تعریف میکروسیالات
میکروسیالات با حجم بسیار کمی از مایعات سر و کار دارند که به فمتولیتر (fL) می رسد که یک چهار میلیاردم لیتر است. سیالات در مقیاس میکرومتریک بسیار متفاوت از رفتارهای روزمره رفتار می کنند: این ویژگی های منحصر به فرد کلید آزمایش ها و نوآوری های علمی جدید هستند.مفهوم کلیدی مربوط به میکروسیالات، ادغام در یک سیستم ساده با اندازه میکرو عملیات است که معمولاً به یک آزمایشگاه کامل نیاز دارد.
تراشه های میکروسیال
یک تراشه میکروسیال الگوی ریز کانال‌هایی است که قالب‌گیری شده یا حکاکی شده‌اند. این شبکه از میکروکانال‌ها که در تراشه میکروسیال گنجانده شده‌اند، توسط چندین سوراخ با ابعاد مختلف که از طریق تراشه خالی شده‌اند، به محیط ماکرو متصل میشوند. از طریق این مسیرها است که مایعات به تراشه میکروسیال تزریق شده و از آن خارج می شوند. سیالات هدایت، مخلوط، جداسازی یا دستکاری می شوند تا به سیستم های مالتی پلکس، اتوماسیون و توان عملیاتی بالا دست یابند. روی طراحی شبکه میکروکانال ها باید دقیقاً برای دستیابی به ویژگی های مورد نظر (آزمایشگاه روی یک تراشه، تشخیص عوامل بیماری زا، الکتروفورز، تجزیه و تحلیل DNA و غیره) استادانه کار شود.برای مدیریت دقیق سیالات داخل میکروکانال ها، سیستم های خاصی مورد نیاز است. این عناصر را می‌توان یا در داخل تراشه میکروسیال، مانند موردِ شیرهای Quake، یا در خارج از آن، مانند موردِ کنترل‌کننده‌های فشار قرار داد.
تصویر: مزایای میکروسیال
دستگاه های میکروسیال از خواص فیزیکی و شیمیایی مایعات و گازها در مقیاس کوچک بهره برداری می کنند. دستگاه های میکروسیال مزایای متعددی نسبت به سیستم های با اندازه معمولی دارند. ریزسیال شناسی امکان تجزیه و تحلیل و استفاده از حجم کمتری از نمونه‌ها، مواد شیمیایی و معرف‌ها را فراهم میکند و هزینه‌های جهانی کاربردها را کاهش می‌دهد. بسیاری از عملیات‌ها را می‌توان به‌دلیل اندازه فشرده‌شان همزمان اجرا کرد و زمان آزمایش را کوتاه‌تر کرد. آنها همچنین کیفیت داده عالی و کنترل پارامتر قابل توجهی را ارائه می دهند که امکان اتوماسیون فرآیند را با حفظ عملکرد فراهم می کند. آنها ظرفیت پردازش و تجزیه و تحلیل نمونه ها را تنها با دستکاری جزئی نمونه دارند. تراشه میکروسیال به گونه‌ای طراحی شده است که اتوماسیون گنجانده شده به کاربر اجازه می‌دهد تا واکنش‌های چند مرحله‌ای ایجاد کند که تنها به سطح پایینی از تخصص نیاز دارد و قابلیت‌های زیادی دارد. میکروسیستم ها عملکردهایی را اجرا می کنند که از تشخیص سموم گرفته تا تجزیه و تحلیل توالی DNA یا ایجاد دستگاه های چاپ جوهر افشان را شامل می شود.
میکروسیال ها دارای خواص متنوعی هستند، از جمله زمان واکنش سریع تر، حساسیت تحلیلی افزایش یافته، کنترل دمای افزایش یافته، قابلیت حمل، اتوماسیون و موازی سازی آسان تر، ادغام روال های آزمایشگاهی در یک دستگاه (آزمایشگاه روی یک تراشه). استفاده از میکروسیال ارزان است زیرا شامل استفاده از تجهیزات مختلف پرهزینه نمی شود.
امروزه، میکروسیال‌ها ابزارهای کارآمدی را برای حوزه‌های تحقیقاتی متعدد، و به طور خاص برای تجزیه و تحلیل بیولوژیکی فراهم می‌کنند:
* کل فرآیند بیولوژیکی یکپارچه و ساده شده برای کاربران نهایی
* سنجش با توان بالا، مالتی پلکس و بسیار موازی
* تجزیه و تحلیل سریع تر به دلیل واکنش های کوتاه تر و/یا زمان جداسازی
* دستگاه های قابل حمل برای کاربردهای نقطه مراقبت
* مصرف معرف کم
* کاهش هزینه جهانی در هر تحلیل
* اندازه گیری دقیق. میکروسیال شناسی اجازه می دهد تا وضوح اندازه گیری در برنامه های کاربردی افزایش داده شود.
