آزمایشگاه روی تراشه (LOC) یک دستگاه کوچک شده است که یک یا چند آنالیز را در یک تراشه ادغام می کند که معمولاً در آزمایشگاه انجام می شود. تجزیه و تحلیل هایی مانند تعیین توالی DNA یا تشخیص بیوشیمیایی. کوچک سازی عملیات بیوشیمیایی که به طور معمول در آزمایشگاه انجام می شود دارای مزایای متعددی مانند کاهش هزینه، موازی سازی، افزایش سرعت تشخیص و حساسیت است. ایجاد آزمایشگاه روی تراشه عمدتاً بر دو فناوری اصلی متکی است: میکروسیال‌شناسی و زیست‌شناسی مولکولی. فن‌آوری‌های میکروسیالی که در دستگاه‌های آزمایشگاهی روی تراشه استفاده می‌شوند، امکان ساخت میلیون‌ها میکروکانال را روی یک تراشه که در دست شما قرار می‌گیرد، می‌دهد. میکروکانال ها امکان جابجایی سیالات را در مقادیر کم تا چند پیکولیتر و همچنین دستکاری واکنش های بیوشیمیایی در حجم های بسیار کم را ممکن می سازد. میکروکانال ها همچنین به پمپ های یکپارچه، الکترودها، دریچه ها، میدان های الکتریکی و الکترونیک نیاز دارند تا به سیستم های تشخیصی آزمایشگاهی کامل روی تراشه تبدیل شوند. Elveflow دارای طیف گسترده ای از ابزارهای کنترل جریان است که می توان از آن ها برای ایجاد یک سیستم آزمایشگاه روی تراشه استفاده نمود. اساس رویای آزمایشگاه روی یک تراشه، ادغام هزاران عملیات بیوشیمیایی روی یک تراشه است که می‌توان با تقسیم یک قطره خون جمع‌آوری‌شده از بیمار به منظور تشخیص دقیق بیماری‌های احتمالی انجام داد. فناوری های فعلی می توانند چندین آزمایش منفرد را با روی یک تراشه مانند HIV یا تشخیص گلوکزانجام دهند.

