בלוג זה דן בהטמעה של אופטיקה במערכות מיקרו-פלואידיקה כולל: דרכים שניתן להטמיע עדשות במחסניות מיקרו-פלואידיות; סקירה כללית של טכניקות זיהוי אופטי משמש במערכות מיקרו פלואידיקה; ושיטות המשמשות למדידת פלואורסצנטי בפלטפורמות מיקרו-פלואידיות.
מערכות אופטיות ממלאות תפקיד חשוב בפלטפורמות מיקרו-פלואידיות. מערכות כאלה הן המנגנונים האמינים ביותר למדידת תפוקות הבדיקות במחסניות מיקרו-פלואידיות.
ניתן לבצע אוטומטית מספר שלבי הכנת מדגם על מחסנית מיקרו-נוזלית. אלה עשויים לכלול ערבוב, דגירה, אידוי, דילול, הכנה מחדש, מדידה, מיצוי ועוד. לאחר הכנת דגימה, ניתן להעביר אותה על המחסנית לאזור זיהוי. שיטות זיהוי אופטיות הן השיטות הנפוצות ביותר המשמשות לכימות התכונות של מדגם מוכן במערכת מיקרו-פלואידית.
כיצד ניתן לבנות עדשות במחסניות מיקרו-פלואידיות?
עדשות הן חלק בלתי נפרד ממכשירים אופטיים רבים המשתמשים באור כדי להשפיע על דגימה, לזהות כמות אור או לצלם תמונה של דגימה. בעוד שמערכות מיקרו-פלואידיות רבות משתמשות במערכות עדשות חיצוניות, עדשות הן מרכיב שלעתים קרובות ניתן לשלב בזול ובחוזק על מחסנית מיקרו-פלואידית. הדוגמאות הפשוטות ביותר הן עדשות סטטיות (כלומר עדשות שאינן משתנות לאורך זמן). ניתן לייצר עדשות סטטיות פשוטות ישירות על מחסניות. לדוגמא, משטחים מעוקלים המיוצרים ישירות לתעלות המיקרו-נוזלים יכולים לשמש כעדשות גליליות.
לחלופין, ניתן לייצר מערכים תקופתיים של עדשות קטנות מאוד רבות (הנקראות מערכי מיקרולנס) ולהדביק אותם מעל אזור הזיהוי של המחסנית כדי לאפשר זיהוי בו זמנית במספר אתרים.
אפשר גם לשלב עדשות בעלות אורכי מוקד משתנים במחסניות מיקרו-פלואידיות. דוגמה אחת היא עדשות המורכבות ממאגרים מלאי נוזלים מאחורי קרומי פלסטיק גמישים. הקרום המעוקל, יחד עם הנוזל הכלול בו, משמש כעדשה. ניתן לשנות את עקמת הקרום על ידי התאמת הלחץ הפנימי, ובכך לשנות את אורך המוקד של העדשה.
בסוג אחר של עדשות מלאות נוזלים, שני נוזלים שונים בעלי מדדי שבירה שונים מעורבבים על המחסנית ביחס משתנה. לאחר מכן נשאב הנוזל המעורב לתוך העדשה ובכך מאפשר לשלוט על אינדקס השבירה היעיל של העדשה, מה שמשנה את אורך המוקד היעיל שלה.
כפי שמודגם לעיל, ישנן אפשרויות רבות לשילוב עדשות במחסנית מיקרו-נוזלית. שילוב העדשות במחסנית יכול להפחית את טביעת הרגל של פלטפורמה, ויכול לאפשר שליטה אוטומטית ויישור פסיבי של חלקים מתתי מערכות האופטיות של המכשיר.
אילו מדידות אופטיות ניתן לבצע על מחסנית מיקרו-פלואידית?
שיטות זיהוי אופטיות הן הדרכים הנפוצות ביותר לבצע מדידות על מחסנית מיקרו-פלואידית והן חלות על מבחנים רבים בעלי רלוונטיות קלינית. ישנן שיטות זיהוי אופטיות המודדות כמות אור מדגימה, בעוד שאחרות מצלמות תמונה או וידאו של מדגם.
בדרך כלל משתמשים בשיטות אופטיות המזהות כמות אור לכימות או לגילוי נוכחות של אנליטי נתון במדגם. חלק ממאפייני המדגם הניתנים לחקירה אופטית הם:
קְלִיטָה: כמות הקליטה של אורך גל מסוים (כלומר צבע[1]) ניתן למדוד אור בעובי ידוע של דגימה, המאפשר לקבוע את ריכוז האנליט בדגימה.
פלוּאוֹרסצֵנצִיָה: ניתן לכמת את כמות האור הנפלטת מדגימת פלואורסצנט באורך גל נתון לאחר התרגשות מאור באורך גל שונה (לרוב קצר יותר). זה גם מאפשר למדוד את הריכוז או את נוכחותו של אנליטי יעד בדגימה. למדידה מסוג זה יש תועלת מיוחדת במבחנים ביולוגיים, מכיוון שישנן שיטות ביוכימיות להצמדת תגי פלורסנט לדגימות ביולוגיות רבות מעניינות.
כימומיומנסנציה: אור המשוחרר כחלק מתגובה כימית יכול לשמש לכימות אנליטי. המדידה של כימילומינסנציה אינה דורשת מקור אור, ואת התגובה הכימית ניתן להכין וליזום על מחסנית המיקרו-נוזלים.
