1. ‫ברפואה‬ ‫אופטיקה‬
Optofluidics and Biopchips
‫מגיש‬:‫שי‬ ‫גל‬
‫מרצה‬:‫ד‬"‫דקל‬ ‫בנצי‬ ‫ר‬

2. ‫מטרות‬:
‫רקע‬
‫הרעיון‬ ‫הבנת‬
‫יתרונות‬
‫בעיות‬

3. ‫רקע‬-
‫והמיקרו‬ ‫האופטיקה‬ ‫יתרונות‬ ‫שילוב‬-‫זרימה‬,‫מולקולרי‬ ‫דימות‬ ‫כמו‬ ‫ביישומים‬ ‫נמצא‬
(MRI,PET),‫ועדשות‬ ‫חיישנים‬.
‫מיקרו‬-‫זרימה‬:
‫קטנים‬ ‫נוזל‬ ‫בנפחי‬ ‫שימוש‬ ‫בהן‬ ‫מערכות‬ ‫ופיתוח‬ ‫טיפול‬ ‫לשם‬ ‫תחומים‬ ‫שילוב‬
‫מאוד‬.
‫ה‬ ‫בשנות‬ ‫החל‬-80.
‫אופטיקה‬ ‫כגון‬ ‫תחומים‬ ‫במגוון‬ ‫מיושם‬,‫גנטיקה‬,‫מולקולרית‬ ‫ביולוגיה‬DNA chip,
lab on chip

4. ‫עדויות‬‫ה‬ ‫במאה‬ ‫ראשונות‬-18:spinning pools of mercury
‫במאה‬‫ה‬-20:‫שיטות‬ ‫לפיתוח‬ ‫נוזלים‬ ‫של‬ ‫הזרימה‬ ‫תכונות‬ ‫ניצול‬‫אופטיות‬
‫כגון‬dye laser.

5. ‫ב‬ ‫לראשונה‬ ‫נתבע‬ ‫המונח‬2003,‫נכלל‬ ‫וכיום‬ ‫מהירה‬ ‫בצורה‬ ‫התחום‬ ‫התפתח‬ ‫מאז‬
‫ויישומים‬ ‫מחקר‬ ‫תחומי‬ ‫של‬ ‫רב‬ ‫במספר‬.
‫מיקרוסקופ‬‫אופטופלואידי‬

6. ‫זה‬ ‫מה‬?
‫מנת‬ ‫על‬ ‫הזרימה‬ ‫תכונות‬ ‫עם‬ ‫האופטיקה‬ ‫תכונות‬ ‫את‬ ‫המשלבת‬ ‫מערכת‬ ‫כל‬
‫שיטות‬ ‫לייצר‬/‫חדשות‬ ‫אופטיות‬ ‫מערכות‬->‫או‬ ‫נוזל‬ ‫על‬ ‫מניפולציה‬ ‫מבצע‬ ‫אור‬
‫ההיפך‬.
‫מזכוכית‬ ‫מורכבות‬ ‫האופטיות‬ ‫המערכות‬ ‫רוב‬,‫למחצה‬ ‫מוליכים‬ ‫או‬ ‫מתכת‬
‫אשר‬ ‫למערכות‬ ‫דוגמאות‬ ‫ישנן‬ ‫אך‬‫בהן‬ ‫הנוזלים‬ ‫תכונות‬ ‫את‬ ‫לנצל‬ ‫יתרון‬ ‫יש‬
‫כגון‬oil immersion microscope,‫נוזליות‬ ‫מראות‬,electrowetting
,LCD‫ועוד‬.

7. ‫הזרימה‬ ‫יתרונות‬–
‫תכונות‬ ‫שינוי‬(‫אופטי‬ ‫אופי‬)‫מערכת‬ ‫של‬‫בקלות‬‫ע‬"‫הנוזל‬ ‫סוג‬ ‫שינוי‬ ‫י‬
‫במערכת‬.
‫ניתנים‬ ‫שלא‬ ‫נוזלים‬ ‫בין‬ ‫חלק‬ ‫אופטי‬ ‫ממשק‬ ‫יצירת‬‫לעירבוב‬.𝑑 <
𝜆
8∗cos⁡( 𝜃)
‫יצירת‬‫גרדיאנט‬‫ע‬"‫שניתנים‬ ‫בנוזלים‬ ‫זרימה‬ ‫י‬‫לעירבוב‬.
‫משמש‬‫העברת‬ ‫כמערכת‬‫חומרים‬‫ואספקה‬.
‫ע‬ ‫אופטיות‬ ‫תכונות‬ ‫של‬ ‫מארג‬ ‫יצירת‬"‫דיפוזיה‬ ‫י‬.

