מעבדה על שבב

מעבדה על שבב (Lab on chip או LOC) היא טכנולוגיה המאפשרת להעביר תהליך מעבדה או כמה תהליכי מעבדה לנפחים של ננו-ליטרים בודדים, על גבי שבב שגודלו נע ממילימטרים ועד למספר סנטימטרים רבועים. את השבב ניתן לייצר ממגוון רחב של חומרים, כגון פולימרים, זכוכית וצורן.
המעבדה על השבב נמצאת בשימוש בטכניקות אנליטיות ויישומים ביו-רפואיים רבים, ביניהם- זיהוי פתוגנים, מבחנים כימיים ואנליזות של חלבונים וחומצות גרעין.

"מעבדה על שבב" מאפשרת אנליזה של כמויות זעירות של נוזלים, המהווה יתרון במקרים שבהם ישנו קושי בהפקת נפחים גדולים של החומר הנבדק. המטרה בפיתוח מעבדה על השבב היא יצירת התקן שיהיה בעל מערכות חישה סלקטיביות ורגישות, קל לתפעול, זול, מהיר פעולה, נייד ובעל אמינות גבוהה. 
"מעבדה על שבב" משלבת בתוכה את תחום המיקרופלואידיקה ונכללת בקבוצת המשנה של התקני ה-MEMS (מערכות מיקרו אלקטרו מכניות) וכן NEMS (מערכות ננו אלקטרו מכניות). ניתן למצוא בספרות הקבלה בין המונח LOC לבין (Micro Total Analysis Systems) µTAS, כאשר µTAS הוא מונח רחב יותר, המתייחס לכלל תהליכי המעבדה (מחוץ לשבב ובתוכו) לצורך ביצוע אנליזה כימית.

היסטוריה

ה"מעבדה על שבב" הוא מכשיר ננוטכנולוגי, אשר התפתח מתחום המיקרוטכנולוגיה. תחום המיקרוטכנולוגיה הופיע לראשונה בשנות ה-60 עם שילובם של רכיבים מיקרו-אלקטרוניים, מוליכים למחצה (טרנזיסטור), על גבי שבב (הראשון היה הטרנזיסטור MOS). שבבים אלו יוצרו בטכנולוגיית הפוטוליתוגרפיה, המאפשרת הדפסת שכבות של מוליכים, מוליכים למחצה ומבודדים בסדרה של תהליכים כימיים עוקבים. 
שילובם של הטרנזיסטורים היווה בהמשך את הבסיס לטכנולוגיית ה- (Complementary Metal Oxide Semiconductor) CMOS, המשמשת ליצירת מעגלים משולבים. טכנולוגיה זו שולבה עם טכנולוגיית ה-  (Micro Electro Mechanical System) MEMS, ליצירת מכונות מזעריות בגדלים של מיקרומטרים ספורים. טכנולוגיית ה-MEMS מיושמת כיום במגוון תחומים (פיזיקה, אופטיקה, אלקטרוניקה וביולוגיה) ובשילובן של טכניקות ייצור חדשניות. לדוגמה, טכניקת ה- Injection molding (עיצוב בהזרקה) לצורך בניית התקן MEMS מפולימרים.
בשנות ה-80 החל להתפתח תחום העוסק בנפחים זעירים של נוזלים זעירים, הנקרא מיקרופלואידיקה (Microfluidics). תחום זה יכול להיות מיושם בשבבים, כגון ביו-סנסורים המיועדים לזיהוי חומר ביולוגי מסוים (נוגדן, אנזים, רקמה ומיקרואורגניזם).
"מעבדה על שבב" הופיעה לראשונה בשנת 1979, עם המצאתו של S.C. Terry מאוניברסיטת סטנפורד, שהציג יישום של כרומטוגרפיית גז על גבי משטח קטן בגודל של מספר סנטימטרים רבועים בלבד. עם זאת, רק בתחילת שנות ה-90 נצפתה התקדמות ראשונה בתחום, עם המצאת המיקרו-משאבות, המיקרו-סנסורים ושילובן של שיטות מיקרופלואידיות לצורך אנליזות מחקר.
ניתן היה לראות כי עם הזמן, תהליכים ואנליזות על גבי שבב נזדקקו לפחות ופחות הכנות מקדימות (שבוצעו בדרך כלל בקנה מידה מעבדתי) והמושג "מעבדה על שבב" קיבל את משמעותו המלאה. אחת הפריצות הגדולות הגיעה מתחום הגנומיקה, והיא מערכי DNA שהוצגו לראשונה בשנת 1995. שבבים אלו משמשים לאיתור חומצות גרעין (לרוב mRNA) לצורך סריקת גנים.
"מעבדה על שבב" עדיין מוגדר כתחום חדש ומתפתח. יישומן של "מעבדות על שבב" הופך למקובל ושכיח בנושאים כגון אבחון רפואי, אנליזות כימיות-פרמצבטיות ושימוש אקולוגי (לצורך ניטור סביבתי). ניתן לצפות כי עם התקדמות הננוטכנולוגיה, אנליזות בקנה מידה קטן יותר downscaling יאפשרו מחקר ושילובם טכניקות שונות על גבי פלטפורמה אחת.