تاریخچه

تاریخچه آزمایشگاه روی یک تراشه ذاتاً با میکروسیالات مرتبط است و تاریخچه میکروسیالات به طور ذاتی با توسعه میکروفناوری برای نیمه هادی ها مرتبط است. برای پیشبرد برنامه آپولو، ایالات متحده میلیاردها دلار برای کوچک سازی ماشین حساب ها سرمایه گذاری کرد تا آن ها را به فضا بفرستد. در اوایل دهه 50، محققان فناوری های عکاسی را برای ایجاد فوتولیتوگرافی، به منظور ساخت ترانزیستورهایی با اندازه میکرو، تطبیق دادند و در نتیجه میکروفناوری متولد شد. ده سال بعد، در دهه 60، محققان از این فناوری‌ها برای ساخت ساختارهای میکرومکانیکی به نام MEMS استفاده کردند که امکان تولید شتاب‌سنج‌های کوچک را برای استفاده در اشیاء روزانه مانند کیسه‌های هوا و گوشی‌های هوشمند فراهم نمود. با استفاده از این تکنیک های ساخت، اولین آزمایشگاه واقعی روی یک تراشه در سال 1979 در دانشگاه استنفورد برای کروماتوگرافی گازی ایجاد شد. با این حال، تحقیقات بزرگ آزمایشگاه روی یک تراشه تنها در اواخر دهه 80 با توسعه میکروسیال‌ها و انطباق فرآیندهای میکروساخت برای تولید تراشه‌های پلیمری آغاز گردید. این انطباق تکنیک‌های میکروساخت با پلیمرها، لیتوگرافی نرم نامیده می‌شود. تولید سیلیکون مورد استفاده برای میکروالکترونیک قطعا کارآمد بود، اما مستلزم هزینه های سرمایه گذاری بالا و دانش تخصصی نیز بود. توانایی ساخت آسان ریزتراشه‌های پلیمری بسیاری از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی را قادر ساخت تا تحقیقات خود را در زمینه فناوری‌های آزمایشگاه روی تراشه آغاز کنند. امروزه حتی امکان ساخت دستگاه‌های کاملاً سفارشی‌سازی شده آزمایشگاه روی تراشه در هر آزمایشگاهی بدون نیاز به اتاق استریل به لطف ایستگاه‌های ساخت آزمایشگاه روی یک تراشه وجود دارد. سپس، در دهه 90 بسیاری از محققان شروع به کاوش در میکروسیال‌ها کردند و سعی کردند عملیات‌های بیوشیمیایی مانند PCR را کوچک کنند. تحقیقات اولیه آزمایشگاه روی تراشه نیز بر زیست شناسی سلولی متمرکز بود. با توجه به این که میکروکانال ها به اندازه سلول ها هستند، تعجب آور نیست. این پیشرفت ها به دانشمندان این امکان را داد که برای اولین بار به راحتی عملیات را در سطح تک سلولی انجام دهند. تحقیقات زیادی در مورد کوچک سازی عملیات بیوشیمیایی ژنومی مانند PCR، الکتروفورز، ریزآرایه DNA، مرحله پیش تیمار، تجزیه سلولی و غیره انجام شده است. نشان دادن پتانسیل واقعی فناوری های آزمایشگاه روی یک تراشه. به نوعی از دستگاه‌های آزمایشگاهی روی تراشه که به محققان اجازه می‌دهد تمام عملیات از جمع‌آوری نمونه تا تجزیه و تحلیل را انجام دهند، سیستم تجزیه و تحلیل کل میکرو (µTAS) نامیده می‌شود. سازمان‌های نظامی مانند دارپا و DGA به فناوری‌های آزمایشگاه روی تراشه علاقه‌مند شدند، زیرا چنین پیشرفت‌هایی به آن ها اجازه می‌دهد تا تهدیدات بیولوژیکی علیه سربازان و غیرنظامیان را در اسرع وقت شناسایی کنند. حدود 30 سال قبل با برنامه های نیمه هادی ها و اکتشافات فضایی، این آژانس ها پول زیادی را برای پیشرفت تحقیقات در آزمایشگاه روی تراشه سرمایه گذاری کردند. برای برخی کاربردها، آزمایشگاه روی یک تراشه نه تنها ظرفیت یکپارچه سازی و موازی سازی را نشان می دهد، بلکه عملکرد برتر را در مقایسه با فناوری های معمولی نشان می دهد. به عنوان مثال، در مورد PCR (فناوری مورد استفاده برای تکثیر DNA برای تشخیص پاتوژن)، ادغام PCR روی یک LOC به نام microPCR، به DNA اجازه می‌دهد ده برابر سریع‌تر از سیستم‌های معمولی تکثیر شود.

آزمایشگاه روی یک تراشه: فناوری‌ها و برنامه‌های اصلی

تحقیقات زیادی در مورد آزمایشگاه روی تراشه انجام شده است. در اینجا چند نمونه از برنامه‌هایی وجود دارد که آزمایشگاه روی یک تراشه نویدهای بزرگی را نشان می‌دهد.

آزمایشگاه روی یک تراشه و زیست شناسی مولکولی

برای تقویت و تشخیص DNA/RNA، آزمایشگاه روی یک تراشه دستاوردهای بالایی از نظر سرعت تشخیص ارائه می‌کند و در عین حال حساسیت یکسانی را حفظ می‌کند. از آنجایی که تکثیر DNA با استفاده از PCR به چرخه های حرارتی متکی است، توانایی انجام جابجایی های حرارتی با سرعت بالا در مقیاس میکرو توضیح می دهد که چرا آزمایشگاه روی تراشه به سریع ترین روش انجام PCR تبدیل شد. شرکت ELVESYS سریعترین سیستم qPCR جهان به نام FASTGENE را توسعه داد. آزمایشگاه روی یک تراشه دنیای کاملا جدیدی از فرصت‌ها را برای توالی‌یابی DNA و RNA فراهم می‌کند. اولین پروژه های ژنوم انسان سال ها طول کشید و برای توالی یابی به کار صدها محقق نیاز داشت. امروزه، با استفاده از آزمایشگاه روی یک تراشه برای ادغام آرایه ای از کاوشگرهای DNA، می توانیم ژنوم ها را هزاران بار سریعتر توالی یابی کنیم. علاوه بر این، فناوری‌های نانوحفره‌ای که هنوز نیاز به بهینه‌سازی دارند، در آینده دارای پتانسیل بسیار خوبی برای توالی‌یابی ژنوم نسبت به آزمایشگاه واقعی، روی تراشه با استفاده از مجموعه‌ای از کاوشگرهای DNA هستند. تمام عملیات بیومولکولی انجام شده در آزمایشگاه‌های روی یک تراشه، پتانسیل بالایی برای شناسایی سریع باکتری‌ها و ویروس‌ها و همچنین برای شناسایی نشانگرهای زیستی بیماری (DNA و RNA) نشان می‌دهد. در زمینه جداسازی مولکولی نیز، آزمایشگاه‌های روی تراشه جداسازی کارآمدتری را نسبت به سیستم‌های معمولی نشان می‌دهند.

