scholarly journals Towards PCB-Based Miniaturized Thermocyclers for DNA Amplification

Micromachines ◽  
2020 ◽  
Vol 11 (3) ◽  
pp. 258
Author(s):  
Georgia D. Kaprou ◽  
Vasileios Papadopoulos ◽  
Christos-Moritz Loukas ◽  
George Kokkoris ◽  
Angeliki Tserepi
Keyword(s):  
Power Consumption ◽  
Large Scale ◽  
Printed Circuit Board ◽  
Dna Amplification ◽  
Circuit Board ◽  
Amplification Efficiency ◽  
Chain Reaction ◽  
Seamless Integration ◽  
Printed Circuit ◽  
Polymerase Chain

In recent years, printed circuit board (PCB)-based microfluidics have been explored as a means to achieve standardization, seamless integration, and large-scale manufacturing of microfluidics, thus paving the way for widespread commercialization of developed prototypes. In this work, static micro polymerase chain reaction (microPCR) devices comprising resistive microheaters integrated on PCBs are introduced as miniaturized thermocyclers for efficient DNA amplification. Their performance is compared to that of conventional thermocyclers, in terms of amplification efficiency, power consumption and duration. Exhibiting similar efficiency to conventional thermocyclers, PCB-based miniaturized thermocycling achieves faster DNA amplification, with significantly smaller power consumption. Simulations guide the design of such devices and propose means for further improvement of their performance.

scholarly journals Integrated microfluidic devices for rapid DNA amplification applicable to diagnostics andpathogendetection in food

2018 ◽  
Author(s):  
Γεωργία Κάπρου
Keyword(s):  
Polymerase Chain Reaction ◽  
Quartz Crystal ◽  
Printed Circuit Board ◽  
Lab On A Chip ◽  
Dna Amplification ◽  
Microfluidic Devices ◽  
Circuit Board ◽  
Chain Reaction ◽  
Printed Circuit ◽  
Polymerase Chain

