બાયોચિપ

બાયોચિપ્સ એ એક એન્જિનિયર્ડ સબસ્ટ્રેટ છે જે એક સાથે મોટી સંખ્યામાં બાયોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓનું આયોજન કરી શકે છે. બાયોચિપ ટેક્નોલોજીનો એક ધ્યેય એ છે કે મોટી સંખ્યામાં જૈવિક વિશ્લેષકોને અસરકારક રીતે સ્ક્રીન માં સમાવી શકે છે, જેમાં રોગના નિદાન થી લઈને બાયો ટેરરિઝમ એજન્ટોની શોધ સુધીની સંભવિત એપ્લિકેશન છે. ઉદાહરણ તરીકે, બાયોમેડિકલ ક્ષેત્રોમાં એપ્લિકેશન માટે ડિજિટલ માઇક્રો ફ્લુઇડ બાયો ચિપ્સ સંશોધન હેઠળ છે. ડિજિટલ માઇક્રો ફ્લુઇડિક બાયોચિપમાં, માઇક્રો ફ્લુઇડિક એરેના કોષોના જૂથને (સંલગ્ન) સંગ્રહ કરવુ, કાર્યાત્મક કામગીરી, તેમજ તે પ્રવાહીને ગતિશીલ રીતે પરિવહન કરવા માટે રૂપરેખાંકિત કરી શકાય છે.

આ અંતર્ગત સેન્સર ટેક્નોલોજી પર પ્રારંભિક કાર્ય સાથે વિકાસની શરૂઆત થઈ. પ્રથમ પોર્ટેબલ, રસાયણશાસ્ત્ર આધારિત સેન્સરમાંથી એક ગ્લાસ pH ઇલેક્ટ્રોડ હતું, જેની શોધ હ્યુજીસ દ્વારા 1922 માં કરવામાં આવી હતી. અનુગામી વર્ષોમાં અન્ય આયન સેન્સર વિકસાવવા માટે પર્મસેલેકટિવ મેમ્બ્રેન બનાવવા માટે એક્સચેન્જ સાઇટ્સનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. ઉદાહરણ તરીકે, પાતળા પટલમાં (શરીરના કોષ નો એક ભાગ) વેલિનોમાસીન નો સમાવેશ કરીને K+ સેન્સર નું નિર્માણ કરવામાં આવ્યું હતું.

1953માં, વોટસન અને ક્રિકે ડીએનએ પરમાણુઓના અને હવે જાણીતા ડબલ હેલિક્સ માળખાની શોધની જાહેરાત કરી અને આનુવંશિક સંશોધન માટે સ્ટેજ સેટ કર્યું જે આજ સુધી ચાલુ છે. 1977માં ગિલ્બર્ટ અને સેંગર (આ બન્ને ત્યારે અલગથી કામ કરતા) દ્વારા સિક્વન્સિંગ તકનીકોના વિકાસથી સંશોધકોને પ્રોટીન સંશ્લેષણ માટે સૂચના આપતા આનુવંશિક કોડને સીધા વાંચી શકાય તેવા સક્ષમ બનાવ્યા. આ સંશોધન દર્શાવે છે કે કેવી રીતે પૂરક એકલ ઓલિગોન્યુક્લિયો ટાઇડ સ્ટ્રેન્ડના વર્ણસંકર કરણ નો ઉપયોગ ડીએનએ સેન્સિંગ માટેના આધાર તરીકે થઈ શકે છે. બે વધારાની શોધોએ આધુનિક ડીએનએ-આધારિત માં ઉપયોગમાં લેવાતી તકનીકને સક્ષમ કરી. સૌપ્રથમ, 1983માં કેરી મુલિસે પોલિમરેઝ ચેઇન રિએક્શન (PCR) ટેકનિકની શોધ કરી, જે ડી એન એ સાંદ્રતા વધારવા માટેની પદ્ધતિ છે. આ શોધને કારણે નમૂનાઓમાં અત્યંત ઓછી માત્રામાં ડીએનએની શોધ શક્ય બની. બીજું 1986માં હૂડ અને સહકાર્યકરોએ ડીએનએ પરમાણુઓને રેડિયો લેબલને બદલે ફ્લોરોસન્ટ ટૅગ્સ સાથે લેબલ કરવાની પદ્ધતિ ઘડી, આમ હાઇબ્રિડાઇઝેશન પ્રયોગોને ઓપ્ટીકલી અવલોકન કરવામાં સક્ષમ બનાવ્યા.