آزمایشگاه روی یک تراشه و پروتئومیکس

در زمینه پروتئومیکس، آزمایشگاه روی یک تراشه این فرصت را برای انجام آنالیز پروتئین در حالیکه تمام مراحل درون یک تراشه را یکپارچه می کند، فراهم می کند: استخراج از سلول، جداسازی با الکتروفورز، هضم و تجزیه و تحلیل با استفاده از طیف سنجی جرمی. این فرآیندهای یکپارچه توانایی کاهش بسیار زیاد آنالیز پروتئین را از ساعت ها (در سیستم ماکروسکوپی) به چند دقیقه با دستگاه های آزمایشگاه روی تراشه نشان می دهند. آن ها همچنین پتانسیل زیادی برای کریستالیزاسیون پروتئین نشان می دهند که یک زمینه تحقیقاتی مهم است که ساختار سه بعدی یک پروتئین را نشان می دهد. با استفاده از آزمایشگاه روی یک تراشه، محققان می‌توانند به طور همزمان و به سریع‌ترین روش ممکن همه پارامترهایی را که امکان تبلور یک پروتئین را فراهم می‌کنند، کنترل نمایند. سپس می توان شرایط کریستالیزاسیون را تا حد زیادی موازی کرد تا به کشف این شرایط برای پروتئین های ناشناخته سرعت بخشید و ساختار آن ها را با استفاده از پراش اشعه ایکس مطالعه نمود.

آزمایشگاه روی یک تراشه و زیست شناسی سلولی

از آنجایی که میکروکانال ها به اندازه سلول ها هستند، تحقیقات آزمایشگاهی روی تراشه به زودی روی زیست شناسی سلولی متمرکز شد. آزمایشگاه روی تراشه توانایی کنترل سلول ها در سطح تک سلولی را در حالیکه با تعداد زیادی از آنها در چند ثانیه سروکار دارد را نشان می دهد. در سطح میکرومقیاس، سوئیچ جریان می تواند بسیار سریع باشد و تنها به ده ها میلی ثانیه کاهش یابد. به عنوان مثال، می توان یک سلول خاص، مانند سلول سرطانی ساخته شده فلورسنت را با استفاده از آنتی بادی هایی با توان عملیاتی بالا شناسایی و جدا کرد. چندین کاربرد دیگر برای آزمایشگاه روی تراشه در زیست شناسی سلولی وجود دارد از جمله گیره میکرو پچ، کنترل تمایز سلول های بنیادی، فلوسایتومتری با سرعت بالا، مرتب سازی اسپرم و به طور کلی مرتب سازی سلولی.

آزمایشگاه روی تراشه و شیمی

توانایی انجام گرمایش و سرمایش سریع در مقیاس میکرو امکان کارایی بالاتر در برخی از واکنش های شیمیایی را فراهم می کند. بنابراین، تحقیقات زیادی در مورد استفاده از آزمایشگاه‌های روی یک تراشه به‌عنوان راکتورهای میکروشیمیایی ریز و موازی بسیار انجام شده است. دستگاه‌های آزمایشگاهی روی تراشه همچنین می‌توانند هنگام برخورد با ترکیبات خطرناک و انفجاری مورد توجه قرار گیرند.

آزمایشگاه روی یک تراشه: فناوری‌های تولید

آزمایشگاه روی تراشه از رایج‌ترین فناوری‌های تولید دستگاه‌های میکروسیال و بسته به کاربرد آن‌ها از پلیمرهای مختلف استفاده می‌کند. چنین فناوری هایی امکان ادغام میکروکانال ها را با اندازه های مقیاس میکرومتری فراهم می کند.
PDMS: آزمایشگاه های تحقیقاتی اغلب از PDMS برای نمونه سازی آزمایشگاهی روی تراشه استفاده می کنند. PDMS (پلی دی متیل سیلوکسان) یک الاستومر شفاف و انعطاف پذیر است که به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد زیرا ساخت آزمایشگاه های PDMS روی یک تراشه با ریخته گری بسیار آسان و ارزان است. علاوه بر این، آزمایشگاه‌های روی یک تراشه ساخته شده از PDMS از ادغام آسان میکرو دریچه‌های زلزله برای سوئیچ جریان سریع و نفوذپذیری هوا برای کشت سلولی و مطالعات بهره می‌برند. PDMS که به طور گسترده برای نمونه سازی آزمایشگاهی روی یک تراشه استفاده می شود، محدودیت های شدیدی را برای تولید صنعتی نشان می دهد. از آنجایی که مواد در معرض پیری هستند و از آنجایی که PDMS مولکول های آبگریز را جذب می کند، ادغام الکترودها در یک تراشه PDMS دشوار است. در نهایت، PDMS با فرآیند ساخت تراشه با توان عملیاتی بالا مانند برجسته سازی داغ یا قالب گیری تزریقی سازگار نیست.

