نوشته‌ها

میکروفلوییدیک

میکروفلوییدیک، هم علمی است که به مطالعه رفتار مایعات در داخل کانالهای میکرومتری می پردازد و هم تکنولوژی  است مربوط به ساخت کانالها و محفظه هایی با ابعاد میکرومتری که مایعات از داخل آنها عبور می کند.

میکروفلوییدیک با حجم های بسیار کمی (بعضا تا چند فمتو لیتر) از مایعات سر و کار دارد. مایعات در ابعاد میکرومتر، رفتار بسیار متفاوتی از حالت عادی خودشان نشان میدهند. در واقع همین رفتار عجیب و ویژگی های منحصر به فرد مایعات در ابعاد میکرومتری، کلید اصلی آزمایشهای علمی دانشمندان در این حوزه می باشد.

در واقع هدف از تحقیق در حوزه میکروفلوییدیک، مجتمع سازی تمامی کارهایی که در یک آزمایشگاه انجام می شود، بر روی یک میکرو چیپ است، چیپی به مساحت چند سانتی مترمربع.

 

چیپ های میکروفلوییدیک:

میکروفلوییدیک

این چیپها یک طرحی از میکروکانالهایی هستند که یا قالب ریزی شده اند و یا بر روی زیرلایه مناسب حکاکی شده اند. این شبکه از میکروکانالها که بر روی میکرو چیپ درست می شوند، توسط حفره هایی به محیط بیرون وصل می شوند تا از این طریق، مایعات را بتوان وارد میکروکانالها نمود و همچنین از آنها خارج کرد.

هدف از ساخت میکروکانالها، جهت دهی، مخلوط کردن، جدا کردن و همچنین دستکاری مایعات می باشد.

 

برای کنترل دقیق محلولها داخل میکروکانالها، ادوات و سیستمهای مخصوصی مورد نیاز است. این ادوات هم میتوانند به صورت جاسازی شده ( Embeded ) داخل میکروچیپ قرار بگیرند مانند Quake valve ها و هم بیرون از میکروچیپ شاره ها را کنترل کنند مانند کنترلرهای فشار.

فواید میکروفلوییدیک:

ادوات میکروفلوییدیک، وسایل بسیار مناسبی برای بررسی ویژگی های فیزیکی و شیمیایی مایعات و گازها در ابعاد میکرومتر می باشند. در واقع ادوات میکروفلوییدیک، فواید بسیار زیادی در مقایسه با سیستمهای رایج کنونی برای

آنالیز شاره ها را دارند.

به عنوان مثال فقط با یک چیپ میکروفلوییدیک می توان چندین آنالیز محلول و یا حتی به صورت همزمان ترکیب چند محلول را انجام داد در حالیکه به طور معمول نیازمند چندین دستگاه می باشیم.

برخی دیگر از ویژگی های چیپ های میکروفلوییدیک را می توان به صورت زیر نام برد

میکروفلوییدیک

  • کیفیت عالی دیتاها
  • کنترل بسیار عالی بر روی پارامترهای مختلف
  • اتوماتیک بودن بسیاری از مراحل آزمایش توسط چیپ در حالیکه کارایی آزمایش در حد بسیار بالایی حفظ می شود.
  • آنالیز نمونه

 

 

یکی از مهمترین ویژگی های چیپ میکروفلوییدیک، قابلیت انجام چندین کار پشت سر هم بدون دخالت زیاد آزمایشگر با کیفیت بالایی می باشد. به عنوان مثال فرض کنید که قرار است ابتدا ۲ محلول را با هم مخلوط کنید سپس تا دمای ۶۰ درجه سانتیگراد، آنها را گرم کنید و در مرحله بعدی یک نمودار CV از آنها بگیرید و پس از انجام آنالیز محلول موجود را  با مایع سوم مخلوط نمایید. چه مقدار هزینه و زمان و فضا نیاز دارید. تمام این مراحل را می توان فقط به کمک یک چیپ میکروفلوییدیک کوچک با دقت بسیار بالا و کیفیت عالی به صورت اتوماتیک انجام داد.

کارایی این چیپ ها بسیار گسترده می باشد و طیف وسیعی را شامل می شود: از آشکارسازی مواد سمی گرفته تا آنالیز DNA و یا حتی نازل پرینترهای رنگی با Dpi بالا.

