Мікросхема

Реферат: У описі поточного винаходу мова йдеться про мікросхему, яка складається з великої кількості шарів низькотемпературної кераміки, в межах якої реакційна камера формується в множину верхніх шарів для завантаження зразків. Підігрівач вмонтовано принаймні в один з шарів, розташованого нижче реакційної камери, а температурний датчик вмонтовано принаймні в один з шарів між підігрівачем і реакційною камерою для проведення аналізу зразка. Температурний UA 100389 C2 (12) UA 100389 C2 датчик може розміщуватися з зовнішнього боку мікросхеми для вимірювання температури мікросхеми. UA 100389 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Область техніки, до якої належить винахід Це розкриття стосується мікросхеми для ПЛР (Полімеразної Ланцюгової Реакції), яка складається з великої кількості шарів, виготовлених з низькотемпературної кераміки. Це розкриття також передбачає можливість використання портативного пристрою для проведення ПЛР в режимі реального часу з одноразовою мікросхемою ПЛР, виготовленою з низькотемпературної кераміки. Передумови створення винаходу Останні досягнення в молекулярній та клітинній біології було зроблено внаслідок розвитку стрімких і ефективних аналітичних технік. Завдяки мініатюризації та мультиплексуванню такі техніки, як генний чип чи біочип, дають можливість охарактеризувати всі геноми в одній експериментальній установці. ПЛР (Полімеразна ланцюгова реакція) – це метод молекулярної біології для збільшення молекул ядерної кислоти in-vivo (в організмі). Техніка ПЛР стрімко витісняє інші тривалі в часі та менш точні техніки, які використовуються для ідентифікації біологічних видів і патогенних мікроорганізмів в зразках криміналістичного матеріал, зразках, взятих з оточуючого середовища, клінічних та промислових зразках. Серед біотехнологій техніка ПЛР стала найголовнішим аналітичним кроком в лабораторіях природничих наук для великої кількості випадків молекулярної та клінічної діагностики. Важливі розробки, зроблені в сфері технології ПЛР такі, як проведення ПЛР в режимі реального часу, призвели до процесів стрімкого протікання реакцій в порівнянні з традиційними методами. Впродовж декількох останніх років технологія мікрообробки розширилась до процесу мініатюризації системи хімічного реагування та аналізу, такої як аналіз ПЛР з метою подальшого скорочення часу, необхідного для аналізу, та зменшення об'єму реагентів, що використовуються. Декілька дослідницьких груп працювали на пристроях типу "лабораторія-на-мікросхемі" і зробили ряд досягнень в сфері мініатюрних систем розщеплення та реагування. У більшості ПЛР, наявних на сьогодні, неможливі миттєві температурні зміни, з причин теплоємності зразка, контейнера, датчика циклів, а також тривалого часу ампліфікації, що становить від 2 до 6 годин. Протягом проміжків часу, коли відбувається перехід температури зразка від однієї до іншої, трапляються зовнішні небажані реакції, під час яких споживаються важливі реагенти, і створюються небажані інтерферуючі суміші. Цілі винаходу Метою цього винаходу було створення мікросхеми, яка б дозволила прискорити виконання ПЛР. Ще одна ціль цього винаходу полягала в створенні удосконаленої мікросхеми. Однією з основних цілей цього винаходу є розробка мікросхеми, яка складається з великої кількості шарів низькотемпературної кераміки. Ще однією ціллю поточного винаходу є розробка методу виготовлення мікросхеми. Ще однією ціллю поточного винаходу є розробка мікропристрою для проведення ПЛР, який складається з мікросхеми. Ще однією ціллю цього винаходу є розробка методу діагностування хворобливих станів, використовуючи мікропристрій ПЛР. Викладення суті винаходу Цей винахід відповідно представляє мікросхему, яка складається з великої кількості шарів з низькотемпературної кераміки, в межах якої реакційна камера формується в численні шари реакційної камери для завантаження зразка, провідник вмонтовується, принаймні, в один шар провідника, який розміщується нижче реакційної камери, а підігрівач вбудовано, принаймні, в один нагрівальний шар, що розміщується нижче провідникового шару(шарів); метод виготовлення мікросхеми складається з таких етапів: (a) розташування в певному порядку множини шарів з низькотемпературної кераміки та передбачення комірки для формування реакційної