کاربردهای میکروفلوئید دیجیتال

بیشتر کاربردهای میکروفلوئید دیجیتال متوجه حوزه پزشکی و بیوتکنولوژی است ولی می­توان تکنیک میکروفلوئید دیجیتال را در موارد دیگر نیز به کار گرفت.

سنجش گلوکز

در محیط آزمایشگاه، اندازه­ گیری گلوکز در سیالات فیزیولوژی بدن در تشخیص اختلالات متابولیکی اهمیت زیادی دارد. اولین گام گروه فیر در دانشگاه داک آمریکا بر روی سنجش گلوکز در سیالات فیزیولوژی بدن (بزاق دهان، پلاسمای خون و ادرار) انجام داد. در این تراشه گام­ها به صورت زیر انجام می­شود.

-ماده نمونه و معرف رقیق­ شده به مخازن تراشه وارد می­شود.

-قطره­ های محلول ماده مورد سنجش و معرف در تراشه توزیع می­شوند.

-قطره­ ها منتقل می­شوند.

-قطره محلول ماده مورد سنجش و ماده معرف با هم مخلوط می­شوند.

-محصول واکنش باید به منطقه شناسایی برود.

‏شکل زیر شماتیکی از این سیستم نشان می­دهد. بعد از این که آخرین گام یعنی محصول واکنش معرف و ماده مورد سنجش بدست آمد، با استفاده از LED با طول‌موج  nm545 و یک فتودیود میزان جذب نور مشخص می­شود. سپس به ازای هر میزان جذب نور، غلظت متناسب با آن تعیین می­شود . میزان جذب را برحسب غلظت گلوکز به ازای سه مقدار متفاوت نشان می­دهد.

کاربرد میکروفلوییدیک دیجیتال برای سنجش گلوکز

شماتیک سیستم سنجش غلظت گلوکز 

  • میکروفلوئیدیک سنجش گلوگز نمودار میزان جذب

میزان جذب به ازای غلظت­های مختلف برای سه سری گلوکز با غلظت­های متفاوت 

تشخیص DNA

یکی از روش­های تعیین توالی DNA، تعیین توالی به کمک سنتز می­باشد. همان­طور که در ‏شکل زیر مشخص است، این فرآیند با اضافه کردن نوکلئوتید شناخته‌شده به DNA یا RNA شروع می­شود. سپس DNA پلیمرایز می­شود و ماده پیروفسفات معدنی (PPi)[2] تولید می­کند. آنزیم ATP-Sulfurylase، پیروفسفات معدنی را به ATP تبدیل می­کند که انرژی لازم برای آنزیم لوسیفراز به منظور اکسیداسیون آن فراهم می­کند. یکی از محصولات این واکنش نوری تقریباً حدود nm560 تولید می­شود و یک فتودیود به‌راحتی می­تواند آن را شناسایی کند و به علت دانستن نوکلئوتید اضافه شده با تعیین مکمل آن می­توان توالی DNA را تشخیص داد. برای هر نوکلئوتید اضافه شده حدود ۳ تا ۴ ثانیه زمان لازم است. ‏شکل بعدی نیز یک نمونه از این سیستم می­باشد.

میکروفلویید دیجیتال

میکروفلویید دیجیتال

تراشه به منظور تعیین توالی DNA با مخازن معرف و نوکلئوتیدهای A،T، C، G. DNA در منطقه S جذب می­شود

مراحل تشخیص در این تراشه به صورت زیر می­توان بیان کرد:

  • مخزن­ها حاوی نوکلئوتید­های شناخته‌شده هستند.
  • قطره DNA و نوکلئوتید اضافه شده مدتی در منطقه S برای پلمیر شدن می­ماند.
  • قطره منطقه S را ترک می­کند و با لوسیفراز واکنش می­دهد.
  • قطره که حاوی لوسیفراز است به منطقه شناسایی که در شکل نشان داده نشده می­رود.
  • در صورتی که طول موج حاصل nm 560 باشد با توجه به نوع نوکلئوتید اضافه شده نوع DNA تشخیص داده می­شود. در غیر این صورت عملیات با نوکلئوتیدهای دیگر تکرار می­شود. البته همزمان با کار شناسایی، آماده نمودن نمونه بعدی انجام می­شود.

