مقالات
در حال خواندن
آزمایشگاه روی تراشه(Lab On Chip)
0

آزمایشگاه روی تراشه(Lab On Chip)

توسط میلاد سکاکی۲۱ مهر, ۱۳۹۶

 (LOC) از یک یا چند عملگر آزمایشگاهی روی یک تراشه به ابعاد چند میلی‌متر یا سانتی‌متر مربع تشکیل شده است.فناوری میکروسیالی یکی از فناوری‌های نوین است که توانسته با بهره‌گیری از خواصی ویژه‌ی سیالات در مقیاس میکرو و نانولیتر، همچنین با کاهش هزینه‌ها و زمان آزمایش،کاربردهای گسترده‌ای در بخش‌های تحقیقاتی و درمانی زیست‌شناسی و پزشکی به خود اختصاص دهد. LOC با حجم‌های بسیار کم مایعات حتی کمتر از چند پیکو لیتر سروکار دارد و زیر مجموعه‌ای است از دستگاه‌های MEMS که اغلب با نام «میکرو سیستم‌های تحلیل کلی» (µTAS) شناخته می‌شود.

مایعات میکرونی (Microfluidics) اصطلاح گسترده‌تری است که دستگاه‌های مکانیکی کنترل جریان مثل پمپ‌ها، سوپاپ‌ها و سنسورهایی شبیه جریان سنج‌ها و ویسکومترها را توصیف می‌کند. اصطلاح «آزمایشگاه روی تراشه» بعدها مطرح شد، زمانی که مشخص شد فناوری µTAS به طور گسترده و بیشتر از مقاصد تحلیلی کاربرد دارد.

 یک دستگاه میکروسیالی، تراشه‌ای از جنس سیلیکون، شیشه یا الاستومر است که لوله‌هایی با ابعاد میکرونی در آن تعبیه شده و سیالات درون این لوله‌ها جریان پیدا می‌کنند. بر اساس نیاز می‌توان تراشه‌هایی طراحی کرد که عملیات مورد نظر در آزمایش‌های معمولی زیستی و پزشکی را در ابعاد کوچک انجام دهد. با توجه به مزایای فراوان سیستم‌های میکروسیالی و همچنین انعطاف‌پذیری بالای آن‌ها برای تولید ساختارهای جدید، آشنایی و ایجاد این فناوری در کشور امری ضروری به نظر می‌رسد.

سیستم‌های میکروسیالی امکان کار با سیالات را در حجم‌های میکرونی فراهم می‌آورند. در این سیستم‌ها سیالات در درون کانال‌های میکرونی تعبیه شده در تراشه‌هایی از جنس پلیمرهاى خاص قرار گرفته و عملیات مورد نظر بر روی آن‌ها انجام می‌پذیرد. منظور از حجم‌های میکرونی، حجم‌های کوچکی از سیالات در حد میکرولیتر، نانولیتر و پیکولیتر است. وجود ساختمان‌های خاص درون تراشه از قبیل کانال‌ها، دریچه‌ها، مخلوط‌کننده‌ها و پمپ‌ها، این قابلیت را به دستگاه می‌دهد که یک یا چند نوع سیال به درون آن وارد شوند؛ در طول کانال‌ها حرکت کنند؛ در صورت نیاز برای مدتی در بخشی از تراشه ذخیره شوند؛ با هم مخلوط شده و یک واکنش خاص را ایجاد کنند و در نهایت محصولات اصلی و ضایعات به وجود آمده، به وسیله‌ی خروجی ها به بیرون دستگاه منتقل شوند. تمام این فرآیندها را می‌توان به وسیله‌ی انواع روش‌های دیده‌بانی، مانند استفاده از میکروسکوپ‌های نوری و فرابنفش دنبال کرد . علاوه بر این، خواص فیزیکی و شیمیایی سیالات در حجم‌های کم و درون لوله‌های موئین، با خواص آن‌ها در مقیاس ماکرو، متفاوت است. این مساله در بسیاری موارد سبب شده کار با سیالات در این حجم راحت‌تر باشد. همچنین از این خواص برای طراحی تراشه‌ها و ایجاد عملکردهای خاص – مانند حرکت سیال درون کانال و یا مخلوط کردن سیالات بهره‌های فراوانی برده می‌شود.

