Лаборатория микрофлюидики и нанофлюидики

Задачи лаборатории

Микрофлюидика описывает поведение малых объемов и потоков жидкостей, ограниченных микронными и субмикронными масштабами. Микрофлюидные технологии позволяют осуществлять прецизионную дозацию реакционных смесей и минимизировать объемы пробы. Одним из наиболее важных и распространенных приложений микрофлюидных технологий является создание биосенсоров. В широком смысле под биосенсором следует понимать устройство, преобразующее физическое или химическое воздействие (био)молекул или биообъектов на чувствительный элемент сенсора в измеряемый сигнал.

Современные биосенсорные системы должны обеспечивать необходимую чувствительность и селективность анализа, иметь высокую скорость детектирования и минимальный объем анализируемой пробы.

Микрофлюидные и нанофлюидные системы играют важную роль на пути к развитию современных систем лабораторной диагностики, систем синтеза микро и наночастиц, а также являются перспективной платформой для создания и изучения синтетических биосистем. Такие системы позволяют работать с отдельными клетками, а также изучать биофизические процессы в микро- и нанообъемах.

В круг научных интересов лаборатории микро- и нанофлюидики входят исследование поведения различных биологических объектов, в том числе клеток, в микрофлюидных системах. Кроме того, в задачи лаборатории входит математическое моделирование микрофлюидных систем и чипов, разработка методик их создания, внедрение в молекулярную и клеточную биологию.

Оснащение лаборатории

Безмаркерный биосенсор на ПВ в ФК
Микроскоп стереоскопический Olympus SZX-ZB7
Микроскоп флуоресцентный инвертированный Olympus IX73P2F + TIRF + LED + Scientific CMOS
Микроскоп флуоресцентный прямой Olympus bx53m
Конфокальный лазерный сканирующий микроскоп OLYMPUS FV3000, на базе микроскопа Olympus IX83, полностью моторизованный ультразвуковой стол
АСМ Ntegra Prima
Лазерный гравер GCC Hybrid для обработки пластиков
УФ 3Д принтер Form 3BL
Plasma Cleaner Diener Atto

Текущие направления исследований лаборатории

Разработка микрофлюидных чипов для молекулярно-генетических тестов

Важным для современной медицинской диагностики является движение в сторону миниатюризации диагностических устройств. Один из подходов к миниатюризации – использование микрофлюидных технологий, позволяющих существенно сократить объемы используемых реагентов. Микрофлюидные биочипы представляет собой миниатюрные устройства, на основе кремния, стекла или полимеров, с микрожидкостными каналами и пассивными элементами смешения, хранения, фильтрации, которые позволяют анализировать биомедицинские объекты и детектировать биомолекулярные взаимодействия типа «лиганд – рецептор», «антитело-антиген», «фермент-субстрат», «мишень-зонд». Детекция такого рода взаимодействий осуществляется либо на основе флуоресцентных маркеров, либо на безмаркерной основе. Детекцию биохимических взаимодействий на безмаркерной основе возможно реализовать с использованием биосенсоров на поверхностных волнах в фотонных кристаллах.

Биосенсор на поверхностных волнах в фотонном кристалле позволяет регистрировать процессы сорбции биомолекул на границе жидкость-твердое тело. Принцип его работы основан на возбуждении поверхностной оптической волны вдоль одномерного фотонного кристалла. При этом параметры возбуждения такой волны крайне чувствительны к состоянию границы раздела, что и используется в качестве физического принципа биосенсинга.

Разработка газовых сенсоров на основе наноструктурированных фотоннокристаллических структур для оценки состояния окружающей среды

Поверхностные оптические волны в одномерном фотонном кристалле также можно использовать в качестве основы для создания так называемых газовых сенсоров. Традиционные газочувствительные устройства обычно используют оксиды металлов или полимеры в качестве чувствительного материала и электрические или оптические свойства в качестве характеристического сигнала. В случае же использования поверхностных оптических волн в фотонном кристалле возможно использовать в качестве завершающего слоя фотонно-кристаллической структуры нанопленки металлов или наночастиц, чувствительных к тем или иным газовым средам. При этом, отслеживая параметры возбуждения длиннопробежных плазмонов вдоль поверхности нанопленки, можно судить об изменении концентрации искомого газа в газовых смесях.

