แม่พิมพ์สำหรับห้องปฏิบัติการบนชิพ

(Micromolds for Lab-on-a-Chip)

          ในยุคปัจจุบันนี้ อุปกรณ์เทคโนโลยีชีวภาพ นับวันจะยิ่งมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ แต่เปี่ยมไปด้วยประสิทธิภาพ และด้วยความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนี้เอง เราสามารถย่อห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ ให้เล็กจนลงมาอยู่บนชิพได้อย่างมีประสิทธิภาพเช่นกัน เนื่องจากห้องปฏิบัติการขนาดใหญ่นั้น มักมีค่าใช้จ่ายในการสร้างสูง นักวิจัยหรือผู้ทำการทดลองต้องเป็นผู้ที่มีความรู้ความสามารถเฉพาะด้าน อีกทั้งการวิเคราะห์ตัวอย่างต้องใช้เวลานานและไม่สามารถตอบโจทย์ได้ทันท่วงที ดังนั้นการมีห้องปฏิบัติการบนชิพ จะช่วยย่อทุกอย่างลงมาให้สามารถวิเคราะห์ได้อย่างรวดเร็ว อีกทั้งยังช่วยลดขนาด น้ำหนักและขั้นตอนในการทดสอบตัวอย่างที่ต้องการได้

 

          เนื่องจากโครงสร้างและกลไกลที่อยู่บนชิพนั้นมีขนาดเล็กมาก ซึ่งยากต่อการสร้างด้วยวิธีการสกัด เจาะหรือเลเซอร์ เพราะวิธีดังกล่าวเป็นการทำลายเนื้อวัสดุให้เกิดการผิดรูปและสร้างผิวหยาบเกินกว่าจะใช้งานได้ ดังนั้น วิธีสร้างโครงสร้างด้วยแสงจึงถูกนำมาพัฒนาต่อยอดจากวิธีการผลิตวงจรรวม (Integrated Circuits, ICs) ให้สามารถทะลุทะลวงเข้าไปในเนื้อพอลิเมอร์พิเศษ เพื่อเกิดเป็นลวดลาย 3 มิติขึ้นมา โดยไม่มีการทำลายเนื้อวัสดุ ซึ่งเป็นวิธีถ่ายทอดลวดลายขนาดเล็กระดับไมโครเมตร (1 ใน 1000 มิลลิเมตร) ลงบนพอลิเมอร์ไวแสง (Photoresist) ผ่านหน้ากากกันแสง (Photomask) เรียกว่า โฟโตลิโธกราฟี (Photolithography)

          เทคนิคการสร้างโครงสร้างจุลภาคด้วยรังสีเอกซ์หรือเอกซ์เรย์ ลิโธกราฟี (X-ray Lithography) ณ ระบบลำเลียงแสงที่ 6a: Deep X-ray Lithography (DXL) เป็นการประยุกต์ใช้แสงซินโครตรอนย่านรังสีเอกซ์พลังงานต่ำ ในการสร้างโครงสร้างจุลภาคสำหรับห้องปฏิบัติการบนชิพ โดยเป็นการสร้างแม่พิมพ์ของช่องทางไหลจุลภาค (Micro-channel) เพื่อนำพาสารละลายไปยังส่วนต่างๆ ของห้องปฏิบัติการบนชิพ ซึ่งวิธีการนี้จะช่วยลดขนาด น้ำหนักและขั้นตอนในการทดสอบตัวอย่างที่ต้องการได้ภายในระยะเวลาอันรวดเร็ว

          แสงซินโครตรอนในย่านรังสีเอกซ์พลังงานต่ำ มีคุณสมบัติที่สามารถทะลุทะลวงเข้าไปในเนื้อพอลิเมอร์ไวแสงได้มากกว่า 1,000 ไมโครเมตรหรือ 1 มิลลิเมตร และมีความละเอียดสูงสุดถึง 2 ไมโครเมตรหรือ 0.002 มิลลิเมตร ส่งผลให้โครงสร้างจุลภาคที่สร้างขึ้นได้มีความแม่นยำ

ในปัจจุบันมีการนำแม่พิมพ์จุลภาคไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลายด้าน อาทิ