آزمایشگاه روی یک تراشه
تصویر: آزمایشگاه روی یک تراشه (LOC) برای میکروسیال شناسی
یک آزمایشگاه روی یک تراشه (lab-on-a-chip (LOC))، دستگاهی است که یک یا چند آنالیز را که معمولاً در آزمایشگاه انجام می‌شود در مقیاس کوچک انجام می‌دهد. چندین تکنیک آزمایشگاهی با وضوح بالا مانند سنتز و تجزیه و تحلیل مواد شیمیایی یا آزمایش مایعات را در سیستمی که روی یک تراشه قرار می‌گیرد یکپارچه و خودکار میکند. عملکرد در این مقیاس مزایای زیادی دارد. تجزیه و تحلیل نمونه‌ها می‌تواند در مکانی، جایی که نمونه‌ها تولید میشوند، به جای اینکه به یک مرکز آزمایشگاهی وسیع منتقل شوند، انجام شود. رفتار سیالات در این مقیاس، کنترل حرکت و برهمکنش نمونه ها را آسان تر می کند و باعث می شود واکنش ها بسیار قوی تر شوند و ضایعات شیمیایی را به حداقل برسانند. همچنین باعث کاهش قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی خطرناک می شود.
دستگاههای آزمایشگاه روی تراشه زیرمجموعه‌ای از دستگاههای سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی (Micro-electro-mechanical systems (MEMS)) هستند و اغلب با «سیستم‌های تحلیل کل میکرو» (“Micro Total Analysis Systems” (µTAS)) نشان داده میشوند. MEMSها حسگرهای اطلاعاتی هستند که اطلاعات را به یک میکروکنترلر که تجزیه و تحلیل را انجام می دهد، انتقال می دهند. این سیستم‌های مینیاتوری مکانیکی از برخی بسترها (سیلیکون، شیشه و غیره) تشکیل شده‌اند. آنها از انواع مختلف فناوری استفاده می کنند. چیزی که کل مفهوم را در بر می گیرد، نانوسیال است. نانوسیالات رفتار، دستکاری و کنترل سیالاتی را که به ساختارهایی با ابعاد نانومتری (10 به توان منفی 9 متر) محدود می شوند، بررسی می کند. نانوحسگرها جزء اصلی بسیاری از سیستم‌های آزمایشگاه روی تراشه هستند. حسگرها با استفاده از نانومواد مانند نانولوله‌های کربنی ساخته شده‌اند که برای درک حجم‌های بسیار کم مانند نمونه‌های تک سلولی یا حتی نمونه‌های کوچکتر مناسب هستند. اینها بسیار سودمند هستند زیرا در عین حفظ اندازه کوچک دستگاه، انعطاف پذیری تحلیلی بالایی را در یک سیستم آزمایشگاه روی تراشه امکان پذیر می کنند.
اندام روی تراشه
تصویر: اندام روی تراشه در میکروسیال‌ها
اندام‌های روی تراشه‌ها، میکرودستگاه‌های کشت سلولی سه‌بعدی هستند که با هدف بازتولید عملکردهای کلیدی اندام‌های زنده، روی یک تراشه کامپیوتری قرار گرفته اند. این دستگاههای میکروسیالی کارآمدتر از روش‌های کشت سلولی معمولی هستند زیرا می‌توانند ریزمحیط‌ها و همچنین تأثیر آنها بر عملکرد اندام‌ها را تقلید کنند. این اجازه می دهد تا در مورد فیزیولوژی انسان برای یک اندام خاص تحقیق کنید و پیشرفت هایی را در مدل های بیماری مصنوعی آغاز کنید.
اندام‌های روی تراشه‌ها از میکروسیال‌ها و فناوری‌های میکروساخت برای تکثیر بهتر عملکرد اندام‌های زنده استفاده می‌کنند. در میان آنها می‌توان مدل‌هایی مانند روده روی تراشه، قلب روی تراشه، کبد روی تراشه، ریه روی تراشه، تومور روی تراشه، ماهیچه روی تراشه، چند اندام روی تراشه و غیره را پیدا کرد.
تصویر: اولین ترانزیستور میکروسیال
میکروسیال شناسی یک حوزه یکپارچه است که از ترکیبی از میکروآنالیز، دفاع زیستی و میکروالکترونیک تا مقیاس میکرومتریک و زیر میکرومتری نشأت می‌گیرد.
