بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه سنسورها و دستگاههای پزشکی قابل حمل تحت تاثیر پیشرفتهای اخیر نظیر تکنولوژی مایکروفلوئیدیک، تکنیکهای یکپارچهسازی، روشهای تشخیص بهبود یافته و افزایش قابلیت در آنالیز داده، قرار گرفتهاند. توسعه تکنولوژی آزمایشگاه روی تراشه - - lab on chip نوید بخش انقلابی در بیوتکنولوژی و سایر علوم وابسته است. این مقاله سیستم تغذیه ماژولار تراشههای زیستی مایکروفلوئیدیک دیجیتال را در قالب دستگاهی با قابلیت تغییر ولتاژ در محدودهی 10 تا 400 ولت و فرکانس 50 هرتز تا 15 کیلوهرتز گزارش میکند. دستگاه ارائه شده میتواند به عنوان Laboratory setup جهت اعمال میدان به تراشه مایکروفلوئیدیک دیجیتال در توان پایین مورد استفاده قرار گیرد.
کلمات کلیدی: آزمایشگاه روی تراشه، مایکروفلوئیدیک دیجیتال، تراشه زیستی، مدارات ولتاژ بالا، اینورتر
.1 مقدمه
در سالهای اخیر شاهد روند رو به رشدی در زمینههای بیوتکنولوژی، زیست پزشکی و شیمی و کاربردهای آنها بودهایم. مایکروفلوئیدیک یکی از سیستمهای در حال پیشرفت و امیدوار کننده در زمینه تشخیص بیماریها به شمار میرود. در این میان، بیشتر توجهات به سیستمهای رایج، یعنی مایکروفلوئیدیک جریان پیوسته - بر پایه کانال - معطوف بوده است و مطالعات کمتری بر روی تراشه های مایکروفلوئیدیک دیجیتال صورت پذیرفته است2]؛.[1
فناوریهای ساخت دستگاهای الکترونیکی مدرن، قابلیت استفاده از تراشههای مایکروفلوئیدیک دیجیتال را در مقیاس کوچک و بدون ایجاد محدودیت در عملکرد این نوع تراشه ها ایجاد کرده است.[1] مایکروفلوئیدیک دیجیتال یک تکنیک جدید در تحریک قطرات گسسته با اعمال میدان الکتریکی است که با توجه به جدید بودن این تکنولوژی چالشهای بسیاری جهت ورود این مدل به دنیای آزمایشگاه روی تراشه، پیش رو دارد. یکی از این چالشها رابطهی بین میدان اعمالی به قطره و حرکت آن است. در تراشه مایکروفلوئیدیک دیجیتال با اعمال میدان الکتریکی هدفمند به الکترودها، قطره را در جهت خاص به حرکت در میآوریم. این در حالی است که در واقعیت و به خصوص در سیستمهایی که قطره در روغن غوطهور نباشد، شاهد مقاومت در برابر حرکت از جانب قطره با اعمال میدان الکتریکی خواهیم بود.[ 3 ]
تفاوت اکثر آزمایشگاهها و کمپانیهای فعال در این زمینه به ولتاژ تغذیه AC و DC که برای عملیات الکترووتینگ - خیس شوندگی - استفاده میکنند باز میگردد. در حقیقت مشاهدات رسمی که نوع میدان اعمالی تحریک قطره را دقیقا بیان کند گزارش نشده است.[4] در گزارشاتی از اعمال ولتاژ DC به تراشه مایکروفلوئیدیک دیجیتال به علت بالا بودن ضریب احتمال الکترولیز قطره و همچنین خرابی دیالکتریک صرف نظر شده است. در واقع موضوع مهم این است که عملکرد طرحهای اولیه از تراشه مایکروفلوئیدیک دیجیتال برای مایعات شامل پروتئین و ترکیبات مهم گزارش نشده بود. از سوی دیگر ناگیل و همکارانش [4] ولتاژ آستانه DC کمتری را برای فرکانس بزرگتر از 150 هرتز گزارش میکنند. طبق گفته آنها از لحاظ الکترونیکی و تاثیرات خازنی، با اعمال ولتاژ DC پسماند انرژی را شاهد خواهیم بود و این در حالی است که با ولتاژ AC این ترم حذف خواهد شد.
