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Definition Was ist eigentlich ein Lab-on-a-Chip?

Redakteur: M.A. Bernhard Richter

Ein Lab-on-a-Chip lässt vollständige biologische, chemische und physikalische Prozesse eines makroskopischen Labors auf kleinstem, mikroskopischen Raum stattfinden. Wie das funktioniert.

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Die Goldlinien auf der Glasscheibe sind Mikrowellenübertragungsleitungen. Der 1,25 cm breite Polymerblock beherbergt eine Miniaturkammer, in der ein mikrolitergroßer Flüssigkeitstropfen erhitzt werden kann.
Die Goldlinien auf der Glasscheibe sind Mikrowellenübertragungsleitungen. Der 1,25 cm breite Polymerblock beherbergt eine Miniaturkammer, in der ein mikrolitergroßer Flüssigkeitstropfen erhitzt werden kann.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Die Miniaturisierung hat nicht nur auf dem Gebiet der Mikroelektronik zu richtungsweisenden Innovationen geführt, auch die Mikrofluidik als Schlüsseltechnologie konnte von der Einführung und Zugänglichkeit neuer Fertigungstechniken für sich nutzen. Ähnlich wie in der Mikroelektronik kann in der Mikrofluidik das Zusammenspiel vieler Funktionen auf integrierten Chips eine Leistungsfähigkeit mit disruptiven Potential schaffen. Diese Lab-on-a-Chip (LOC) -Systeme können Aufgaben lösen, die bisher in großen Labors geschehen.

Entwicklung und Geschichte

Insbesondere die Photolithographie aus der Halbleiterentwicklung hat dazu beigetragen, Abdrücke im Nanobereich auf der Oberfläche von Metallen und Halbleitern zu erzeugen. Durch die Weiterentwicklung dieser Prozesse stand ein Werkzeugkasten zur Verfügung, um auch mechanische Strukturen im Mikrometer- oder Submikrometerbereich zu erzeugen.

Anfang der 1990er Jahre begann die LOC-Forschung ernsthaft zu wachsen, als einige wenige Forschungsgruppen in Europa Mikropumpen, Strömungssensoren und die Konzepte für integrierte Flüssigkeitsbehandlungen für Analysesysteme entwickelten. Diese sogenannten Mikrototalanalysensysteme (µTAS) konnten zeigen, dass die Integration von Vorbehandlungsschritten die einfache Sensorfunktionalität in Richtung einer vollständigen Laboranalyse, einschließlich zusätzlicher Reinigungs- und Trennschritte, erweitern kann.

Weiteren Aufwind erhielt die Forschung Mitte der 1990er durch die Genom-Analysen wie Kapillarelektrophorese und DNA-Chip-Technologie. Letztere nutzt Halbleitertechnik, um bekannte Gene auf Microarrays als Gensonden aufzubringen.

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Vorteile des Systems

Typische Vorteile der Lab-on-a-Chip-Systeme sind ein geringer Verbrauch an Flüssigkeitsvolumen, was im Umkehrschluss für weniger Abfall sorgt und die Kosten für Reagenzien und Probenmengen in der Diagnostik niedrig hält. Weiterhin verkürzen sich die Analyse- und Reaktionszeiten erheblich, da logischerweise eine bessere Prozesskontrolle durch schnelleres Ansprechen des Systems stattfinden kann.

Durch die Größe des System können wesentlich mehr Funktionen und Volumina integriert werden und eine Hochdurchsatzanalyse wird dadurch überhaupt erst möglich.

Nachteile des Systems

Die markantesten Nachteile sind, dass der Herstellungsprozess nach wie vor sehr teuer und komplex ist und dass es neben teurer Ausrüstung auch hochspezialisiertes Fachpersonal erfordert. Durch aktuelle Entwicklung in der 3D-Druck-Technologie relativieren sich diese Probleme aber.

Weiterhin erfordert das komplexe strömungstechnische Antriebsnetz mehrere Pumpen und Anschlüsse, bei denen eine Feinsteuerung schwierig sein kann. Oberflächenabhängige Effekte wie Kapillarkräfte, Oberflächenrauhigkeit oder chemische Wechselwirkungen sind im Mikroliterbereich wesentlich stärker ausgeprägt.

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