ترموپلیمرها (PMMA PS…): پلیمرهای ترموپلاستیک به طور گسترده توسط محققان برای ساخت آزمایشگاه روی یک تراشه استفاده می شود. حتی اگر اجرای آن کمی پیچیده‌تر و گران‌تر از PDMS باشد، ترموپلاستیک‌ها کاندیدهای خوبی برای ساخت آزمایشگاه‌های روی یک تراشه هستند زیرا شفاف هستند، با لیتوگرافی اندازه میکرومتر سازگار هستند و از نظر شیمیایی خنثی‌تر از PDMS هستند. برای کاربردهای خاص، برخی از تیم‌های تحقیقاتی نتایج بسیار خوبی با آزمایشگاه‌های ترموپلاستیک روی تراشه به دست آوردند.

شیشه: شفاف، سازگار با ماشینکاری در اندازه میکرومتر و از نظر شیمیایی بی اثر، کاندیدای بسیار خوبی برای صنعتی سازی آزمایشگاه های روی یک تراشه است. از نقطه نظر تحقیقاتی، ساخت آزمایشگاه‌های شیشه‌ای بر روی یک تراشه به اتاق‌های استریل و محققانی با دانش قوی در زمینه ساخت ریز نیاز دارد. بنابراین، آزمایشگاه شیشه ای روی یک تراشه برای همه آزمایشگاه های تحقیقاتی در دسترس نیست.

سیلیکون: اولین آزمایشگاه روی یک تراشه از سیلیکون ساخته شده بود و به نظر می رسد یک انتخاب عادی باشد زیرا میکروتکنولوژی ها بر اساس ساخت ریز تراشه های سیلیکونی هستند. امروزه محققان اغلب از سیلیکون برای آزمایشگاه‌های روی یک تراشه استفاده نمی‌کنند، عمدتاً به این دلیل که سیلیکون گران است، از نظر نوری شفاف نیست (به‌جز IR) و به یک اتاق استریل و همچنین دانش قوی در مورد ریزساخت نیاز دارد. علاوه بر این، رسانایی الکتریکی سیلیکون استفاده از آن را برای عملیات آزمایشگاهی روی تراشه که نیاز به ولتاژ بالا دارند (مانند الکتروفورز) غیرممکن می‌کند. با این حال، حتی اگر امروزه سیلیکون به عنوان یک نامزد منسوخ برای صنعتی‌سازی آزمایشگاه روی تراشه به نظر می‌رسد، دانشمندان معتقد هستند که ممکن است هنوز یک انتخاب مناسب برای صنعتی‌سازی برخی از برنامه‌های کاربردی آزمایشگاه روی تراشه باشد.

مزایای آزمایشگاه روی یک تراشه در مقایسه با فناوری های معمولی

* هزینه کم: میکروتکنولوژی ها، هزینه های محاسباتی و تجزیه و تحلیل را کاهش می دهند. این ادغام اجازه می دهد تا آزمایش های متعددی روی یک تراشه انجام شود و هزینه هر تجزیه و تحلیل فردی به قیمت ناچیز کاهش یابد.

* موازی سازی بالا: به لطف یکپارچه سازی میکروکانال ها، فناوری آزمایشگاه روی یک تراشه اجازه می دهد ده ها یا صدها تجزیه و تحلیل به طور همزمان روی یک تراشه انجام شود. این به پزشکان اجازه می‌دهد تا بیماری‌های خاصی را در طول زمان مشاوره هدف قرار دهند تا به‌سرعت و مؤثرترین آنتی‌بیوتیک یا ضد ویروسی را تجویز کنند.

