מיקרופלואידיקה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
Gnome-edit-clear.svg ערך זה זקוק לעריכה: ייתכן שהערך סובל מפגמים טכניים כגון מיעוט קישורים פנימיים, סגנון טעון שיפור או צורך בהגהה, או שיש לעצב אותו.
אתם מוזמנים לסייע ולתקן את הבעיות, אך אנא אל תורידו את ההודעה כל עוד לא תוקן הדף. אם אתם סבורים כי אין בדף בעיה, ניתן לציין זאת בדף השיחה.
התקנים מיקרונוזליים מזכוכית
מיקרופלואידיקה

מִיקְרוֹפלואידיקָה (באנגלית Microfluidics), עוסקת בהתנהגות, בקרה ושליטה של זורמים, לרוב נוזלים, בממדים קטנים, בסדר גודל של מיקרונים (ובננופלואידיקה ננומטרים). זהו חלק מענף הפלואידיקה.

המחקר משלב היבטים שונים ולוקח כלים מתחומי רבים, ביניהם הנדסה, פיזיקה, כימיה, מיקרוטכנולוגיה וביוטכנולוגיה.

לתחום חשיבות רבה בהקשר של מערכות טכנולוגיות הפועלות בתווך נוזלי, בפרט בשימושים ביולוגיים. בפרט Bio-MEMS- רכיבים אלקטרונים ביולוגיים זעירים המשמשים למשל כביו-חיישנים תוך גופיים לניטור וטיפול ברקמות ותאים. התחום החל להתפתח בשנות ה-80 ונמצא בשימוש של ראשי מדפסות הזרקת דיו, שבבי DNA, טכנולוגיית מעבדה-על-שבב, מיקרו הנעה ומיקרו תרמודינמיקה.

התנהגות נוזלים ברמת המיקרו[עריכת קוד מקור | עריכה]

התנהגות זורמים ברמת המיקרו שונה מהתנהגותם ברמת המקרו בנושאים כמו מתח פנים, פיזור אנרגיה והתנגדות זרימה אשר מתחילה להיות דומיננטית יותר ככל שגדלי המערכת קטנים. מיקרופלואידירה חוקרת כיצד התנהגות זו משתנה וכיצד ניתן לעקוף את מגבלות או לנצל את השוני היתרונות בשוני ההתנהגות לשימושים חדשים. ממדים זעירים (קוטר ערוץ של כ 100 ננומטר עד כמה מאות מיקרומטר) מתרחשים כמה תופעות מעניינות ואינטואיטיביות. במיוחד, מספר ריינולדס (המשווה בין האפקט של מומנט של זורם לבין האפקט צמיגות) יכול להיות מאוד נמוך. מסקנה חשובה מכך היא שזורמים, כאשר הם מונחים צד לצד, לא בהכרח מתערבבים בצורה מסורתית, ומעבר מולקולרי ביניהם, לעתים קרובות חייב להיעשות באמצעות פעפוע מולקולרי. תכונה זהחשובה בהרבה התקנים מיקרופלואידים.

אפקטים בתחום המיקרו[עריכת קוד מקור | עריכה]

תחומי יישום[עריכת קוד מקור | עריכה]

מבנים מיקרופלואידים כוללים מערכות מיקרו פנאומטיות כמו מיקרו מערכות לטיפול בזורמים מחוץ לשבבים, off-chip, (משאבות נוזלים, שסתומי גז וכו.) ומבנים מיקרופלואידים לטיפול בזורמים בתוך שבבים, on-chip, בנפחי ננו ופיקו ליטר. היישום המסחרי הנפוץ ביותר עד כה הוא מדפסת הזרקת דיו. ההתקדמות בתחום טכנולוגיית המיקרופלואידיקה הביאה למהפכה בתחום הפרצדורות לניתוח אנזימים בביולוגיה מולקולרית כמו גלוקוז ותבחיני חומצה לקטית, ניתוח DNA כמו תגובת שרשרת של פולימראז וריצוף בעל תפוקה גבוהה וProteomics. הרעון המרכזי של ביו-שבבים מיקרופלואידים הוא לשלב פעולות ניתוח (assay) כמו גילוי וטיפול במוקדם של המדגם והכנת המדגם, הכל על אותו שבב.‏[1][2] יישום מתפתח וחדשני בתחום הביושבבים הוא פתולוגיה קלינית ובמיוחד האבחון המהיר והמיידי של מחלות. התקנים מבוססי פלואידיקה מסוגלים לדגום בצורה רציפה ולבדוק בזמן אמת דגימות אויר ומים ולגלות רעלנים ביוכימיים ופתוגנים מסוכנים אחרים, מעין "ביו גלאי עשן" הפועל תמיד לגילוי מוקדם.