Разработка микрофлюидных систем для синтеза флуоресцентных микрочастиц для задач in vitro диагностики

Одним из основных лабораторных иммунологических методов выявления антигенов и антител in vitroв настоящий момент является иммуноферментный анализ в его твердофазном варианте. Он основан на иммобилизации одного из компонентов реакции на твёрдой фазе, и сохранении способности этого компонента к специфическому связыванию второго компонента, антитела или антигена соответственно. Индикация образующегося в ходе реакции комплекса осуществляется за счёт введения в один из исходных компонентов системы метки, детектируемой тем или иным физико-химическим методом.

Использование меченых микрочастиц (содержащих флуоресцентные и/или магнитные метки) в качестве матрицы для имунноанализа имеет следующие преимущества по сравнению с классическими планарными биочипами: более развитая поверхность раздела фаз субстрат-образец, на которой идёт реакция, и, следовательно, лучшая кинетика связывания, более широкие диапазоны определяемых концентраций в режиме многопараметрического анализа, принципиальная возможность увеличения количества выявляемых биомаркеров, т.е. мультиплексность. В качестве твёрдофазного субстрата флуоресцентные микрочастицы легко интегрируются в любой аналитический комплекс, в том числе и микрофлюидный. Микрофлюидные способы синтеза микрочастиц, в отличие от классических дисперсионных и суспензионных способов синтеза, позволяют синтезировать микрочастицы с заранее известными, и что особенно важно, воспроизводимыми свойствами (размеры, количество функциональных групп на поверхности, содержание флуоресцентных и/или магнитных меток).

Разработка микрожидкостных систем для химического анализа на основе капиллярного электрофореза

Одной из важнейших задач современного химического анализа является разделение сложной смеси веществ для её химического анализа. В самом деле, определение малых количеств таких объектов как ионы металлов, белки, амины или фенольные соединения практически каждодневно требуется в рутинном химическом анализе. В настоящий момент для химического анализа таких объектов в основном применяют высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЖЭХ): ионобменную, адсорбционную, ситовую, и т.д. Однако метод ВЖЭХ требует дорогостоящих высокочистых растворителей, хроматографических колонок и др. Одной из попыток сделать анализ доступным является развитие метода капиллярного электрофореза.

Метод основан на электрофоретическом разделении компонентов сложной смеси в кварцевом капилляре под действием приложенного электрического поля. В классическом капиллярном электрофорезе используется кварцевый капилляр достаточной длины, к концам которого подведен потенциал. После подачи напряжения на концы капилляра компоненты смеси начинают направленно двигаться по капилляру с разной скоростью, зависящей от их заряда и массы. Таким образом, все стадии химического анализа пробы осуществляются в одном и том же устройстве.

Применение микрофлюидных подходов и разработка микрокапилляров на чипе даёт возможность значительно компактизовать систему проведения капиллярного электрофореза. Ещё одним преимуществом микрофлюидного подхода является значительно более простой переход к многоканальным системам, и соответственно, мультиплексному анализу.

Публикации

Shakurov R, Sizova S, Dudik S, Serkina A, Bazhutov M, Stanaityte V, Tulyagin P, Konopsky V, Alieva E, Sekatskii S, Bespyatykh J, Basmanov D. Dendrimer-based coatings on a photonic crystal surface for ultra-sensitive small molecule detection. Polymers 2023; 15(12): 2607. [IF 4.329]

Sizova S., Shakurov R., Mitko T., Shirshikov F., Solovyeva D., Konopsky V., Alieva E., Klinov D., Bespyatykh J., Basmanov D. The elaboration of effective coatings for photonic crystal chips in optical biosensors // Polymers 2022,14, 152. [IF 4.329]

Konopsky V., Mitko T., Aldarov K., Alieva E., Basmanov D., Moskalets A., Matveeva A., Morozova O., Klinov D. Photonic crystal surface mode imaging for multiplexed and high-throughput label-free biosensing // Biosensors and Bioelectronics (2020) 168, 112575 [IF 10.618]