камери, (b) розміщення, принаймні, одного шару з низькотемпературної кераміки, що має підігрівач нижче цієї камери, (c) розміщення одного чи декількох провідникових шарів між підігрівачем та реакційною камерою; й (d) поєднання шарів для формування мікросхеми; мікропристрій ПЛР складається з: (a) мікросхемa, яка складається з великої кількості шарів з низькотемпературної кераміки, в межах якої реакційна камера формується в численні шари реакційної камери для завантаження зразка, провідник вмонтовується, принаймні, в один шар, який розміщується нижче реакційної камери, а підігрівач вбудовано, принаймні, в один шар, що розміщується нижче провідникового шару(шарів); (b) температурний датчик вбудовано в мікросхему чи розміщено з зовнішнього боку цієї мікросхеми для вимірювання температури мікросхеми, (c) схема управління для управління роботою підігрівача на підставі значення вхідного сигналу температурного датчика; та (d) оптична система для виявлення флуоресцентного сигналу зі зразка; та методу виявлення в зразку аналіту, речовини, наявність 1 UA 100389 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 якої визначається аналізом, або ж діагностування хворобливого стану, використовуючи мікропристрій ПЛР, цей метод має такі етапи: (a) завантаження зразку, що складається з ядерної кислоти, в мікросхему, яка складається з великої кількості шарів з низькотемпературної кераміки, (b) ампліфікування ядерної кислоти шляхом функціонування мікропристрою ПЛР; та (c) визначення наявності чи відсутності аналіту на основі зчитування флуоресцентного сигналу збільшеної ядерної кислоти, або ж визначення наявності чи відсутності хвороботворних організмів на підставі зчитування флуоресцентного сигналу збільшеної ядерної кислоти для діагностування хворобливого стану. Короткий опис супровідних зображень Тепер цей винахід буде описано з посиланнями на супровідні зображення: Фіг. 1 демонструє ортогональну проекцію виконання мікросхеми ПЛР з низькотемпературної кераміки. Фіг. 2 демонструє поперечний профіль виконання мікросхеми ПЛР з низькотемпературної кераміки. Фіг. 3 демонструє пошаровий дизайн виконання мікросхеми ПЛР з низькотемпературної кераміки. Фіг. 4 демонструє блок-схему виконання схеми, яка управляє роботою підігрівача і терморезистора. Фіг. 5 демонструє модель виконаного дизайну реакційної камери цієї мікросхеми. Фіг. 6 демонструє процес плавлення фрагменту ДНК лямбди-636 на мікросхемі, використовуючи інтегрований підігрівач/терморезистор, який управляється портативним пристроєм. Фіг. 7 демонструє процес ампліфікації фрагменту ДНК лямбди-311 шляхом проведення ПЛР на мікросхемі. (a) Флуоресцентний сигнал, отриманий з мікросхеми в режимі реального часу; (b) зображення желеподібної структури, що підтверджує результат ампліфікації. Фіг. 8 демонструє зображення желеподібної структури обробленої крові та плазми в результаті проведення ПЛР для рибосомної одиниці 16S сальмонели. Фіг. 9 демонструє зображення желеподібної структури крові в результаті проведення прямої ПЛР для рибосомної одиниці 16S сальмонели. Фіг. 10 демонструє желеподібну структуру плазми в результаті проведення прямої ПЛР для рибосомної одиниці 16S сальмонели. Фіг. 11 демонструє процес ампліфікації гену сальмонели шляхом проведення ПЛР, використовуючи мікросхему. (a) флуоресцентний сигнал, отриманий з мікросхеми в режимі реального часу; (b) зображення желеподібної структури, що підтверджує результат ампліфікації. Фіг. 12 демонструє час, який витрачається на ампліфікування ДНК вірусу гепатиту В, використовуючи мікросхему з низькотемпературної кераміки Фіг. 13 демонструє криву плавлення для похідної величини флуоресцентного сигналу, отриманого під час плавлення ДНК λ-311, що відбулося шляхом використання мікросхеми з низькотемпературної кераміки. Детальний опис цього винаходу Цей винахід стосується мікросхеми, яка складається з великої кількості шарів з низькотемпературної кераміки, в межах якої реакційна камера формується в численні шари реакційної камери для завантаження зразка, провідник вмонтовується, принаймні, в один шар провідника, який розміщується нижче реакційної камери, а підігрівач вбудовано, принаймні, в один нагрівальний шар, що розміщується нижче провідникового шару(шарів). В одному виконанні цього винаходу реакційна камера