این مقاله به معرفی یکی از کاربردهای جدید تراشه های الکترونیکی در عرصه علوم زیستی می پردازد. جای دادن یک آزمایشگاه بیولوژیکی بر روی یک تراشه کوچک، موضوعی است که در سال های اخیر امیدهای بسیاری را جهت تشخیص بیماری ها به کمک دستگاه های الکترونیکی قابل حمل به وجود آورده است. ما نیز در این مقاله به شرح تکنیک های ساخت سیستمی می پردازیم که ضمن فراهم آوردن محیطی در ابعاد کمتر از یک صدم میلی متر مکعب جهت رشد باکتری ها، قادر است برآوردی از رشد باکتری را نیز به صورت تابعی از زمان ارایه نماید. این سیستم از دو بخش الکترونیکی و میکروفلوئیدیکی تشکیل شده است. بخش الکترونیکی این سیستم را یک حسگر خازنی تشکیل می دهد که تغییرات خازنی ناشی از رشد باکتری را به سیگنالی الکتریکی تبدیل می کند و بخش میکروفلوئیدیکی آن را یک کانال به قطری در حدود یکصد میکرومتر تشکیل می دهد که در بالای سطح تراشه حسگر ساخته می شود. این مقاله ضمن ارایه نتایج ساخت سیستم طراحی شده، منحنی های رشد باکتری "E.Coli" با غلظت های اولیه 106 و 107 در یک میلی لیتر از ماده نگهدارنده را به نمایش می گذارد.

پیشرفت های اخیر در دانش و فناوری سبب شده است تا شاهد انقلاب در بسیاری از حوزه های مختلف علمی و صنعتی باشیم. اصطلاح آزمایشگاه در یک تراشه یا به عبارت دیگر انجام انواع آنالیزهای پیچیده تنها در مدت زمان اندک و در یک فضای بسیار کوچک اصطلاحی است که در سال های اخیر بسیار رایج گردیده و آنچه درگذشته به عنوان یک آرزو مطرح بوده اکنون به صورت عملی و واقعی وارد زندگی نوع بشر شده است. در این مقاله تلاش گردیده تا نوع خاصی از فناوری آزمایشگاه بر روی یک تراشه که البته یکی از رایج ترین آن ها نیز هست، یعنی دانش و فناوری میکروسیال (میکروکانال) موردبحث و بررسی قرار گیرد. گستره وسیع کاربرد این فناوری سبب گردیده است تا استفاده از آن به سرعت عملی گردد. هرچند گستره ی این فناوری بسیار وسیع است و در بسیاری از شاخه های علم و صنعت وارد گردیده اما در اینجا تنها کاربردهای این فناوری در حوزه های تشخیصی در پزشکی و بیولوژی موردتوجه قرار گرفته است. در این مقاله به خصوص به بررسی دستگاه های ساخته شده با فناوری میکروسیال برای آنالیز DNA، دستگاه های تشخیصی بر اساس جداسازی، دستگاه ها برای بررسی، مرتب کردن و آنالیز عمومی سلول ها و دستگاه های مبتی بر اساس پروتئین موردبحث و بررسی قرار گرفته است.

امروزه تمایل بسیاری به استفاده از میکروسیستم ها ی تحلیلی در زمینه ی تشخیص های مولکولی و میکروسیالاتی وجود دارد چراکه مزایایی مانند فضای کم، کاهش میزان مصرف نمونه و کاهش زمان تحلیل دارند. میکروسیالات دورانی یک زیر شاخه از حوزه ی میکروسیالات است که با بهره گیری از نیروهای گریز از مرکز باعث حرکت سیال در شبکه های محصور شده در سیستم ها ی دیسک شکل دوار می گردد . المان جداسازی یکی از پرکاربردترین المان های به کار رفته در این سیستم ها می باشد که به منظور جداسازی ذرات موجود در نمونه به کار می رود. در این پژوهش روش هندسی جدیدی برای جداسازی ذرات معلق در یک نمونه سیال به روش منفعل ارائه شده است. هندسه مارپیچ شکل به کار رفته در این مدل باعث می شود نیروی گریز از مرکز محلی ناشی از انحنای کانال علاوه بر نیروهای گریز از مرکز و کوریولیس ناشی از دوران دیسک به فرایند جداسازی کمک کند. در ابتدا روند جداسازی ذرات در کانال مطالعه می شود و سپس تاثیر پارامترهای طول کانال و سرعت دوران بر بازدهی المان بررسی می گردد. نتایج حاصل از آزمایش ها بازدهی جداسازی بالای 90 درصد را نشان دادند که حاکی از پتانسیل بالای این المان در فرایند جداسازی می باشد. همچنین افزایش سرعت دورانی و طول کانال مارپیچ باعث بهتر شدن فرایند جداسازی و افزایش بازدهی می گردد.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