زمانی که آرایه شناسایی برای تشخیص قطره مشغول فعالیت است، قطره حاوی نوکلئوتید بعدی وارد منطقه S شده و سنتز DNA همراه با شناسایی آن انجام می­شود و به همین دلیل به طور فیزیکی سنتز و تشخیص کاملا از هم مجزا است. بنابراین ویژگی این سیستم برخلاف روش­های متداول عدم نیاز به انجام شناسایی قبل از ترکیب نوکلئوتید دیگر است.

ویدیو نحوه عملکرد تراشه

 

کشت اتوماتیک سلول­ها

  ویلر و همکارانش اولین نمونه آزمایشگاه روی تراشه را برای کشت کامل سلول پستانداران ساخته‌اند. از این نمونه می‌توان برای ایجاد یک ابزار اتوماتیک به‌منظور رشد پیوسته نسل‌های متوالی از سلول‌ها جهت استفاده در زیست‌شناسی سلولی و مهندسی بافت بهره برد .   میکروفلویید دیجیتال در رشد سلول های بنیادی   نمایی از سیستم اتوماتیک کشت سلول 

  با وجود این که استفاده از میکروفلوئید در کاربردهای مربوط به سلول‌های پستانداران بسیار معمول بوده است، تاکنون محققان این حوزه تنها توانسته‌اند یک نسل از این سلول‌ها را با استفاده از میکروفلوئید رشد دهند (پس از انجام عمل کشت و رشد سلول‌ها در یک ابزار میکروفلوئیدی، هم خود ابزار و هم سلول‌های کشت شده باید دور ریخته شوند). آئرون ویلر از دانشگاه تورنتو از میکروفلوئید دیجیتالی برای توسعه ابزاری بهره برده است که در آن می‌توان سلول‌ها را به‌طور متناوب کشت نموده، رشد داده و سپس آن‌ها را به بخش رشد جدیدی روی همان ابزار برای آنالیز منتقل نمود.   میکروفلوئید دیجیتال روشی است که در آن از الکترودهای قرار گرفته روی سطح برای اعمال نیروهای الکترومکانیکی روی یک قطره استفاده می‌شود. بدین ترتیب می‌توان برای تأثیرگذاری روی واکنش‌های شیمیایی، قطرات را روی یک سطح جابه‌جا کرده، آن‌ها را توزیع، تقسیم و یا ادغام نمود. ایده خلاقانه ویلر استفاده از این روش در کشت سلولی بوده است.   در ابزار ویلر، به‌جای فلاسک‌های معمول که در کشت عادی سلول‌ها استفاده می‌شود، از نواحی متشکل از الکترودهای الگودهی شده بهره برده می‌شود. سلول‌ها در این نواحی درون قطرات کشت داده شده و رشد می‌یابند. محیط‌های رشد جدید با اضافه کردن قطرات جدید که محیط‌های رشد قبلی را به طور همزمان می‌زدایند، در اختیار سلول‌ها قرار می‌گیرند. پس از انجام فرایند رشد، سلول‌های انتخاب‌شده با استفاده از تریپسین (نوعی آنزیم) به پدهای چسبندگی جدید منتقل شده و بدین ترتیب نسل‌های مختلفی از سلول‌ها ایجاد می‌شوند.   ویلر می‌گوید: «کشت کامل سلول یک روش بسیار معمول است که توسط بسیاری از محققان صورت می‌گیرد، اما زمان­‌بر و خسته‌کننده بوده و به تلاش و توجه دائمی نیاز دارد. ما می‌خواستیم یک سامانه اتوماتیک توسعه دهیم که بدون نیاز به دخالت انسانی، هفته‌ها کار کند».   یکی از کاربردهای بسیار مهم این روش، کشت سلول‌های ارزشمندی همچون سلول‌های بنیادی است که تعداد بسیار کمی از آن‌ها در دسترس است. داده‌های اولیه نشان می‌دهند که می‌توان از این روش برای کشت انواع مختلفی از سلول‌ها استفاده کرد.

