71. کارگاه جامع سیستم های میکروفلوئیدیک

Description

کارگاه جامع سیستم های میکروفلوئیدیک

۱- میکروفلوئیدیک:

به علم مطالعه‌ی رفتار سیال در داخل کانال‌هایی با ابعاد میکرومتر، میکروفلوئیدیک گفته می‌شود. به عبارت دیگر، میکروفلوئیدیک علم و فناوری سیستم‌هایی است که سیالات، در حجم‌های بسیار کوچک (۹-10 تا 18-10 لیتر) را پردازش و یا دستکاری می‌کند و از کانال‌هایی با ابعاد 10 تا 100 میکرومتر برای این کار استفاده می‌کند. علی‌رغم این‌که میکروفلوئیدیک، علمی نوین است اما توسعه چشم‌گیری داشته ‌است. از جمله مهم‌ترین مزایای میکروفلوئیدیک می‌توان به ارزان بودن، صرفه‌جویی در حجم نمونه، قابلیت حمل، سرعت بالا، سهولت در ساخت، حساسیت بالا، استفاده‌ی آسان توسط کاربران (اعم از  افراد ماهر و غیرماهر)، قابلیت خودکارسازی، کاهش مداخلات انسانی و خطاهای ناشی ‌از آن اشاره کرد. در تراشه‌های میکروفلوئیدیکی عملیاتی از قبیل نمونه برداری، انتقال سیالات، جداسازی، اختلاط، تشکیل و تقسیم قطرات، اندازه‌گیری و تشخیص صورت می‌گیرد. با توجه به تکامل بیوتکنولوژی، راه‌حل‌های مختلفی برای میکروفلوئیدیک به طور پی‌درپی توسعه‌یافته‌اند. راه‌حل‌های بیان‌شده به ترتیب شامل میکروفلوئیدیک بسته، میکروفلوئیدیک دوفازی (قطره) و میکروفلوئیدیک باز هستند.

۱-۱- میکروفلوئیدیک بسته:

نخستین راه‌حل براساس میکروجریان‌های بسته است که از شبکه‌های سیالاتی سرچشمه می‌گیرد. معمولاً این مدل از راه‌حل‌های میکروفلوئیدیکی، آزمایشگاه بر روی تراشه یا (LOC) Lab-on-a-chip نیز نامیده می‌شوند. به دلیل مقیاس بسیار کوچکی که دارند دارای حساسیت زیادی هستند و حجم‌های بسیار کمی از نمونه‌ها را مورد استفاده قرار می‌دهند. همچنین این نوع میکروسیستم‌ها از سرعت عملیات بالایی برخوردار هستند. نوع جریان، یکی از تفاوت‌های اصلی ویژگی‌های سیال، در میکروکانال‌های بسته نسبت به کانال‌هایی با مقیاس بزرگتر است. جریان در میکروکانال‌ها به صورت آرام یا لایه‌ای (لمینار) است درحالی که در کانال‌های سیالاتی بزرگ جریان آشفته (توربولانت) مشاهده می‌شود. جاری شدن جریان در تراشه‌های میکروفلوئیدیکی بسته، به‌وسیله‌ی پمپ‌ها و یا سرنگ‌هایی خارج از خود تراشه صورت می‌گیرد؛ از این‌رو به دلیل استفاده از ابزارهای خارجی برای هدایت جریان، عمده‌ی کاربرد آن‌ها در محیط‌های آزمایشگاهی است.

۲-۱- میکروفلوئیدیک قطره:

به منظور کاهش بیشتر حجم نمونه‌ها و معرف‌ها، مشخص شد که از قطرات می‌توان برای پیش‌برد بهتر اهداف میکروفلوئیدیکی استفاده نمود. در این نوع سیستم حجم مورد استفاده می‌تواند بسیار اندک باشد. دو رویکرد متفاوت برای استفاده از میکروفلوئیدیک قطره براساس اهداف کاربردی، اتخاذ می‌گردد. رویکرد اول یک حالت جریان پیوسته برپایه‌ی امولسیون (Emulsion) است. در این رویکرد از دو سیال غیرقابل‌حل در یکدیگر استفاده می‌شود. نمونه‌ها و معرف‌ها که معمولاً به صورت سیالات آبی هستند توسط یک سیال غیر‌قابل‌حل در آب (معمولاً یک سیال ارگانیک مانند روغن معدنی) در یک شبکه بزرگ جابه‌جا می‌شوند. رویکرد دوم، میکروفلوئیدیک دیجیتال است که به آن میکروفلوئیدیک گسسته نیز می‌گویند؛ به این‌طریق که قطرات به‌صورت یکی‌یکی و یا بر روی یک بستر الگودار به‌طور موازی، توسط مکانیسم‌های الکتریکی و یا آکوستیکی حرکت می‌کنند. الکترودهای الکتریکی با ایجاد جریان الکتریکی باعث تغییر در نیروی کشش سطحی می‌شوند و این تغییر در نهایت منجر به تولید قطره از مخزن می‌شود. از جمله مزایای میکروفلوئیدیک قطره نسبت به میکروفلوئیدیک بسته، کاهش جذب نمونه در دیواره‌های کانال و به دنبال آن افزایش انتقال جرم داخل قطرات است.

۳-۱- میکروفلوئیدیک باز:

اخیراً نیاز به سیستم‌های قابل حمل، منجر به توسعه‌ی ابزارهای میکروفلوئیدیکی باز شده‌ است. میکروفلوئدیک باز پتانسیل زیادی برای کنترل جریان داخل کانال‌ها دارد. در کانال‌های میکروفلوئیدیکی باز تعدادی از دیواره‌ها به‌عنوان مرز در اطراف سیال حذف می‌گردند. سیال در این سیستم‌ها به صورت غیرفعال جریان می‌یابند، بنابراین به ادوات خارجی نظیر پمپ‌ها و سرنگ‌ها نیازی ندارند. و از این حیث، سیستم‌های میکروفلوئیدیک باز، کاربرد‌هایی چون نظارت بر سلامتی اشخاص و تشخیص بیماری به طور مستقیم توسط خود بیماران – آزمون‌های مراقبتی در بالین بیمار (POC) و مراقبت‌های خانگی را فراهم می‌آورند. باز بودن سیستم‌های میکروفلوئیدیکی قابلیت دستکاری آسان را میسر می‌سازد و کاربران می‌توانند با استفاده از میکروپیپت‌ها و یا سیستم‌های انتقال خودکار، معرف‌ها و نمونه‌ها را در هر نقطه از کانال‌ها به درون آن‌ها اضافه و یا از آن‌ها استخراج نمایند. به دلیل سرعت بالا و سهولت در ساخت، استفاده‌ی آسان، قابلیت حمل، ناچیز بودن تنش برشی و عدم تشکیل حباب در این‌ دسته از سیستم‌های میکروفلوئیدیکی، باعث شده است تا برای کاربردهای زیست‌پزشکی و بیولوژیکی به شدت مورد توجه قرار گیرند.

۲- ساخت تراشه‌های میکروفلوئیدیکی:

ساخت جزئیات هندسی بسیار کوچک در این تراشه‌ها تنها محدودیت این علم است. امروزه تراشه‌های میکروفلوئیدیک به روش‌های گوناگونی مانند میکرومیلینگ، لیتوگرافی نرم و پرینت سه بعدی تولید می‌شوند. از میان روش‌های مطرح شده بالاترین دقت به همراه بهترین سطح تولید شده توسط روش لیتوگرافی نرم امکان‌پذیر است. روش لیتوگرافی نرم شامل دو مرحله‌ی قالب‌سازی و قالب‌گیری با پلیمر می‌شود. قالب‌سازی لیتوگرافی خود به دو روش لیتوگرافی تماسی (کانتکت لیتوگرافی) و لیتوگرافی کاهنده‌ی ماسک (ماسک ریداکشن) امکان‌پذیر است. در روش لیتوگرافی، هندسه‌ی سه بعدی کانال از روی طرح دو بعدی ماسک بر روی بستری مانند سیلیکون ایجاد می‌شود. شرکت فنون ریزتراشه میزان با بهره‌گیری از تجهیزات بروز و پیشرفته در کشور در کنار کادر مجرب توانایی ساخت تراشه‌های میکروفلوئیدیکی به روش سافت لیتوگرافی را دارد.