میکرومیکسرها از اجزای حیاتی در دستگاه های آزمایشگاه-روی-تراشه به شمار می روند. کاربرد اصلی آنها اختلاط دوگونه سیال با کیفیت مطلوب در حداقل زمان اختلاط است. در این مقاله چند نوع میکسر فعال و غیرفعال با طراحی های نوآورانه به منظور افزایش کیفیت اختلاط و کاهش زمان آن مورد مطالعه عددی قرار گرفته اند. مدل سازی عددی توسط حل معادلات غیرخطی و به هم وابسته پواسون-نرنست-پلنک-ناویر-استوکس و با استفاده از کد خانگی رایان انجام گرفته است. این معادلات که در مقیاس محیط پیوسته پدیده های همرفت، مهاجرت الکتریکی و نفوذ مولکولی را در نظر می گیرند مدل دقیق تری از فیزیک واقعی غالب بر میکرومیکسرهای الکتروسینتیکی فعال با الکترودهای ولتاژ متغیر را ارایه می نمایند. روش های رایج و ساده سازی شده همچون مدل پواسون-بولتزمن بر پایه فرضیات ساده شده بنا شده اند و در نتیجه در مواردی مانند وجود پیچیدگی در هندسه و استفاده از الکترودهای ولتاژ متغیر دقت خود را به شدت از دست می دهند. از طرف دیگر مدل پواسون-بولتزمن از نظر حل عددی به مراتب از مدل پواسون-نرنست-پلنک-ناویر-استوکس ساده تر بوده و مدل سازی بر اساس آن از نظر عددی بسیار ارزان تر است. یکی از دستاوردهای این پژوهش نشان می دهد در میکرومیکسرهای غیرفعال با استفاده از چند مانع کوچک به عنوان جایگزین یک مانع بزرگ کیفیت اختلاط در نمونه مدل سازی شده به مقدار 13% افزایش یافته است. یکی دیگر از دستاوردهای اصلی این پژوهش معرفی چیدمان همزمان الکترودهای عمودی و افقی ولتاژ متغیر با زمان برای اولین بار است. این طرح جدید موجب ایجاد فوران های عمود بر جریان اصلی می شود و اختلاط را بهبود می دهد. در نتیجه تغییرات پیشنهادی در کار حاضر، بهبود افزایش کیفیت اختلاط به 99% و کاهش زمان رسیدن به اختلاط پایدار به 7/2ثانیه حاصل شده است.

این مقاله به کوچک سازی سنسور C4D برای سیستم های آزمایشگاهی بر روی تراشه(LOC) و چگونگی تاثیر پارامترهای آن نظیر جنس تراشه، بار یونی و فرکانس و هندسه الکترودها بر روی آن از طریق نرم افزار کامسول می پردازد. نتایج نشان می دهند هنگامی که جنس تراشه از شیشه باشد، چگالی جریان در زمان حضور یون به A/m2003/0 افزایش می یابد و تراشه ای از جنس پلی دی متیل سیلوکسان این چگالی را به A/m2 0015/0 می رساند. با بکارگیری ترکیبی از این دو ماده علاوه بر دستیابی به مزایای پلی دی متیل سیلوکسان، حساسیت حسگر نیز افزایش می یابد. افزون بر این، افزایش فرکانس ورودی مانع از هر گونه تغییر چگالی ناگهانی جریان می شود و تغییر بار یونی از 1 تا 5، منجر به تغییر هدایت الکتریکی از S/m 7-10 تا S/m 7-10 × 8 می گردد. طراحی تراشه با چهار الکترود نیز به دلیل شدت جریان بالاتر در بدنه محلول، حساسیت حسگر را افزایش می دهد. انتخاب مناسب سنسور C4D بر روی تراشه با حساسیت بالا می-تواند در آینده زمینه ساز بسیاری از پیشرفت ها در زمینه پزشکی و تشخیص طبی باشد.

