eng
Выпуск #5/2010
Т.Зимина, В.Лучинин.
Миниатюрные аналитические платформы: ожидания, реальность и перспективы
Миниатюрные аналитические платформы: ожидания, реальность и перспективы
Просмотры: 2351
Прогресс в микро- и нанотехнологии стимулировал не только развитие приборов наноэлектроники и фотоники, предназначенных, в первую очередь, для обработки информации, но и реализацию новых технических решений в области сенсорных первичных преобразователей информации.
Следует отметить, что появление микро- и наноаналитических систем определила конструктивно-технологическая интеграция сенсорных, процессорных и исполнительных устройств на так называемом «чипе», позволившая перейти к системам, наделенным не просто контролирующими, но и аналитическими функциями. Такие приборы по чувствительности контрольно-измерительных процедур находятся между классическими датчиками и аналитическими системами, опережая последние, как правило, в оперативности анализа при значительном снижении стоимости.
Первая интегральная микроаналитическая система была изготовлена еще в 1970-е годы, но лишь с 1990-х годов научно-техническое сообщество пришло к пониманию важности реализации микросистем в области аналитической химии. Появившиеся в это время концепции миниатюрных аналитических платформ: µ-TAS (micro total chemical analysis system) [1], лаборатории на чипе (lab-on-a-chip) были направлены, прежде всего, на повышение производительности и снижение стоимости анализа [2]. В определенной степени уже достигнуты результаты в области значительного повышения оперативности медико-биологического мониторинга и снижения ошибок при принятии решений.
Одно из важнейших востребованных направлений наноиндустрии – разработка научно-технологических основ, создание микро- и наноаналитических систем нового поколения для биомедицинского и экологического анализа, реализация которых базируется на междисциплинарных технологиях и включает конвергенцию объектов неорганической и биоорганической природы, реализуемую на микро- и наноуровнях [3, 4].
Цель данной работы, основанной на результатах практической реализации в НОЦ «Микротехнологии и диагностики» ЛЭТИ базовых функциональных компонентов микро- и наноаналитических систем – системное представление современного состояния компонентной базы и основных функциональных модулей миниатюрных аналитических
платформ.
Компоненты миниатюрных аналитических платформ
Сформировалось три основных научно-технических направления в развитии миниатюрных аналитических платформ, фактически отличающихся способом доставки анализируемой пробы к сенсорному элементу.
К ним относятся капиллярные проточные (микрофлюидные устройства), изобретателем которых считается А.Манц [1]; матричные биочипы, приоритет создания которых приписывают С.Фодору (США) [5] и А.Мирзабекову (Россия) [6] и, так называемые, «умные частицы», предложенные К.Пистером [7] (табл.1).
Действие микрофлюидных аналитических чипов основано на принципах проточного анализа и представляет собой гибридно-интегральную форму хроматографии и капиллярного электрофореза.
Матричные аналитические системы содержат топологически кодированные площадки, с иммобилизованными тем или иным способом комплементарными группировками, избирательно связывающими целевые компоненты аналита (мишени). Функционирование таких систем можно сравнить с принципом работы «носа». Матрицы изготавливаются методом фотолитографии в сочетании с биосинтезом на подложке (например, олигопептидов и/или олигонуклеотидов), либо иммобилизацией комплементарных мишеней биофрагментов с помощью фотополимеризующихся связующих. Возможно позиционирование биоспецифических соединений или их растворов или суспензий в виде капелек в матрицах микролунок [8].
Отличительная особенность «умных частиц» – их структурная организация, обеспечивающая одновременное независимое получение информации совокупностью частиц, обладающих автономностью, с возможностью сбора данных в условиях значительного пространства. Иногда сверхминиатюрные автономные аналитические платформы называют «умная пыль» [7].
Основные функциональные компоненты и выполняемые ими операции системно представлены в табл. 2.
Первая интегральная микроаналитическая система была изготовлена еще в 1970-е годы, но лишь с 1990-х годов научно-техническое сообщество пришло к пониманию важности реализации микросистем в области аналитической химии. Появившиеся в это время концепции миниатюрных аналитических платформ: µ-TAS (micro total chemical analysis system) [1], лаборатории на чипе (lab-on-a-chip) были направлены, прежде всего, на повышение производительности и снижение стоимости анализа [2]. В определенной степени уже достигнуты результаты в области значительного повышения оперативности медико-биологического мониторинга и снижения ошибок при принятии решений.
Одно из важнейших востребованных направлений наноиндустрии – разработка научно-технологических основ, создание микро- и наноаналитических систем нового поколения для биомедицинского и экологического анализа, реализация которых базируется на междисциплинарных технологиях и включает конвергенцию объектов неорганической и биоорганической природы, реализуемую на микро- и наноуровнях [3, 4].
Цель данной работы, основанной на результатах практической реализации в НОЦ «Микротехнологии и диагностики» ЛЭТИ базовых функциональных компонентов микро- и наноаналитических систем – системное представление современного состояния компонентной базы и основных функциональных модулей миниатюрных аналитических
платформ.
Компоненты миниатюрных аналитических платформ
Сформировалось три основных научно-технических направления в развитии миниатюрных аналитических платформ, фактически отличающихся способом доставки анализируемой пробы к сенсорному элементу.
К ним относятся капиллярные проточные (микрофлюидные устройства), изобретателем которых считается А.Манц [1]; матричные биочипы, приоритет создания которых приписывают С.Фодору (США) [5] и А.Мирзабекову (Россия) [6] и, так называемые, «умные частицы», предложенные К.Пистером [7] (табл.1).
Действие микрофлюидных аналитических чипов основано на принципах проточного анализа и представляет собой гибридно-интегральную форму хроматографии и капиллярного электрофореза.
Матричные аналитические системы содержат топологически кодированные площадки, с иммобилизованными тем или иным способом комплементарными группировками, избирательно связывающими целевые компоненты аналита (мишени). Функционирование таких систем можно сравнить с принципом работы «носа». Матрицы изготавливаются методом фотолитографии в сочетании с биосинтезом на подложке (например, олигопептидов и/или олигонуклеотидов), либо иммобилизацией комплементарных мишеней биофрагментов с помощью фотополимеризующихся связующих. Возможно позиционирование биоспецифических соединений или их растворов или суспензий в виде капелек в матрицах микролунок [8].
Отличительная особенность «умных частиц» – их структурная организация, обеспечивающая одновременное независимое получение информации совокупностью частиц, обладающих автономностью, с возможностью сбора данных в условиях значительного пространства. Иногда сверхминиатюрные автономные аналитические платформы называют «умная пыль» [7].
Основные функциональные компоненты и выполняемые ими операции системно представлены в табл. 2.
Отзывы читателей
