آزمایشگاه روی تراشه

آزمایشگاه روی تراشه یا آز-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 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.
ماده 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 کاملاً ضروری است . غیرسمی قابل اتوکلاو است . خواص سطحی این ماده را می‌توان بر اساس نوع کاربرد تراشه تغییر داد.

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 فرایندهای آزمایشگاه برای تجزیه و تحلیل محدود می‌شد، بلکه امکانات مشخصهٔ اجزای منحصر به فرد و کاربردهای دیگر در فرایندهای 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.

ساختار تراشه و تکنولوژی ساخت

مبنای فرایند ساخت بیشترLOCها لیتوگرافی نوری است. در ابتدا بیشتر فرایندها بروی سلیکون بودند، اما توسعهٔ این فرایندها مستقیماً از ساخت نیمه هادی ناشی شد. به دلیل درخواست‌هایی مثل ویژگی‌های خاص نوری، سازگاری زیستی /شیمیایی، کاهش هزینه‌های تولید و نمونه سازی سریع‌تر، فرایندهای جدیدی نظیر قلمکاری شیشه، سرامیک و فلز، رسوب و باند، پردازش پلی دی متیل سیلوکسان PDMS (مثل لیتوگرافی نرم)، فیلم ضخیم و استریولیتوگرافی مثل روشهای تکرار سریع از طریق آبکاری الکتریکی، قالب گیری تزریقی و منبت. LOC مرزهای مختلفی نظیر لیتروگرافی مبتنی بر تکنولوژی میکروسیستم‌ها، نانو تکنولوژی و مهندسی دقیق را شامل می‌شود.

LOCها و سلامت جهانی

تکنولوژی آزمایشگاه روی تراشه ممکن است به سرعت بخش مهمی از تلاش‌های بهبود سلامت جهانی را در بربگیرد و مشخصا از طریق توسعهٔ ابزارهای point-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 کلینیک‌ها 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 شدهٔ هوایی قرار بگیرد چه قرار نگیرد، همچنان مؤثر 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 ۴۰ میلیون نفر به ویروس ایدز مبتلا هستند، که فقط ۱٫۳ میلیون نفرشان مراقبت‌های anti-retroviral دریافت می‌کنند. حدود ۹۰٪ مبتلایان به ویروس ایدز تاکنون هرگز برای این بیماری آزمایش نشده‌اند. اندازه‌گیری تعداد CD4+ T lymphocytes در خون افراد راهی صحیح و مطمئن برای تشخیص فرد بیمار و دنبال کردن فرایند 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 گران‌قیمت در دسترس نیست. اما اخیراً پروفسور آیدوگان اوزکان cytometry ای با قیمتی معادل فقط ۵دلار را ایجاد کرده است.