טכנולוגית ייצור וחומרים

קיימים טכנולוגיות וחומרי יצור רבים ל"מעבדה על שבב". שלוש מערכות בולטות בתחום הן הסיליקון, הפולימרים והזכוכית.
מערכת הסיליקון המתבססת על טכנולוגיית הייצור של המוליכים למחצה והמעגלים המשולבים. המערכת מאופיינת במוליכות החשמלית שלה והמגוון הרחב של הטכניקות שפותחו עבורה.
מערכת נוספת היא הפולימרים כאשר הפולימר הנפוץ בשימוש בתחום זה הוא ה- PDMS, אלסטומר שקוף וביוקומפטבילי. ניתן להשתמש בפולימר להכנת מכשיר "מעבדה על שבב" משולב, כאשר בחלק התחתון הפולימר ובחלק העליון שכבה של סיליקון או חומר אחר שעבר תהליך ליתוגרפיה רכה (ליתוגרפיה על גבי חומר אלסטומרי, בדרך כלל מסוג פולימר). מערכות הפולימרים מאפשרות איכות אופטית גבוהה ובנוסף מוזילות משמעותית את תהליך הייצור. אחד החלוצים החשובים בתחום הוא הפרופסור לכימיה מאוניברסיטת הרווארד ג'ורג' ווייטסיידס (George M. Whiteside).
דוגמה נוספת היא מערכת הזכוכית, המקנה תכונות תרמיות ואופטיות טובות ובנוסף מאפשרת מגוון שימושים בזכות הידע הנרחב שקיים לגבי האינטראקציות הביוכימיות הידועות עמה. עם זאת, בשל הקושי לעצב את הזכוכית כפי רצוננו למערכת זו מגבלה טכנית מסוימת.

בחלל

"מעבדה על שבב" נמצאת בשימוש ובפיתוח גם בסוכנות החלל האמריקאית (NASA) לצורכי מחקר שונים. בעזרת טכנולוגיה זו חוקרים מייצרים שבבים המסוגלים לסרוק דנ"א ומולקולות אורגניות שונות במטרה למצוא עדויות על חיים בחלל. שבבים אלו נלקחים לתחנות החלל והבדיקות עצמן מתבצעות שם ללא צורך בהבאת הדגימות בחזרה לכדור הארץ.

איכות הסביבה

"מעבדה על שבב" כוללת מערכות לניטור סביבתי כמו מערכות המשמשות למדידת זיהומים כגון זיהוי של מתכות כבדות המסכנות את בריאות הציבור. לתחומים אלו של איתור זיהומים סביבתיים חשיבות מכרעת לניידות הציוד ומידיות קבלת התוצאות, שכן זמן העברת הדגימות אל המעבדה פוגע באיכותן ומאריך משמעותית את זמן התגובה למפגע, שלעיתים משמעותו פגיעה בחיי אדם.