دستگاه ریزسیال کاغذی

تشخیص اولین مرحله درمان هر بیماری است و دستگاه تحلیلی ریزسیال کاغذی (Microfluidic Paper-Based Analytical Devices) می‌توانند این مرحلهٔ حیاتی را تسهیل کنند.
اغلب اوقات این مرحلهٔ مهم به وسیلهٔ استفاده کردن از ابزارهای آزمایشگاهی سنتی که اطلاعات کمّی خوبی از نمونه‌های زیستی در اختیار قرار می‌دهند، تحقق می‌یابد. اما امروزه دستگاه‌های تشخیص بیماری ارزان قیمت در دسترس اند و از آنجا که فناوری‌های تشخیصی مدرن حتی برای کشورهای توسعه یافته اقتصادی که می‌توانند چنین ابزارهای گران‌قیمتی را خریداری کنند – بسیار هزینه بالایی داشته و نیاز به نیروی آموزش دیده دارند. بنابراین دستگاه‌های ریزسیال کاغذی توسعه پیدا کردند تا نه تنها ابزارهای سازگار با محیط زیست و به صرفه‌ای باشند – مخصوصاً در کشورهای در حال توسعه- بلکه بتوان آزمایش‌ها را در شرایط اضطراری و در مناطق دور افتاده نیز انجام داد. این سیستم‌های تشخیصی که اغلب (Paper microfluidic analytic devices(µPDAs نامیده می‌شوند؛ از یک کاغذ الگودار که بر روی آن حجم کمی از ماده می‌تواند طبق الگو به حرکت درآید، استفاده می‌کنند. علاوه بر تمام موارد بالا، کاغذ نه تنها یک مادهٔ در دسترس و ارزان است؛ بلکه یک بستر خیلی سبک را تشکیل می‌دهد که می‌تواند به راحتی جابه‌جا شود.

کاربردها

برای نخستین بار در سال ۲۰۰۷ دستگاه‌های میکروفلوئیدیک کاغذی غالباً برای شناسایی انواع مختلف مواد و ترکیبات توسط مارتینز و همکاران طراحی شدند، اما این ابزارها می‌توانند کارهای خاص دیگری را نیز انجام دهند. در واقع آن‌ها نه تنها برای آنالیزهای بیوشیمیایی کاربرد دارند بلکه برای تشخیص‌های پزشکی و پزشکی قانونی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. از انواع مختلفی از کاغذها می‌توان برای ساخت دستگاه‌های میکروفلوئیدیک کاغذی استفاده کرد که مواد مختلفی از سلولز تا شیشه یا پلیمر را دربر می‌گیرد و هر نوع کاغذ بر اساس کاربردش می‌تواند عملکردهای مختلفی داشته باشد. یکی از اولین ابزارهای تشخیصی بر مبنای کاغذ برای آنالیز ادرار ساخته شد. این ابزارها برای اندازه‌گیری غلظت گلوکز و پروتئین ادرار از آزمون‌های رنگ سنجی استفاده می‌کردند. به برکت وجود صفحات کاغذی که در مقایسه با صفحات پلاستیکی میکرولیتری سنتی با هزینهٔ کمتری تولید می‌شوند، می‌توان بررسی‌های مختلف برای آزمایش‌های گوناگون را هم‌زمان انجام داد. کاربرد مهم دیگر برای دستگاه‌های میکروفلوئیدیک کاغذی شناسایی پاتوژن‌ها (عوامل بیماری زا) و سموم است. نظر به اینکه این ابزارهای تشخیصی مقرون به صرفه و دوست دار محیط زیست هستند؛ این آزمایش‌ها می‌توانند به دسته‌های بیوشیمیایی، ایمونولوژیک و شناسایی مولکولی براساس ساز و کار واکنش شان تقسیم‌بندی شوند.

