ریزسیال شناسی یا میکروفلوئیدیکز با رفتار، کنترل دقیق و نگهداری سیالاتی سرو کار دارد که به لحاظ هندسی به مقیاس کوچکی، معمولاً زیر میلیمتر، محدود شده اند. رفتار سیالات در مقیاس میکروسکوپی قابل بحث است.
رفتار سیالات در محدوده میکروسکوپی می تواند از رفتار بزرگ سیال (ماکروفلوئیدیک) در عواملی مانند کشش سطحی، اتلاف انرژی، و شروع مقاومت سیال در برابر سیستم متفاوت باشد. میکروفلوئیدیک درباره چگونگی تغییر این رفتارها در مقیاسهای کوچک (اندازه کانال حدود 100 نانومتر تا 500 میکرومتر) مطالعه میکند.
این علم یک موضوع چند رشته‌ای است. رشته‌هایی مانند مهندسی، فیزیک، شیمی، بیوشیمی، فناوری نانو، و بیوتکنولوژی که با هدف طراحی سیستمهای گوناگون با یکدیگر همکاری دارند.
میکروفلوئیدیک تکنیک بسیار جالبی برای محققان آکادمیک و گروه های صنعتی می باشد. امروزه بیشتر کشورها، در حال توسعه تکنولوژی میکروفلوئیدیک هستند. در واقع میکروفلوئیدیک یا ریزسیال شناسی یک علم در بررسی رفتار سیال ( سیالات) در مقیاس میکرومتر است. این عمل حوزه های مختلفی دارد. از آن جمله می توان به بررسی رفتار تماس دو سیال ناهمگن اشاره کرد.
بررسی اختلال سیالات، بررسی تشکیل قطره، جداسازی ذرات زیستی و … از دیگر مواردی است که در این حوزه می توان از آن نام برد. فناوری میکروسیالی یکی از فناوری های نوین است که توانسته با بهره گیری از خواص ویژه ی سیالات در مقیاس میکرو و نانولیتر و با کاهش هزینه ها و زمان آزمایش، کاربردهای گسترده ای در بخش های تحقیقاتی و درمانی زیست شناسی و پزشکی به خود اختصاص دهد.
یک دستگاه میکروسیالی، تراشه ای از جنس سیلیکون، شیشه یا الاستومر است که لوله هایی با ابعاد میکرونی در آن تعبیه شده و سیالات درون این لوله ها جریان پیدا می کنند.
سامانه های میکروفلوئیدی از اجزای مختلفی ساخته می شوند، برخی از اجزاء عبارتند از: میکروپمپ ها، میکروکانالها، میکرومخلوط کننده ها، میکروحسگرها، مخازن سیالات و دریچه ها که معمولاً در مقیاس میکرونی ساخته می شود.
از میکروکانال های توزیع سیال برای عبور سیال در شاخه های مختلف سامانه های میکروفلوئیدی استفاده می شوند و کاربردهای وسیعی یافته اند. جریان سیال در این کانال ها بین چند صد نانولیتر تا چند میکرولیتر بر دقیقه می باشد.
سیستم های میکروسیالی امکان کار با سیالات را در حجم های میکرونی فراهم می آورند. در این سیستم ها سیالات در درون کانال های میکرونی تعبیه شده در تراشه هایی از جنس پلیمرهاى خاص قرار گرفته و عملیات مورد نظر بر روی آنها انجام می پذیرد.
منظور از حجم های میکرونی، حجم های کوچکی از سیالات در حد میکرولیتر، نانولیتر و پیکولیتر است. وجود ساختمان های خاص درون تراشه از قبیل کانال ها، دریچه ها، مخلوط کننده ها و پمپ ها، این قابلیت را به دستگاه می دهد که یک یا چند نوع سیال به درون آن وارد شوند؛ در طول کانال ها حرکت کنند؛ در صورت نیاز برای مدتی در بخشی از تراشه ذخیره شوند؛ با هم مخلوط شده و یک واکنش خاص را ایجاد کنند و در نهایت محصولات اصلی و ضایعات به وجود آمده، به وسیله ی خروجی ها به بیرون دستگاه منتقل شوند.