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μικροαντιδραστήρων για την ενίσχυση δεσοξυριβονουκλεϊνικών οξέων (DNA) με βάση το υπόστρωμα τυπωμένου κυκλώματος (Printed Circuit board,PCB) με χαμηλό κόστος και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, επιτρέποντας τη χρήση τους ακόμη και σε περιοχές με χαμηλούς πόρους, κατάλληλες για ολοκλήρωση σε πλατφόρμες μικροεργαστηρίων σε ψηφίδα (Lab-on-a-Chip, LoC) με εφαρμογή στην ασφάλεια τροφίμων, στα ιατρικά διαγνωστικά και στην περιβαλλοντική παρακολούθηση για την ανίχνευση παθογόνων.Επιτεύχθηκε ταυτόχρονα μεγάλος βαθμός ολοκλήρωσης και χαμηλό κόστος κατασκευής των μικροδιατάξεων αυτών με την επιλογή του PCB ως το κυρίως υπόστρωμα και την ανάπτυξη διαδικασιών κατασκευής συμβατών με την τεχνολογία PCB. Εκτός από την ολοκλήρωση των μικρορευστωνικών δικτύων με ηλεκτρονικά στοιχεία όπως οι αισθητήρες, το PCB επιτρέπει επίσης την ολοκλήρωση μικρoθερμαντικών στοιχείων χαλκού που παρέχουν τις θερμικές ζώνες που είναι απαραίτητες για την ενίσχυση του DNA. Ως εκ τούτου, η χαμηλού κόστους μαζική παραγωγή μικροδιατάξεων ενίσχυσης DNA είναι εφικτή με την χρήση των προτεινόμενων εμπορικά διαθέσιμων υλικών και μεθόδων συμβατών με την τεχνολογία PCB για την κατασκευή των μικροδιατάξεων αυτών στην καλά εδραιωμένη βιομηχανία PCB, αντιμετωπίζοντας έτσι ένα από τα εμπόδια σχετικά με τις μικρορευστωνικές διατάξεις που είναι η εμπορική αξιοποίησή τους.Στην παρούσα διατριβή, κατασκευάστηκαν μικροδιατάξεις ενίσχυσης DNA στατικού θαλάμου και συνεχούς ροής και ελέχθησαν χρησιμοποιώντας πολυάριθμες μεθόδους ενίσχυσης (ισοθερμικές και μη ισοθερμικές) όπως η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (Polymerase Chain Reaction, PCR), Recombinase Polymerase Amplification (RPA), Helicase Dependent Amplification (HDA) και Loop-mediated Amplification (LAMP). Πρωτόκολλα ενίσχυσης DNA πολύ ταχύτερα σε σχέση με αυτά που διενεργούνται σε συμβατικούς θερμοκυκλοποιητές (μέχρι 20 φορές) διεξήχθησαν εντός των μικροδιατάξεων ενίσχυσης DNA, με συνολική διάρκεια από 2 λεπτά - μία από τις ταχύτερες που αναφέρθηκαν ποτέ - έως 30 λεπτά. Ο σχεδιασμός (βάση αριθμητικών υπολογισμών) των μικροαντιδραστήρων DNA εξασφαλίζει επίσης χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (324 J έως 4320 J) η οποία μπορεί να μεταφραστεί στην ανεξάρτητη διεξαγωγή από 65 μέχρι 1000 αντιδράσεων (αναλόγως της μεθόδου ενίσχυσης DNA) με χρήση συνήθους μπαταρίας ισχύος 10.000 mAh (9V).Τέτοιοι μικροαντιδραστήρες ενίσχυσης DNA ολοκληρώθηκαν για πρώτη φορά με ακουστικούς βιοαισθητήρες (Surface Acoustic Wave, SAW). Στην εργασία, παρουσιάζεται μια πλατφόρμα μικροεργαστηρίου σε ψηφίδα LoC βασισμένη στην ακουστική ανίχνευση SAW, εντός της οποίας διεξάγεται η δέσμευση και λύση κυττάρων, και η ενίσχυση του βακτηριακού DNA σε ένα και μόνο θάλαμο για την ανίχνευση ζώντων κυττάρων Σαλμονέλας (που προέρχονται από τεχνητό εμβολιασμό στο γάλα) μέσα σε λιγότερο από 6 ώρες.Παράλληλα, επιτεύχθηκε περαιτέρω βελτίωση της πλατφόρμας LoC με διερεύνηση μεθόδων παθητικοποίησης των τοιχωμάτων μικροκαναλιών για την πρόληψη προσρόφησης βιομορίων στην επιφάνεια των μικροδιατάξεων για τη βελτίωση της ενίσχυσης DNA. Διάλυμα 1% αλβουμίνης Βόιου ορού (Bovine Serum Albumin, BSA) παρατηρήθηκε ότι παθητικοποιεί με βέλτιστο τρόπο τα τοιχώματα και συνεπώς αναστέλλει την προσρόφηση βιομορίων. Παρομοίως, διερευνήθηκε η επιφανειακή ενεργοποίηση των ακουστικών αισθητήρων (Quartz Crystal Microbalance with Dissipation, QCM-D) για επιλεκτική δέσμευση DNA σε πολύπλοκα δείγματα, ανοίγοντας το δρόμο για να χρησιμοποιηθεί η αναπτυγμένη πλατφόρμα με πολύπλοκες μήτρες δειγμάτων. Η χρήση παρεμποδιστικού ρυθμιστικού διαλύματος πριν την εισαγωγή του δείγματος προς ανάλυση στον βιοαισθητήρα βελτιώνει τη διαχωριστική ικανότητα μεταξύ μολυσμένων και μη δειγμάτων όταν χρησιμοποιείται η ανίχνευση μέσω ειδικής πρόσδεσης Αβιδίνης-Βιοτίνης.

Printed Circuit Board-Based Polymerase Chain Reaction Chip

2012 ◽  
Vol 10 (5) ◽  
pp. 1197-1202 ◽  
Author(s):  
Chan-Young Park ◽  
Jong-Dae Kim ◽  
Ja-Hun Ku ◽  
Yu-Seop Kim ◽  
Hye-Jeong Song ◽  
...  
Keyword(s):  
Polymerase Chain Reaction ◽  
Printed Circuit Board ◽  
Circuit Board ◽  
Chain Reaction ◽  
Printed Circuit ◽  
Polymerase Chain

Two-Level Nonlinear Mixed Discrete-Continuous Optimization-Based Design: An Application to Printed Circuit Board Assemblies

1992 ◽  
Vol 114 (4) ◽  
pp. 425-435 ◽  
Author(s):  
S. Praharaj ◽  
S. Azarm
Keyword(s):  
Large Scale ◽  
Printed Circuit Board ◽  
Continuous Optimization ◽  
The Other ◽  
Circuit Board ◽  
Continuous Variables ◽  
Discrete Variables ◽  
Printed Circuit ◽  
Monotonicity Analysis ◽  
Optimization Based Design

In this paper, a new approach for optimization-based design of nonlinearly mixed discrete-continuous problems has been developed. The approach is based on a two-level decomposition strategy in which the entire domain of variables is partitioned into two levels, one involving the continuous variables and the other involving the discrete variables. Variables in one level are optimized for fixed values of the variable from the other level. A modified penalty function is formed, based on monotonicity analysis, to solve for the discrete variables, and a conventional optimization method is used to solve for the continuous variables. To improve the computational effectiveness of the approach, a constrained derivative relationship is also adopted. The performance of the entire algorithm is then demonstrated through an example involving a simplified model for printed circuit board assemblies. The objective in the example is to maximize assembly reliability by: (1) adding redundant components to the boards, and (2) optimally distributing allocated mass flow to the individual channels of the circuit boards. Number of variables in the example is then varied to investigate the effectiveness and potential of the approach for large-scale problems.

