אופטיקה ברפואה

Optofluidics and Biopchips

גל שי: מגיש

ר בנצי דקל"ד: מרצה

:מטרות

רקע

הבנת הרעיון

יתרונות

בעיות

-רקענמצא ביישומים כמו דימות מולקולרי , זרימה-שילוב יתרונות האופטיקה והמיקרו

(MRI,PET) ,חיישנים ועדשות.

זרימה-מיקרו:

שילוב תחומים לשם טיפול ופיתוח מערכות בהן שימוש בנפחי נוזל קטנים .מאוד

.80-החל בשנות ה

,DNA chipביולוגיה מולקולרית, גנטיקה, מיושם במגוון תחומים כגון אופטיקה lab on chip

18-ראשונות במאה העדויות :spinning pools of mercury

אופטיות ניצול תכונות הזרימה של נוזלים לפיתוח שיטות : 20-הבמאה .dye laserכגון

מאז התפתח התחום בצורה מהירה וכיום נכלל , 2003המונח נתבע לראשונה ב

.במספר רב של תחומי מחקר ויישומים

אופטופלואידימיקרוסקופ

?מה זה

כל מערכת המשלבת את תכונות האופטיקה עם תכונות הזרימה על מנת

אור מבצע מניפולציה על נוזל או < -מערכות אופטיות חדשות/לייצר שיטות

.ההיפך

מתכת או מוליכים למחצה , רוב המערכות האופטיות מורכבות מזכוכית

יש יתרון לנצל את תכונות הנוזלים בהן אך ישנן דוגמאות למערכות אשר electrowetting, מראות נוזליות, oil immersion microscopeכגון

,LCD ועוד .

יתרונות הזרימה –

י שינוי סוג הנוזל "ע בקלותשל מערכת ( אופי אופטי)שינוי תכונות

.במערכת

לעירבוביצירת ממשק אופטי חלק בין נוזלים שלא ניתנים.𝑑 <𝜆

8∗cos(𝜃)

לעירבובי זרימה בנוזלים שניתנים "ע גרדיאנטיצירת.

ואספקהחומרים כמערכת העברת משמש.

י דיפוזיה"יצירת מארג של תכונות אופטיות ע.

יתרונות האופטיקה-

קיימות שיטות חישה אופטיות רבות בעלות רגישות גבוהה.

מיקוד של אור מתרחש ברמות ביולוגיות אשר מעניינות את המחקר.

אור יכול לבצע מניפולציות על נוזלים ועל חומרים הנמצאים בתוך נוזל.

מכניזם או -נקודות מבט' ממס אופטופלואידיותניתן להסתכל על מערכות

. פונקציונליות

:סוגי מכניזם בהם משתמשים 3ישנם

מכניזם נוזל במוצק:

מכניזם בו חשובות התכונות האופטיות של שני החלקים.

אופטופלואידיותמוצק משמש ליצירה וניתוח של מערכות -ממשק נוזל.

י ייצור של מבנה מוצק בעל תאים ריקים אשר גודלם גדול מאורך "מושג ע

.פ צרכי הבדיקה"את תאים אלו ממלאים בנוזל ע, הגל הנבדק

, אופטופלואידיםניתן למצוא מכניזם שכזה בטכנולוגיות רבות כגון מתגים

עדשות אדפטיביות ועד מטריצות של חללים אשר , אופטופלואידימיקרוסקופ

ניתנים למילוי בנוזלים שונים וכך לייצר רכיב זיכרון או תצוגה של צבעים

.שונים

.זרימה על תכונותיה מספקת את היכולת ליצור רכיבים אלו-המיקרו

נוזל-מכניזם נוזל:

עובדה זו מאפשרת מספר , מכניזם בו תכונות הנוזלים הן הרלוונטיות לנו

-יתרונות

אינו , שהוא הרלוונטי מבחינה אופטית, הפרופיל הפיזיקלי של הממשק

.האופטופלואידיתבפרופיל הכללי של המערכת ( במידה מסוימת)תלוי

יותר בתווך הנוזלי ומדוייקותניתן להשיג תוצאות טובות

.המרוכב

ניתן להשיג החלקה אופטית טובה.

ישנה המיקרופלואידיתלארכיטקטורת המערכת -הערה

.השפעה נמוכה על הממשק בין הנוזלים

בעת הצמדת שני נוזלים בעלי צפיפות זהה אשר לא מסיסים -עובדה מעניינת

. נוצרת צורה ספרית מושלמת, אחד בשני

תכונה ייחודית לנוזלים אשר מנוצלת גם היא לטובת התחום -דיפוזיה.

נוזל-מכניזם מוצק:

האופציה השלישית היא טיפול במוצק הנמצא בתווך נוזלי.

ניתן לסווג המכניזם כך:

חלקיקים הקטנים מאורך הגל הפוגע.

חלקיקים הגדולים מאורך הגל הפוגע.

חלקיקים בגודל זהה לאורך הגל הפוגע .

חלקיקים הקטנים מאורך הגל הפוגע :

o ניתן להשתמש בהם על מנת לשנות לגמרי את מקדמי השבירה והבליעה

.של החומר

o התנהגות דומה לrayleigh scattering:

חלקיקים הגדולים מאורך הגל הפוגע:

oניתן להשתמש בחלקיקים אלו כעדשה מרכזת הנמצאת בתווך.

o י"למשל ע, אלו לשלוט בחלקיקיםישנן כל מיני שיטות המאפשרות-

Optical tweezing.