تاریخچه میکروسیالات در دهه 1950 با اختراع اولین ترانزیستور و ظهور میکروتکنولوژی آغاز شد. فناوری هد چاپ جوهر افشان که در آن لوله های کوچک، جوهر را برای چاپ حمل می کنند نیز در این دوره اختراع شد.
در دهه 60 کامپیوترها به منظور امکان اکتشاف فضایی کوچک شدند. اولین مدارهای مجتمع و ریزپردازنده ها ایجاد شدند. فناوری‌هایی مانند فوتولیتوگرافی توسعه یافتند و اجازه دادند هزاران ترانزیستور را روی ویفرهای نیمه‌رسانا کوچک‌سازی و ادغام کنند. سپس از این فناوری ها در تولید سنسور فشار استفاده شد.
تصویر: میکروچیپ در میکروسیال شناسی
در سال 1979 اولین کروماتوگراف گازی مینیاتوری حاوی ریز عناصر مکانیکی یکپارچه شده بر روی ویفر سیلیکونی، به لطف استفاده از روش‌های اچینگ سیلیکونی توسعه‌یافته برای صنعت میکروالکترونیک ایجاد شد.
در دهه 80، نوع جدیدی از دستگاه‌ها به نام سیستم‌های مکانیکی میکرو الکترومکانیکی (Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)) ظهور پیدا کردند که به کاربردهای صنعتی مانند سنسورهای فشار و هدهای چاپی اجازه ظهور می‌دادند. در پایان دهه 1980، اولین میکرو دریچه ها و میکروپمپ های مبتنی بر ریز ماشینکاری سیلیکونی ساخته شد. در طول سال های بعد، چندین سیستم تجزیه و تحلیل مبتنی بر سیلیکون توسعه یافت. در این زمان دستگاههای میکروسیال هنوز از لایه‌های سیلیکونی یا شیشه‌ای ساخته می‌شدند و به امکانات صنایع سنگین و مهارت‌های سنگین نیاز داشتند.
تصویر: میکروسیال شناسی MEMS
در دهه 90 محققان زمان زیادی را صرف بررسی کاربردهای MEMS در زمینه های زیست شناسی، شیمی و زیست پزشکی کردند تا امکان کنترل مایعات در میکروکانال ها را فراهم کنند. آنها دستگاه های جابجایی سیال میکروسیالی را برای سیستم های آنالیز یکپارچه مانند میکروپمپ ها، حسگرهای جریان حرارتی و حسگرهای جریان جرمی و مکانیسم هایی برای انتقال سیال، اندازه گیری، اختلاط و غیره توسعه دادند.
در اواسط دهه 1990، فناوری های MEMS ابزارهایی را برای تحقیقات ژنومیک پیاده سازی کردند. ارتش، به‌ویژه آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA)) به دلیل علاقه‌شان به سیستم‌های قابل حمل شناسایی عوامل جنگی بیولوژیکی و شیمیایی، از تحقیقات حمایت کردند. یک حوزه تحقیقاتی پیشرو در مورد بسط مفاهیمی راه اندازی شد که می تواند عملکرد حسگر را در یک تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی کامل روی یک تراشه میکروسیال منفرد منتقل کند. در اواخر دهه 90، استفاده از لیتوگرافی نرم اجازه تولید دستگاه های میکروسیال ارزان را با استفاده از قالب های پلیمری داد.
در اوایل دهه 2000، فناوری‌های مبتنی بر قالب‌گیری میکرو کانالها در پلیمرهایی مانند PDMS با گسترش زیادی مواجه شدند. تعداد زیادی از آزمایشگاه ها به لطف کاهش هزینه ها و زمان تولید این دستگاه ها توانستند تحقیقات میکروسیال را انجام دهند. امروزه میکروپمپ ها، میکسرها، میکرو دریچه ها و دستگاه های دیگر در دسترس هستند و در کاربردهای میکروسیال مورد استفاده قرار می گیرند.
