮易用性和保質期等因素。例如，晶元隨附的試劑必須經過設計，即使晶元未保存在氣候受控環境中，也必須使用數月。晶片設計人員在選擇材料和製造程式時，還必須考慮可負擔性、可擴展性和可回收性。

全域 LOC 應用範例

家用驗孕試劑盒是一種使用紙質微流體技術的裝置，是市場上最重要和最知名的LOC裝置之一。LOC研究的另一個突出領域是開發診斷和管理由細菌（如菌尿或病毒，如流感）產生的常見傳染病的方法。微生物培養是診斷菌尿（尿路感染）的金標準。數字試紙是最近一項基於晶元實驗室技術的研究，它將微生物培養物小型化為試紙形式，並使其能夠在護理點使用。愛滋病毒感染是病毒感染的一個很好的例子。今天，全世界約有3690萬人感染了愛滋病毒，其中59%的人接受了抗逆轉錄病毒治療。只有75%的愛滋病毒感染者知道自己的愛滋病毒感染狀況。測量一個人血液中CD4 + T細胞的數量是檢測一個人是否患有HIV並跟蹤HIV感染進展的準確方法。流式細胞術目前是收集CD4計數的黃金標準，但由於需要熟練的專家和昂貴的設備，這是大多數發展中國家無法獲得的困難技術。這種類型的細胞儀最近僅以5美元的價格生產出來。受控分離和混合是LOC研究的另一個活躍領域。使用這種設備及時識別並可能治療疾病是可行的。如前所述，開發它們的一個主要動機是能夠以非常低的成本生產它們。家庭安全是與LOC相關的另一個研究領域，LOC可能受益於揮發性有機化合物（VOC）的自動監測。如果這種應用被證明是可靠的，這些微型設備可能會在全球範圍內發佈，以提醒住戶潛在的危險物質。

植物科學

擬南芥中的花粉管引導可以使用晶元實驗室技術進行研究。晶元上的植物是一種微小的裝置，可以孵化花粉組織和胚珠，用於植物科學研究。

{第1章完結}

See also

icon Biology portal

Technology portal

Biochemical assays

Dielectrophoresis: detection of cancer cells and bacteria.

Immunoassay: detect bacteria, viruses and cancers based on antigen-antibody reactions.

Ion channel screening (patch clamp)

Microfluidics

Microphysiometry

Organ-on-a-chip

Real-time PCR: detection of bacteria, viruses and cancers.

Testing the safety and efficacy of new drugs, as with lung on a chip

Total analysis system

References

Volpatti, L. R.; Yetisen, A. K. (Jul 2014). Commercialization of microfluidic devices. Trends in Biotechnology. 32 (7): 347–350. doi:10.1016/j.tibtech.2014.04.010. PMID 24954000.

James B. Angell; Stephen C. Terry; Phillip W. Barth (April 1983). Silicon Micromechanical Devices. Scientific American. 248 (4): 44–55. Bibcode:1983SciAm.248d..44A. doi:10.1038/scientificamerican0483-44.

Terry J.H.Jerman (1979). A Gas Chromatographic Air Analyzer Fabricated on a Silicon Wafer. IEEE Trans. Electron Devices. 26 (12): 1880–1886. Bibcode:1979ITED...26.1880T. doi:10.1109/T-ED.1979.19791. S2CID 21971431.

A.Manz, N.Graber and H.M.Widmer: Miniaturized total Chemical Analysis systems: A Novel Concept for Chemical Sensing, Sensors and Actuators, B 1 (1990) 244–248.

Chokkalingam Venkat; Tel Jurjen; Wimmers Florian; Liu Xin; Semenov Sergey; Thiele Julian; Figdor Carl G.; Huck Wilhelm T.S. (2013). Probing cellular heterogeneity in cytokine-secreting immune cells using droplet-based microfluidics. Lab on a Chip. 13 (24): 4740–4744. doi:10.1039/C3LC50945A. PMID 24185478.

Kirby, B.J. (2010). Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-11903-0.

Bruus,