شناسایی و تمایز دستگاه‌ها

شناسایی مواد حاصل از واکنش‌های شیمیایی در ریزسیال کاغذی می‌تواند بر اساس رنگ‌سنجی، الکتروشیمی، نور منتشر شده از واکنش‌های شیمیایی (Chemiluminescence) و نور منتشر شده از واکنش‌های الکتریکی (electrochemiluminescence) باشد؛ اما اغلب دستگاه‌های میکروفلوئیدیک کاغذی با روش رنگ سنجی که معمولاً بر اساس تغییر رنگ ناشی از واکنش‌های شیمیایی یا آنزیمی است کار می‌کنند. روش رنگ سنجی به علت روش کار آسان و نمایش مستقیم تغییرات دریافتی رایج‌ترین شیوه آزمایش است که در µPADs استفاده می‌شود.
به علت انجام شدن واکنش‌هایی که با تغییر رنگ همراه است، بررسی نتایج می‌تواند به‌طور مستقیم با مشاهده کردن، ارزیابی شود (تست رنگ pH) و بدون داشتن اطلاعات زیاد دربارهٔ فرایندهای اساسی که اتفاق می‌افتد، در همین حد برای پاسخ بلی/خیر به عنوان جواب آزمایش کافی است. یکی از سیستم‌های رنگ سنجی که به کار می‌رود، استفاده از siloxane متصل شده به (aminopropyltriethoxysilane-3(APTMS به عنوان واکنش دهنده برای شناسایی طیف گسترده‌ای از موادی مثل H2O2 و گلوکز است. هنگامی که APTMS به گلوتارآلدهید(GA) متصل شود، ترکیب نهایی (APTMS-GA) رنگ قرمز آجری نشان می‌دهد و این تغییر رنگ هنگامی که این مجموعه با H2O2 و گلوکز واکنش دهد، قابل مشاهده است.
روش‌هایی که بر اساس نور منتشر شده از واکنش‌های شیمیایی و الکتریکی کار می‌کنند در محیط‌های تاریک و عاری از نورهای مزاحم انجام می‌شوند. این‌ها هم چنین رایج‌ترین روش‌های تشخیصی وابسته به مشاهده در محیط‌های میکروفلوئیدیک هستند؛ اما این روش‌ها به علت راحتی روش‌های رنگ سنجی هنوز به‌طور گسترده در دستگاه‌های آنالیزکننده بر پایهٔ میکروفلوئیدیک کاغذی مورد استفاده قرار نگرفته‌اند. روش‌های شناسایی بر اساس نور منتشر شده از واکنش‌های شیمیایی دارای حساسیت بالاتری است که شناسایی بیماری و اندازه‌گیری مواد حاصل از واکنشپ‌ها (آنالیت‌ها) را در اندازه‌های کوچک‌تر (نانو مولار) فراهم می‌کند.

دستگاه‌های دو بعدی

به علت مراحل ساخت و مواد مورد استفاده، فرایندهای ساخت دستگاه‌های ریزسیال کاغذی ساده و ارزان هستند؛ در واقع قیمت تخمین زده شده کم‌تر از ۱۰ دلار برای هر متر مربع است. آن‌ها از شبکه‌ای از کانال‌های کوچک (ریزمجراها) آب دوست/آب گریز تشکیل شده‌اند که مایعات می‌توانند به وسیلهٔ نیروی کشش سطحی در هر دو بعد طولی و عرضی حرکت کنند. روش‌های زیادی برای ساختن دستگاه‌های میکروفلوئیدیک کاغذی وجود دارد که بستگی به شیوه مورد نظر برای شناسایی بیماری‌ها دارد. این مطلب کوتاه بر روی روش‌های ساخت مختلف دستگاه‌های میکروفلوئیدیک کاغذی تمرکز می‌شود.
اولین مرحلهٔ این روش بر اساس تبدیل بعضی از مناطق آب دوست کاغذ به آب گریز به وسیلهٔ چاپ خطوط آب گریز موازی ای است که ریزمجراها (میکروکانال‌ها) را مشخص می‌کنند. این یک شیوهٔ پایه‌ای برای چاپ الگوها بر روی برگه‌های کاغذ سلولزی است ولی تنها شیوهٔ ممکن نیست. ارتفاع میکروکانال‌ها به وسیلهٔ ضخامت کاغذی که مورد استفاده قرار می‌گیرد، تعیین می‌شود. به علت وجود موانع آب گریز، نمونه‌های آب دوست به اطراف پخش نمی‌شوند و در داخل کانال‌های تعبیه شده حرکت می‌کنند. جریان مایعات در داخل میکروکانال‌ها بر اساس جریان موئینگی است. روش‌های زیادی برای الگوسازی فرایندهایی که طول و عرض کانال‌های میکروفلوئیدیک را مشخص می‌کنند وجود دارد و هر شیوه مزایا و معایب خودش را دارد. این روش‌ها شامل چاپ موم(wax printing)، چاپ جوهرافشان،photolithography , flexography , plasma tratment , laser treatment , wet etching , screen printing و wax screening هستند.

