1. История

Что такое микрофлюидика? Почему, зачем и когда она появилась? Более подробно, что такое lab-on-a-chip? Какие направления существуют сейчас? Где применяется?

Микрофлюидика — междисциплинарная наука, изучающая поведение малых объемов жидкости или газа.

Биологам часто приходится работать с объектами очень маленьких размеров. Одним из способов это сделать - размножить объект и работать уже с биологически концентрированными растворами.  Многие задачи требуют специального оборудования, которое будет позволять манипулировать жидкостями и регистрировать растворенные в них компоненты. Подборку такого оборудования для изучения какого-либо биологического объекта можно назвать аналитической системой. Например, всем известные чашки Петри, описные уже в 1887 году являются такой аналитической системой, которая популярна и в 21 веке.

Следующим шагом к современной работе с жидкостью можно отметить появление дозирующих станций, которые даже сегодня являются «золотым стандартом» автоматизации в фармацевтике и диагностикеДозирующей станцией можно назвать некоторые действия, манипуляции с жидкостями, осуществляемые при помощи пипетки. Данные устройства можно считать пионерами среди микрофлюидных устройств.  Анализирующие системы значительно усложняются и разработчики аппаратуры стремятся интегрировать все стадии анализа в единую автоматизированную и компактную систему, которая может состоять из нескольких модулей — СПА (система полного анализа или TAS). Дальнейшая работа с меньшими количествами жидкостей привела к возникновению микрофлюидных аналитических систем (МФАС), которые отличаются от прочих способов автоматизации тем, что способны работать с очень малыми количествами реагентов, а значит  с их помощью можно стандартизовать процесс проведения измерений в очень малых масштабах. 
Микрофлюидные системы обладают рядом преимуществ в сравнении с макро системами, а именно:
  • мобильность, износостойкость;
  • высокая чувствительность;
  • снижение расходов реагентов на тест;
  • низкое энергопотребление;
  • короткое время получения результатов;
  • меньшее потребление пространства в лаборатории;
  • дешевое серийное производство.
  • кроме того появляются новые эффекты, связанные с масштабированием:
  • ламинарное перемещение веществ;
  • управляемая диффузия;
  • преобладание сил поверхностного натяжения над гравитационными;
  • высокоскоростная последовательная обработка;
  • возможность распараллелить процесс (до 106 параллельных измерений).
История микрофлюидных технологий началась еще в 50-е годы прошлого столетия, когда исследователи научились работать с наименьшими количествами веществ (порядка нанолитра (0.1 х 0.1 х 0.1 мм) и пиколитра (10 х 10 х 10 мкм)), что дало основу для современных струйных технологий. Развитием СПА (системы полного анализа) являлась их миниатюризация. В 1989 г. А. Манцем и сотрудниками была предложена концепция создания новых приборов — «микроаналитических систем» (m-TAS). Идея концепции сводится к интеграции всех стадий аналитического цикла на микрочипе с разветвленной системой каналов, в которых должна осуществляться предварительная подготовка пробы, разделение и последующее детектирование.

Существенным шагом было создание в 1979 году Терри и соавторами миниатюрного газового хроматографа на кремниевой пластинке. Первый высокоэффективный жидкостный хроматограф (ВЭЖХ) на основе технологии Si-Pyrex был представлен в 1990 году командой Манца. Сотрудниками фирмы Cida-Geiry был предложен подход к созданию микросистем проточно-инжекционного анализа. Система состоит из нескольких частей, каждая из которых собирается отдельно, что позволяет получать требуемую конфигурацию из стандартных блоков и в случае выхода из строя того или иного блока существует возможность заменить этот блок. Таким образом был предложен модульный подход к созданию лабораторий-на-чипе.

В конце 80-х, начале 90-х были разработаны такие микрофлюидные структуры, как микрокапиллярные каналы и микронасосы. Так же в эти годы уже была отработана технология микрообработки кремния, что создало основу для автоматизации сложных методик манипуляций с жидкостями [12, 13]. Таким образом, появилось новое направление микрофлюидных технологий «миниатюризованные системы полного анализа» (mTAS) [14]  или лабочипы (lab-on-a-chip) [15].


Литература:
[1] ...
...
[14] ...
[15] ...
Comments