• • • ห้องเลี้ยงสาหร่ายบนชิพ : เป็นการนำสาหร่ายสไปรูลินามาเลี้ยงในแม่พิมพ์จุลภาค ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียสาหร่ายจำนวนมากๆ เมื่อผู้เลี้ยงต้องการศึกษาหาสภาวะที่เหมาะสมในการปรับปรุงคุณภาพของสิ่งแวดล้อมที่ใช้เลี้ยงสาหร่าย และเมื่อศึกษาทดลองจนได้สภาวะที่เหมาะสมจึงนำไปปรับใช้ในฟาร์มขนาดใหญ่ต่อไป
  • • เซนเซอร์ตรวจนับจำนวนอนุภาค : ใช้สำหรับการนับอนุภาคขนาดเล็ก เช่น การตรวจจับเพื่อนับจำนวนเซลล์เม็ดเลือดต่างๆ เป็นต้น
    • ชิพคัดแยกและติดตามการเปลี่ยนแปลงระดับเซลล์ : ใช้ในการศึกษากรณีที่มีการตรวจพบว่ามีเซลล์ที่ผิดปกติ แม่พิมพ์จุลภาคนี้จะสามารถเลือกเฉพาะเซลล์ที่ผิดปกติมาตรวจและศึกษาได้ เพื่อหาทางรักษาต่อไป

 

วิธีการนี้เรียกว่า โฟโตลิโธกราฟี (Photolithography) ซึ่งเป็นวิธีถ่ายทอดลวดลายขนาดเล็กระดับไมโครเมตร (1 ใน 1000 มิลลิเมตร) ลงบนพอลิเมอร์ไวแสง (Photoresist) ผ่านหน้ากากกันแสง (Photomask) เพื่อให้ได้โครงสร้างที่แม่นยำ ทั้งนี้แสงที่ใช้ในการสร้างชิ้นงานจึงต้องมีพลังงานและความเข้มสูงพอที่จะทะลุผ่านเข้าไปในเนื้อพอลิเมอร์ไวแสงได้ดี

          แสงซินโครตรอนในย่านรังสีเอกซ์พลังงานต่ำ มีคุณสมบัติที่สามารถทะลุทะลวงเข้าไปในเนื้อพอลิเมอร์ไวแสงได้มากกว่า 1,000 ไมโครเมตรหรือ 1 มิลลิเมตร และมีความละเอียดสูงสุดถึง 2 ไมโครเมตรหรือ 0.002 มิลลิเมตร ส่งผลให้โครงสร้างจุลภาคที่สร้างขึ้นได้มีความแม่นยำ ใช้งานกับระบบทดสอบขนาดเล็กบนห้องปฏิบัติการบนชิพได้เป็นอย่างดี

          เทคนิคการสร้างโครงสร้างจุลภาคด้วยรังสีเอกซ์ (X-ray Lithography) ได้พัฒนาขึ้นเพื่อนำมาประยุกต์ใช้ในการสร้างโครงสร้างจุลภาคสำหรับห้องปฏิบัติการบนชิพ ณ สถานีทดลองระบบลำเลียงแสง 6a: Deep X-ray Lithography (DXL) ห้องปฏิบัติการแสงสยาม โดยการสร้างเป็นแม่พิมพ์ของช่องทางไหลจุลภาค (Micro-channel) เพื่อนำพาสารละลายไปยังส่วนต่างๆ ของห้องปฏิบัติการบนชิพ ซึ่งจะช่วยลดขนาด น้ำหนักและขั้นตอนในการทดสอบตัวอย่างที่ต้องการได้ภายในระยะเวลาอันรวดเร็ว

          ในปัจจุบันมีการนำแม่พิมพ์จุลภาคไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลายด้าน อาทิ

• • ห้องเลี้ยงสาหร่ายบนชิพ : เป็นการนำสาหร่ายสไปรูลินามาเลี้ยงในแม่พิมพ์จุลภาค ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียสาหร่ายจำนวนมากๆ เมื่อผู้เลี้ยงต้องการศึกษาหาสภาวะที่เหมาะสมในการปรับปรุงคุณภาพของสิ่งแวดล้อมที่ใช้เลี้ยงสาหร่าย และเมื่อศึกษาทดลองจนได้สภาวะที่เหมาะสมจึงนำไปปรับใช้ในฟาร์มขนาดใหญ่ต่อไป
  • เซนเซอร์ตรวจนับจำนวนอนุภาค : ใช้สำหรับการนับอนุภาคขนาดเล็ก เช่น การตรวจจับเพื่อนับจำนวนเซลล์เม็ดเลือดต่างๆ เป็นต้น
  • ชิพคัดแยกและติดตามการเปลี่ยนแปลงระดับเซลล์ : ใช้ในการศึกษากรณีที่มีการตรวจพบว่ามีเซลล์ที่ผิดปกติ แม่พิมพ์จุลภาคนี้จะสามารถเลือกเฉพาะเซลล์ที่ผิดปกติมาตรวจและศึกษาได้ เพื่อหาทางรักษาต่อไป