પ્રોટીન બાયો ચિપ એરે અને અન્ય માઇક્રો એરે તકનીકો

માઇક્રો એરે ડીએનએ વિશ્લેષણ સુધી મર્યાદિત નથી. પ્રોટીન માઇક્રો એરે, એન્ટિબોડી માઇક્રો એરે, રાસાયણિક સંયોજન માઇક્રો એરે પણ બાયો ચિપ્સ નો ઉપયોગ કરીને ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. રેન્ડોક્સ લેબોરેટરીઝ એ 2003માં પ્રથમ પ્રોટીન બાયો ચિપ એરે ટેકનોલોજી વિશ્લેષક એવિડન્સ લોન્ચ કર્યું હતું. પ્રોટીન બાયો ચિપ એરે ટેકનોલોજીમાં બાયોચિપ પ્રતિક્રિયા પ્લેટફોર્મ તરીકે ELISA પ્લેટ અથવા ક્યુવેટ ને બદલે છે. બાયોચિપનો ઉપયોગ એક સાથે એક જ નમૂનામાં સંબંધિત પરીક્ષણોની પેનલનું વિશ્લેષણ કરવા માટે થાય છે, જે દર્દીની પ્રોફાઇલ બનાવે છે. દર્દીની પ્રોફાઇલ નો ઉપયોગ રોગની તપાસ, નિદાન, રોગ ની પ્રગતિ અથવા દેખરેખની સારવારમાં થઈ શકે છે. મલ્ટિપ્લેક્સિંગ તરીકે વર્ણવેલ, એકસાથે બહુવિધ વિશ્લેષણ કરવા, પ્રક્રિયાના સમય અને દર્દીના નમૂનાની આવશ્યક માત્રામાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરવાની મંજૂરી આપે છે. બાયો ચિપ એરે ટેકનોલોજી એ પરિચિત પદ્ધતિ ની નવીન એપ્લિકેશન છે. જેમાં સેન્ડવીચ અને એન્ટિબોડી-કેપ્ચર ઇમ્યુનો એસેસનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. પરંપરાગત ઇમ્યુનો સેસથી તફાવત એ છે કે, કેપ્ચર લિગાન્ડ સોલ્યુશન ને બદલે ક્રમબદ્ધ એરેમાં બાયોચિપની સપાટી સાથે સહસંયોજક રીતે જોડાયેલા હોય છે.

સેન્ડવીચ એસેસમાં એન્ઝાઇમ લેબલવાળા એન્ટિબોડી નો ઉપયોગ થાય છે. એન્ટિબોડી-એન્ટિજન બંધન પર કેમિલ્યુમિનેસેન્સ પ્રતિક્રિયા પ્રકાશ ઉત્પન્ન કરે છે. તપાસ ચાર્જ-કપ્લ્ડ ડિવાઇસ (CCD) કેમેરા દ્વારા કરવામાં આવે છે. CCD કૅમેરો એ સંવેદનશીલ અને ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન સેન્સર છે જે ખૂબ જ નીચા સ્તરના પ્રકાશને ચોક્કસ રીતે શોધી અને તેનું પ્રમાણ નક્કી કરવામાં સક્ષમ છે. પરીક્ષણ ક્ષેત્રો ગ્રીડ પેટર્ન નો ઉપયોગ કરીને સ્થિત છે, પછી વ્યક્તિગત વિશ્લેષકને ઝડપથી અને એક સાથે પ્રમાણિત કરવા માટે ઇમેજિંગ સોફ્ટવેર દ્વારા કેમિલ્યુમિનેસેન્સ સિગ્નલોનું વિશ્લેષણ કરવામાં આવે છે. 

