Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский Национальной Технический Университет

Машиностроительный факультет

Кафедра «Интеллектуальные сенсорные системы»

Курсовая работа

по дисциплине «Сенсоры и сенсорные системы»

на тему Сенсорные устройства интегральных микроаналитических систем: конструктивно-технологические решения

Выполнил Харчук А.Н.

РуководительГулай А.В.

Минск 2017

Введение

В данной курсовой работе представлены и проанализированы результаты физико-технологических исследований и конструирования микроаналитических систем (лабораторий на чипе, биочипов, микрофлюидных чипов) и портативных аналитических приборов для работы с микрочипами (ридеров), а также представлены примеры макетной реализации приборов, предназначенных для проведения биомедицинского анализа методами капиллярного электрофореза, электрохроматографии, латексагглютинации.

Содержание

• Введение
• 1. Хроматографический микрофлюидный чип
• 2. Модуль для генного анализа
• 3. Датчик регистрации реакции иммунной латекс агглютинации в проходящем свете
• 4. Датчик регистрации реакции иммунофлюоресцентного, генного и других видов аналита
• 5. Макет ридера для считывания данных по флюоресценции с матричного чипа
• 6. Прибор для капиллярного электрофореза
• 7. Миниатюрный доплеровского электрофоретического анализатора
• Заключение
• Литература

• Введение
• Технологии микроэлектроники открыли возможности развития нового направления инструментальной аналитической химии -- микро- и наноаналитических систем. Предназначение таких систем -- повышение скорости и автоматизация аналитического процесса для осуществления массового скрининга параметров среды обитания, технологических процессов и живых организмов. Переход инструментальной аналитической химии к применению разработок микросистемной техники превратил ее в индустрию генерирования и классификации аналитических данных. Этот переход можно назвать научно-технической революцией, так как он характеризуется скачкообразным увеличением производительности аналитического процесса.
• Для создания микроаналитических систем основные операции аналитической процедуры необходимо детализировать и представить как совокупность более простых операций (табл. 1), выбрать физические принципы и технологии для их микрореализации.
• Проявление новых свойств системы при ее миниатюризации -- это повышение скорости функционирования без дополнительных затрат интенсивных факторов -- энергии, вещества, при этом существенно влияют на процессы фрактальные подмножества: скорость адсорбции на искривленной поверхности, геометрическая комплементарность объектов, системы двойных электрических слоев и многие другие.
• Развитие всего спектра конструктивно-технологических и методических подходов для реализации промышленных образцов таких систем продолжается уже более 15 лет. Оказалось, что реализация аналитических микро- и наносистем является более сложной технической и технологической задачей, чем это виделось в начале пути.

• Таблица 1. Некоторые аналитические операции, физические принципы и конструктивно - технологические решения при создании микроаналитических систем на их основе


1. Хроматографический микрофлюидный чип

Рассмотрим некоторые из этих функций и способы их микрореализации. Современный химический анализ трудно представить без разделения пробы на компоненты, например, с помощью хроматографии или электрофореза. Рассмотрим интегрированный на микрофлюидном чипе вариант хроматографии. Основным средством разделения пробы на составляющие является хроматографическая колонка -- пористая среда с перфузионными свойствами, ограниченная, как правило, цилиндрической или, в случае планарного варианта, плоскопараллельными поверхностями (рис. 1).

Пространственная структура и свойства поверхности пористой среды (сорбента) определяют ее способность разделять вещества. Колонка может представлять собой плотно упакованную сферическими пористыми частицами среду, а может являться «монолитной» пористой структурой. В первом случае очень важна плотность упаковки частиц, поскольку наличие пустот в перфузионных каналах приводит к ухудшению эффективности разделения. Появление фоторезистивных материалов нового поколения, таких как SU-8, позволило изготавливать разделительные дорожки с геометрическими препятствиями (колонки) любой формы с топологическим размером до 10 мкм на основе толстопленочных технологий. Такая дорожка для сепарации фрагментов ДНК представлена на рис. 2.

