Диссертация (1150276), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Воспроизведено из [22, 23]с изменениями.9Таблица 1. Характеристики методик анализа различных объектов, выполняемых с помощью комплексныхмикрофлюидных.Объект анализаАналитДетектированиеОбъемпробыПределобнаруженияПроизводительность анализа,проб/часЛитератураЭлектрохимическоеРазмерканалов(ширина×глубина), мкм-БиологическиеЛактат-45 µМ15[24]Природные водыНитрит-ионыФотометрическое302 × 115-0,2 µМ50[25]СтандартныеТитрование FeЭлектрохимическое300 × 5010 нл--[26]образцы(II)Природные водыНитрат- иФотометрическое150 × 300-0,025 μM для12[27]жидкости(плазма крови)нитрит-ионынитрат-ионов0.02 μM длянитрит-ионовКукурузаЗеараленонКолориметрическое-10 мкл0,02 нM4[28]БиологическиеДНК-анализФлуориметрическое100 × 820 мкл-30[29]объекты(бактерии)10Большое распространение нашли микроаналитические устройства, в которыхреализована частичная интеграция функциональных элементов (как правило, этоэлементы системы детектирования) [30].
В свою очередь эти устройства можноклассифицировать по типу движущей силы, благодаря которой происходитперемещение растворов в каналах миниатюризированных устройств. Так,разработанные устройства, можно разделить на четыре группы: в первой группедвижущей силой перемещения растворов является градиент потенциала, во второй– центробежная сила, в третьей – капиллярные силы, в четвертой – градиентдавления.
Перемещение растворов за счет градиента потенциалов осуществляетсяв устройствах (Рисунок 2 А), предназначенных для электрофоретическогоразделениякомпонентовфлуориметрическим,пробыспоследующимэлектрохимическимихемилюминесцентным,масс-спектрометрическимдетектированием [32-38]. За счет центробежной силы происходит перемещениерастворов в микрофлюидных устройствах (Рисунок 2 Б), выполненных в видедисков при их вращении с различной скоростью [38-40]. Перемещение растворовза счет капиллярных сил осуществляется в бумажных микрочипах (Рисунок 2 В)[41-43].
Градиент давления является движущей силой для перемещения растворовв миниатюризированных устройствах (Рисунок 2 Г), функционирующих напринципах проточных методов анализа. В данной работе из-за отсутствияустоявшейся терминологии в рассматриваемом направлении аналитической химиипредпринята попытка систематизировать разработанные миниатюризированныеустройства, функционирующие на принципах проточных методов анализа.Рисунок 2. Топологии мезофлюидных устройств, движущей силой в которыхявляется градиент потенциала (A) [44], центробежная сила (Б) [38], капиллярныесилы (В) [42] и градиент давления (Г) [45].11Устройства, разработанные для миниатюризации проточных методованализа, можно разделить на микрофлюидные и мезофлюидные. Следует отметить,чтовсовременнойлитературетерминымикрофлюидноеустройствоимикрофлюидный чип являются синонимами.
В обоих случаях поток жидкости(флюида) перемещается в ламинарном режиме, а перемешивание происходит засчет диффузии [46]. В случае мезофлюидных устройств эти условия не всегдавыполняются, что в первую очередь связано с бо́льшими размерами каналов. Вобщем случае размеры каналов устройств зависят от выбранной технологииизготовления. В микрофлюидных устройствах глубина каналов, как правило, непревышает 100 мкм [47], в то время как в мезофлюидных устройствах, диаметрканалов может достигать 2 мм [48].Общим для микро- и мезофлюидных устройств проточного анализа являетсясовмещение двух его этапов: образования аналитической формы и еедетектирования на одном устройстве. Также, объединяет эти устройстваотсутствие интеграции в них микронасосов и микроклапанов, вместо этогоиспользуются общедоступные перистальтические или шприцевые насосы имногоходовые краны-переключатели, которые соединяются с каналами микро- илимезофлюидного устройства при помощи трубок, диаметр которых обычно не менее0,1 мм.
Таким образом, функциональные элементы, которые интегрируются вмикро- и мезофлюидные устройства – это элементы систем детектирования. Вслучае фотометрического и флуориметрического детектирования в качествеисточников света широкое распространение находят светодиоды и лазеры. Вкачестведетекторовчащевсеговыступаютфотодиоды,портативныеспектрометры или фотоумножительные трубки.