מיקרופלואידיקה רציפת זרימה[עריכת קוד מקור | עריכה]

טכנולוגיות זו מבוססת על מניפולציה של זרימת נוזלים רציפה בערוצים בתוך מיקרושבבים. הנעה של זרימת נוזל מיושם על ידי מקורות לחץ חיצוניים, משאבות מכניות חיצוניות, מיקרו-משאבות מכניות המשולבות בתוך השבב או מנגנונים אלקטרו-קינטיים. מיקרופלואידיקה רציפת זרימה היא הגישה העיקרית מאחר שהיא קלה למימוש ופחות רגישה לבעיות של זיהום חלבונים. התקנים רציפי זרימה מתאימים להרבה יישומים ביוכימיים פשוטים ומוגדרים היטב ולמשימות מסוימות כמו הפרדה כימית אך הם פחות מתאימות למשימות המצריכות רמה גבוהה של גמישות מניפולציות זרימה מורכבות. מערכות סגורות ערוץ אילו מטבע יסודם קשים לשילוב ומיזעור מאחר שהמשתנים המשפיעים על הזרימה משתנים לאורך מסלולי הזרימה והופכים את הזרימה בכל נקודה מושפעים מהתכונות של כל המערכת. מיקרו מבנים המאולחים באופן קבוע גם הם גורמים לכיוונון מחדש מוגבל וסובלנות נמוכה במצבי תקלה. אפשרויות בקרת תהליכים במערכות רציפי זרימה ברי ביצוע על ידי שימוש בחיישני זרימה מיקרופלואידים רגישים ביותר מבוססי טכנולוגיית MEMS המציעות בקרה עד לגבול הננו-ליטר.

מיקרופלואידיקה ספרתית (מבוססת אגלי נוזל)[עריכת קוד מקור | עריכה]

האלטרנטיבה למערכות סגורות ערוץ ורציפות זרימה כוללים מבנים פתוחים חדשניים אשר בצורה בדידה טיפות מבוקרות, בלתי תלויות ביניהם, נשלטים על המצע. בדומה וכאנלוגיה לנעשה במיקרואלקטרוניקה ספרתית, גישה זה מכונה מיקרופלואידיקה ספרתית אשר פיתוחה פרץ דרך באוניברסיטת דיוק. על ידי שימוש באגלי נוזל בעלי יחידת נפח בדידה, פונקציה מיקרופלואידית מצטמצמת למערכת של פעולות חוזרות ובסיסיות כמו העברת יחידה אחת של זורם במהלך יחידה אחת של מרחק. ה"דיגיטציה" של השיטה מסייעת בשימוש היררכי ומבוסס תא כגישה תכנונית לביו-שבב מיקרופלואידי.

שבבי DNA (מיקרו-מערכים)[עריכת קוד מקור | עריכה]

ביו שבבים ותיקים היו מבוססים על הרעיון של מיקרו מערכי DNA.

ביולוגיה מולקולרית[עריכת קוד מקור | עריכה]

ביו-שבבים מבוססי מיקרו מערכי DNA תוכננו גם לאלקטרופורזה דו-ממדית‏[3], ניתוח טרנסקריפטום[4] והגברת PCR[5]. יישומים אחרים כוללים אלקטרופורזה ויישומי כרומטוגרפיה נוזלית עבור חלבונים וDNA, הפרדת תאים, במיוחד הפרדת תאי דם, אנליזת חלבונים, מניפולציה וניתוח תאים כולל ניתוח ישימות תאי ולכידת מיקרואורגניזמים[2].

אופטיקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מערכי מיקרו עדשות מתכווננות.‏[6][7]

פליטת טיפות אקוסטית (ADE)[עריכת קוד מקור | עריכה]

בפליטת טיפות אקוסטית (Acoustic droplet ejection) נעשה שימוש בפולס אולטרהסוני להזזת כמויות קטנות של נוזל (בדרך כלל ננוליטר או פיקוליטר) ללא מגע פיסי.

תאי דלק[עריכת קוד מקור | עריכה]

תאי דלק מיקרופלואידיקים מנצלים זרימה למינרית להפרדת דלק מהמחמצנים שלו ולבקר את האינטרקציה בין שני נוזלים ללא מחסום פיזיקלי כנדרש בתאי דלק רגילים.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

מקורות[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • Herold, KE; Rasooly, A (editor). Lab-on-a-Chip Technology: Fabrication and Microfluidics. Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-46-2. 
  • Herold, KE; Rasooly, A (editor). Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis. Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-47-9. 

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

Microfluidics for Biotechnology - J. Berthier, P. Silberzan (A-H, 2006) WW

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Herold, KE; Rasooly, A (editor). Lab-on-a-Chip Technology: Fabrication and Microfluidics. Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-46-2. 
  2. ^ 2.0 2.1 Herold, KE; Rasooly, A (editor). Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis. Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-47-9. 
  3. ^ Fan et al.. “Two-Dimensional Electrophoresis in a Chip”, Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis. Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-47-9. 
  4. ^ Bontoux et al.. “Elaborating Lab-on-a-Chips for Single-cell Transcriptome Analysis”, Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis. Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-47-9. 
  5. ^ Cady, NC. “Microchip-based PCR Amplification Systems”, Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis. Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-47-9. 
  6. ^ Liquid micro-lens array activated by selective electrowetting on lithium niobate substrates S. Grilli, L. Miccio, V. Vespini, A. Finizio, S. De Nicola, and P. Ferraro Optics Express 16, 8084-8093 (2008). http://dx.doi.org/10.1364/OE.16.008084
  7. ^ P. Ferraro, L. Miccio, S. Grilli, A. Finizio, S. De Nicola, and V. Vespini, "Manipulating Thin Liquid Films for Tunable Microlens Arrays," Optics & Photonics News 19, 34-34 (2008) http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=OPN-19-12-34