آزمایشگاه روی تراشه lab on chip
نوشته شده توسط امیرحسین قاسمی-
زیر مجموعه: Micro/NANO-Electro-Mechanical-Systems
-
منتشر شده در 10 فروردين 1393
-
بازدید: 4007
امتیاز کاربران
آزمایشگاه روی تراشه (LOC) دستگاهی است که از یک یا چند عملگر آزمایشگاهی روی یک تراشه به ابعاد چند میلی‌متر یا سانتی‌متر مربع تشکیل شده است. 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 گسترده تری 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.
تاریخچه
پس از اختراع میکروتکنولوژی (~1954) برای تکمیل ساختارهای نیمه هادی در تراشه‌های میکروالکترونیک، این فناوری که مبتنی برلیتروگرافی بود به سرعت در ساخت سنسورهای فشار استفاده شد. (1966) به دلیل اینکه توسعه‌ی بیشتر آنها و معمولا CMOS-compatibility فرآیندها 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 کیسه‌ی 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 1979 توسط اس.سی تری در دانشگاه استنفورد ساخته شد. با این حال تنها در اواخر دهه ی 1980 و اوایل 1990 پژوهش LOC در تعداد محدودی از گروه‌های تحقیقاتی در اروپا رشد جدی خویش را آغاز کرد و باعث توسعه‌ی 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 دهه‌ی 1990 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 شاخه‌ی 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 مشخصه‌ی اجزای منحصر به فرد و کاربردهای دیگر در فرآیندهای آزمایشگاهی غیر تحلیلی را نیز در برداشت. از این رو با واژه "آزمایشگاه روی تراشه" معرفی شد.
اگرچه کاربردهای LOC نو و نسبتا کم است اما علاقه‌ی 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 توسعه‌ی بیشتر در بخش کاربرد قطعات، به کمک نانوتکنولوژی به سمت کاهش مقیاس ساختارهای حمل وکنترل مایعات پیش برود. کانال هایی با ابعاد میکرو و نانو متری، 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.
ساختار تراشه و تکنولوژی ساخت
مبنای فرآیند ساخت بیشترLOC ها لیتوگرافی نوری است. در ابتدا بیشتر فرآیندها بروی سلیکون بودند، اما توسعه‌ی این فرآیندها مستقیما از ساخت نیمه هادی ناشی شد. به دلیل درخواست هایی مثل ویژگی‌های خاص نوری، سازگاری زیستی /شیمیایی، کاهش هزینه‌های تولید و نمونه سازی سریعتر، فرآیندهای جدیدی نظیر قلمکاری شیشه ، سرامیک و فلز، رسوب و باند، پردازش پلی دی متیل سیلوکسانPDMS (مثل لیتوگرافی نرم)، فیلم ضخیم و استریولیتوگرافی مثل روشهای تکرار سریع از طریق آبکاری ، قالب گیری تزریقی و منبت . LOC مرزهای مختلفی نظیر لیتروگرافی مبتنی بر تکنولوژی میکروسیستم‌ها، نانو تکنولوژی و مهندسی دقیق را شامل می‌شود.
مزایای LOCها
· مصرف حجم کمی از مایعات (اتلاف کمتر، هزینه‌های کمتر و کم بودن حجم نمونه مورد نیاز برای تشخیص)
· تحلیل سریعتر و به دلیل فواصل پخش کوتاه زمان پاسخ گویی کمتر، کوچک بودن ظرفیت گرمایی و به تبع گرم شدن سریع، نسبت بالای سطح به حجم
· کنترل بهتر فرآیند به دلیل پاسخ سریع سیستم (به عنوان مثال کنترل گرمایی واکنش‌های شیمیایی گرمازا)
· فشردگی سیستم به دلیل یکپارچگی بیشتر توابع و حجم کم.
· massive parallelization به دلیل فشردگی که اجازه‌ی تحلیل با توان عملیاتی بالا را میدهد.
· قیمت پایین ساخت تراشه‌ها اجازه‌ی تولید انبوه و مقرون به صرفه‌ی تراشه‌های یکبار مصرف را میدهد .
· صفحات امن‌تر برای مطالعات شیمیایی، رادیواکتیو و بیولوژیکی
معایب LOCها
· تکنولوژی LOCجدید است و به طور کامل توسعه نیافته.
· اثرات شیمیایی و فیزیکی- مانند نیروهای موینگی، زبری سطح، واکنش‌های شیمیایی ساخت مواد در فرآیندهای انعکاسی – در مقیاس های کوچک بیشتر غالب هستند و این باعث پیچیدگی بیشتر فرآیندها در LOC ها نسبت به تجهیزات مرسوم آزمایشگاهی می شود.
· قوانین آشکارسازی نمی توانند همیشه به طور مثبت کاهش مقیاس بدهند، همچون به قانون نسبت سیگنال به نویز.
· با وجود اینکه دقت‌های هندسی در میکروساختارها بالاست، آنها در مقایسه با مهندسی دقیق ضعیف‌اند.