سیستم‌های میکروسیالی، طیف وسیعی از کاربردها را دارند. به دلیل اینکه در حوزه‌ی زیست شناسی و پزشکی ازمایش‌های تحقیقاتی و تشخیصی فراوانی وجود دارد که در آن‌ها نمونه‌ها و مواد محلول مورد آزمایش هستند؛ بخش گسترده‌ای از کاربردهای این سیستم، در این حوزه‌ها است. به این ترتیب که، هر بخش از تراشه عملکردی برابر با یک قسمت از آزمایشگاه دارد. بنابراین این فناوری «آزمایشگاه روی تراشه» نیز نامیده می شود.

استفاده از این تراشه‌ها در انواع کاربردها مزایای فراوانی دارد؛ که سبب شده این حال توسعه تبدیل شود. در این سیستم‌ها مقادیر بسیار اندکی از نمونه‌های آزمایش، مورد نیاز است که این امر هزینه‌ها را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و در صورت محدودیت نمونه (مانند بسیاری از ازمایش‌های مولکولی) مشکلی ایجاد نمی‌شود. علاوه بر این در این سیستم‌ها جداسازی و تشخیص، با حساسیت و قدرت تفکیک بالا صورت می‌پذیرد. زمان بسیار کمتری برای انجام آزمایش مورد نیاز است و در نهایت با کاهش دخالت نیروی انسانی در انجام کار، از ایجاد بسیاری از آلودگی‌ها جلوگیری می شود.

تاریخچه

پس از اختراع میکروتکنولوژی (۱۹۵۴) برای تکمیل ساختارهای نیمه هادی در تراشه‌های میکروالکترونیک، این فناوری که مبتنی برلیتروگرافی بود به سرعت در ساخت سنسورهای فشار استفاده شد. (۱۹۶۶) به دلیل اینکه توسعهٔ بیشتر آنها و معمولاً CMOS-compatibility فرایندها را محدود می‌نمود، ابزاری برای ساختن ساختارهای مکانیکی میکرومتری و زیرمیکرومتری بر ویفرهای سیلیکونی‌ای چند میکرو متری در دسترس قرار گرفت و بدین ترتیب عصر سیستم‌های میکرو الکترو مکانیک (MEMS)(که با نام تکنولوژی سیستم میکرونی نیز شناخته می‌شود. MST) آغاز شد. پس از سنسورهای فشار، سنسورهای کیسهٔ هوا، باقی ساختارهای مکانیکی متحرک و دستگاه‌های کنترل مایعات مانند: کانال‌ها (اتصال‌های ظریف)، مخلوط کن‌ها، سوپاپ‌ها، پمپ‌ها و دستگاه‌های دوز توسعه یافتند. اولین سیستم تحلیلی LOC یک کروماتوگراف گازی بود که در سال ۱۹۷۹ توسط اس. سی تری در دانشگاه استنفورد ساخته شد. با این حال تنها در اواخر دههٔ ۱۹۸۰ و اوایل ۱۹۹۰ پژوهش LOC در تعداد محدودی از گروه‌های تحقیقاتی در اروپا رشد جدی خویش را آغاز کرد و باعث توسعهٔ مواردی نظیر میکروپمپ‌ها، سنسورهای جریان و نیز گسترش مفاهیمی برای رفتار مایعات اختلاط شده در سیستم‌های آنالیزی شد. مطالعه µTAS نشان داد که مراحل پیش رفتاری اختلاط مایعات که اغلب در مقیاس آزمایشگاهی رخ می‌دهد می‌تواند عملکرد یک سنسور ساده را به تکمیل یک تحلیل آزمایشگاهی سوق دهد، به عنوان مثال تمیزکردن‌های اضافی و مراحل جدایی. در اواسط دههٔ ۱۹۹۰ مشخص شد که تکنولوژی µTAS ابزار جالبی را برای کاربردهای ژنتیک فراهم می‌کند، مثل الکتروفورزهای موئین و میکروآرایه‌های DNA و این مسئله باعث توجه بازار تجاری به این شاخهٔ جدید علمی شد. اولین نهادی که از این تحقیقات حمایت زیادی کرد ارتش و بخصوص DARPA (آژانس پروژه تحقیقات پیشرفته دفاعی) بود و منافعشان در این تحقیقات به سیستم‌های تشخیص عامل در جنگ‌های شیمیایی/زیستی برمی‌گشت. ارزش افزوده نه فقط به یکپارچه سازی فرآیندهای آزمایشگاه برای تجزیه و تحلیل محدود می‌شد، بلکه امکانات مشخصهٔ اجزای منحصر به فرد و کاربردهای دیگر در فرآیندهای آزمایشگاهی غیر تحلیلی را نیز دربرداشت. از این رو با واژه «آزمایشگاه روی تراشه» معرفی شد.