накривається прозорим ізоляційним ковпаком. В одному виконанні цього винаходу до складу мікросхеми входить температурний датчик. В одному виконанні цього винаходу температурний датчик вмонтовано, принаймні, в один сенсорний шар цієї мікросхеми. В одному виконанні цього винаходу температурний датчик є терморезистором. В одному виконанні цього винаходу в мікросхемі передбачені контактні майданчики для приєднання зовнішньої схеми управління до температурного датчика та підігрівача. В одному виконанні цього винаходу температурний датчик розміщується з зовнішнього боку цієї мікросхеми для вимірювання температури мікросхеми. В одному виконанні цього винаходу реакційна камера оточена провідниковими кільцями. В одному виконанні цього винаходу провідникові кільця приєднані до провідникового шару(шарів) за допомогою клем. В одному виконанні цього винаходу провідник виготовлено з відбірного матеріалу, до складу якого входять золото, срібло, платина і паладій чи сплави цих металів. 2 UA 100389 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В одному виконанні цього винаходу між основою реакційної камери і підігрівачем є щілина, шириною орієнтовно від 0.2мм до 0.7мм. В одному виконанні цього винаходу зразком слугує харчовий зразок чи біологічний зразок, відібраний з групи, до складу якої входить кров, сироватка, плазма, тканини, слина, мокротиння та сеча. В одному виконанні цього винаходу об'єм реакційної камери становить приблизно від 1 л до 25 л. Цей винахід також стосується методу виготовлення мікросхеми, який складається з таких етапів: a) розташування в певному порядку множини шарів з низькотемпературної кераміки та передбачення комірки для формування реакційної камери, b) розміщення, принаймні, одного шару з низькотемпературної кераміки, що має підігрівач нижче цієї камери, c) розміщення одного чи декількох провідникових шарів між підігрівачем та реакційною камерою; й d) поєднання шарів для формування мікросхеми. В одному виконанні цього винаходу передбачається розміщення, принаймні, одного шару з низькотемпературної кераміки, до складу якого входить температурний датчик між підігрівачем і реакційною камерою або нижче підігрівача. В одному виконанні цього винаходу камера оточена провідниковими кільцями. В одному виконанні цього винаходу передбачаються клеми для приєднання провідникових кілець до провідникового шару(шарів). Цей винахід також стосується мікропристрою для ПЛР, який складається з: a) мікросхемa, яка складається з великої кількості шарів з низькотемпературної кераміки, в межах якої реакційна камера формується в численні шари для завантаження зразка, провідник вмонтовується, принаймні, в один шар, який розміщується нижче реакційної камери, а підігрівач вбудовано, принаймні, в один шар, що розміщується нижче провідникового шару(шарів); b) температурний датчик вбудовано в мікросхему чи розміщено з зовнішнього боку цієї мікросхеми для вимірювання температури мікросхеми, c) схема управління для управління роботою підігрівача на підставі значення вхідного сигналу температурного датчика; та d) оптична система для виявлення флуоресцентного сигналу зі зразка. В одному виконанні цього винаходу цей пристрій є портативним пристроєм. В одному виконанні цього винаходу цей пристрій керується за допомогою портативної обчислювальної платформи. В одному виконанні цього винаходу цей пристрій упорядковано в масив для виконання великої кількості ПЛР. В одному виконанні цього винаходу мікросхема знімається з цього пристрою. Цей винахід також стосується методу виявлення аналіту в зразку чи діагностування патогенного стану, використовуючи мікро пристрій для ПЛР, цей метод складається з таких етапів: a) завантаження зразку, що містить ядерну кислоту, в мікросхему, яка складається з великої кількості шарів з низькотемпературної кераміки, b) ампліфікування ядерної кислоти шляхом функціонування мікропристрою ПЛР; та c) визначення наявності чи відсутності аналіту на основі зчитування флуоресцентного сигналу збільшеної ядерної кислоти, або ж визначення наявності чи відсутності хвороботворного організму на підставі зчитування флуоресцентного сигналу збільшеної ядерної кислоти для діагностування хворобливого стану. В одному виконанні цього винаходу ядерною кислотою є або ДНК, або РНК. В одному виконанні цього винаходу