Microssistema laboratorial para análise de fluidos biológicos

Abstract

Os médicos prescrevem análises a fluidos biológicos que são realizadas em laboratórios de análises clínicas. Todo este processo é moroso em termos de tempo, não permitindo ao médico um diagnóstico fidedigno na hora da consulta. Para além da demora, existem ainda problemas de possíveis enganos logísticos, tais como a etiquetagem errada ou a perda de amostras, o que pode atrasar significativamente o diagnóstico. Para analisar fluidos biológicos existem, em ambiente laboratorial, equipamentos sofisticados. Contudo, esses equipamentos utilizam grandes quantidades de reagentes e são economicamente dispendiosos. Fora do ambiente laboratorial existem, comercialmente disponíveis, as chamadas "fitas reagentes". Porém, são poucas as biomoléculas que permitem analisar e a leitura manual da cor não a precisa. Esta tese descreve a concepção, fabrico e teste de um microssistema laboratorial, denominado de "Microlab", para aplicação em análises clínicas, especialmente para análises a fluidos biológicos. Permite medir a concentração de biomoléculas nesses fluidos. A medição baseia-se na detecção colorimétrica por absorção óptica, usando luz branca como fonte de luz, evitando assim o recurso a uma fonte de luz monocromática específica. Esta característica torna-o um dispositivo portátil capaz de efectuar a análise em tempo real, sem recorrer a sistemas complexos e economicamente dispendiosos. 0 Microlab combina numa construção modular o sistema de microfluidos fabricado em vidro, o sistema de filtragem óptica fabricado pela deposição de uma estrutura de multicamadas de filmes finos de materiais dieléctricos, e o sistema de detecção e leitura fabricado segundo um processo de microelectrónica standard CMOS. Para ser utilizado, um feixe de luz branca é direccionado para microcanais nos quais se encontram as amostras a medir. Esse feixe, com varias componentes espectrais, e filtrado, através de filtros ópticos, obtendo-se uma banda muito estreita com apenas algumas componentes espectrais e centrada no comprimento de onda adequado a biomolécula que se pretende analisar. A intensidade da luz associada às diferentes componentes espectrais é proporcional à concentração das biomoléculas em análise. É medida através de fotodetectores colocados por baixo dos microcanais e alinhados verticalmente com os filtros ópticos. Um conversor luz - frequência foi integrado com os fotodetectores para converter o sinal analógico num sinal digital. 0 Microlab foi testado eficazmente na determinação quantitativa de acido úrico na urina.

For diagnostic reasons patients in a hospital are often subjected to biochemical analysis of their biological body fluids. Usually the analyses are carried out in clinical laboratories and the results become available after several hours, sometimes days. As a consequence a reliable diagnosis cannot be performed within the consultation time. Mistakes in the logistics, such as lost samples and mislabeling, may further delay diagnosis. The automated equipment used in a state-of-the-art laboratory reduces errors, but use high sample and reagent volumes, making the analysis systems expensive and does not contribute to patient comfort. Outside the laboratory environment, reagent strips are commercially available. Such strips are available for a limited set of biomolecules to be analyzed and the color readout is merely qualitative. This thesis describes the concept, fabrication and characterization of a laboratorial microsystem, called "Microlab", for application in clinical analysis, especially in biological fluid analysis. It allows the measurement of the concentration of biomolecules in those fluids. That measurement is based on colorimetric detection by optical absorption, using a white light source for illumination, thus avoiding the use of a wavelength dependent light source and enabling parallel processing for the simultaneous detection of several biomolecules. This characteristic makes the Microlab portable and ensures that the analysis can be performed at any location with instantaneous results, without the use of complex and expensive analysis systems. The Microlab combines in a multichip module the microfluidic system fabricated in glass, the optical filtering system fabricated using a dielectric thin-films multilayer and the detection and readout system fabricated in a CMOS micro-electronic process. Operation is based on a white light beam guided through the microchannels containing the samples to analyze. The impinging light is filtered by the optical filters, to a narrow spectral band centered at the wavelength for which the biomolecule being analyzed has its absorption maximum. The intensity of the selected spectral component transmitted through the fluid is measured using underlying photodetectors, vertically aligned with the optical filters. This optical intensity is proportional to the biomolecule concentration. A light-to-frequency converter was integrated with the photodetectors to convert the analog signal into a digital signal. The Microlab's performance was demonstrated in the quantitative measurement of uric acid concentration in urine.

Om diagnostische redenen worden bij patienten in een ziekenhuis vaak de biologische vloeistoffen van het lichaam (bloed, urine, etc.) biochemisch onderzocht. In het algemeen worden deze analyses in klinische laboratoria uitgevoerd en de resultaten komen pas na geruime tijd beschikbaar. De diagnose kan daardoor niet in de consultatietijd worden gesteld. Fouten in de logistiek, zoals zoekraken van buisjes en verwisseling van labels geeft aanleiding tot verdere vertraging. Geautomatiseerde apparatuur is algemeen beschikbaar en kan deze problemen aanzienlijk reduceren, maar in het algemeen is een relatief groot volume aan lichaamsvocht en testvloeistof nodig voor een analyse, wat de kosten van de analyse en het ongemak van de patient doet toenemen. Buiten de laboratoriumomgeving zijn testkaartjes commercieel beschikbaar. Deze kaartjes zijn slechts beschikbaar voor een beperkt aantal biomoleculen en het meetresultaat is kwalitatief. Dit proefschrift beschrijft het basisprincipe, fabricage en karakterisatie van een biochemisch microsysteem (microlab) voor klinische analyse van met name biologische vloeistoffen. De meting van de concentratie van biomoleculen in deze vloeistof blijkt mogelijk op basis van colorimetrische detectie, via optische absorptie van licht van een goed gedefinieerde golflengte en bepaald door het soort biomolecuul. De optische filters in het microlab maken het gebruik van een simpele witte (breedbandige) lichtbron mogelijk en bieden potentieel voor de parallelle detectie van de concentratie van een aantal biomoleculen. De afmetingen van het microlab zijn zodanig, dat een portabel systeem mogelijk is en het resultaat van de analyse direct beschikbaar komt, zonder tussenkomst van complexe apparatuur. Het microlab combineert in een multi-chip systeem het "microfluidic" systeem, gefabriceerd in glas, het optische filter, gefabriceerd met gestapelde dielektrische dunne films en de detector en uitleesschakeling in CMOS. De microkanalen met vloeistof worden beschenen met wit licht. Het licht wordt gefilterd door de biomoleculen, de dielektrische interferentiefilters en de intensiteit wordt gedetecteerd in een onderliggende fotodetector. Door de doorlaatband van het dielektrische filter gelijk te kiezen aan de absorptiepiek van een gekozen biomolecuul, kan de concentratie van dat betreffende biomolecuul worden bepaald. Een lichtintensiteit-naar-frequentie omzetting wordt in de uitlezing uitgevoerd om op eenvoudige wijze de fotostroom om te zetten naar een digitaal signaal. De werking van het microlab is aangetoond via de kwantitatieve meting van de concentratie van "uric acid" in urine.