Рассмотрим процесс температурной обработки пробы. Такая пробоподготовка нужна в генном анализе, где можно увеличить количество молекул ДНК в пробе с использованием реакции амплификации. Проведение этой реакции (полимеразной цепной реакции -- ПЦР) требует термоциклирования. На рис. 3 представлены планарное устройство для термоциклирования и конструкция модуля для проведения полимеразной цепной реакции с водяным капиллярным охлаждением.

2. Модуль для генного анализа

Другим важным принципом анализа является мембранная сепарация молекул и частиц. На рис. 4, а представлена схема выделения лимфоцитов для иммунофлюоресцентного анализа в миниатюрном модуле с прецизионной мембраной. Наномембрана на базе анодного оксида алюминия, разработанная совместно с ИЭ АНБ (Минск), показана на рис. 4, б. Преимущество наномембран, полученных методом нанотехнологий, заключается в том, что положение и размер пор заданы с высокой точностью. Это свойство позволяет контролировать проницаемость мембраны при разделении веществ с близкими размерами, таких как клетки крови. При диагностическом применении получение полной выборки клеток заданного типа становится особенно важным для количественного определения диагностических параметров. Мембранная пробоподготовка в настоящее время привлекает внимание именно благодаря появлению мембран нового поколения как представлено на рис. 4, б и в. Микрочипы с интегрированными мембранами в сочетании с видеоцифровыми средствами позволяют проводить экспрессный анализ опасных инфекций на основе иммунофлюоресцентных меток и компьютерной обработки изображения.

В микроаналитических системах реализуются практически все физические принципы детектирования, традиционно используемые в аналитических приборах. Следует отметить, что особое место здесь занимает принцип биораспознавания. Перечень основных принципов детектирования приведен в табл. 1.

Иммунитет проявляется в способности организма к распознаванию и связыванию всех чужеродных веществ (антигенов) с помощью вырабатываемых им специфических веществ (антител). Молекулярный механизм иммунного биораспознавания заложен в основу иммунных методов анализа, широко применяемых в медицинской диагностике. Одним из способов учета реакции связывания антиген--антитело является наблюдение за флокуляцией (агглютинацией) латексных частиц, несущих на своей поверхности соответствующие биораспознающие компоненты, как схематически представлено на рис. 5 для двух типов латексных препаратов: антигенного (рис. 5, а) и антительного (рис. 5, б).

3. Датчик регистрации реакции иммунной латекс агглютинации в проходящем свете

При сопряжении микрочиповых платформ с видеоцифровыми сенсорами и источниками первичного излучения возможна регистрация изображений, связанных с агглютинацией латексных частиц в результате антигенантительного взаимодействия патологического фактора в матрице. Оптическая схема представлена на рис. 6.

Высокие чувствительность и специфичность в иммунологической диагностике достигаются путем использования высокоочищенных компонентов проводимой реакции и современных технических средств с программным обеспечением: фотометрия, люминометрия (основанные на хемиибиолюминесценции), флуориметрия. При этом достигается чувствительность 10-6- 10-12 г/л вещества. Однако высокая стоимость оборудования, программного обеспечения, самих тест-систем делают эти методы недоступными для многих лабораторий. Поэтому ценность представляют быстрые, мобильные и одновременно достоверные методы, реализуемые на доступных приборах. Использование ридера на базе видеосенсора и микроплатформ для учета реакции латекс агглютинации позволит сделать этот метод экспрессным, достоверным и мобильным.

На рис. 7 представлены ридер, набор матричных платформ и результаты учета реакции латексного диагностикума при определении дифтерийного токсина. Из рис. 7, в видно, что при агглютинации латексного диагностикума изображение лунки светлеет.