در سالیان اخیر، میکروفلوییدیک اینرسیایی (استفاده از نیروهای اینرسی در میکروکانال ها) توجهات بسیاری را در حوزه ی جداسازی ذرات به خود جلب کرده است. مزیت این روش نسبت به سایر شیوه های جداسازی و غنی سازی، قابلیت استفاده در دبی های بالا و ارزان بودن آن می باشد. در پژوهش حاضر با هدف غنی سازی سیال از ذرات با قطر بیش از 15 میکرون، میکروکانال مستطیلی با مقاطع عریض و باریک در نظر گرفته شد که در آن، بخش های عریض (مخزن ها) وظیفه ی به دام اندازی ذرات با قطر بزرگ را بر عهده دارند. به کمک روش المان محدود و با حل معادلات ناویر-استوکس، خطوط جریان و شکل گردابه ها محاسبه گردید. مشاهده شد که به ازای دبی های ورودی در محدوده ی 25/0 تا 5/0 میلی لیتر بر دقیقه (مطابق با محدوده دبی های به کار گرفته شده در پژوهش های تجربی)، بیشترین درصد به دام اندازی ذرات با قطرهای بیش از 10 میکرون در نزدیکی دبی 35/0 میلی لیتر بر دقیقه رخ می دهد. همچنین اثر پارامترهایی همچون ارتفاع کانال، تعداد مخازن و طول اولیه ی مقطع باریک نیز بر درصد به دام اندازی سنجیده شد. در نهایت، در راستای نزدیک شدن به کاربردهای عملی، اثر تغییر لزجت ناشی از جایگزینی سیال خون به جای آب نیز مورد بررسی قرار گرفت که منجر به شکل گیری گردابه ها در دبی های بالاتر شد. به طور کلی، گردابه های ایجاد شده در بخش عریض که شدت و ضعف آن ها وابسته به پارامترهای ذکر شده می باشد، نقش غالب را در جداسازی ذرات ایفا نموده، در حالی که نیروهای لیفت اینرسیایی بیشتر در نقش هدایت کننده ی ابتدایی برای جداسازی به شمار می روند.

شبکه روی تراشه، زیرسیستم ارتباطی درون یک مدار مجتمع است که ارتباط بین پردازنده ها در سیستم روی تراشه را فراهم می سازد. برای رسیدن از یک گره به گره دیگر، چندین مسیر مختلف وجود دارد؛ بنابراین باید الگوریتم مسیریابی وجود داشته باشد تا به وسیله آن مسیر رسیدن به مقصد را به دست آورد. در این مقاله الگوریتمی مبتنی بر کاهش مسیر عبوری برای رسیدن یک بسته از مبدا به مقصد ارایه شده است؛ این الگوریتم قادر است علاوه بر بالابردن قابلیت اطمینان، باعث کاهش تاخیر، توان مصرفی و افزایش کارآیی شبکه روی تراشه شود و این در شرایطی است که بیشتر شبکه های تحمل پذیر خطای ارایه شده در این حوزه به ازای رسیدن به قابلیت اطمینان بالاتر، پارامترهایی ازقبیل تاخیر، توان مصرفی و پیچیدگی های مداربندی را افزایش می دهند. روش ارایه شده با کمترین تغییرات سخت افزاری و پیچیدگی مداری باعث بهبود کارآیی شبکه می شود. مسیر گذرانده شده با بسته برای رسیدن به مقصد کاهش می یابد و این کاهش مسیر یعنی عبور از تعداد لینک و مسیریاب کمتر و کاهش احتمال برخورد با لینک ها و مسیریاب های معیوب و افزایش قابلیت اطمینان شبکه. همچنین عبور از تعداد لینک ها و مسیریاب های کمتر موجب کمترشدن تاخیر و توان مصرفی شبکه نیز خواهد شد.

الگوریتم های مسیریابی متعددی برای ارتباطات تک پخشی و چندپخشی در سیستم های روی تراشه چندپردازنده ای ارائه شده است. پروتکل های چندپخشی برای شبکه های روی تراشه در سال های اخیر، در هماهنگ سازی ساعت، دسترسی های مکرر به حافظه های مشترک توزیع شده، هم زمانی و همسان سازی حافظه های نهان مورد استفاده قرار می گیرند. الگوریتم های مسیریابی تک پخشی برای هدایت بسته های چندپخشی مناسب نیستند چون احتمال بروز مشکلاتی از قبیل افزایش ترافیک، ازدحام و بن بست را در شبکه روی تراشه بالا می برند. از جمله راهکارهای برجسته برای ارتباطات چندپخشی در سیستم های چندکامپیوتری عبارتند از الگوریتم های مبتنی بر مسیر و الگوریتم های مبتنی بر درخت که در سال های اخیر این راهکارها به شبکه های روی تراشه نیز تعمیم داده شده اند. در این مقاله، طرح پیشنهادی با استفاده از شبکه بازپیکربند، سعی در کاهش توان مصرفی و تاخیر بسته های چندپخشی در طول مسیر دارد. به طور دقیق تر، چنین ساختاری با استفاده از سوییچ های ساده در همبندی بازپیکربند به جای مسیریاب ها و با بخش بندی شبکه به اندازه های کوچک تر، درخت هایی را برای هدایت بسته های چندپخشی می سازد که منجر به بهبود توان مصرفی و تاخیر ارسال پیام می شود. نتایج به دست آمده از شبیه سازی بر روی ترافیک های واقعی و ساختگی، نشان از برتری روش پیشنهادی ارائه شده در مقایسه با روش های قبلی مبتنی بر درخت با حداکثر کاهش 33% توان مصرفی و 51% تاخیر متوسط بسته ها دارد.