۱-۲- ساخت قالب میکروفلوئیدیکی:

۱-۱-۲- طراحی هندسه:

طراحی هندسه کانال‌های میکروفلوئیدیکی توسط نرم افزار‌های طراحی سه بعدی و یا نقشه‌کشی امکام پذیر است. از نمونه نرم‌افزار‌های طراحی سه بعدی می‌توان به سالید ورک و یا کتیا اشاره کرد. هم‌چنین نرم‌افزار اتوکد برای طراحی و تهیه فرمت مناسب خروجی نقشه‌کشی از طرح‌های پیچیده هندسی، پیشنهاد می‌شود. در صورتی که هندسه‌ی مورد نظر آسان باشد، همچنین می‌توان طرح دو بعدی میکروکانال را با نرم‌افزار کورل طراحی کرد. کادر مجرب شرکت فنون ریزتراشه میزان با تعرفه‌ی — ریال برای هر ساعت، طرح مورد نیاز شما برای قالب‌سازی میکروفلوئیدیک را طراحی می‌کنند.

۲-۱-۲- ساخت ماسک لیتوگرافی:

پس از طراحی هندسه تراشه میکروفلوئیدیک، ابتدا باید طرح دو بعدی تراشه (از نمای بالا) به فرمت .dxf از نرم‌افزار طراحی سه بعدی خروجی گرفته شود. فرمت ذکر شده فایل نقشه‌کشی است که تصویری با وضوح و دقت بالا ارائه می‌کند. در مرحله بعدی با استفاده از نرم‌افزار کورل، فایل نقشه به صورت عکسی با فرمت کورل، تبدیل می‌شود. دستگاه‌های چاپ ماسک لیتوگرافی قادر به پرینت جزئیات طراحی تا ابعاد ۳۰ میکرومتر هستند. از دیگر محدودیت‌های موجود برای چاپ ماسک طلقی لیتوگرافی می‌توان به عدم تکرارپذیری در چاپ و ‌هم‌چنین خطای تا ۲۵ میکرومتر اشاره کرد. به منظور گذر از این محدودیت، در صورتی که خطای پرینت ماسک اثر مستقیم بر هندسه و در نتیجه کارایی تراشه داشته باشد، باید در هر طلق با اندازه‌‌ی A4 که برای مثال مناسب تهیه ماسک شش قالب ۳ اینچی است، هندسه طراحی شده را با ابعاد بزرگ‌تر و کوچک‌تر طراحی و در چند برگ در جایگاه‌های متفاوت پرینت کرد. شرکت فنون ریزتراشه میزان با تعرفه‌ی — ریال برای هر ساعت، ماسک مورد نیاز شما برای لیتوگرافی را آماده می‌کنند.

۳-۱-۲- لیتوگرافی:

برای ساخت قالب میکروفلوئیدیکی به روش لیتوگرافی ابتدا بستر، برای مثال سیلیکون، به صورت کامل شسته و با استفاده از فشار هوای خشک و فیلتر شده از گرد و غبار به صورت کامل پاک‌سازی می‌شود. به این مرحله آماده‌سازی زمینه گفته می‌شود. در مرحله‌ی بعد ماده فتورزیست بر روی سیلیکون ریخته شده و به وسیله‌ی اسپین کوتر بر روی سیلیکون به صورت یکنواخت پخش می‌شود. در این مرحله با تنظیم زمان و سرعت دورانی دستگاه اسپین کوتر می‌توان ارتفاع فتورزیست را تنظیم کرد. لازم به ذکر است میزان زمان مورد نیاز و همچنین سرعت دورانی مناسب جهت رسیدن به ارتفاع مناسب از فتورزیست، در کاتالوگ فتورزیست آورده شده است. به این مرحله پوشش‌دهی گفته می‌شود. سپس متناسب با ارتفاع و نوع فتورزیست استفاده شده برای لیتوگرافی، به مدت لازم سیلیکون آغشته به فتورزیست بر روی هات‌پلیت قرار داده می‌شود. به این مرحله پخت نرم گفته می‌شود. در مرحله بعد با استفاده از پرتوی ماوراءبنفش طرح ماسک بر روی فتورزیست ایجاد می‌شود. برای مثال در فتورزیست مثبت در صورتی که پرتو فرابنفش جذب شود فتورزیست سخت می شود و طرح سه بعدی تراشه ایجاد می‌گردد. پس از این مرحله طرح بسیار کوچکی از شکل دو بعدی روی ماسک بر روی فتورزیست تشکیل می‌شود. سپس دوباره پخت انجام می‌شود. به مرحله‌ی پخت فتورزیست بر روی هات‌پلیت بعد از تابش نور فرابنفش، پخت پس از تابش گفته می‌شود. سپس در مرحله‌ی توسعه، آن بخش‌هایی از فتورزیست که تحت تابش قرار نگرفته بودند از روی سیلیکون به صورت کامل پاک می‌شوند. پس از اتمام مرحله‌ی توسعه، یک‌با دیگر شستشو صورت می‌گیرد و قالب تولید شده با استفاده از هوای خشک و فیلتر شده به صورت کامل خشک می‌شود. در مرحله‌ی آخر نیز پخت سخت در آون حرارتی انجام می‌شود. مراحل کلی ساخت قالب میکروفلوئیدیکی به صورت مختصر در جدول زیر آورده شده است. شرکت فنون ریزتراشه میزان با استفاده از پیشرفته‌ترین تجهیزات موجود در کشور جهت انجام لیتوگرافی تماسی و لیتوگرافی کاهنده‌ی ماسک، با تعرفه‌ی — ریال برای هر ساعت، قالب مناسب برای ساخت تراشه‌های میکروفلوئیدیکی شما ا تهیه می‌کند.

۲-۲- ساخت تراشه‌ی میکروفلوئیدیکی:

۱-۲-۲- قالب‌گیری با PDMS:

پس از ساخت قالب نوبت به قالب‌گیری با PDMS می‌رسد. ابتدا باید قالب سیلیکونی کاملاً تمیز و عاری از هرگونه گرد غبار شود. به منظور آسیب نرسیدن به ماده فتورزیست لایه‌نشانی شده بر روی سیلیکون از الکل اتانول ۷۰ درصد بدین منظور استفاده می‌شود. سپس پلیمر PDMS با نسبت صحیح متناسب با آنچه در کاتالوگ محصول بیان شده است با کراس لینکر ترکیب می‌شود و ‌PDMS تهیه می‌گردد. سپس در مخزن خلاء حباب‌های آن گرفته می‌شود. در مرحله‌ی بعدی قالب سیلیکونی کاملا فیکس شده و ترکیب ‌PDMS بدون حباب بر روی آن ریخته می‌شود و در آون قرار می‌گیرد. دما و زمان مورد نیاز برای بیک (Bake) و سخت شدن ‌PDMS باید متناسب با آنچه در کاتالوگ محصول آورده شده است انجام گیرد. پس از سخت شدن PDMS، یک طرف تراشه‌ی میکروفلوئیدیکی که دارای طرح میکروکانال است تهیه می شود که باید به آرامی از روی قالب جدا شود. مواد لازم برای قالب‌گیری تراشه میکروفلوئیدیکی را می‌توانید از شرکت فنون ریزتراشه میزان تهیه کنید. هم‌چنین تمامی مراحل ذکر شده با تعرفه — ریال برای هر ساعت، توسط شرکت انجام‌پذیر است.

مخزن خلاء. نحوه‌ی از بین بردن حباب‌های موجود در ‌PDMS

۲-۲-۲- پلاسما باندینگ:

پس از تهیه لایه‌ای از تراشه‌ی میکروفلوئیدیکی که دارای طرح میکروکانال است، باید سوراخ‌های مورد نیاز جهت ایجاد ورودی و خروجی (محل اتصال شلنگ‌های میکروفلوئیدیکی) ایجاد شوند. سپس این لایه باید به لایه‌ای از ‌PDMS بدون طرح و یا شیشه به روش پلاسما باندینگ متصل شود. شرکت فنون ریزتراشه میزان با تعرفه — ریال برای هر ساعت، خدمات پلاسما باندینگ را انجام می‌دهد.

پلاسما باندینگ جهت ایجاد اتصال میان دو PDMS و یا PDMS با شیشه