ویدیو مرتبط

تشخیص ذرات سولفات موجود در هوا

نمونه‌برداری از ذرات سولفات موجود در اتمسفر با کمک میکروفلوئید دیجیتال انجام‌شده است. ذرات سولفات موجود در اتمسفر منجر به اثرات نامطلوب در سلامت، کاهش دید و تغییرات آب‌وهوای جهانی می­شود. برای شناسایی سولفات از روی رنگ از ترکیب ذرات با متانول استفاده می­شود اما این ماده با روغن سیلیکون سازگار نیست. این سیستم به دو قسمت تقسیم می­شود. قسمت اول مربوط به جمع‌آوری نمونه هوا با استفاده از نواحی فیلتر مانند انجام می­شود. همان­طور که در ‏شکل  مشخص است ذرات هوا در سطح فیلتر جمع شده و قطره این ذرات را اسکن می­کند سپس قطره وارد قسمت پردازشی سیستم می­شود و با متانول ترکیب می­شود و بر اساس میزان جذب میزان غلظت سولفات مشخص می­گردد. با استفاده از متانول %۴۰ تشخیص  ۵/۰ امکان‌پذیر می­شود.

میکروفلویید دیجیتال در تشخیص آلودگی هوا

میکروفلوئید دیجیتال برای شناسایی ذرات سولفات موجود در هوا 

اسکن کردن سطح تراشه میکروفلوئیدیک دیجیتال برای جذب آلودگی به منظور تشخیص میزان آلودگی

اسکن نمودن ذرات موجود در هوا 

سیستم خنک­ کننده مدارت مجتمع

روش­های متداول خنک­ کنندگی مانند استفاده از فن، کانال­های میکروفلوئیدی و ماکروفلوئیدی فاقد انعطاف­پذیری برای ایجاد یک سیستم خنک­کننده دینامیکی هستند. به عبارتی امکان دستیابی به پروفایل خنک­کنندگی غیریکنواخت را ندارند. اما با استفاده از میکروفلوئید دیجیتال می­توان نرخ خنک‌کنندگی در نقاط مختلف را کنترل کرد و یک پروفایل خنک­کنندگی قابل‌تغییر بدست آورد. هنگامی که ولتاژ قطع است قطره اتصال حرارتی را برقرار می­کند و نرخ انتقال گرما افزایش و با اعمال ولتاژ این اتصال قطع می­گردد. در این کار از قطرات فلز جیوه استفاده شده است.

انتقال گرما از طریق تراشه میکروفلویید دیجیتال

سیستم خنک‌کننده پویا برای مدارات مجتمع a) نمای جانبی b) نمای بالا

حمل‌ونقل در ابعاد کوچک

مون و همکارانش از میکروفلوئید دیجیتال به‌عنوان سیستم حمل‌ونقل استفاده کردند. آن‌ها تکه ویفر نازک سیلیکون را همان‌طور که در ‏شکل زیر نشان داده شده روی چهار قطره آب روی مسیر مشخصی از الکترودها حرکت دادند.

حمل و نقل به کمک تراشه میکروفلوئید دیجیتال

کاغذهای الکترونیکی

کاغذ الکترونیکی، فناوری نمایشگری است که می‌تواند تا حد امکان همانند جوهر روی کاغذ عمل کند. برخلاف نمایشگرهای متداول که از یک نور پس‌زمینه برای روشن کردن پیکسل‌ها استفاده می‌کنند، کاغذ الکترونیکی همانند کاغذ معمولی نور را برمی‌گرداند. همچنین هنگام نمایش تصویر، دیگر نیازی به نیروی الکتریسیته برای نگه‌داشتن نمایش ندارد و تا زمانی که تصویر عوض نشود، می‌تواند تصویر قبلی را نشان دهد.