اگرچه کاربردهای LOC نو و نسبتاً کم است اما علاقهٔ روبه رشد شرکت‌های شیمیایی و گروه‌های پژوهش‌های کاربردی در زمینه‌های متفاوت زیر دیده شده است: تحلیل (مانند تجزیه و تحلیل شیمیایی، نظارت بر محیط زیست، تشخیص پزشکی و cellomics) و شیمی ترکیبی (مثل غربالگری سریع و میکروراکتورها برای اقلام دارویی) از پژوهش در سیستم‌های LOC انتظار می‌رود علاوه بر توسعهٔ بیشتر در بخش کاربرد قطعات، به کمک نانوتکنولوژی به سمت کاهش مقیاس ساختارهای حمل وکنترل مایعات پیش برود. کانال‌هایی با ابعاد میکرو و نانومتری، پیچ‌های DNA، شناسایی و تحلیل سلول منفرد ونانوسنسورها، اجازه می‌دهد که گونه‌های زیستی و ملکول‌های بزرگ از راه‌های جدیدی با هم واکنش دهند. کتاب‌های زیادی نوشته شده که جنبه‌های مختلفی از این ابزار شامل انتقال مایعات، ویژگی‌های سیستم و کاربردهای زیستی- تحلیلی را پوشش می‌دهد.

چهار عامل را می‌توان منشاء پیدایش فناوری میکروسیالی دانست که هرکدام سهمی در ایجاد و پیشرفت این فناوری داشته‌اند.

  • قدیمی‌ترین عامل مربوط به پیدایش روش‌های میکروآنالیز همچون کروماتوگرافی مایع با فشار بالا (HPLC) است؛ که توانستند انقلابی در روش‌های آنالیز شیمیایی ایجاد کنند. به کارگیری این روش‌ها، حساسیت و قدرت تفکیک بالایی را در آنالیز مقادیر جزئی نمونه‌ها ممکن نبوده است. موفقیت این روش‌ها سبب شد تا با انجام تغییراتی در این روش‌ها کاربردهای تازه‌ای برای آن‌ها در علوم شیمی و زیست‌شناسی ایجاد شود.
  • دومین محرک از زیست‌شناسی مولکولی ایجاد شد. زمانی که در دهه‌ی ۱۹۸۰ یک افزایش انفجاری در داده‌های ژنومیک رخ داد که ایجاد روش‌های را مانند روش‌های توالی‌یابی به دنبال داشت. این روش‌ها نیاز به ابزارهایی با کارکرد بالاتر و حساسیت و قدرت تفکیک بیشتر نسبت به ابزارهای قدیمی داشتند. فناوری میکروسیالی راه حل بسیار مناسبی برای غلبه بر این مشکلات بود.

    شکل شماتیک و تصویر یک سیستم مرکب برای آنالیز DNA. مراحل آماده سازی نمونه، انجام PCR و تشخیص به وسیله‌ی میکرواری، همگی در یک دستگاه انجام می‌شوند

  • سهم سوم مربوط به صنایع میکروالکترونیک است. اولین امیدواری‌ها برای ساخت تراشه‌های میکروسیالی، لیتوگرافی و فناوری‌های مرتبط با آن بود؛ که به صورت موفقیت آمیزی در ساخت تراشه‌های میکروالکترونیک به کار گرفته شده بود. این فناوری‌ها به صورت مستقیم در میکروسیال‌ها قابل استفاده هستند.
  • آخرین محرک ایجاد این فناوری در بخشی کاملا مجزا به وجود آمد. زمانی که پس از جنگ سرد صلاح‌های شیمیایی و بیولوژیکی در صنایع نظامی کاربرد پیدا کردند؛ وزارت دفاع ایالات متحده‌ی امریکا با ایجاد یک مرکز تحقیقاتی (DARPA)، سرمایه‌گذاری در بخش سیستم‌های میکروسیالی را افزایش دادتا از قدرت این فناوری، در بخش نظامی سود ببرد.

