Микрофлюидные системы и лаборатория на чипе

Разработка микрофлюидных систем и МЭМС датчиков для детекции молекул различной природы

Микрофлюидные технологии приобретают все большую популярность и все чаще используются в науке и медицине для биосенсинга. Однако создание работающей микрофлюидной системы не ограничивается лишь созданием микрофлюидных каналов различной топологии и интеграцией в измерительную систему и систему управления жидкостными потоками. Очень важную роль в создании комплексной микрофлюидной системы играют методы физической и химической модификации целевой поверхности микрофлюидного чипа, где предполагается проведение биореакций, поскольку управление адгезией поверхности дает возможность иммобилизовать целевые молекулы для их детекции. В частности, перспективным кажется создание так называемых 3Д нанопокрытий, например, из декстранов различной молекулярной массы или дендримеров различной генерации, когда на целевой поверхности биосенсора создают полимерный слой толщиной несколько нанометров, который представляет собой сеть с активными группами для сорбции. Такой подход помогает увеличивать сорбционную емкость покрытий и, таким образом, увеличивать чувствительность микрофлюидного биосенсора. 

Для задач научных исследований в области создания новых сенсоров, исследований поведения живых систем в микрофлюидных системах, синтеза новых (нано)материалов – поиск решений по созданию микрофлюидных клапанов с минимальными мертвыми объемами и высокой точностью дозирования по-прежнему продолжается. 

Одним из перспективных подходов к решению проблемы может стать использование электроактивных полимеров в качестве микроактюатора, регулятора потока или микрофлюидного клапана. Электроактивные полимеры представляют собой полимеры, проявляющие изменение размера или формы вследствие стимуляции электрическим полем. Такие клапаны могут быть использованы в качестве актюаторов, насосов или изоляторов микрообъемов в микрофлюидных системах по изучению влияния набора антимикробных агентов на одиночную бактериальную клетку. 

Клапан, или регулятор, выполненный с использованием электроактивных полимеров, объединенный на интегральном микрофлюидном чипе с несколькими функциональными элементами, например, генераторами микроэмульсий, может помочь решить задачи управления однородностью и эффективностью создания микрокапель. Более того, такое решение может потенциально быть использовано в качестве платформы по генерации микроэмульсий для крайне актуального и перспективного метода ePCR (ПЦР в эмульсии).

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-диэлектрик.

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 vitro в 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 иммуноанализа 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).