Two-Level Nonlinear Mixed Discrete-Continuous Optimization-Based Design: An Application to Printed Circuit Board Assemblies

1992 ◽  
Author(s):  
S. Praharaj ◽  
Shapour Azarm
Keyword(s):  
Large Scale ◽  
Printed Circuit Board ◽  
Continuous Optimization ◽  
The Other ◽  
Circuit Board ◽  
Continuous Variables ◽  
Discrete Variables ◽  
Printed Circuit ◽  
Monotonicity Analysis ◽  
Optimization Based Design

Abstract In this paper, a new approach for optimization-based design of non-linearly mixed discrete-continuous problems has been developed. The approach is based on a two-level decomposition strategy in which the entire domain of variables is partitioned into two levels, one involving the continuous variables and the other involving the discrete variables. Variables in one level are optimized for fixed values of the variable from the other level. A modified penalty function is formed, based on monotonicity analysis, to solve for the discrete variables, and a conventional optimization method was used to solve for the continuous variables. To improve the computational effectiveness of the approach, a constrained derivative relationship was also adopted. The performance of the entire algorithm is then demonstrated through an example involving printed circuit board assemblies. The objective in the example is to maximize assembly reliability by: (1) adding redundant components to the boards and (2) optimally distributing allocated mass flow to the individual channels of the circuit boards. Number of variables in the example is then varied to investigate the effectiveness and potential of the approach for large-scale problems.

Session 1(b): Basic Techniques—Electronics: A Review of Postal Engineering Logic Units

1969 ◽  
Vol 184 (8) ◽  
pp. 41-51
Author(s):  
H. Goodison
Keyword(s):  
Large Scale ◽  
Printed Circuit Board ◽  
Design Method ◽  
Circuit Board ◽  
Actual Performance ◽  
Printed Circuit ◽  
Large Scale Integration ◽  
Current Assessment ◽  
Standard Set ◽  
Scale Integration

The paper describes why control elements using discrete components mounted on a printed circuit board were chosen for postal mechanization equipments. Basic design considerations are listed, and principles determining the choice of components stated. The decision to provide both ‘nor’ and ‘not-and’ elements is explained, and the reasons given why negative logic is used. With the use of B.S. symbols it is shown how logic diagrams can easily be converted to functional diagrams. A brief description of each logic unit in the standard set is given and the set of peripheral units listed. Mention is made of the design method and the emphasis placed on noise immunity. Constructional techniques and the use of an automatic tester are described. Current assessment of the actual performance of the units is given and future possibilities, including large-scale integration and M.O.S.T. devices, are discussed.

Detection ofTrypanosoma congolenseandTrypanosoma bruceisubspecies by DNA amplification using the polymerase chain reaction

Parasitology ◽  
1989 ◽  
Vol 99 (1) ◽  
pp. 57-66 ◽  
Author(s):  
D. R. Moser ◽  
G. A. Cook ◽  
Diane E. Ochs ◽  
Cheryl P. Bailey ◽  
Melissa R. McKane ◽  
...  
Keyword(s):  
Polymerase Chain Reaction ◽  
Dna Sequences ◽  
Large Scale ◽  
Nuclear Dna ◽  
Pcr Amplification ◽  
Dna Amplification ◽  
Detection Methods ◽  
Chain Reaction ◽  
African Trypanosomes ◽  
Polymerase Chain

SUMMARYThe nuclear DNA ofTrypanosoma congolensecontains a family of highly conserved 369 base pair (bp) repeats. The sequences of three cloned copies of these repeats were determined. An unrelated family of 177 bp repeats has previously been shown to occur in the nuclear DNA ofTrypanosoma brucei brucei(Sloofet al.1983a). Oligonucleotides were synthesized which prime the specific amplification of each of these repetitive DNAs by the polymerase chain reaction (PCR). Amplification of 10% of the DNA in a single parasite ofT. congolenseorT. bruceispp. produced sufficient amplified product to be visible as a band in an agarose gel stained with ethidium bromide. This level of detection, which does not depend on the use of radioactivity, is about 100 times more sensitive than previous detection methods based on radioactive DNA probes. The oligonucleotides did not prime the amplification of DNA sequences in other trypanosome species nor inLeishmania, mouse or human DNAs. Amplification of DNA from the blood of animals infected withT. congolenseand/orT. bruceispp. permitted the identification of parasite levels far below that detectable by microscopic inspection. Since PCR amplification can be conducted on a large number of samples simultaneously, it is ideally suited for large-scale studies on the prevalence of African trypanosomes in both mammalian blood and insect vectors.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document