بنابراین یکی از چالشهای اصلی در روند ساخت مایکروفلوئیدیک دیجیتال، اجزا و تجهیزات تولید میدان الکتریکی و منابع ولتاژ متغیر به منظور تحریک قطره خواهد بود. میدان مورد نیاز برای تحریک قطره حتی تا چند صد ولت AC متناسب با ضخامت لایه دیالکتریک گزارش شده است.[5] حال میبایست به این نکته توجه کرد که در این فناوری نیازی به تولید ولتاژهای بالا از منابع با توان خروجی بالا نخواهد بود و جریان بسیار پایینی در حد چند صد نانو آمپر از الکترودها عبور خواهد کرد. بنابراین میتوان به دنبال طراحی مولد ولتاژهای بالا با توان پایین و کم خطر بود.
این مقاله دو مشخصه مهم میدان الکتریکی DC وAC تراشههای مایکروفلوئیدیک دیجیتال را بررسی میکند. هدف این مقاله ساخت دستگاهی است که بتوان تاثیر فرکانس بر ولتاژ آستانه AC یا DC برای تحریک قطره را یافت. در این مقاله، طراحی بر مبنای تولید ولتاژهای بالا در فرکانسهای متفاوت بدون استفاده از تقویتکنندههای ولتاژ و توان بالای گران قیمت صورت پذیرفته است.
.2 توصیف مدار
همانطور که در شکل 1 مشاهده میشود این طراحی به صورت ماژولار به بخشهای متفاوتی تقسیم میشود. تغذیه از طریق یک ترانسفورماتور که برق شهر را به 15 ولت تبدیل میکند، تامین میشود. پس از یک سو کردن ولتاژ خروجی از ترانسفورماتور و عبور سیگنال از رگولاتور و فیلتر کردن آن توسط بانک خازنی، ولتاژهای متقارن مثبت و منفی 15 و -15 ولت را تولید میکنیم. برای بخش فانکشن ژنراتور از آیسی 8038 استفاده شده است. این آی سی برای تولید فرکانس متغیر تا 100 کیلوهرتز به خوبی پاسخگو است. تطبیق امپدانس با عبور سیگنال تولید شده از یک بافر ولتاژ انجام شده و پس از آن به منظور تقویت سطح دامنه ولتاژ، از یک تقویت کنندهی توان پوش پول استفاده میشود و سطح دامنه تا 10 ولت افزایش مییابد. در مرحله بعد با اعمال سیگنال تولید شده به یک ترانس فرکانسی طراحی شده با هسته فریت سطح ولتاژ را به 400 ولت متناوب میرسانیم و به منظور تولید ولتاژ DC، سیگنال متناوب تولید شده را یکسو کرده و از صافی خازنی عبور میدهیم.
.3 توصیف سخت افزار
همانطور که گفته شد به منظور تولید موج سینوسی از آیسی 8038 استفاده میشود. این آیسی با ولتاژ حداکثری 36 ولت تغذیه میشود که ولتاژ را به صورت +V و -V به آن اعمال میکنیم. حداکثر جریان قابل تحمل ورودی برای این آی سی 20 میلی آمپر است و فرکانس تولیدی آن را میتوان از 1 هرتز تا 100 کیلو هرتز تغییر داد. امپدانس خروجی 200ICL8038 اهم بوده که حداکثر جریان خروجی قابل تحمل 25 میلی آمپر را تولید میکند .[6] این ویژگیها با توجه به مشخصاتی که از طراحی انتظار داریم همخوانی داشته و میتوان از این آیسی در ساخت منبع تغذیه مورد نظر استفاده کرد. مدار طراحی شده برای بخش مولد موج سینوسی در شکل 2 آورده شده است.