دستگاه‌های سه‌بعدی

دستگاه‌های میکروفلوئیدیک کاغذی سه بعدی با قرار دادن لایه‌های کاغذ روی هم به وسیلهٔ چسب‌های دو طرفهٔ نفوذپذیر به آب تولید می‌شوند. به‌طوری‌که جریان مایع را بین لایه‌های کاغذ برقرار می‌کنند. دستگاه‌های کاغذی سه بعدی، هر میکرولیتر از حجم مایعات را از یک منفذ ورودی دریافت کرده و به نقاط شناسایی مختلف پخش می‌کنند؛ بنابراین انجام فرایندهای آنالیز جدید بدون پمپ خارجی را برای ما میسر می‌سازند. مایعات می‌توانند به صورت عمودی (بالا و پایین) و به سرعت بین لایه‌های کاغذ حرکت کنند. (هر لایه تنها ۱۰۰ تا ۲۰۰ میکرون ضخامت دارد). و همین‌طور می‌توانند پخش شوند و با معرف‌های متفاوتی در لایه‌های مختلف ترکیب شده یا فیلتر شوند.
پلیمر آب گریزی که در داخل کاغذها الگوسازی کرده‌است، کانال‌هایی که مایعات به بیرون از آن عبور می‌کنند را محدود کرده و لایه‌های چسب دوطرفهٔ نفوذپذیر به آب کانال‌های لایه‌های مجاور کاغذ را از هم جدا می‌کند. هم چنین حفره‌هایی چسب را سوراخ کرده و حرکات عمودی آب را میسر می‌سازند. در نهایت لایه‌های استفاده شده در دستگاه‌های میکروفلوئیدیک کاغذی سه بعدی، می‌توانند به وسیلهٔ کاغذهای متفاوتی ساخته شوند و کاربردهای مختلفی که توسط انواع مختلف کاغذ ارائه می‌شود می‌توانند در یک دستگاه جمع شوند. همچنین هزینهٔ مواد اولیه تقریباً سه صدم تا سه هزارم دلار به ازای هر سانتی‌متر مکعب از هر لایه کاغذ می‌باشد.
با استفاده از قوانین اوریگامی نیز دستگاه‌های میکروفلوئیدیک کاغذی را می‌توان ساخت. روش اوریگامی نیازی به چسب که سبب آلودگی یا جذب غیر اختصاصی می‌شوند، ندارد. استفاده نکردن از چسب همچنین گردآوری دستگاه را تسریع کرده و نیاز به برش لیزری را از بین می‌برد. دستگاه چند لایه با تا کردن‌های متوالی یک لایه کاغذ تهیه می‌شود که بدون استفاده از ابزارآلات خاص در کمتر از ۱ دقیقه صورت می‌پذیرد. دستگاه می‌تواند به سادگی به حالت یک لایه بازگردد؛ بنابراین همهٔ لایه‌ها می‌توانند برای آنالیز موازی مورد استفاده قرار بگیرند.