    برنامه جدیدDARPA برای اتصال مغز به رایانه های با تراشه قابل اجرا.

ساختمان و اجزای تراشه

ماده‌ی سازنده

با توجه به الهام‌گرفتن میکروسیال از میکروالکترونیک، اولین مواد مورد استفاده برای ساخت این تراشه‌ها سیلیکون و شیشه بودند. با وجود مزایای این مواد از جمله پایداری شیمیایی، عواملی از جمله گران‌بودن و غیرشفاف‌بودن سبب شد مواد جدیدی برای ساخت تراشه‌ها استفاده شود. در حال حاضر PDMS (polydimethylsiloxane) و دیگر پلیمرهای بر پایه‌ی Siloxane به صورت گسترده‌ای در ساخت تراشه‌های میکروسیالی به کار می‌روند . این ماده مزایای فراوانی برای کاربرد در مصارف زیستی دارد. از جمله اینکه شفافیت آن امکان بررسی به وسیله‌ی میکروسکوپ نوری و فرابنفش را فراهم می‌آورد . در برابر گازهایی همانند ۲O2, CO2, N نفوذپذیر است که این خصوصیت برای بررسی سلول‌های پستانداران در این سیستم کاملا ضروری است . غیرسمی قابل اتوکلاو است . خواص سطحی این ماده را می‌توان بر اساس نوع کاربرد تراشه تغییر داد.

خواص فیزیکی سیالات میکرولوله‌ها

بهره‌گیری از خواص متفاوت فیزیکی سیالات در میکرولوله‌ها، سهم قابل توجهی در توسعه‌ی فناوری میکروسیالی ایفا کرده است. این تفاوت‌ها، کارکردهایی را ایجاد می‌کند که دستیابی به آن‌ها در مقیاس ماکرو بسیار سخت و یا حتی غیر ممکن است .
از جمله‌ی این خواص، متفاوت‌بودن نوع حرکت سیالات در میکرولوله‌هاست. در مقیاس ماکرولیتری، حرکت سیالات به صورت جریانات همرفتی است و مخلوط شدن به صورت آشفته و در تمام جهات انجام می‌پذیرد. در مقابل در حجم‌های میکرونی و نانویی از سیالات که درون میکرولوله‌ها جریان دارند؛ حرکت سیال به صورت خطی و جریان لامینار است و تنها در جهت موازی با دیواره‌ی لوله صورت می‌گیرد. این خاصیت، نیاز به صرف انرژی برای هدایت مسیر حرکت سیال درون کانال را مرتفع کرده، سبب سهولت در ازمایش می‌شود. همچنین در صورت تزریق همزمان دو نوع سیال در میکرولوله، این دو مخلوط نشده و تنها به صورت موازی جریان پیدا می کنند .
یکی دیگر از خواص مورد استفاده در میکروسیستم‌ها جریان الکترواسمزی است که از حرکت سیال حاوی یون درون میکرولوله‌ای که در سطح آن یون‌های ثابتی وجود دارد و در طول آن پتانسیل الکتریکی برقرار شده؛ ایجاد می‌گردد. در جریان معمول سیال، سطح پیشروی سیال سهمی‌وار است. در مقابل جریان الکترواسمزی یک سطح صاف در مقطع لوله ایجاد می‌کند که این امر سبب افزایش قدرت تفکیک درجداسازی سیالات می‌شود.