(.חלקיקים טעונים)שדה חשמלי

(.שונה מהסביבה דיאלקטריחלקיקים עם מקדם )חשמלי גרדיאנט

(.פרומגנטייםחלקיקים )שדה מגנטי

(a) If the particle is to the left, say, of the center of the beam, it will refract more light from the right to the left, rather than vice versa. The net effect is to transfer momentum to the beam in this direction, so, by Newton’s third law, the particle will experience an equal and opposite force – back towards the center of the beam. In this example the particle is a dielectric sphere (b) Similarly, if the beam is tightly focused it is possible for the particle to experience a force that pushes back towards the laser beam. .

היכולת לשלוט בצורה אופטית על חלקיקים מביאה עמה optofluidic beamחדשים כגון אופטופלואידיםפיתוחים

manipulator ,light and electric field manipulation ,

. ועוד ננומטרירכיב זיכרון

-ננומטרירכיב זיכרון

מנגנון פעולה

מספר הביטים בכל

כיס הוא

I- מספר העוצמות

M- מספר המינים בכיס

חלקיקים אשר גודלם כגודל אורך הגל הפוגע:

oMie Scattering :אין תלות , הקרינה הנשברת אינה איזוטרופית יותר

אין נוסחאות ברורות , גיאומטריים קירוביםטיפול מסובך ובעל , באורך הגל

.ומדוייקות

PDMS (Poly-di-methyl-siloxane)-

ידועים כסיליקון, סיליקונים-שייך לקבוצה הבנויה ממבנים אורגנו.

לא רעיל, לא דליק, אינרטי.

ידוע גם כdimethicone

בצורת )שמפו , מטר-אלסטו, מיושם במגוון רחב של אפליקציות מרפואה

.מזון ועוד, (שמן

ידוע עבור תכונות הזרימה הייחודיות שלוvisoelastic:

גבוהות יתגבש למרקם נוזלי ' עבור זמני זרימה ארוכים או בטמפ

.סמיך כמו דבש

נמוכות יתגבש לצורה קשיחה ' עבור זמני זרימה קצרים או בטמפ

.וגמישה כמו כדור גומי

מעט יישומים:

מבנים מסוג -שיערamodimethicone אשר מסונתזים לחלקיקים קטנים

.המסיסים במים משמשים כמרכך יעיל במיוחד

משמש כתכשיר הגנה לעור וכתכשיר הגנה מפני כינים -קוסמטיקה.

בנוזל וכחומר המונע היווצרות גזים קיצוףמשמש כחומר המונע -רפואה

.במערכת הגסטרו

תעשייתיםבמזונות , קיצוףמשמש בעיקר בשמן בישול כמונע -אוכל

. חלב עמיד ועוד, ובריבות

?Biochipמהו

ממוזעריםאוסף אתרי מבחן (micro test-sites.)

הזמןעל מצע מוצק המאפשר בדיקות רבות שיש לבצע באותו מסודרים.

ומהירות גבוהות יותרמאפשר תפוקה.

שטח הפנים של , כללבדרךbiochip שבב מחשב . מציפורןיותר לא הוא

לבצע יכול biochipמתמטיות בשנייה אחת מיליוני פעולות מבצע

סריקת קשרי , כגון ריצוף גנים)כימיות /עד מיליוני תגובות ביולוגיותאלפי

.בכמה שניות( חלבון

-רקע

W.S Hughes ,1922: לבצע מצע קשיחלמפתח המצאה המאפשרת

.וכך לאמוד את תכונותיהן הכימיות תהליכי חישה בתמיסות

שני החוקרים המפורסמים מגלים את המבנה : 1953, ווטסון וקריק

מאותו רגע החלו חוקרים שונים לפתח שיטות שונות . א"הספירלי של הדנ

.א"לזיהוי וריצוף מולקולות דנ

השראתה מתהליכי את קבלה הביוטכנולוגיה, מכןבמהלך השנים שלאחר

השילוב בין שני תחומים אלה . למחצה-המזעור שבתעשיית המוליכים .biochipה הוליד את

סוגיbiochips:

DNA Microarray

מערך חלבון

Lab in Chip

Organ on chip

DNA microarray :זכוכית או פלסטיק שאליהם מודבקות שבבי . גדילי-חד DNA חתיכות

oבדרך כלל משמשים לאיתור נוכחות שלmRNA (פ מיוצרים "ע, א רציף"רנ (.חלבונים

o מיליוני מולקולותDNA 100~גודל התאים , קשורות בכל תא במערךx100 . מיקרון

o 1000-3000בסיסים או 25-30הרצפים הם

.בסיסים

oפ צרכי הבדיקה"מסונתז ע/כל רצף בתאים נבחר.

o י "של גן לפני החיבור ע" הגברה"ניתן לבצעPCR.

o (.אותו גן משתי דגימות שונות)משמש להשוואה ברמות ביטוי בין גנים

o ניתן לאבחןgain & loss של גנים .

oא"ניתן לזהות מוטציות ברצפי דנ

o מהיר מאוד, ונייד( קטן)נוח לשימוש , (יחסית)זול.

o גבוהההן שישנה סכנת הדבקות הבעיות.

o לאשיטה זו יעילה רק לגילוי האם גן מתבטא או.

o לעיבודכמויות מידע אדירות.

עיקרון העבודה בשיטות השונות הוא זהה חיבור גורמי עניין למצע

.וחשיפתם לדגימות רצויות כאשר אלו מסומנות

: יישומים רפואיים שונים כגון biochipל

תרומה משמעותית לחקר הסרטן.

מהווה קפיצת מדרגה בתחום הרפואה המותאמת אישית על בסיס

.הגנום של אדם ספציפי

מולקולות-וכימות של ביו לאיפיוןמשמש.