ریزسیال شناسی را می توان به شاخه های زیادی تقسیم کرد که از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
میکروسیالات جریان پیوسته
جریان پیوسته جریانی ثابت، منظم و مداوم است. میکروسیال‌های جریان پیوسته به لطف دستگاه‌هایی مانند پمپ‌های فشار خارجی یا میکروپمپ‌های مکانیکی یکپارچه، امکان دستکاری جریان مداوم مایع را از طریق میکروکانال‌ها فراهم می‌کنند. فرآیندهای جریان پیوسته در طیف وسیعی از کاربردها مثلاً در زمینه‌های زیست تحلیلی، شیمیایی، انرژی و محیطی استفاده میشوند.میکروسیال دیجیتال
تصویر: میکروسیالات قطره ای - میکروسیالات دیجیتال – علم ریزسیال شناسی امولسیون
ریزسیال شناسی دیجیتال که ریزسیال شناسی قطره ای یا علم امولسیون نیز نامیده می شود، یکی از زمینه های کاربردی اصلی میکروسیالات است که امکان دستکاری قطرات خودمختار روی یک بستر با استفاده از مرطوب کننده الکتریکی را فراهم می کند. این اجازه می دهد تا قطرات یکنواخت و قابل تکرار را روی پارامترهای آزمایش تولید و کنترل کنید.
از تولید قطرات می توان در طیف وسیعی از کاربردها مانند سنتز نانوذرات، تجزیه و تحلیل تک سلولی و کپسوله کردن موجودات بیولوژیکی استفاده کرد. این فناوری احتمالاً با ارائه راه حل های جدید برای تشخیص و درمان پیشرفته، به ابزار مهمی برای تحویل دارو و زیست حسگری تبدیل خواهد شد.
اپتوسیال شناسی و ریزسیال شناسی
اپتوسیال شناسی (Optfluidics) یک علم نوظهور است که به سرعت در حال رشد است و از ترکیب سه رشته علم ایجاد می شود: میکروفوتونیک، اپتیک و میکروسیال. میکروفوتونیک، یا کنترل نور در مقیاس میکرونی، شامل حمل و نقل منظم فوتون‌هایی است که معمولاً از لیزر ساطع میشوند. اپتیک مطالعه رفتار و ویژگی های نور در مقیاس بزرگ است، از جمله برهمکنش های آن با عناصر دیگر و ساخت دستگاه هایی که از آن استفاده می کنند یا آن را تشخیص می دهند.اپتوسیال شناسی، نور و مایعات را در دستگاه های نوری مینیاتوری ادغام می کند که به این طریق از خواص سیالات برای ایجاد دقت و انعطاف پذیری بالا بهره می برند.
کاربردهای Optofluidic شامل دستگاههای آزمایشگاهی روی تراشه، موجبرهای سیال، لنزهای تغییر شکل‌پذیر، لیزرهای میکروقطره‌ای، نمایشگرها، حسگرهای زیستی، سوئیچ‌های نوری یا ابزارهای تصویربرداری مولکولی و انرژی است.
سیال شناسی صوتی و ریزسیال شناسی
Acoustofluidics یا سیال شناسی صوتی با استفاده از میدان‌های صوتی، عمدتاً امواج فراصوت بر روی مایعات درون کانال‌های میکروسیال، که امکان دستکاری سلول‌ها و ذرات را فراهم میکند، سروکار دارد. این علم به مطالعه و دستکاری امواج صوتی در محیط های سیال در مقیاس میکرو تا نانومقیاس اشاره دارد. این امواج مکانیکی از طریق تحریک دیواره های میکروکانال ها با یک محرک به سیال وارد می شوند.آکوستیک توانایی‌های امیدوارکننده‌ای را در دستکاری سیالات و ذرات درون آن سیالات در مقیاس میکرو / نانومتری ارائه میکند.
ثابت شده است که این روشی است که برای سلول‌ها ملایم است و می‌تواند در بسیاری از کاربردها مانند کاربردهای زیست پزشکی استفاده شود، از جمله در عامل‌سازی آزمایشگاه روی تراشه، حرکت ذرات، جداسازی سلول‌ها، به دام انداختن صوتی.
الکتروفورز و میکروسیال
الکتروفورز تکنیکی است که از آن در آزمایشگاه های بالینی و تحقیقاتی به منظور جداسازی مولکول ها بر اساس اندازه، بار الکتریکی و شکل آنها استفاده می شود. الکتروفورز بر حرکت یونها در میدان الکتریکی استوار است. جریان الکتریکی از محیطی عبور می کند که مخلوط مولکول ها را در خود نگه می دارد. یون های دارای بار مثبت (کاتیون ها) به سمت الکترود منفی حرکت می کنند در حالی که یون های دارای بار منفی (آنیون ها) به سمت الکترود مثبت حرکت می کنند. یون ها دارای نرخ مهاجرت متمایز هستند و می توان آنها را از هم جدا کرد. الکتروفورز یون‌های دارای بار مثبت را کاتافورز و الکتروفورز ذرات با بار منفی را آنافورز می‌نامند.از این روش هم برای آنالیز DNA و هم RNA استفاده می شود.