8. ‫האופטיקה‬ ‫יתרונות‬-
‫גבוהה‬ ‫רגישות‬ ‫בעלות‬ ‫רבות‬ ‫אופטיות‬ ‫חישה‬ ‫שיטות‬ ‫קיימות‬.
‫המחקר‬ ‫את‬ ‫מעניינות‬ ‫אשר‬ ‫ביולוגיות‬ ‫ברמות‬ ‫מתרחש‬ ‫אור‬ ‫של‬ ‫מיקוד‬.
‫נוזל‬ ‫בתוך‬ ‫הנמצאים‬ ‫חומרים‬ ‫ועל‬ ‫נוזלים‬ ‫על‬ ‫מניפולציות‬ ‫לבצע‬ ‫יכול‬ ‫אור‬.

9. ‫מערכות‬ ‫על‬ ‫להסתכל‬ ‫ניתן‬‫אופטופלואידיות‬‫ממס‬'‫מבט‬ ‫נקודות‬-‫או‬ ‫מכניזם‬
‫פונקציונליות‬.
‫ישנם‬3‫משתמשים‬ ‫בהם‬ ‫מכניזם‬ ‫סוגי‬:
‫במוצק‬ ‫נוזל‬ ‫מכניזם‬:
‫החלקים‬ ‫שני‬ ‫של‬ ‫האופטיות‬ ‫התכונות‬ ‫חשובות‬ ‫בו‬ ‫מכניזם‬.
‫נוזל‬ ‫ממשק‬-‫מערכות‬ ‫של‬ ‫וניתוח‬ ‫ליצירה‬ ‫משמש‬ ‫מוצק‬‫אופטופלואידיות‬.
‫ע‬ ‫מושג‬"‫מאורך‬ ‫גדול‬ ‫גודלם‬ ‫אשר‬ ‫ריקים‬ ‫תאים‬ ‫בעל‬ ‫מוצק‬ ‫מבנה‬ ‫של‬ ‫ייצור‬ ‫י‬
‫הנבדק‬ ‫הגל‬,‫ע‬ ‫בנוזל‬ ‫ממלאים‬ ‫אלו‬ ‫תאים‬ ‫את‬"‫הבדיקה‬ ‫צרכי‬ ‫פ‬.

10. ‫מתגים‬ ‫כגון‬ ‫רבות‬ ‫בטכנולוגיות‬ ‫שכזה‬ ‫מכניזם‬ ‫למצוא‬ ‫ניתן‬‫אופטופלואידים‬,
‫מיקרוסקופ‬‫אופטופלואידי‬,‫אשר‬ ‫חללים‬ ‫של‬ ‫מטריצות‬ ‫ועד‬ ‫אדפטיביות‬ ‫עדשות‬
‫צבעים‬ ‫של‬ ‫תצוגה‬ ‫או‬ ‫זיכרון‬ ‫רכיב‬ ‫לייצר‬ ‫וכך‬ ‫שונים‬ ‫בנוזלים‬ ‫למילוי‬ ‫ניתנים‬
‫שונים‬.
‫המיקרו‬-‫אלו‬ ‫רכיבים‬ ‫ליצור‬ ‫היכולת‬ ‫את‬ ‫מספקת‬ ‫תכונותיה‬ ‫על‬ ‫זרימה‬.

11. ‫נוזל‬ ‫מכניזם‬-‫נוזל‬:
‫לנו‬ ‫הרלוונטיות‬ ‫הן‬ ‫הנוזלים‬ ‫תכונות‬ ‫בו‬ ‫מכניזם‬,‫מספר‬ ‫מאפשרת‬ ‫זו‬ ‫עובדה‬
‫יתרונות‬-
‫הממשק‬ ‫של‬ ‫הפיזיקלי‬ ‫הפרופיל‬,‫אופטית‬ ‫מבחינה‬ ‫הרלוונטי‬ ‫שהוא‬,‫אינו‬
‫תלוי‬(‫מסוימת‬ ‫במידה‬)‫המערכת‬ ‫של‬ ‫הכללי‬ ‫בפרופיל‬‫האופטופלואידית‬.

12. ‫טובות‬ ‫תוצאות‬ ‫להשיג‬ ‫ניתן‬‫ומדוייקות‬‫הנוזלי‬ ‫בתווך‬ ‫יותר‬
‫המרוכב‬.
‫טובה‬ ‫אופטית‬ ‫החלקה‬ ‫להשיג‬ ‫ניתן‬.
‫הערה‬-‫המערכת‬ ‫לארכיטקטורת‬‫המיקרופלואידית‬‫ישנה‬
‫הנוזלים‬ ‫בין‬ ‫הממשק‬ ‫על‬ ‫נמוכה‬ ‫השפעה‬.