В случае электрохимическогодетектирования осуществляют интегрирование элекродов непосредственно в каналмикро- или мезофлюидного устройства.Термин мезофлюидная платформа (mesofluidic platform) или мезофлюидноеустройство применительно к миниатюризации проточных методов впервые былиспользован авторами M. Miro и E. H. Hansen [48] при описании третьегопоколенияразвитиякоммерческидоступныхсистемпоследовательного12инжекционного анализа, также известного как «лаборатория на кране» («lab onvalve» – LOV). Авторы указывают диапазон размеров каналов мезофлюидныхустройств 10 мкм – 2 мм. Особенности миниатюризации конкретных методовпроточного анализа будут рассмотрены подробно в данной главе.Миниатюризация проточно-инжекционного анализа (ПИА) (FIA – flowinjection analysis).
Проточно-инжекционный анализ предложили J. Ruzicka и E. Н.Hansen в 1975 г. [49]. Схема ПИА предполагает периодическое введениедискретных порций пробы в непрерывный ламинарный несегментированный потокносителя (Рисунок 3). Проба после этого смешивается с раствором реагента, приэтом происходит конверсия аналитов в аналитические формы, регистрируемыепроточным детектором. Транспортировка потоков по каналам схемы ПИА обычноосуществляется при помощи перистальтического насоса, а введение порций пробыв поток носителя производится с помощью крана-дозатора. Растворы реагентов ипробы перемешиваются в смесительных спиралях под действием конвекции идиффузии.Рисунок 3.
Схема проточно-инжекционного анализа.Детектирование аналитической формы осуществляется в условиях, когдаравновесие в системе не успевает установиться, что негативно сказывается начувствительности анализа. Потеря чувствительности, характерная для ПИА,компенсируется высокой производительностью анализа. [50].13Для проточно-инжекционного определения цис-диаминдихлороплатины (II)в плазме крови человека было разработано микрофлюидное устройство схемилюминесцентным детектированием (Рисунок 4) [51].Рисунок4.ТопологиимикрофлюидныхустройствПИАдляхемилюминесцентного определения цис-диаминдихлороплатины (II) в плазмекрови человека: (А) «двойной меандр», (Б) «меандр-спираль», (В) «двойнаяспираль»: 1, 2 – каналы для ввода растворов реагентов, 3 – канал для ввода растворапробы, 4 – канал для сброса растворов.
Воспроизведено из [51] с изменениями.Разработанныемикрофлюидныеустройствабылиизготовленыизстеклянных пластин с применением технологий химического травления ифотолитографии. Ширина и глубина каналов составляли 300 и 50 мкм,соответственно.Топологияразработанногоустройствавключалавсебярасположенные друг за другом два канала, выполненных в формах: «двойногомеандра», «меандр-спираль» или «двойной спирали», каналы для ввода растворовреагентов (1 и 2), канал для ввода раствора пробы (3), канал для сброса растворов(4). В первом канале в форме «меандр-спираль» происходило образованиесмешанного раствора хемилюминесцентного реагента, во втором протекалахимическаяреакция,приводящаякизменениюинтенсивностисигналахемилюминесценции.
Длина и объем каждого участка «меандр» или «спираль»составляли 10 см и 1,5 мкл, соответственно. Подачу растворов в каналымикрофлюидных устройств осуществляли при помощи шприцевых насосов. Так,14по каналам 1 и 2 непрерывно подавали растворы люминола и пероксида водородасо скоростью 50 мкл/мин. Значение интенсивности хемилюминесценцииполученного смешанного раствора служило фоновым сигналом. По каналу 3инжектировали 2 мкл пробы и через несколько секунд, после смешения растворовза счет диффузии в потоке, наблюдали изменение аналитического сигнала.Детектированиеосуществлялиприпомощифотоумножительнойтрубки.Производительность анализа составила 72 пробы в час.
Расход пробы составил 2мкл.Zh. Zhang et al. [52] разработали другое микрофлюидное устройство ПИА схемилюминесцентнымдетектированием(Рисунок5).Устройствобылоизготовлено из прозрачных пластин полиметилметакрилата (ПММА) при помощитехнологии лазерной фотоабляции, при этом ширина каналов составил 200 мкм,глубина – 100 мкм.Рисунок 5. Топология микрофлюидного устройства ПИА с хемилюминесцентнымдетектированием: 1, 2 – каналы для ввода растворов реагентов, 3 – канал для вводапробы, 4 – сброс растворов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