خود میکروفلوییدها نیز ویژگی های بسیار جالبی دارند از جمله آنها می توان  موارد زیر را بیان نمود:

  • زمان کم برای برهمکنش مواد شیمیایی با یکدیگر
  • افزایش حساسیت در شناسایی مواد شیمیایی
  • افزایش دقت برای کنترل دما
  • پرتابل بودن
  • اتوماتیک بودن خیلی از مراحل
  • قابلیت انجام بسیاری از مراحل یک تست یا آزمایش به صورت موازی
  • قابلیت انجام چندین آزمایش بر روی یک چیپ
  • ارزان بودن در مقایسه با روشهای معمول برای آنالیز و ساخت

 

 آزمایشگاهی بر روی یک چیپ(LAB-ON-CHIP)

به وسیله ای گفته می شود که میتواند چندین آزمایش و آنالیز را در ابعاد بسیار کوچکی انجام بدهد در حالیکه به طور معمول این کارها در یک آزمایشگاه مجهز انجام می شود. این وسیله چندین تکنیک با دقت بالا مانند آنالیز مواد شیمیایی، تست شاره ها، سنتز و … که در آزمایشگاه انجام میگیرد را مجتمع سازی نموده و به صورت خودکار  بر روی یک چیپ کوچک انجام میدهد. انجام این آزمایشها و تست ها بر روی چنین چیپی فواید زیادی دارد. مثلا: آنالیز نمونه ها دقیقا همانجایی انجام می شود که تولید شده است و دیگر نیازی به جابجا کردن نمونه پس از تولید برای انجام تست نمی باشد، کنترل رفتار شاره ها در این ابعاد بسیار راحت تر است، بر هم کنش مواد با یکدیگر در این ابعاد بهتر انجام می شود، هدر رفت مواد شیمیایی کاهش می یابد و … .

مدل دیگر LOC ها، Organ-On-Chip می باشد. در واقع در این چیپها تلاش می شود که شرایط محیطی مناسبی برای سلولها و باکتریها و یا حتی بافتهای زنده فراهم شود، دانشمندان تلاش می کنند تا به کمک این چیپ ها بتوانند به بررسی برخی بیماریها و درمان آنها بپردازند.

میکروفلوییدیک میکروفلوییدیک

تاریخچه میکروفلوییدیک:

تاریخ شروع میکروفلوییدیک را می توان به جرات دهه ۵۰ میلادی نامید، زمانی که اولین ترانزیستور ساخته شد و زمان ظهور میکروتکنولوژی بود. در همین دهه بود که اولین لوله های کوچک برای انتقال رنگ در پرینترها ساخته شد.

در دهه ۶۰ میلادی کامپیوترها کوچکتر شدند و اولین مدار مجتمع و اولین میکروپروسسور ساخته شد. تکنولوژی فوتولیتوگرافی توسعه یافت و در این دهه بود که توانستند هزاران ترانزیستور را بر روی ویفر سیلیکونی بسازند. در این دهه بود که از این تکنولوژی برای ساخت سنسور فشار نیز استفاده شد.

در سال ۱۹۷۹ اولین دستگاه کروماتوگراف گازی که شامل ادوات مکانیکی در ابعاد میکرومتر بود به کمک سیلیکون ساخته شد.

دهه ۸۰ میلادی مصادف بود با ظهور ادوات جدیدی بنام سیستمهای میکرو-الکترو-مکانیک (MEMS) ، که به شدت در صنعت کاربرد داشتند. در پایان دهه ۸۰ میلادی اولین میکروشیر (Micro Valve) و میکروپمپ به این روش ساخته شد. در سالهای بعدی سیستمهای آنالیزی بسیاری که بر اساس سیلیکون بودند ساخته شده و یا ارتقا پیدا کردند. در این زمان ادوات میکروفلوییدیک نیز بر پایه شیشه و یا سیلیکون ساخته می شدند که نیازمند تکنولوژی بسیار بالایی بود و هر کسی توانایی ساخت چنین ادواتی را نداشت.

در دهه ۹۰ میلادی، محققان، زمان زیادی را صرف تحقیقات گسترده ای برای استفاده از MEMS در بیولوژی، شیمی و پزشکی کردند تا بتوانند میکروفلوییدها را در کانالهای میکرومتری کنترل کنند.

در اواخر دهه ۹۰ میلادی، به کمک فوتولیتوگرافی، چیپ های میکروفلوییدیک ارزان که بر پایه، قالب ریزی پلمیرها بود، ساخته شد.

بعد از سال ۲۰۰۰ میلادی، میکرو کانالهایی که به کمک قالب ریزی پلیمرها (مانند PDMS ) ساخته می شدند به شدت افزایش یافت. از این سال به بعد بسیاری از آزمایشگاه ها در دنیا، به دلیل پایین بودن هزینه ساخت و همچنین ارزان بودن این روش در مقایسه با روشهای قبلی، به ساخت و تحقیق در زمینه میکروفلوییدیک پرداختند. امروزه، میکرو پمپ ها، میکروشیر ها، مخلوط کننده ها، و باقی ادوات مورد نیاز به راحتی در دسترس قرار دارند.

زمینه های مرتبط با میکروفلوییدیک

۱- ساخت ادوات میکروفلوییدیک: در واقع برای ساخت این ادوات باید، با میکروفبریکیشن (MicroFabrication) آشنایی کامل داشت تا بتوان کانالها و مسیرهای میکرومتری مورد نظر را با دقت مناسب ساخت.