13. ‫מעניינת‬ ‫עובדה‬-‫מסיסים‬ ‫לא‬ ‫אשר‬ ‫זהה‬ ‫צפיפות‬ ‫בעלי‬ ‫נוזלים‬ ‫שני‬ ‫הצמדת‬ ‫בעת‬
‫בשני‬ ‫אחד‬,‫מושלמת‬ ‫ספרית‬ ‫צורה‬ ‫נוצרת‬.

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

18. ‫מוצק‬ ‫מכניזם‬-‫נוזל‬:
‫נוזלי‬ ‫בתווך‬ ‫הנמצא‬ ‫במוצק‬ ‫טיפול‬ ‫היא‬ ‫השלישית‬ ‫האופציה‬.
‫כך‬ ‫המכניזם‬ ‫לסווג‬ ‫ניתן‬:
‫הפוגע‬ ‫הגל‬ ‫מאורך‬ ‫הקטנים‬ ‫חלקיקים‬.
‫הפוגע‬ ‫הגל‬ ‫מאורך‬ ‫הגדולים‬ ‫חלקיקים‬.
‫הפוגע‬ ‫הגל‬ ‫לאורך‬ ‫זהה‬ ‫בגודל‬ ‫חלקיקים‬.

19. ‫הפוגע‬ ‫הגל‬ ‫מאורך‬ ‫הקטנים‬ ‫חלקיקים‬:
o‫והבליעה‬ ‫השבירה‬ ‫מקדמי‬ ‫את‬ ‫לגמרי‬ ‫לשנות‬ ‫מנת‬ ‫על‬ ‫בהם‬ ‫להשתמש‬ ‫ניתן‬
‫החומר‬ ‫של‬.
o‫ל‬ ‫דומה‬ ‫התנהגות‬rayleigh scattering:

20. ‫הפוגע‬ ‫הגל‬ ‫מאורך‬ ‫הגדולים‬ ‫חלקיקים‬:
o‫בתווך‬ ‫הנמצאת‬ ‫מרכזת‬ ‫כעדשה‬ ‫אלו‬ ‫בחלקיקים‬ ‫להשתמש‬ ‫ניתן‬.
o‫המאפשרות‬ ‫שיטות‬ ‫מיני‬ ‫כל‬ ‫ישנן‬‫בחלקיקים‬ ‫לשלוט‬‫אלו‬,‫ע‬ ‫למשל‬"‫י‬-
Optical tweezing.
‫חשמלי‬ ‫שדה‬(‫טעונים‬ ‫חלקיקים‬.)
‫גרדיאנט‬‫חשמלי‬(‫מקדם‬ ‫עם‬ ‫חלקיקים‬‫דיאלקטרי‬‫מהסביבה‬ ‫שונה‬.)
‫מגנטי‬ ‫שדה‬(‫חלקיקים‬‫פרומגנטיים‬.)
(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.

21. ‫עמה‬ ‫מביאה‬ ‫חלקיקים‬ ‫על‬ ‫אופטית‬ ‫בצורה‬ ‫לשלוט‬ ‫היכולת‬
‫פיתוחים‬‫אופטופלואידים‬‫כגון‬ ‫חדשים‬optofluidic beam
manipulator,light and electric field manipulation,
‫זיכרון‬ ‫רכיב‬‫ננומטרי‬‫ועוד‬.

22. ‫זיכרון‬ ‫רכיב‬‫ננומטרי‬-
‫פעולה‬ ‫מנגנון‬

23. ‫בכל‬ ‫הביטים‬ ‫מספר‬
‫הוא‬ ‫כיס‬
I-‫העוצמות‬ ‫מספר‬
M-‫בכיס‬ ‫המינים‬ ‫מספר‬

24. ‫הפוגע‬ ‫הגל‬ ‫אורך‬ ‫כגודל‬ ‫גודלם‬ ‫אשר‬ ‫חלקיקים‬:
oMie Scattering:‫יותר‬ ‫איזוטרופית‬ ‫אינה‬ ‫הנשברת‬ ‫הקרינה‬,‫תלות‬ ‫אין‬
‫הגל‬ ‫באורך‬,‫ובעל‬ ‫מסובך‬ ‫טיפול‬‫קירובים‬‫גיאומטריים‬,‫ברורות‬ ‫נוסחאות‬ ‫אין‬
‫ומדוייקות‬.

