Диссертация (1150276), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Перечисленные достоинства стеклянных и кварцевыхматериаловделаютихпривлекательнымидляизготовлениямикро-имезофлюидных устройств. Однако технологии изготовления устройств изстеклянных и кварцевых материалов предполагают травление поверхностиагрессивными средами. Для применения простой фрезерной технологии этиматериалы слишком хрупкие. Для изготовления недорогих и многоразовыхустройств предпочтение отдают полимерным материалам, среди которых наиболеечасто используют полидиметилсилоксан, полиметилметакрилат и поликарбонат.Интенсивное развитие технологий создания микро- и мезофлюидных устройствсвязано с тем, что они обладают сравнительно низкой стоимостью материала посравнению со стеклянными и кварцевыми, а также низкой трудоемкостьюизготовления и возможностью тиражирования при серийном производстве.
Крометого, полимерные материалы имеют хорошую прозрачность в видимой и ближнейИК-областях спектра [86].Внастоящеевремясуществуютследующиеосновныетехнологииизготовления полимерных микро- и мезофлюидных устройств проточного анализа:1.Получение полидиметилсилоксановых пластин с каналами путемотливки ПДМС-эластомера в микрофабрикованной форме.
Для этого на первомэтапе в графическом редакторе создают чертеж топологии устройства. При помощитехники фотолитографии переносят изображение на полимерный субстрат,40который как правило закреплен на стеклянной подложке, при этом получаютмикрофабрикованную форму. На втором этапе полученную форму с рельефом,соответствующим созданному чертежу, заливают полимерным материалом ипроводят полимеризацию. На третьем этапе проводят герметизацию каналов,изготовленных в полимерной форме. Хорошая адгезия обработанного плазмойПДМС-эластомера к чистой поверхности стекла позволяет обойтись без процедурысклеивания [87, 88].2.Один из самых простых в реализации способов изготовления микро- имезофлюидных устройств из твердых полимерных материалов (например,полиметилметакрилата) – механическое сверление каналов и отверстий вмонолитном блоке с последующей склейкой с покровной пластиной.
При этомиспользуются хорошо отполированные, оптически прозрачные заготовки.Фрезерная технология получила широкое распространение при работе с твердымиполимерными материалами [89, 90].3.Изготовление каналов микро- и мезофлюидных устройств с помощьюлазерной фотоабляции, выполняемой, как правило, на полимерном субстрателазером, движущемся в компьютер-управляемой системе [91-94].
Методиспользовался для получения каналов в полиметилметакрилате, полистироле,поликарбонате, ацетате целлюлозы, полиэтилентерефталате. Наиболее простымспособом герметизации каналов в этом случае может быть техника ламинирования.4.Изготовлениемикрофлюидныхустройствнасубстратеполиметилметакрилата с использованием техники тиснения. Одна из таких техникподразумевает использование проволоки малого диаметра, которая отпечатываетсяв слегка нагретом пластике. Данная технология является наиболее эффективнойдля из серийного производства устройств с прямолинейными каналами. Другойвариант техники теснения позволяет получить более сложную конфигурацию засчетотпечатковтрехмерныхпуансоновсположительнымрельефом,изготовленных на кремниевой пластинке.
Такой пуансон может многократноиспользоваться для воспроизводимого получения серии чипов [95-97].415.Изготовление микро- и мезофлюидных чипов шприц-литьем изпластика. На первом этапе получают форму путем травления кремниевойпластинки и электроосаждения на нее слоя никеля. Форма затем используется дляизготовления прочной металлической вставки для массового шприц-литья изакрилата. Герметизация чипа может осуществляться при помощи термическоголаминирования канализированной поверхности чипа, покрытой термическиактивируемым адгезивом [46].6.Изготовление микро- и мезофлюидных устройств при помощи 3D-печати, что представляется особенно перспективным, в следствии интенсивногоразвития области конструирования 3D-принтеров и разработки материалов дляпечати объемных устройств [98-100].Для получения микро- и мезофлюидных устройств из кремния, кварца истекла используют химическое травление, глубокое реактивно-ионное травление,электрохимическое травление и микромеханическую обработку поверхности [85].Наиболее широко применяется метод химического травления, которыйзаключается в обработке не зачищенных областей пластины предполагаемогомикро- или мезофлюидного устройства химическими реагентами, обычно всочетаниистермическойобработкой.Обработкупластинизкремнияосуществляют горячими растворами щелочей.
В результате такой обработкимонокристалл кремния сохраняет свою кристаллическую решетку, а такаяповерхность называется анизотропной [86]. В этом случае наблюдаются четкиеуглыобразующихсяканалов.Травлениеаморфныхматериаловсмесьюконцентрированных кислот обуславливает равномерное вытравливание материалапластины, что приводит к закруглению ее углов и профили каналов становятсяполуэллиптическими.