اجزای دستگاه

در یک دستگاه میکروسیالی ساختارهایی تعبیه می‌شود که عملکرد آن‌ها سبب هدایت سیالات درون تراشه و ایجاد واکنش‌های مورد نظر می‌گردد. از جمله می‌توان به دریچه‌ها، مخلوط کننده‌ها و پمپ‌ها اشاره کرد.
دریچه محلی است که دو یا چند کانال به هم می‌رسند؛ بنابراین نقش دریچه‌ها هدایت مسیر سیالات است. گاهی هدایت جریان به وسیله‌ی دریجه‌های غیرمکانیکی صورت می‌گیرد. مثلا با استفاده از خواص جریان الکترواسمزی  یا با ایجاد قطعات آب‌گریز روی سطح کانال . دریچه‌های مکانیکی نیز قطعات متحرکی از جنس سیلیکون، شیشه یا PDMS هستند که در عرض کانال قرار گرفته و باز و بسته می‌شوند
با توجه به حرکت خطی سیالات درون میکرولوله‌ها و کُند بودن مخلوط شدن سیالات، در دستگاه‌هایی که مخلوط شدن سریع مد نظر است از مخلوط کننده‌ها استفاده می‌شود. مخلوط کننده‌ها به دو نوع غیرفعال و فعال تقسیم می‌شوند.
جابه‌جایی سیالات در تراشه معمولا با بهره‌گیری از سازوکارهای غیرفعال صورت می‌گیرد. با این حال بسیاری از سیستم‌های میکروسیالی برای وارد کردن سیال و جابه‌جایی آن درون دستگاه از پمپ‌های فعال بهره می‌برند. پمپ‌ها به دو دسته‌ی اصلی مکانیکی و غیرمکانیکی تقسیم می شود

روش ساخت

در ابتدا روش‌های فتولیتوگرافی، مهم‌ترین کاندیدا برای ساخت تراشه‌های زیستی بودند  و در ساخت آرایه‌های DNA مورد استفاده قرار گرفتند . با وجود پیشرفته بودن این فناوری، استفاده از آن در علوم زیستی محدودیت‌هایی ایجاد می‌کند. در سال ۱۹۹۸ مجموعه‌ای از تکنیک‌ها با نام لیتوگرافی نرم معرفی شدند که قادر به ایجاد الگوسازی در ابعاد میکرو هستند و از گسترش و تکامل روش‌های قدیمی به دست آمده‌اند .

Self assembled monolayers

همچنین با کوچک شدن ابزارها، نسبت سطح به حجم افزایش پیدا می‌کند و خصوصیات سطحی نقش مهمی را در کارایی ایفا خواهند کرد. در سیستم‌های میکروسکوپی غالبا ایجاد تغییرات در خواص سطحی، در حد جزئیات مولکولی ضروری است، در ساخت تراشه‌ها نیز به منظور تنظیم ارتباطات زیستی سطوح از تک لایه‌های خودآرا SAM (Self assembled monolayers)  لایه‌های از آلکان تیولات‌ها که بر روی صفحات طلا قرار دارند استفاده می‌شود .
ادغام این دو روش نقش ممتازی در ایجاد میکروسیستم‌های قابل استفاده در زیست شناسی داشته است.

Self assembled monolayers

در ساخت تراشه‌های میکروسیالی تنها شکل فیزیکی و محل قرارگیری کانال‌ها اهمیت ندارد. بلکه یک الگوی شیمیایی نیز باید وجود داشته باشد که مشخص می‌کند نمونه‌های پروتئینی یا سلولی در کدام بخش‌ها قرار بگیرند. سطوح داخلی کانال‌ها باید به گونه‌ای طراحی شوند که بر اساس نیاز آزمایش، قسمت‌هایی قابل دسترس و جاذب برای پروتئین‌ها و سلول باشند؛ در حالی‌که سایر قسمت‌ها مانع اتصال شوند. به عنوان نمونه پروتئین‌ها توانایی اتصال به اغلب سطوح آب‌گریز را دارند بنابراین با تغییر آب دوستی می‌توان سطوحی ایجاد کرد که جاذب و یا غیرجاذب برای پروتئین‌ها باشند. روش چاپ نرم توانایی ایجاد این الگوهای شیمیایی را دارد . از لایه‌های SAMs نیز برای ایجاد خواص مولکولی سطوح مانند رطوبت، چسبندگی، جذب پروتئین‌ها و اتصال سلول‌ها استفاده می شود.

منابع

  1.   Squires TM, Quake SR, Microfluidics: fluid physics at the nanoliter scale. Rev. Mod. Phys. 77, 2005
  2. Paula Gould, Microfluidics realize potential, materials today, July/August 2004
  3. Whitesides GM, The origins and future of microfluidics, Nature, 442, 2006

 

واکنش شما چیست؟
I like it
78%
interested
22%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
میلاد سکاکی
دانشجوی مهندسی مکانیک

پاسخ بدهید