Развитие элементной базы микроэлектроники открывает возможности разработки многоканальных микроплатформ для массового биомедицинского анализа. В данном случае представляет интерес флюориметрическое детектирование как метод, обладающий высоким квантовым выходом излучения и позволяющий детектировать вплоть до нескольких десятков молекул флюорофора.

4. Датчик регистрации реакции иммунофлюоресцентного, генного и других видов аналита

Детектирование сверхмалых количеств флюорофора, таких как 10-18 моля и менее, требует оптимизации оптической схемы. Одним из приемов, позволяющих поднять уровень сигнала на один-два порядка, является повышение светосилы оптической схемы, т. е. повышение апертуры приема сигнала сенсором (рис. 8).

На рис. 9, а представлен вид записи с помощью КМОП матрицы сигнала флюоресценции микролунок планшета, содержащих по 200 нл раствора флюоресцеина концентрации 10-8 моль/л-1. На рис. 9, б представлены такие же, как на рис. 9, а, образцы, но на платформе с сопряженными линзами, выполненными в термопласте. Очевидно существенное повышение отношения сигнал/шум в результате выполнения рельефа сопряженных линз (рис. 9, в, г) в едином технологическом цикле с термокомпрессионной обработкой микроплатформы. На рис. 9, д представлены сравнительные данные измерения светового потока флюоресценции для случаев на рис. 9, а и б по флюоресцеину. Группа концентрационных зависимостей флюоресценции 1 (рис. 9, д) соответствует данным флюориметрии для различных концентраций и объемов лунок от 0,8 до 0,02 мкл, зависимость 2 соответствует лункам объемом 0,2 мкл с сопряженными микролинзами. Из рис. 9, д можно оценить предел обнаружения флюоресцеина в лунке платформы, сопряженной с КМОП-сенсором как 0,2 10-13 моля, а с применением сопряженных микролинз -- до 10-17 моля.

5. Макет ридера для считывания данных по флюоресценции с матричного чипа

На рис. 10 представлен макет ридера для считывания данных по флюоресценции с матричного чипа. Такие ридеры миниатюрны и дешевы, при этом позволяют получать высокое разрешение и чувствительность.

микрофлюидный лектрофоретический капиллярный доплеровский

Более высокая чувствительность наблюдается в капиллярной системе при использовании оптимизированной оптической схемы освещения и сбора вторичного излучения. Такая схема реализована в флюориметрическом детекторе для капиллярного электрофореза, представленном на рис. 11, а. Появление на рынке сверхъярких светодиодных источников излучения позволило осуществлять такие схемы без использования дорогостоящих лазеров. В представленной схеме применен полимерный световод (рис. 11, б, в) для транслирования светового потока в заданную точку канала.

Приборы с флюориметрическим детектированием предназначены для определения фракционного состава и электрофоретической подвижности фракций растворов в целях биохимической диагностики в клинической практике и в научных исследованиях методом капиллярного электрофореза в планарном капилляре или для электрохроматографии в планарных модулях.

6. Прибор для капиллярного электрофореза

Разработанный на этой основе макет миниатюрной аналитической системы представляет собой считывающее устройство (ридер) и сменный чип, в том числе одноразовый (рис. 12, а). Общий вид прибора показан на рис. 12, б.

Для улучшения предела обнаружения в такой системе можно также повысить апертуру приема, в частности, за счет интегрированных оптических элементов, таких как киноформы. В этом случае чувствительность повышается на один порядок.

Показано, что процессы взаимодействия макромолекул в капилляре можно регистрировать с помощью лазерного доплеровского светорассеяния. Принцип метода доплеровского электрофоретического светорассеяния основан на измерении спектра когерентного света, рассеянного на частицах, движущихся с постоянной скоростью v, и смешанного с возбуждающим светом, используемым в качестве гетеродина. Тогда в измеренном спектре центральная частота спектральной линии связана со скоростью v, а ее ширина -- с диффузионной подвижностью частиц. Если в поле движутся частицы, имеющие различные групповые скорости, то спектр может содержать линии с характерными для данных скоростей центральными частотами, имеющими соответствующую диффузионную ширину. Измерение характеристик объектов методом электрофореза и оптического смешения позволяет в одном эксперименте измерить подвижность и коэффициент диффузии, а для многокомпонентных систем -- измерить подвижность и коэффициент диффузии каждого из компонентов.