تمام این فرآیندها را می توان به وسیله ی انواع روش های دیده بانی، مانند استفاده از میکروسکوپ های نوری و فرابنفش دنبال کرد. علاوه بر این، خواص فیزیکی و شیمیایی سیالات در حجم های کم و درون لوله های مویین، با خواص آنها در مقیاس ماکرو، متفاوت است.
این مسأله در بسیاری موارد سبب شده کار با سیالات در این حجم راحت تر باشد. همچنین از این خواص برای طراحی تراشه ها و ایجاد عملکردهای خاص مانند حرکت سیال درون کانال و یا مخلوط کردن سیالات بهره های فراوانی برده می شود.
اولین امیدواری های صنایع میکروالکترونیک برای ساخت تراشه های میکروسیالی، لیتوگرافی و فناوری های مرتبط با آن بود که به صورت موفقیت آمیزی در ساخت تراشه های میکروالکترونیک به کار گرفته شده بود.
این فناوری ها به صورت مستقیم در میکروسیال ها قابل استفاده هستند. گفتنی است زمانی که پس از جنگ سرد سلاح های شیمیایی و بیولوژیکی در صنایع نظامی کاربرد پیدا کردند؛ وزارت دفاع ایالات متحده ی امریکا با ایجاد یک مرکز تحقیقاتی، سرمایه گذاری در بخش سیستم های میکروسیالی را افزایش داد؛ تا از قدرت این فناوری، در بخش نظامی سود ببرد.
دانش میکروسیالات حوزه ای است که منشأ آن ترکیبی از میکروکاوش، دفاع زیستی و میکروالکترونیک بود. فناوری کوچک سازی ترانزیستورها و ساخت ریزپردازنده امکان ساخت کانال های میکروسکوپی و گردآوری آنها در یک تراشه را فراهم کرده است.
یکی از تحقیقات اصلی و پایه ای این رشته، تحقیق به منظور ایجاد یک آزمایشگاه روی تراشه جهت یکپارچه سازی همه فرآیندهای موردنیاز برای تکمیل رویه های پزشکی، شیمیایی و زیستی بود. در اوایل هزاره سوم فناوری قالب ریزی میکروکانال های پلیمری رشد قابل توجهی داشتند. کاهش قیمت و زمان تولید این دستگاه ها باعث شد بسیاری از آزمایشگاه ها به تحقیق در این زمینه بپردازند.
کاربردهای میکروفلوئیدیک
به طور کلی تعامل با سیالات در ابعاد میکرو در حوزه‌ی تخصصی میکروفلوئیدیک است. میکروفلوئیدیک هم به عنوان علم در شناخت و بررسی رفتار های سیالات و هم به عنوان فناوری، در ساخت و استفاده از ویژگی های خاص سیالات در این ابعاد در حال پیشرفت و ورود به حوزه‌های مختلف از سنتزهای شیمی و آنالیزهای زیستی گرفته تا اپتیک و حتی فناوری اطلاعات است.
شاید پس از شنیدن میکروفلوئیدیک اولین چیزی که به ذهن بیاید، تراشه‌های میکروفلوئیدیکی باشند که در واقع مجموعه‌ای از پیش طراحی شده از میکروکانالها هستند که به واسطه‌ی کانال‌های ورودی و خروجی با محیط اطراف در تعامل‌اند.
مزیت کار با این تراشه‌ها در این است که نیاز به حجم نمونه، واکنش‌دهنده یا کاتالیزگر بالا نداریم و همین کاهش چشمگیر مقادیر، موجب کاهش ابعادی دستگاه، هزینه‌ها و زمان انجام واکنش می‌شود. در حالی که دقت تشخیصی آن افزایش یافته و کنترل شرایط موثر در واکنش نیز راحت‌تر شده است.
به علاوه با طراحی‌های درست و اصولی امکان انجام تعدادی واکنش مجزا، یکی پس از دیگری فراهم می‌شود و درنتیجه می‌توان یک آزمایشگاه را بر روی یک تراشه جا داد. امکان حمل تراشه و درنتیجه در دسترس بودن آن برای تشخیص‌های اولیه طبی برای افراد آموزش ندیده و بدون نیاز به مراجعه حضوری به آزمایشگاه‌های تشخیصی، کاهش چشمگیر واکنش دهنده‌های مورد نیاز و درنتیجه هزینه‌ها و انجام همزمان تعداد زیادی واکنش زیستی و آنالیز بسیار سریعتر حاصل می شود.