۲- میکروالکترونیک و میکروفلوییدیک:  میکروالکترونیک با کوچک سازی و طراحی ادوات الکترونیکی بیشتر سرو کار دارد. این روش به ساخت ترانزیستور و قطعات الکترونیکی در ابعاد میکرومتری می پردازد و برای این کار از روشهای مختلفی مانند، فوتولیتوگرافی، زدایش (Etching) و ایجاد اتصال الکتریکی (Bonding) استفاده می کند. در بسیاری از زمینه های میکروفلوییدیک، برای اندازه گیری و آنالیز نیازمند قطعات و ابزار الکترونیکی می باشیم که معمولا از میکروالکترونیک استفاده می شود.

۳- الکتروشیمی و میکروفلوییدیک: الکتروشیمی به مطالعه روابط بین جریان الکتریکی و واکنش های شیمیایی می پردازد. به همین خاطر، ادوات مربوط به شناسایی و آنالیز الکتروشیمی(مانند دستگاه سیکلوولتمتری) نیز به همراه کانالهای یک چیپ میکروفلوییدیک ساخته می شود تا در آنالیز محلولها کمک کند.

 

مواد مورد استفاده برای ساخت چیپ های میکروفلوییدیک:

میکروساختارهای اولیه که برای میکروفلوییدیک مورد استفاده قرار می گرفتند از جنس سیلیکون و یا شیشه بودند. در واقع کانالهای میکرومتری به دو روش مختلف بر روی سطح سیلیکون ایجاد می شد، که کاری بسیار پرهزینه و پیچیده بود. موادی مانند شیشه یا سیلیکون، نیازمند، صرف هزینه و زمان زیادی بود. برای غلبه بر این مشکلات، چیپ های میکروفلوییدیک بر مبنای پلیمر ساخته شد. در واقع می شود بجای استفاده از سیلیکون یا شیشه که هزینه بالایی دارند از پلیمرها استفاده کرد. هر چند ذکر این نکته خالی از لطف نیست که هر یک از زیرلایه ها مانند شیشه، سیلیکون و یا حتی پلیمر مزیت ها و مشکلات خود را دارند.

ویفر سیلیکونی برای میکروفلوییدیک:

سیلیکون، اولین ماده ای بود که برای ساخت ادوات میکروفلوییدیک مورد استفاده قرار گرفت. امروزه به دلیل گران بودن و تیره بودن آن که مانع دیده شدن کاانالها می شود و هزینه ساخت بالایی که دارد،  از اقبال کمتری برخوردار است. از طرفی سیلیکون به علت سطح بسیار صاف( پستی و بلندی کمتر از ۵ آنگستروم) و پایداری شیمیایی بالا و همچنین رسانندگی الکتریکی خوب به عنوان یکی از گزینه های مناسب برای ساخت ادوات میکروفلوییدیک همچنان مطرح است.

شیشه برای میکروفلوییدیک:

ماده دیگری که از همان ابتدا مانند سیلیکون مورد استفاده قرار گرفت، شیشه بود. ویژگی های بسیار خوب شیشه عبارت بودند از: پایداری بسیار بالای شیمیایی، عدم جذب آب، عدم شرکت در واکنش های شیمیایی، شفافیت، سطح بسیار صاف و تحمل فشار بالا. اما شیشه نیز مانند سیلیکون یک ایراد دارد: هزینه بالا برای ساخت میکروکانال در شیشه.

پلیمر برای میکروفلوییدیک:

پلیمرها به طور گسترده ای در ساخت ادوات میکروفلوییدیک استفاده می شوند. دلیل استفاده زیاد پلیمرها در ساخت ادوات میکروفلوییدیک، ارزان بودن، مقاومت خوب در عین حالیکه سازگاری قابل قبولی به لحاظ شیمیایی و بیولوژیکی داشتن است. یکی از پلیمرهایی که در ساختن چیپ های میکروفلوییدیک به شدت پرکاربرد است، پلیمر PDMS می باشد.

 

نحوه ساخت یک میکروکانال به کمک پلیمر:

ابتدا طرحی که مد نظر ماست را طراحی میکنیم و آن را بر روی یک فوتوماسک پرینت می کنیم. سپس طرح مورد نظر را به کمک روش فوتولیتوگرافی، بر روی یک فوتورزیست دلخواه مانند PMMA و یا SU8 الگودهی می کنیم. پس  از الگودهی فوتورزیست، پلیمر PDMS را بر روی الگوی لیتوگرافی شده میریزیم و در دمای مناسب قرار می دهیم تا خشک شود. پس از خشک شدن پلیمر، می توانیم آن را از فوتورزیست جدا کنیم. در این مرحله، PDMS مانند یک مهر می باشد که شکل مورد نظر ما را به خود گرفته است و میکروکانالها بر روی آن ایجاد شده است. ای مهر را در مرحله نهایی به هر زیر لایه دیگری مانند شیشه، سیلیکون و یا یک PDMS تخت و صاف میتوان چسباند.

 

میکروفلوییدیک