બાયો ચિપ્સનો ઉપયોગ માઇક્રો ફિઝિયોમેટ્રીના ક્ષેત્રમાં પણ થાય છે. દા.ત. સ્કિન-ઓન-એ-ચીપ એપ્લિકેશનમાં.

માઇક્રોએરે ફેબ્રિકેશન

માઇક્રો એરે બાયો સેન્સરની ગાઢ, દ્વિ-પરિમાણીય ગ્રીડ-એ બાયો ચિપ પ્લેટફોર્મનું નિર્ણાયક ઘટક છે. સામાન્ય રીતે, સેન્સર સપાટ સબસ્ટ્રેટ પર જમા કરવામાં આવે છે, જે કાં તો નિષ્ક્રિય (દા.ત. સિલિકોન અથવા ગ્લાસ) અથવા સક્રિય હોઈ શકે છે. બાદમાં સંકલિત ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અથવા માઇક્રો મિકેનિકલ ઉપકરણોનો સમાવેશ કરે છે જે સિગ્નલ ટ્રાન્સડક્શન કરે છે. સેન્સર પરમાણુઓને સબસ્ટ્રેટ માધ્યમ સાથે સહસંયોજક રીતે બાંધવા માટે સપાટી રસાયણશાસ્ત્રનો ઉપયોગ થાય છે. માઇક્રો એરેની બનાવટ એક મોટી આર્થિક અને તકનીકી અવરોધ છે જે આખરે ભાવિ બાયો ચિપ પ્લેટફોર્મની સફળતા નક્કી કરી શકે છે. પ્રાથમિક ઉત્પાદનનો પડકાર એ દરેક સેન્સરને સબસ્ટ્રેટ પર ચોક્કસ સ્થાને (સામાન્ય રીતે કાર્ટેશિયન ગ્રીડ પર) મુકવાની પ્રક્રિયા છે. પ્લેસમેન્ટ હાંસલ કરવા માટે વિવિધ માધ્યમો અસ્તિત્વમાં છે, પરંતુ સામાન્ય રીતે રોબોટિક માઇક્રો-પાઇપેટિંગ અથવા માઇક્રો-પ્રિંટિંગ સિસ્ટમનો ઉપયોગ ચિપ સપાટી પર સેન્સર સામગ્રીની નાની ફોલ્લીઓ મૂકવા માટે થાય છે. કારણ કે દરેક સેન્સર અનન્ય છે, એક સમયે માત્ર થોડા જ સ્થળો પર મૂકી શકાય છે. જેથી આ પ્રક્રિયાની ઓછી થ્રુપુટ પ્રકૃતિ ઉચ્ચ ઉત્પાદન ખર્ચમાં પરિણમે છે. 

ફોડર અને તેના સહકર્મીઓએ એક અનોખી ફેબ્રિકેશન પ્રક્રિયા વિકસાવી (બાદમાં એફિમેટ્રિક્સ દ્વારા ઉપયોગમાં લેવાય છે). જેમાં માઇક્રોલિથોગ્રાફી સ્ટેપ્સની શ્રેણી નો ઉપયોગ એક સમયે એક સબસ્ટ્રેટ એક ન્યુક્લિયોટાઇડ પર હજારો અનન્ય, સિંગલ-સ્ટ્રેન્ડેડ ડીએનએ સેન્સરને સંયોજિત કરવા માટે કરવામાં આવે છે. આમ, ન્યુક્લિયોટાઇડ સ્તર દીઠ કુલ ચાર પગલાં જરૂરી છે. જો કે આ ટેકનિક ખૂબ જ શક્તિશાળી છે જેમાં એક સાથે ઘણા સેન્સર બનાવી શકાય છે, તે હાલમાં માત્ર ટૂંકા ડીએનએ સેર (15-25 ન્યુક્લિયોટાઇડ્સ) બનાવવા માટે જ શક્ય છે. વિશ્વસનીયતા અને ખર્ચના પરિબળો ફોટોલિથો ગ્રાફી પગલાંની સંખ્યાને મર્યાદિત કરે છે જે વધારી શકાય છે. વધુમાં, પ્રકાશ-નિર્દેશિત સંયુક્ત સંશ્લેષણ તકનીકો હાલમાં પ્રોટીન અથવા અન્ય સંવેદના પરમાણુઓ માટે શક્ય નથી.