Такая обработка материалов называется изотропной. Передтравлением материала наносят маску, которая соответствует будущим каналаммикрофлюидного устройства, а также защищает поверхность, которая не должнаподвергаться химическому травлению [85].Метод химического травления может использоваться как при мелкосерийном,так и при крупносерийном производстве. Ограничения и недостатки метода42заключаются в следующем: минимальный размер формируемых структур наплоскости ограничен несколькими микрометрами; необходимо изготовлениеточного фотошаблона; воздействие кислоты при травлении приводит к изменениюсвойств поверхности. Кроме того, при травлении применяются агрессивные среды– кислоты, что накладывает ограничения на распространенность метода.
Вобычных лабораториях без специального оснащения невозможно получитькачественную заготовку для микро- или мезофлюидного устройства. Материалподложки также во многом определяет характеристики изготовляемых структур.Если для кремния, кварца и некоторых марок стекол технологии формированиямикроструктур для микро- и мезофлюидных устройств хорошо проработаны, тодля стекол, имеющих другой состав, приходится подбирать режимы, условия исостав травителя для достижения приемлемого результата [86, 101].Другой метод изготовления микро- и мезофлюидных устройств из кварца истекла – ионное травление.
При этом поверхность бомбардируют ионами, которыеуносят материал пластины. В этом случае формируются каналы любойконфигурации.Для интегрирования в микро- и мезофлюидные устройства широкоприменяют оптические элементы, т.е. внедрение активной оптики, к которойотносятся встроенные источники света и детекторы небольших размеров, а такжепассивных оптических систем, представляющих собой планарные волноводы,встроенные микролинзы и различные светофильтры [85]. Также широкоеприменение находят микроэлектроды, интегрируемые в каналы устройства дляэлектрохимического детектирования.1.3. Циклический инжекционный анализОдним из направлений в области развития проточных методов спринудительной конвекцией является циклический инжекционный анализ (ЦИА,SWIA – stepwise injection analysis), предложенный А.В. Мозжухиным, А.Л.Москвиным и Л.Н.
Москвиным [16].43Общая схема циклического инжекционного анализа (ЦИА) может бытьпредставленапоследовательностьюпробоподготовка,включающаяследующихпристадий:необходимостиотборпробы;выделениеиконцентрирование; конверсия аналита в подходящую аналитическую форму придобавлении к раствору пробы растворов реагентов; перемешивание растворов доустановления равновесия и измерение аналитического сигнала в режимеостановленного потока. Перемешивание растворов происходит в реакционнойемкости потоком инертного по отношению к компонентам реакционной смеси газа[102]. ЦИА, также, как и FBA относится к проточным методам анализа спринудительнойконвекцией.ДетектированиевЦИАосуществляетсявравновесных условиях, т.е. при полной конверсии аналита в аналитическую форму.Кроме того, при в отличие от методов ПИА и SIА, в ЦИА отсутствует дисперсияпробы.
Перечисленные два фактора позволяют сохранить чувствительность науровне стационарных аналогов автоматизируемых методик.Первый шаг на пути миниатюризации ЦИА был сделан авторами [103],которые предложили схему циклического инжекционного анализа в режиме«лаборатория в реакционной емкости». Предложенная гидравлическая схемапредполагает образование аналитических форм и их детектирование в реакционнойемкости циклического инжекционного анализатора за счет объединения последнейс кюветой спектрометра. Возможности системы «лаборатория в реакционнойемкости» были проиллюстрированы на примере определения активного хлора вводных средах, при этом объем пробы составил 125 мкл, производительностьанализа– 24 пробы в час.
Предложенная схема отличается от проточнопорционного анализа, реализованного на первом этапе миниатюризации в похожемварианте, осуществлением перемешивания растворов потоком газовой фазы вреакционной емкости. Перемешивание потоком газовой фазы существенно легчереализовать в проточной схеме, что способствует ее унификации и расширяетвозможности применения.В таблице 3 представлены аналитические характеристики некоторыхметодик ЦИА для определения компонентов жидких проб различных объектов44анализа.
Обычно объем жидкой пробы без предварительного концентрированиясоставляет не менее 180 мкл, при этом объем образующихся отходов достигает 2мл. Бесспорно, в рамках развития концепции «зеленой химии» представляетинтерес дальнейшая миниатюризация ЦИА. В этом направлении существует задачаразработки новых мезофлюидных устройств. В данной работе в качестве объектованализа для подтверждения аналитических возможностей новых устройств будутрассмотрены лекарственные препараты и биологически активные добавки,автоматизации анализа которых уделяется постоянное внимание.Таблица 3. Аналитические характеристики некоторых методик ЦИА дляопределения компонентов жидких проб различных объектов анализа.ОбъектАналитанализаЛекарственныепрепаратыАэрозолиБиологическиежидкости(моча)ЛекарственныепрепаратыБиологическиактивныедобавкиБиодизельноетопливоFe (II)ОбъемРасходПроизводиПределЛите-пробы,реагентов,тельность,обнаруженияратурамклмклпроб/час10001875410,2 мг/л[104]Аскорбиновая кислотаNi (II)Zn (II)Cu (II)Изониазид0,7 мг/л6001400-126-Эпинефрин180ЦистеинЭтанол[105]50,3 мг/м33 мг/м30,3 мг/м30,3 мМ720200,5 µМ[107]200600303 µМ[108]1000125050,02 %[109]Метанол[106]0,02 %1.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
