Development of a Self-powered Lab-on-a-chip system for on-site Diagnostics

Abstract

Der Mangel an geeigneten Analysegeräten in Entwicklungsländern begünstigt die rasche Ausbreitung von Krankheiten, die sowohl durch Umweltfaktoren (z. B. chemische und biologische Schadstoffe) als auch durch soziale Faktoren (z. B. unzureichende Bildung, unterentwickelte Gesundheitseinrichtungen, Überbevölkerung, niedrige Hygienestandards und Mangel an geschultem Personal) verursacht werden. Eine frühzeitige Diagnose und Identifizierung können das Auftreten sowohl endemischer als auch pandemischer Szenarien verringern. Standard-Diagnosegeräte sind jedoch selten mobil und ihre Bedienung ist hauptsächlich auf hochqualifiziertes Personal beschränkt. Je nach Diagnosesystem kann die Analyse mehrere Tage bis Wochen dauern. Um dieser Herausforderung zu begegnen, zielt diese Forschung darauf ab, ein miniaturisiertes und tragbares Detektionssystem zu entwickeln, das effizient und benutzerfreundlich arbeitet und ohne externe Stromversorgung umgehend Analyseergebnisse liefert. Diese Arbeit schlägt eine Fusion aus miniaturisierten Biobrennstoffzellen, Mikrofluidik und einem auf Nanopartikeln basierenden Affinitätstest mit einem elektrochemischen Biosensor-Array als tragbares und dennoch kostengünstiges Diagnosesystem vor. Die vorliegende Forschung stellt einen neuartigen Ansatz dar, der Mikrofluidik, Biosensor-Arrays und Biobrennstoffzellentechnologie für die On-Chip-Diagnose unter Verwendung von Bioflüssigkeiten wie Urin, Speichel und Blut integriert.

The lack of proper analytical instrumentation in developing countries facilitates the rapid spread of diseases, driven by environmental factors (e.g., chemical and biological pollutants) as well as social factors (e.g., inadequate education, underdeveloped healthcare facilities, overpopulation, low hygiene standards, and a shortage of trained personnel). Early diagnosis and identification can reduce the incidence of both endemic and pandemic scenarios. However, standard diagnostic equipment is seldom mobile, and operation is mainly limited to highly trained personnel. Depending on the diagnostic system, analysis may require several days to weeks. To address this challenge, this research aims to develop a miniaturized and portable detection system that operates efficiently at user convenience, providing an analytical outcome promptly without requiring an external power supply. This work proposes a fusion of miniaturized biofuel cells, microfluidics, and a nanoparticle-based affinity assay with an electrochemical biosensor array as a portable yet cost-efficient diagnostic system. The present research represents a novel approach that integrates microfluidics, biosensor arrays, and biofuel cell technology for on-chip diagnosis using biofluids such as urine, saliva, and blood.