ઉપર નોંધ્યું તેમ, મોટાભાગના માઇક્રો એરેના સેન્સર્સની કાર્ટેશિયન ગ્રીડ હોય છે. આ અભિગમનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે દરેક સેન્સરના સંકલનને તેના કાર્ય માટે નકશા અથવા "એનકોડ" કરવા માટે થાય છે. આ એરેમાંના સેન્સર સામાન્ય રીતે સાર્વત્રિક સિગ્નલિંગ ટેકનિક (દા.ત. ફ્લોરોસેન્સ) નો ઉપયોગ કરે છે, આમ કોઓર્ડિનેટ્સ તેમની એકમાત્ર ઓળખ સુવિધા બનાવે છે. દરેક સેન્સર યોગ્ય સ્થાને મૂકવામાં આવ્યું છે તેની ખાતરી કરવા માટે આ એરે સીરીયલ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને બનાવવી આવશ્યક છે. 

"રેન્ડમ" ફેબ્રિકેશન, જેમાં સેન્સર્સને ચિપ પર જે સ્થાનો પર મૂકવામાં આવે છે, તે સીરીયલ પદ્ધતિનો વિકલ્પ છે. કંટાળાજનક અને ખર્ચાળ પ્રક્રિયા જરૂરી નથી, જે સમાંતર સ્વ-એસેમ્બલી તકનીકોનો ઉપયોગ કરવા સક્ષમ છે. આ અભિગમમાં સમાન સેન્સરના મોટા બેચનું ઉત્પાદન કરી શકાય છે; દરેક બેચમાંથી સેન્સર પછી ભેગા થાય છે અને એરેમાં એસેમ્બલ થાય છે. દરેક સેન્સરને ઓળખવા માટે બિન-સંકલન આધારિત એન્કોડિંગ સ્કીમ નો ઉપયોગ કરવો આવશ્યક છે. જો કે, આ એન્કોડિંગ સ્કીમ અનન્ય રંગ સંયોજનોની સંખ્યામાં મર્યાદિત છે જેનો ઉપયોગ કરી શકાય છે અને સફળતાપૂર્વક અલગ કરી શકાય છે.

સામાન્ય રીતે, બાયોચિપની સપાટીનો વિસ્તાર આંગળીના નખ કરતા મોટો હોતો નથી. એક સેકન્ડમાં લાખો ગાણિતિક ક્રિયાઓ કરી શકે તેવી કોમ્પ્યુટર ચિપ ની જેમ, એક બાયો ચિપ હજારો જૈવિક પ્રતિક્રિયાઓ કરી શકે છે. 

હોસ્પિટલો, ડાયગ્નોસ્ટિક્સ કેન્દ્રો, શૈક્ષણિક અને સંશોધન સંસ્થાઓ, બાયોટેકનોલોજી અને ફાર્માસ્યુટિકલ ઉદ્યોગોમાં તકો સાથે બાયો ચિપ બજારનું ભાવિ આશાસ્પદ લાગે છે. વૈશ્વિક બાયોચિપ માર્કેટ 2019 થી 2024 સુધી 18% ના CAGR સાથે વૃદ્ધિ પામવાની અપેક્ષા છે.