Оптическая схема представлена на рис. 13. Реализация такой схемы позволяет достигать высоких электрофоретических скоростей макромолекул, например, белков, за счет высоких значений напряженности поля в капилляре при токах до 100 мкА и эффекта стабилизации потока стенками, наподобие капиллярного электрофореза. При этом планарное исполнение дает возможность достичь оптического качества окон, не искажающих волновой фронт, что существенно для получения сигнала доплеровского светорассеяния.

7. Миниатюрный доплеровского электрофоретического анализатора

На рис. 14, а представлен макет миниатюрного доплеровского электрофоретического анализатора. Измерительная кювета выполнена в виде сменного планарного капиллярного микрочипа, содержащего измерительный капилляр прямоугольного сечения диаметром d 50 - 200 мкм -- перпендикулярно к падающему лучу и d 20 - 50 мкм -- по ходу луча, с плоскопараллельными оптическими окнами (рис. 14, б). На рис. 14, в представлен частотный спектр, соответствующий значениям групповых скоростей фракций сыворотки крови. Видно, что максимальное смещение частоты приближается к 1500 Гц, что указывает на большой динамический диапазон метода и возможность разрешить пять и более электрофоретических фракций сыворотки крови за 10 с. Миниатюризация аналитических систем биомедицинского назначения является естественным процессом эволюционного технического развития, который приведет к переоснащению клинических лабораторий, врачей общей практики и специалистов, биологов и экологов в полевых условиях.

Заключение

Миниатюризация аналитических систем биомедицинского назначения является естественным процессом эволюционного технического развития, который приведет к переоснащению клинических лабораторий, врачей общей практики и специалистов, биологов и экологов в полевых условиях. Миниатюризация и интегрирование функциональных элементов аналитических приборов позволяет не только снизить материало- и энергоемкость, но и повысить аналитические возможности, главным образом скорость и разрешение анализа, благодаря синергетическим эффектам миниатюризации, возможности реализации параллельных либо сотовых конфигураций.

Литература

1. Зимина Т. М. Микро и наноаналитические системы//Нанотехнология. Физика. Процессы. Диагностика. Приборы/Под ред. В. В. Лучинина и Ю. М. Таирова. М.:Физматлит, 2006.

2. Planar chips technology for miniaturization of separation systems: A developing perspective in chemical monitoring (review)/A. Manz, D. J. Harrison, E. Verpoorte, H. M Widmer// Adv. Chromatogr. 1993, т. 33. P. 1-66.

3. Зимина Т. М. Интегральные капиллярные сепарационные микросистемы для химического анализа //Петербург. журн. электроника. 2000, № 3-4. C. 79.

4. Пат. № 2171467 РФ. G01N27/00. 2000. Микрореактор для химического и генетического тестирования// В. В. Лучинин, А. В. Корляков, Т. М. Зимина, И. В. Никитин.

5. Пат. № RU 2298 798 C1 РФ. G01N 33/546.2006.01. Способ контроля биологической пробы в реакции латексагглютинации и аналитическая система для его осуществления//Т. М. Зимина, В. В. Лучинин, В. Е. Мигунова и др.

6. Пат. № 2229699 РФ. G01N21/00. 2000. Аналитический капиллярный микрочип//Т. М. Зимина, М. Н. Полянский, В. В. Лучинин.

7. Пат № 2280247 РФ. G01N21/64, 03. 2006. Биочип для флюоресцентного и люминесцентного анализа// Т. М. Зимина, В. В. Лучинин.

Размещено на Allbest.ru