* سهولت استفاده و فشرده بودن: Lab-on-a-chip امکان ادغام تعداد زیادی عملیات را در یک حجم کوچک فراهم می کند. در پایان، یک تراشه فقط چند سانتی‌متر مربع همراه با ماشینی به کوچکی یک کامپیوتر، امکان تجزیه و تحلیل‌های قابل مقایسه با آنچه در آزمایشگاه‌های تحلیلی کامل انجام می‌شود را فراهم می‌کند. تشخیص با استفاده از آزمایشگاه روی یک تراشه به کنترل بسیار کمتر و عملیات پیچیده‌تری نیاز دارد و در بیشتر موارد، می‌توان آن‌ها را در محل توسط پرستار انجام داد.

* کاهش خطای انسانی: از آنجایی که کارکرد انسان را به شدت کاهش می‌دهد، تشخیص خودکار با استفاده از آزمایشگاه روی تراشه، خطر خطای انسانی را در مقایسه با فرآیندهای تحلیلی کلاسیک انجام‌شده در آزمایشگاه‌ها تا حد زیادی کاهش می‌دهد.

* نمونه‌های کم حجم: از آنجایی که سیستم‌های آزمایشگاهی روی تراشه تنها به مقدار کمی خون برای هر آنالیز نیاز دارند، این فناوری با کاهش استفاده از مواد شیمیایی گران قیمت، هزینه آنالیز را کاهش می‌دهد. این امکان را به شما می‌دهد که تعداد زیادی از بیماری‌ها را بدون نیاز به مقادیر زیادی خون از بیماران شناسایی کنید.

* قابل مصرف: به دلیل قیمت پایین، اتوماسیون و مصرف کم انرژی، دستگاه های آزمایشگاهی روی تراشه نیز می توانند در محیط های بیرونی برای نظارت بر هوا و آب بدون نیاز به دخالت انسان استفاده شوند.

* سلامتی را با همه به اشتراک بگذارید: آزمایشگاه روی یک تراشه هزینه های تشخیصی، آموزش کارکنان پزشکی و هزینه زیرساخت را کاهش می دهد. در نتیجه، فناوری آزمایشگاه روی یک تراشه، پزشکی مدرن را با هزینه‌های معقول برای کشورهای در حال توسعه قابل دسترس‌تر می‌کند. به طورکلی، به وضوح می توانیم انتظار داشته باشیم که آزمایشگاه روی یک تراشه جان افراد زیادی را نجات دهد.

محدودیت های آزمایشگاه روی یک تراشه در مقایسه با فناوری های کلاسیک

* صنعتی شدن: بیشتر فناوری های آزمایشگاهی روی تراشه هنوز برای صنعتی شدن آماده نیستند.

* نسبت سیگنال/نویز: برای برخی از کاربردها کوچک‌سازی نسبت سیگنال/نویز را افزایش می‌دهد و در نتیجه، آزمایشگاه روی یک تراشه نتایج ضعیف‌تری نسبت به تکنیک‌های معمولی ارائه می‌دهد.

* اخلاق و رفتار انسانی: بدون مقررات، پردازش بلادرنگ و دسترسی گسترده به آزمایشگاه‌های روی یک تراشه ممکن است باعث ایجاد ترس از تشخیص عمومی عفونت‌های بالقوه در خانه توسط عموم افراد آموزش‌دیده شود. علاوه بر این، پتانسیل تعیین توالی DNA آزمایشگاه روی تراشه ممکن است هر کسی را قادر سازد تا با استفاده از یک قطره بزاق، DNA دیگران را توالی یابی کند.

نتیجه گیری و دیدگاه ها

با نگاهی به تحقیقات اخیر و محصولاتی که وارد بازار شده‌اند، اکنون می‌توانیم مطمئن باشیم که آزمایشگاه روی یک تراشه روش تشخیص را در آینده نزدیک تغییر خواهد داد. چندین آزمایشگاه روی یک تراشه برای برخی کاربردهای کلیدی مانند پایش گلوکز، تشخیص HIV یا تشخیص حمله قلبی تجاری شده اند. چالش تحقیقات صنعتی این است که در همان آزمایشگاه روی یک تراشه حداکثر تعداد عملیات فردی را به منظور کاهش هزینه ها و افزایش سرعت تشخیص در یک آزمایشگاه بگنجانیم. در حال حاضر، فناوری‌ها یکپارچه نیستند و هیچ‌کس نمی‌تواند بگوید کدام فناوری‌ها و کدام مواد امیدوارکننده‌ترین برای تشخیص با بازده بالا هستند. پاسخ به این سوالات به پتانسیل های تکنولوژیکی بستگی دارد.