ניתן להשתמש בשיטות האופטיות הבאות להדמיית דגימות (תאים או אורגניזמים קטנים, למשל) על מחסנית מיקרו-נוזלית:
מיקרוסקופיה: אחת הדרכים הכי פשוטות לאיסוף תמונה של דגימה במחסנית מיקרו-נוזלית היא שימוש במיקרוסקופ קונבנציונאלי. למטרה זו ניתן להשתמש במיקרוסקופים מהמדף, או שניתן למזער אותם באופן משמעותי ולשלב אותם בקורא ייעודי למחסנית נתונה. בחלק מהמקרים ניתן להעביר חלק מהאופטיקה של מערכת המיקרוסקופ השלמה למחסנית עצמה.
הדמיית צל ללא עדשות: מספר טכניקות הדמיה החלות על מיקרו פלואידיקה אינן משתמשות בעדשות. דוגמה אחת היא הדמיית צללים, כאשר דגימה (שעשויה להיות בערוץ מיקרו-נוזלי) ממוקמת קרוב ככל האפשר לחיישן מצלמה ללא עדשה ומוארת מאחור. לאחר מכן מצלמים את הצל שמייצר הדגימה על הגלאי.
הולוגרפיה דיגיטלית ללא עדשות: בטכניקה זו, מדגימה ממוקמת במרחק קטן מחיישן מצלמה נטול עדשות ומוארת מאחור עם מקור אור קוהרנטי. התבנית שהאור יוצר על החיישן משמשת אז לשחזור תמונה של המדגם בשיטות מתמטיות.
שיטות אלה הן רק דוגמה למגוון הרחב של שיטות זיהוי אופטיות שניתן ליישם במחסנית מיקרו-פלואידית. שיטות אלה ואחרות יכולות לאפשר מגוון רחב של מבחנים רלוונטיים מבחינה קלינית.
כיצד מיישמים מדידות פלואורסצנטיות במיקרו פלואידיקה?
פלואורסצנטי, שהוא פליטת האור מחומר במצב אנרגיה, הוא אחד הדברים הנפוצים ביותר שנמדדים במערכות מיקרו-נוזלים. מדידות פלואורסצנטי כוללות שימוש במקור אור לריגוש דגימת פלורסנט, ואז מדידת האור הנפלט מהמדגם, בדרך כלל באמצעות פילטרים אופטיים לבידוד האור הנפלט על ידי אורכו הגל.
ישנן מספר דרכים לגרום ומדידת פלואורסצנטי במחסנית מיקרו-נוזלית. בשיטה הפשוטה ביותר, המחסנית משמשת רק כדי לתפעל את הדגימה ולקחת אותה לאזור זיהוי, כאשר האופטיקה הן לאור האורור והן בזיהוי האור הנפלט נמצאת מחוץ למחסנית. עם זאת, יישומים מסוימים עשויים להעביר חלק מהאופטיקה למחסנית עצמה. חלקי המחסנית עשויים לשמש כמדריכי אור, המגבילים את האור למסלול מסוים. ניתן להשתמש במדריכים אלה כדי להפנות אור עירור למדגם. במקרים אחרים, אור בתוך מוליך גל יכול אפילו לשמש כדי לרגש חומרים על פני השטח החיצוניים של מוליך הגל, דרך מה שמכונה גל התחמקות. ניתן להקביל זיהוי פלואורסצנטי גם על מחסנית על ידי מדידת בו זמנית פלואורסצנטי במספר אתרים במחסנית באמצעות מצלמה ומערך מיקרולי.
מקרה שימוש חשוב של מדידת פלואורסצנטי במחסניות מיקרו-פלואידיות הוא איתור תגי פלורסנט (המכונים גם תוויות או בדיקות) המקושרים לניתוחים ביולוגיים ספציפיים בשיטות ביוכימיות. תגים כאלה מקושרים לחומר ביולוגי בעל עניין, והפלואורסצנטי שלהם משמש לדימוי או כימות החומר. מיקרו-נוזלים שימושיים במיוחד עבור מבחנים כאלה, שכן הכנת הדגימות וכן זיהוי יכולות להיעשות על מחסנית מיקרו-נוזלית. גישה זו יכולה להפוך את העבודה הרבה יותר אוטומטית לפשוטה עבור משתמש הקצה.
סיכום
מערכות אופטיות הן חלק קריטי בפלטפורמות מיקרו-פלואידיות רבות. במקרים מסוימים, ניתן לשלב רכיבי מערכת אופטיים ישירות על מחסנית מיקרו-נוזלית, שיש בה כדי להפחית את טביעת הרגל של הפלטפורמה הכוללת. שיטות זיהוי אופטיות רבות המאפשרות לנו לכמת או לנתח תמונות במדגם אפשריות באמצעות מיקרו פלואידיקה. מיקרופלואידיקה יכולה לפשט מאוד את הטכניקות הללו על ידי הוצאת חלק ניכר מההכנה הנדרשת והיישור האופטי מידיו של משתמש הקצה.
[1] אם מדברים באופן מדויק יותר, הגודל היחסי של האור באורכי גל שונים הוא שקובע את הצבע הנתפס של מקור אור. לאור שהוא מונוכרומטי (כלומר בעל אורך גל יחיד) יש צבע מסוים כפי שנקבע על ידי אורכו הגל, אך ניתן לייצר כמה צבעים מורגשים רק על ידי שילוב של אור באורכי גל מרובים.
ריאן פילד הוא מהנדס אופטי ב- StarFish Medical. ריאן הוא בעל תואר דוקטור לפיזיקה מאוניברסיטת טורונטו. כעמית פוסט דוקטורט עבד על פיתוח מערכות לייזר אינפרא אדום פיקו-שנייה בעלות הספק גבוה ליישומים כירורגיים וכן ספקטרומטר מחומרים ביתיים.
קישור לכתבת המקור – 2021-07-06 00:20:13