цей метод передбачає здійснення як якісного, так і кількісного аналізу продуктів ампліфікації. В одному виконанні цього винаходу зразком є зразок харчового матеріалу чи біологічного матеріалу. В одному виконанні цього винаходу біологічний зразок відібрано з групи, до складу якої входить кров, сироватка, плазма, тканини, слина, мокротиння та сеча. В одному виконанні цього винаходу хвороботворний організм відібрано з групи, до складу якої входять віруси, бактерії, грибки, дріжджові грибки та найпростіші організми. Термін "шар реакційної камери" в цьому документі застосовується до будь-якого шару мікросхеми, що бере участь у формуванні реакційної камери, а тому контактує зі зразком. 3 UA 100389 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Термін "провідниковий шар" в цьому документі стосується будь-якого шару цієї мікросхеми, що має вмонтований у неї провідник. Термін "нагрівальний шар" в цьому документі стосується будь-якого шару мікросхеми, що має вмонтований в неї підігрівач. Полімеразна Ланцюгова Реакція (ПЛР) – це техніка, відкрита для синтезу дублікатів специфічного фрагменту ДНК з еталону. Оригінальний процес ПЛР ґрунтується на термостійкому полімеразному ферменті ДНК з термофільної бактерії (Taq), що може синтезувати додатковий молекулярний ланцюжок в молекулярний ланцюжок заданої ДНК в суміші, яка містить чотири основи ДНК і два фрагменти праймера ДНК, що фланкують ДНКмішені. Суміш підігрівається для роз'єднання молекулярних ланцюжків двійної спіралі ДНК, яка має ДНК-мішень, а потім – охолоджується для того, щоб праймери мали можливість знайти та зв'язатися з додатковими послідовностями основ ДНК на окремих молекулярних ланцюжках, а полімераза Термофільної бактерії могла розширити праймери в нові додаткові молекулярні ланцюжки. Повторення циклів підігріву та охолодження збільшує ДНК-мішень в геометричній прогресії, оскільки кожний новий подвійний молекулярний ланцюжок розділяється для того, щоб стати двома матрицями для подальшого синтезу. Типовий температурний профіль для полімеразної ланцюгової реакції є таким: 1. Денатурація при температурі 93 °C протягом 15-30 секунд 2. Ренатурація праймеру при температурі 55 °C протягом 15-30 секунд 3. Збільшення праймерів при температурі 72 °C протягом 30-60 секунд В якості прикладу, в першому етапі розчин підігрівається до температури 90-95ºC таким чином, що матриця з подвійного молекулярного ланцюжка плавиться ("денатурується") для того, щоб сформувати два окремих молекулярних ланцюжка. В наступному етапі вона охолоджується до температури 50-55ºC для того, щоб короткі спеціально синтезовані фрагменти ДНК ("праймери") з'єдналися з відповідною додатковою секцією матриці ("ренатурація"). Остаточно розчин підігрівається до температури 72ºC, коли особливий фермент ("полімераза ДНК") збільшує праймери шляхом приєднання додаткових основ з розчину. В такий спосіб два ідентичні молекулярні ланцюги синтезуються з одного подвійного молекулярного ланцюга. Для того, щоб отримати продукти, довжина яких більша, ніж декілька сотень основ, етап розширення праймеру має бути збільшено приблизно на 60 с/к основ. Вказані вище дані є типовими часовими даними для приладів; насправді, етапи денатурації та ренатурації відбуваються майже миттєво, але температурні показники заводських приладів, за звичай, становлять менше, ніж 1 °C /с, у разі якщо металеві блоки чи вода використовуються для теплової рівноваги, а зразки зберігаються в пластикових мікроцентрифужних пробірках. Шляхом механічної мікрообробки термічно ізольованих ПЛР-камер малої маси; можливо налагодити масовий випуск більш швидкого, більш енергозберігаючого та більш специфічного приладу для проведення ПЛР. До того ж, факт швидких переходів від однієї температури до іншої гарантує те, що на зразок витрачається мінімальна кількість часу при небажаних проміжних температурах для того, щоб збільшена ДНК мала оптимальну точність та чистоту. Низькотемпературна кераміка – це сучасна версія технології товстої плівки, що використовується в упаковуванні електронних компонентів для автомобільної, оборонної, космічної та телекомунікаційної промисловості. Це прозорий керамічний матеріал на основі оксиду алюмінію, що є хімічно інертним, біологічно сумісним, теплостійким (>600ºC), має низьку теплопровідність (