در حوزه ی زیست شناسی و پزشکی آزمایش های تحقیقاتی و تشخیصی فراوانی وجود دارد که در آنها نمونه ها و مواد محلول مورد آزمایش هستند؛ بخش گسترده ای از کاربردهای این سیستم، در این حوزه ها است. به این ترتیب که، هر بخش از تراشه عملکردی برابر با یک قسمت از آزمایشگاه دارد. بنابراین این فناوری (آزمایشگاه روی تراشه) نیز نامیده می شود.
درمان مؤثر بیماران سرطانی تا حد امکان بدون درد و غیرتهاجمی برای ریشه کن کردن بیماری یکی از کاربردها در حوزه زیستی است. کاربرد های تشخیصی میکروفلوئیدیک در تشخیص سرطان و عوامل بیماری زا می باشد. ابزار میکروفلوئیدیک برای اندازهگیری ضریب انتشار مولکولی، ویسکوزیته مایع، PH و ضریب اتصال شیمیایی بکار می روند.
تلاش های قابل توجهی در جهت ایجاد روشهای مؤثر تحویل دارو انجام شده است. سیستم های میکروفلوئیدیک، به واسطه ی قابلیت خودشان برای مدیریت و انتقال دقیق مقادیر کوچک مایعات، به عنوان یک پلتفرم نوید بخش برای طراحی سیستم های تحویل داروی پیشرفته پدیدار شدهاند. بنابراین، به مقدار زیادی برای ساخت حامل های دارویی یا انتقال مستقیم دارو به یک بافت هدفمند مورد استفاده قرار می گیرند.
شاخه های میکروسیالات عمدتاً شامل میکروسیالات پیوسته، میکروسیالات دیجیتال، اپتو سیالات و میکروسیالات، آکوستوسیالات و میکروسیالات و الکتروفورز و میکروسیالات می باشد. دریک تقسیم بندی کلی انواع میکروفلوئیدها را می توان در سه حوزه عنوان کرد. میکروفلوئیدهای با جریان پیوسته، جریان تک فاز و جریان دو فاز.
نحوه عملکرد میکروفلوئیدیک
سیستمهای میکروفلوئیدیک با استفاده از یک پمپ و یک چیپ یا تراشه کار میکنند. انواع متفاوتی از پمپ ها به دقت مایعات را درون چیپ با سرعت 1 میکرولیتر در دقیقه تا 10000 میکرولیتر در دقیقه حرکت می دهند. درون چیپ میکروکانال هایی وجود دارد که امکان انجام فرایندهایی چون مخلوط شدن، واکنش های شیمیایی و فیزیکی را برای مایعات، فراهم می کنند.
مایع ممکن است ذرات کوچکی را حمل کند از جمله سلول ها یا ذرات نانو. رفتار سیال در میکروکانال ها متفاوت از رفتار معمولی است که روزانه مشاهده می شود. سخت افزارهای میکروسیالاتی در طراحی وساخت با سخت افزارهای ابعاد ماکرو متفاوت هستند.
عموماً نمی توان تنها مقیاس دستگاه های رایج را کوچک کرد و انتظار همان کاربری را در ابعاد میکرو داشت. طی کاهش ابعاد زمانی که اندازه دستگاه به مقدار مشخصی می رسد، ذرات سیال یا ذرات معلق در سیال قابل قیاس با ابعاد دستگاه می شوند. این پدیده رفتار دستگاه را دگرگون می کند. برخلاف کانال های ماکرو، مویینگی حرکت سیال در میکرولوله را تحت تأثیر قرار می دهد. علاوه بر این عوامل ناشناخته دیگر؛ ازجمله انتقال گرما و جرم در ابعاد میکرو وجود دارند که نیازمند تحقیقات بیشتر هستند.
نویسنده:
امیرمحمد خروشی : دانشجوی مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی شریف
کارشناس فنی شرکت مجتمع ذوب آهن بیستون
