نظام التحليل الكلي المجهري Micro Total Analysis System MTAS

1-  مقدمة عامة

يعد نظام التحليل الكلي المجهري واحد من اعظم انجازات التقنية الحيوية النانوية على صعيد التشخيص الطبي الجزيئي ويعتبر نظام التحليل الكلي الحيوي (MTAS) جزء من نظام المختبر على سطح الرقاقة او بمعنى اخر المختبر على الرقاقة Lab-on-a-chip ويقصد به اجراء كافة انواع التحاليل التي تتم في المختبر تتمثل في اجراء عملية التصغير والتطويع manipulation لجعل جميع هذه التحاليل تجري على سطح رقاقة زجاجية (الشكل 1) ونظراً الى كون هذه التقنية تعتمد على استخدام كمية ضئيلة من المحاليل او المذيبات .. الخ يطلق على هذه التقنية مصطلح السائل المجهري rnicrofluidics . تمكن الباحثون في مجال التقنية الحيوية النانوية من تطوير الرقاقة الزجاجية ذات قدرة الاستيعاب المحدودة الى اداة او عدة اتمتة يمكنها اجراء كافة التحاليل التشخيصية اللازمة الاسشكال (2) ، (3) ، (4) وهو ما اطلق عليه بالمختبر فوق شريحة Lab-on-a-chip او يطلق عليه اختصارا (LOCs)

الشكل (1) : يوضح تقنية Lab -On-a –Chip وتمثل شريحة زجاجية تضم مكونات نانوية للاختبارات المتعددة للكشف وتحديد حالات مرضية محددة . وهو ما اطلق عليه بالمختبر فوق شريحة Lab -On-a –Chip او اختصاراً (LOCc)

الشكل (2) : رقاقة كشف جرثومية الـ E.coil  

يعد هذا النظام من انظمة التحليلات الكلية المجهرية Micro total-Analysis systems (MTAS) تضم المنظومة وحدة مسك او اصطياد لخلايا البكتيريا الهدف (E.coli) وتحديد التركيز الأولي والتقنية ثم التحلل الخلوي cell lysis ، ومضاعفة او تضخيم الدنا ثم اجراء الكشف بالطريقة الكيميائية / الكهربائية في نظام واحد يعرف بالمختبر على رقاقة Lab -0n-a –Chip .

الشكل (3) : تضخيم الدنا بالتفاعل التسلسلي لانزيم بلمرة الدنا DNA Amplificaton (PCR) Polymerase chain reaction (PCR) تعود هذه المنظومة الى انظمة التحليل الكلي المجهري Micro total-Analysis systems (MT AS) . تضم المنظومة حمام الـ (PCR -bath) PCR والرحلان الكهربائي Electrophoresis ونظام الكشف عن التفلور المحفز بالليزر Laser induced Fluorescence detecting system ضمن ما يعرف بنظام المختبر على الرقاقة Lab -0n-a –chip .

Glucose concentration tests

CNT based Field Effect Transistor for Gluocose Oxidase Detection

Immunity detection

الشكل (6-34) : اختبار تركيز الكلوكوز

يستند هذا الاختبار الى تفاعل مناعي (مستضد – جسم مضاد) المعتمد على الانابيب النانوية الكاربونية ضمن منظومة Lab -0n-a –chip .

2-  المختبر فوق شريحة (LOCs)

يمكن تعريف المختبر فوق شريحة بأنها أداة تكامل لواحدة او أكثر من وظائف المختبر او مهامه على سطح رقاقة زجاجية مفردة ذات حجم يتراوح من بضعة مليمترات الى بضعة سنتمترات مربعة تتعامل تقنية (LOCs) مع حجوم بالغة الضئالة من السوائل او المحاليل قد تصل الى اقل من بيكولتر Pico liters (بيكو = 10^-12 من اللتر) . تعد تقنية (LOCs) جزء من تقنية MEMS ويشار اليها ضمنا بتقنية (MIAS) او Micro Total Analysis System او انظمة التحليلات الكلية المجهرية او تقنية السوائل المجهرية microfluidics وهو مصطلح واسع جدا ، حيث يمكن ان يشمل ادوات الجريان الميكانيكي مثل المضخات والصمامات والمتحسسات ومقايس الجريان واللزوجة وهنا يبرز تساؤل حول الحدود  الفاصلة بين مصطلحي (LOCs) و (MIAS) ، حيث يمكن الاشارة الى ان الاول بشير بصورة عامة الى مقايسة سيرورات (processes) مفردة single او متعددة multiple على شريحة زجاجية واحدة في حين يشير مصطلح (MIAS) هو اكثر شمولية وذو تطبيقات اوسع من مجرد اجراء التحليلات .