یکی از فناوری‌های کاغذ الکترونیکی، فناوری نمایشگر بر اساس الکترووتینگ است. اگر هیچ ولتاژی وارد نشود، روغن شکلی مسطح به خود گرفته و بین آب و سطح آب­گریز قرار می‌گیرد و پیکسلی رنگی ایجاد می‌کند. وقتی ولتاژ بین الکترود و آب وارد شود، کشش سطحی بین آب و سطح هادی برقرار می‌شود. درنتیجه وضعیت پایداری وجود نخواهد داشت و آب، روغن را به‌کنار می‌زند و عنصر شفافی به‌جای روغن تیره در آن پیکسل حضور خواهد داشت.

نمایشگرهای مبتنی بر الکترووتینگ چندین قابلیت جذاب دارند. تغییر بین حالت سفید و رنگی آن‌قدر کافی است که می‌توان با آن به تماشای فیلم نشست. مصرف برق و ولتاژ پایینی دارد و نمایشگرها می‌توانند صاف و باریک ساخته شوند. بازتابش و شفافیت آن‌ها اگر بیشتر از دیگر فناوری‌های کاغذ الکترونیکی نباشد، دست‌کم مساوی آن‌ها است. با استفاده از رنگ‌های قرمز، سبز و آبی برای ترکیب سه رنگ پایه، این نوع کاغذ طوری طراحی شده است که یک ساب‌پیکسل می‌تواند دو رنگ متفاوت را متصاعد کند. بدین ترتیب، می‌توان یک پیکسل رنگی را در این فناوری با دو فیلم قابل کنترل رنگی و یک فیلتر رنگ ساخت. رنگ‌ها در این نوع کاغذ، فیروزه‌ای، بنفش و زرد هستند و ترکیب‌بندی آن‌ها همانند سیستمی است که در پرینترهای جوهرافشان بکار می‌رود.

نمایشگر الکتروفلویدیک‌ نوعی دیگر از سیستم الکترووتینگ است. نمایشگرهای الکتروفلویدیک از دانه‌های رنگی آبداری استفاده می‌کنند که درون یک مخزن کوچک قرار دارند. این مخزن حدود ۵ تا ۱۰ درصد ناحیه قابل دید پیکسل‌ها را شامل می‌شود و این دانه‌های رنگی به‌کل از دید پنهان هستند. از ولتاژ برای بیرون کشیدن دانه‌های رنگی از مخازن و پخش آن‌ها پشت لایه نمایشی استفاده می‌شود، در نتیجه نمایش رنگی مشابه با چاپ رنگی در کاغذ انجام خواهد شد. وقتی ولتاژ برداشته می‌شود، سطح مایع دانه‌های رنگی را به مخازن کوچک خود باز می‌گردانند. این فنّاوری ۸۵ درصد بازتابش بهتری نسبت به فناوری‌های قدیمی‌تر دارد.

میکروفلوئید دیجیتال

یک نمونه کاغذ الکترونیکی 

آنتن بر پایه میکروفلوئید دیجیتال باقابلیت تنظیم

آنتن­های معمول به خاطر طراحی اولیه، فرکانس کاری ثابت دارند و قابل‌تغییر نیستند. اما یک آنتن باقابلیت تنظیم مجدد قادر به تغییر دینامیکی این ویژگی می­باشد. روش­های متعددی برای ایجاد این ویژگی مانند تکنیک­های سوئیچینگ و ورکتور و خازن­های ورکتور می­باشد. دامگاسی و همکارانش آنتن­هایی با قابلیت تنظیم مجدد به کمک میکروفلوئید دیجیتال طراحی نمودند. در این ساختار آن‌ها از قطره فلز جیوه در تراشه الکترووتینگ استفاده کردند. با اعمال ولتاژ سطح تماس قطره جیوه بیشتر می­شود در نتیجه ظرفیت خازن و فرکانس رزونانس تغییر خواهد کرد.

از این ایده می­توان در شیفت دهنده­ های فاز قابل تنظیم و فیلترهای ماکرویو نیز استفاده نمود.

میکروفلوئید

آنتن با قابلیت تنظیم مجدد یکپارچه‌شده با میکروفلوئید دیجیتال 

این سری آموزشی ادامه دارد…


نویسنده  سری آموزشی میکروفلوئید: طباطبایی