LOC ها و سلامت جهانی
تکنولوژی آزمایشگاه روی تراشه ممکن است به سرعت بخش مهمی از تلاش های بهبود سلامت جهانی را در بربگیرد و مشخصا از طریق توسعه‌ی ابزارهایpoint-of-care testing . در کشورهایی با منابع مراقبت از سلامت کمتر، بیماری‌های مسری که در کشورهای توسعه یافته قابل کنترل هستند، اغلب کشنده‌اند. در برخی موارد، کلینیک‌های مراقبت از سلامت، داروهایی درمانی برای یک بیماری خاص را دارند اما ابزارهای تشخیصی برای شناسایی بیمارانی که دریافت کننده دارو هستند، را در اختیار ندارند. بسیاری از محققان بر این باورند که تکنولوژی LOC کلیدی قدرتمند برای رهنمون شدن به ابزارهای تشخصی جدید خواهد بود. هدف این محققان ساختن چیپ‌های میکروفلوئیدی است که باعث تجهیز شدن کلینیک ها به ابزارهای تشخیصی‌ای مثل ایمنی سنجی و نکلئونیک اسید سنجی بدون نیاز به پشتیبانی آزمایشگاهی خواهد شد.
تلاشهای جهانی
از آنجایی که ساختن چیپ‌ها اغلب با محدودیت‌های گوناگونی همراه است، تلاش‌هایی که بدین منظور انجام می‌شود باید همواره با موفقیت همراه باشد. در جوامع توسعه یافته، ابزارهای تشخیصی بایستی فاکتورهای مهمی نظیر سرعت، حساسیت و خاص بودن برای ارگانیسم‌های مختلف را دارا باشند؛ اما در کشورهایی که از منابع مراقبت از سلامت کمتری برخوردارند، خواصی مثل سهولت استفاده و زمان انقضای ابزارها نیز باید مورد توجه قرار بگیرد. معرف‌هایی که با چیپ همراهند، برای مثال، باید طوری طراحی شوند که برای ماه‌ها چه چیپ در محیط کنترل شده‌ی هوایی قرار بگیرد چه قرار نگیرد، همچنان موثر به کار خودش ادامه بدهد. طراحان چیپ باید مواردی نظیر قیمت، قابلیت تغییر مقیاس و قابلیت بازیافت شدن را در انتخاب مواد و تکنیک‌های ساخت در نظر داشته باشند.
مثالهایی از کاربرد جهانی LOC
یکی از حوزه‌های فعال تحقیقات LOC شامل راه‌هایی برای تشخیص و مدیریت ویروس ایدز است. امروزه در جهان حدود 40 میلیون نفر به ویروس ایدز مبتلا هستند، که فقط 1.3 میلیون نفرشان مراقبت‌های anti-retroviral دریافت می‌کنند. حدود 90% مبتلایان به ویروس ایدز تاکنون هرگز برای این بیماری آزمایش نشده‌اند. اندازه گیری تعداد CD4+ T lymphocytes در خون افراد راهی صحیح و مطمئن برای تشخیص فرد بیمار و دنبال کردن فرآیند بیماری است. در حال حاضر، جریان cytometry استانداردی طلایی برای تعداد شامل CD4 است، اما جریان cytometry تکنولوژی پیچیده‌ای دارد که در بیشتر کشورهای در حال توسعه به دلیل نیاز به متخصصین و تجهیزات گران قیمت در دسترس نیست. اما اخیرا پرفسور آیدوگان اوزکان cytometry ای با قیمتی معادل فقط 5دلار را ایجاد کرده است.
تدوین : IranMEMS.ir
دیدگاه‌ها
با سلام خدمت محقق محترم.
این مطلب بر گرفته از ویکیپدیا میباشد.
http://en.wikipedia.org/wiki/Lab-on-a-chip
همچنین آزمایشگاه دولتی ساندیا "Sandia laboratory" نیز مطالبی در این خصوص در وب سایت خود قرار داده اند.
http://www.sandia.gov/
سایر منابع :
http://www.nature.com/nature/supplements/insights/labonachip/
در خصوص مطالب مورد نیاز خود، خارج از مبحث این مطلب نیز به آدرس زیر مراجعه کرده و موضوع مد نظر خود را ایجاد کنید، تا پاسخگویی به آن امکان پذیر و برای استفاده همه راحت باشد.
http://iranmems.ir/kunena/create-topic.html
http://iranmems.ir/kunena/default-category-in-forum.html
منابع این مطلب رو میخواستم؟
بنده دنبال کاربردهای صنعتی در NEMS/MEMS که نیروی موئینگی به وجود می آید میگردم.
دنبال کاربرد صنعتی یا آزمایشگاهی دقیق و مشخص که در آن نیروی موئینگی به وجود می آید هستم.
باتشکر
خوراک‌خوان (آراس‌اس) دیدگاه‌های این محتوا