25. PDMS (Poly-di-methyl-siloxane)-
‫אורגנו‬ ‫ממבנים‬ ‫הבנויה‬ ‫לקבוצה‬ ‫שייך‬-‫סיליקונים‬,‫כסיליקון‬ ‫ידועים‬.
‫אינרטי‬,‫דליק‬ ‫לא‬,‫רעיל‬ ‫לא‬.
‫כ‬ ‫גם‬ ‫ידוע‬dimethicone
‫מרפואה‬ ‫אפליקציות‬ ‫של‬ ‫רחב‬ ‫במגוון‬ ‫מיושם‬,‫אלסטו‬-‫מטר‬,‫שמפו‬(‫בצורת‬
‫שמן‬),‫ועוד‬ ‫מזון‬.

26. ‫שלו‬ ‫הייחודיות‬ ‫הזרימה‬ ‫תכונות‬ ‫עבור‬ ‫ידוע‬visoelastic:
‫בטמפ‬ ‫או‬ ‫ארוכים‬ ‫זרימה‬ ‫זמני‬ ‫עבור‬'‫נוזלי‬ ‫למרקם‬ ‫יתגבש‬ ‫גבוהות‬
‫דבש‬ ‫כמו‬ ‫סמיך‬.
‫בטמפ‬ ‫או‬ ‫קצרים‬ ‫זרימה‬ ‫זמני‬ ‫עבור‬'‫קשיחה‬ ‫לצורה‬ ‫יתגבש‬ ‫נמוכות‬
‫גומי‬ ‫כדור‬ ‫כמו‬ ‫וגמישה‬.

27. ‫יישומים‬ ‫מעט‬:
‫שיער‬-‫מסוג‬ ‫מבנים‬amodimethicone‫קטנים‬ ‫לחלקיקים‬ ‫מסונתזים‬ ‫אשר‬
‫במיוחד‬ ‫יעיל‬ ‫כמרכך‬ ‫משמשים‬ ‫במים‬ ‫המסיסים‬.
‫קוסמטיקה‬-‫כינים‬ ‫מפני‬ ‫הגנה‬ ‫וכתכשיר‬ ‫לעור‬ ‫הגנה‬ ‫כתכשיר‬ ‫משמש‬.
‫רפואה‬-‫המונע‬ ‫כחומר‬ ‫משמש‬‫קיצוף‬‫גזים‬ ‫היווצרות‬ ‫המונע‬ ‫וכחומר‬ ‫בנוזל‬
‫הגסטרו‬ ‫במערכת‬.
‫אוכל‬-‫כמונע‬ ‫בישול‬ ‫בשמן‬ ‫בעיקר‬ ‫משמש‬‫קיצוף‬,‫במזונות‬‫תעשייתים‬
‫ובריבות‬,‫ועוד‬ ‫עמיד‬ ‫חלב‬.

28. ‫מהו‬Biochip?
‫מבחן‬ ‫אתרי‬ ‫אוסף‬‫ממוזערים‬(micro test-sites.)
‫מסודרים‬‫באותו‬ ‫לבצע‬ ‫שיש‬ ‫רבות‬ ‫בדיקות‬ ‫המאפשר‬ ‫מוצק‬ ‫מצע‬ ‫על‬‫הזמן‬.
‫תפוקה‬ ‫מאפשר‬‫יותר‬ ‫גבוהות‬ ‫ומהירות‬.
‫בדרך‬‫כלל‬,‫של‬ ‫הפנים‬ ‫שטח‬biochip‫הוא‬‫לא‬‫יותר‬‫מציפורן‬.‫מחשב‬ ‫שבב‬
‫מבצע‬‫פעולות‬ ‫מיליוני‬‫אחת‬ ‫בשנייה‬ ‫מתמטיות‬biochip‫יכול‬‫לבצע‬
‫אלפי‬‫ביולוגיות‬ ‫תגובות‬ ‫מיליוני‬ ‫עד‬/‫כימיות‬(‫גנים‬ ‫ריצוף‬ ‫כגון‬,‫קשרי‬ ‫סריקת‬
‫חלבון‬)‫שניות‬ ‫בכמה‬.