میکروساخت و میکروسیالات
تصویر: میکروساخت – میکروسیالات
تکنیک های میکروساخت اجازه می دهد تا ساختارهای میکرو را تا مقیاس میکرومتر و کوچکتر، که در دستگاه های میکروسیال ادغام شده اند، مطالعه و تولید کنند. این در طیف گسترده ای از کاربردها مانند قالب گیری ماکت یا چاپ میکروکنتاکت استفاده می شود و به ویژه اجازه می دهد تا با ایجاد ریزساختارهای سازگار، شکل و عملکرد سلول ها را دقیقاً کنترل کنید.
میکروالکترونیک و میکروسیال
میکروالکترونیک با مهندسی قطعات و طرح های الکترونیکی مینیاتوری سروکار دارد، و این امکان را می دهد تا با تکنیک هایی مانند فتولیتوگرافی، اچینگ و باندینگ، ساختارهای کوچک را دقیقاً بسازید. اگرچه ادغام قطعات الکتریکی گاهی اوقات چالش برانگیز است، اما می تواند برای کاربردهای مختلفی مانند سیستم های سنجش پزشکی و واحدهای ارگونومیک استفاده شود.الکتروشیمی و میکروسیالات
تصویر: الکتروشیمی – ریزسیال شناسی
الکتروشیمی رابطه بین جریان الکتریکی و واکنش های شیمیایی را مطالعه می کند. عناصر تشخیص الکتروشیمیایی را می توان در یک دستگاه میکروسیال ادغام کرد که آن را قابل اعتماد و بسیار حساس می کند. الکتروشیمی کاربردهای زیادی دارد، به ویژه در شیمی تجزیه، با توسعه حسگرهای الکتروشیمیایی، آزمایشگاه روی تراشه، و حسگرهای زیستی.
میکروسیستم های اولیه از میکروساخت سیلیکونی استفاده می کردند که منجر به فرآیندهای پیچیده و گران قیمتی مانند اچینگ شیمیایی می شد. موادی مانند شیشه و سیلیکون به زمان، تلاش و هزینه زیادی نیاز دارند. برای غلبه بر این مشکلات، تراشه های میکروسیال در پلیمرها معرفی شده اند. این آزمایش و بودجه است که انتخاب بهترین مواد را تعیین می کند زیرا همه آنها دارای مزایا و معایبی هستند. بیشتر و بیشتر، تراشه های میکروسیال کاغذی به عنوان یک فناوری کلیدی ممکن برای آینده مورد بررسی قرار می گیرند. برای برخی از کاربردها، چندین ماده برای باردار کردن تراشه میکروسیال سازگار شده همراه خواهد بود.
سیلیکون برای میکروسیال ها
تصویر: تراشه میکروسیال سیلیکونی برای میکروسیالات
سیلیکون یکی از اولین موادی بود که در ساخت دستگاه های میکروسیال انتخاب شد.
امروزه سیلیکون به دلیل هزینه بالا و کدورت آن که تشخیص نوری را غیر از IR غیرقابل دسترس می کند، کمتر مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر این، به تخصص واقعی در میکروساخت و اتاق تمیز نیاز دارد. با این وجود، امکان دستیابی به ماشینکاری سیلیکونی با دقت بالا را فراهم می کند. سیلیکون ها دارای ثبات سطحی خوب، سازگاری شیمیایی و هدایت الکتریکی هستند که امکان ادغام الکترونیک روی تراشه میکروسیال را فراهم می کند، اما استفاده از آن را برای کاربردهای آزمایشگاهی روی تراشه که نیاز به ولتاژ بالا دارند، مانند الکتروفورز، غیرممکن می کند.
شیشه برای میکروسیال
شیشه ماده دیگری است که در اوایل تولید تراشه های میکروسیال مورد استفاده قرار گرفت. از همان ثبات سطح، رسانایی حرارتی و خواص سازگاری با حلال در حد موارد مربوط به سیلیکون بهره می برد. علاوه بر این، شیشه زیست سازگار، از نظر شیمیایی بی اثر، و آبدوست است و اجازه می دهد تا پوشش های کارآمدی داشته باشد. شیمی سطح، شفافیت نوری برتر و مقاومت در برابر فشار بالا آن را به بهترین انتخاب برای بسیاری از کاربردها تبدیل کرده است. عیب اصلی شیشه در تراشه های میکروسیال قیمت بالای آن است.منبع: elveflow