شهدت البحوث في مجال (MIAS) لأغراض تجارية تعزيزاً كبيراً منذ منتصف التسعينيات عندما بدأ تقنيي الـ (MIAS) بالبحث المكثف للتوصل الى ادوات لأغراض التطبيقات في علوم الجينوم Genomic applications حيث تم تطوير تقنيات جديدة ومنها الرحلان الكهربائي الشعيري capillary electrophoresis ومصفوفات الدنا المجهرية DNA microarrays ، تم تعزيز البحوث اكثر عندما نالت تقنية (MIAS) اهتمام الجيش الامريكي ومراكز بحوثه وخصوصاً وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة Defense Advanced Research Project (DARPA) Agency وكان محور اهتمام الوكالة هو ايجاد انظمة محمولة (portable) لتحديد وللكشف عن عوامل الحرب الكيميائية والبايولوجية وتشمل التطبيقات الاخرى المراقبة البيئية Environmental Monitoring والتحليل الكيميائي chemical analysis والتشخيص الطبي وعلوم الخلية (الخلويات cellomics) والكيمياء التخليقية synthetic chemistry والمسح السريع عن المواد الصيدلانية .

3-  تقنية انتاج (فبركة) الرقاقة chip fabrication technology

يعد التصوير المعدني الضوئي photolithography الاساس لتصنيع وانتاج (فبركة) معظم انظمة (LOCs) وفي البداية كانت معظم السيرورات تعتمد على السليكون silicon لكونها تقنيات تطورت جيداً واشتقت مباشرة من سيرورات تصنيع وفبركة اشباه الموصلات Semiconductor Fabrication بسبب الحاجة الى بعض الخصائص البصرية ، التوافق الحيوي او الكيميائي biochemical compatibility كلفة الانتاج الواطئة وانتاج اسرع للنمط الريادي والتجريبي او الاختياري لذلك استحدث نمط جديد من السيرورات كالزجاج glass والسيراميك ceramics ، وحفر (كليشيه) المعدن deposition and bonding طورت تقنيات اخرى مثل سيرورات PDMS ومن امثالها التصوير المعدني الناعم soft lithography والقلم السميك والتصوير المعدني المسجامي thick-film and sterolithgraphy اضافة الى التضاعف replication السريع من خلال الطلاء الكهربائي electroplating وفولتية الحقن injection replication  السريع من خلال الطلاء الكهربائي electroplating وفولتية الحقن injection molding والنقش النافر embossing . ادى التقدم الكبير الحاصل في تقنية (LOCs) الى تلاشي الحدود بين تقنيات التصوير المعدني والتقنيات النانوية والهندسة الدقيقة المحكمة precision engineering .

4-  فوائد تقنية (LOCs)

تشمل الفوائد النموذجية الآتي :

1. استهلاك واطئ لحجوم السوائل (نفايات وضائعات اقل ومحاليل اقل وحجم عينات samples اقل لأغراض التشخيص) .

2. تحليلات ووقت استجابة اسرع نظرا لقصر مسافة الانتشار والتسخين السريع والنسبة العالية للمساحة السطحية الى الحجم وسعة حرارية صغيرة .

3. سيطرة افضل على السيرورات (processing) وذلك بسبب الاستجابة الاسرع للنظام مثل (السيطرة الحرارية على بعض التفاعلات الكيميائية)

4. تراصية او ادماج الانظمة system compact تبعا الى التكامل الوظيفي المتعدد والحجم الصغير .

5. التوازي الكبير تبعا الى الادماج او الانضغاط والذي يسمح بمعطيات اكبر للتحليلات .

6. كلفة تصنيع واطئة مما يسمح بتصنيع رقاقات بنيذة disposable chips فعالة قياسا الى الكلفة والانتاج على نطاق واسع .

7. برنامج plate form اكثر امانا للدراسات الكيميائية والبايولوجية والفعالة اشعاعيا وذلك بسبب التكامل الوظيفي ، وحجوم السوائل القليل والطاقة المخزونة .

5-  اضرار وعوائق تقنية Disadvantages of (LOCs)

1. تقنية LOCs تعد من التقنيات الحديثة novel جدا وبالتالي تحتاج الى المزيج من التطوير والفهم .

2. تؤثر العديد من العوامل الفيزيائية والكيميائية في تقنية LOCs مثل القوى الشعرية capillary forces وخشونة السطوح surface roughness والتداخلات الكيميائية لبنية المواد في سيرورة التفاعل كل هذه العوامل تصبح سائدة في المقياس الصغير small scale وهذا ما يجعل سيرورات التفاعل في هذه التقنية اكثر تعقيدا عنها في النطاق الاوسع التقليدي في المختبر .

3. لا يمكن ضمان ان يكون تصغير المقاييس بالنسبة لمبادئ الكشف والتحديد على نحو ايجابي دائما .

6-  تطبيقات تقنية LOCs

1. الاختبارات الكيميائية – الحيوية biochemical assays

2. الاختبارات المناعية immunoassay لتحديد والكشف عن البكتيريا والفايروسات والسرطان المعتمد على التفاعل بين المستضدات والاجسام المضادة .

3. التفاعل السلسلي لأنزيم بلمرة الدنا PCR من نوع real –time للكشف عن البكتيريا والفايروسات والبؤر السرطانية .

4. مسح الاقنية الايونية ion channel screening

5. لتحضير عينات او نماذج ثم : يمكن تحطيم الخلايا واستخلاص الدنا DNA

6. الرحلان الكهربائي الثنائي dielectrophoresis : لتحديد الخلايا السرطانية والبكتيريا cellular lab-on-a –chip

7. مختبر الخلايا – على – الشريحة : لغرض اجراء التحاليل لخلايا منفردة