29. ‫רקע‬-
W.S Hughes,1922:‫המאפשרת‬ ‫המצאה‬ ‫מפתח‬‫ל‬‫קשיח‬ ‫מצע‬‫לבצע‬
‫בתמיסות‬ ‫חישה‬ ‫תהליכי‬‫הכימיות‬ ‫תכונותיהן‬ ‫את‬ ‫לאמוד‬ ‫וכך‬.
‫וקריק‬ ‫ווטסון‬,1953:‫המבנה‬ ‫את‬ ‫מגלים‬ ‫המפורסמים‬ ‫החוקרים‬ ‫שני‬
‫הדנ‬ ‫של‬ ‫הספירלי‬"‫א‬.‫שונות‬ ‫שיטות‬ ‫לפתח‬ ‫שונים‬ ‫חוקרים‬ ‫החלו‬ ‫רגע‬ ‫מאותו‬
‫דנ‬ ‫מולקולות‬ ‫וריצוף‬ ‫לזיהוי‬"‫א‬.
‫שלאחר‬ ‫השנים‬ ‫במהלך‬‫מכן‬,‫הביוטכנולוגיה‬ ‫קבלה‬‫את‬‫מתהליכי‬ ‫השראתה‬
‫המוליכים‬ ‫שבתעשיית‬ ‫המזעור‬-‫למחצה‬.‫אלה‬ ‫תחומים‬ ‫שני‬ ‫בין‬ ‫השילוב‬
‫את‬ ‫הוליד‬‫ה‬biochip.

30. ‫סוגי‬biochips:
DNA Microarray
‫חלבון‬ ‫מערך‬
Lab in Chip
Organ on chip

31. DNA microarray:‫שבבי‬‫מודבקות‬ ‫שאליהם‬ ‫פלסטיק‬ ‫או‬ ‫זכוכית‬
‫חתיכות‬DNA‫חד‬-‫גדילי‬.
o‫של‬ ‫נוכחות‬ ‫לאיתור‬ ‫משמשים‬ ‫כלל‬ ‫בדרך‬mRNA(‫רנ‬"‫רציף‬ ‫א‬,‫ע‬"‫מיוצרים‬ ‫פ‬
‫חלבונים‬.)
o‫מולקולות‬ ‫מיליוני‬DNA‫במערך‬ ‫תא‬ ‫בכל‬ ‫קשורות‬,‫התאים‬ ‫גודל‬~100x100
‫מיקרון‬.
o‫הם‬ ‫הרצפים‬25-30‫או‬ ‫בסיסים‬1000-3000
‫בסיסים‬.
o‫נבחר‬ ‫בתאים‬ ‫רצף‬ ‫כל‬/‫ע‬ ‫מסונתז‬"‫הבדיקה‬ ‫צרכי‬ ‫פ‬.
o‫לבצע‬ ‫ניתן‬"‫הגברה‬"‫ע‬ ‫החיבור‬ ‫לפני‬ ‫גן‬ ‫של‬"‫י‬PCR.

32. o‫גנים‬ ‫בין‬ ‫ביטוי‬ ‫ברמות‬ ‫להשוואה‬ ‫משמש‬(‫שונות‬ ‫דגימות‬ ‫משתי‬ ‫גן‬ ‫אותו‬.)
o‫לאבחן‬ ‫ניתן‬gain & loss‫גנים‬ ‫של‬.
o‫דנ‬ ‫ברצפי‬ ‫מוטציות‬ ‫לזהות‬ ‫ניתן‬"‫א‬

33. o‫זול‬(‫יחסית‬),‫לשימוש‬ ‫נוח‬(‫קטן‬)‫ונייד‬,‫מאוד‬ ‫מהיר‬.
o‫הבעיות‬‫הדבקות‬ ‫סכנת‬ ‫שישנה‬ ‫הן‬‫גבוהה‬.
o‫או‬ ‫מתבטא‬ ‫גן‬ ‫האם‬ ‫לגילוי‬ ‫רק‬ ‫יעילה‬ ‫זו‬ ‫שיטה‬‫לא‬.
o‫אדירות‬ ‫מידע‬ ‫כמויות‬‫לעיבוד‬.

34. ‫למצע‬ ‫עניין‬ ‫גורמי‬ ‫חיבור‬ ‫זהה‬ ‫הוא‬ ‫השונות‬ ‫בשיטות‬ ‫העבודה‬ ‫עיקרון‬
‫מסומנות‬ ‫אלו‬ ‫כאשר‬ ‫רצויות‬ ‫לדגימות‬ ‫וחשיפתם‬.
‫ל‬biochip‫כגון‬ ‫שונים‬ ‫רפואיים‬ ‫יישומים‬:
‫הסרטן‬ ‫לחקר‬ ‫משמעותית‬ ‫תרומה‬.
‫בסיס‬ ‫על‬ ‫אישית‬ ‫המותאמת‬ ‫הרפואה‬ ‫בתחום‬ ‫מדרגה‬ ‫קפיצת‬ ‫מהווה‬
‫ספציפי‬ ‫אדם‬ ‫של‬ ‫הגנום‬.
‫משמש‬‫לאיפיון‬‫ביו‬ ‫של‬ ‫וכימות‬-‫מולקולות‬.