Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

Lab-on-a-chip eszközök

Lab-on-a-chip eszközök

Napjainkban az analitikai vizsgálatok elvégzésére használt készülékek megfelelő pontossággal képesek a vizsgált minta minőségi, mennyiségi vagy akár szerkezeti meghatározására is. A nagyszámú minta gyors elemzésének igénye hívta életre az automatizált analitikai eljárásokat, amelyekről a 9. fejezetben bővebben olvashatunk. Ezek a készülékek már kielégítik a legtöbb elvárt sebességi és pontossági paramétert, azonban emellett a nagy méret, a magas reagens és minta igény, valamint a gyakori karbantartási igény is a további integrálás, illetve miniatürizálás irányába mutat. Ezen a vonalon alakultak ki a mikrofluidikai eszközök, melyeket „Lab-on-a-Chip”-nek (LoC) vagy μTAS-nak (micro total analysis system) is neveznek. Az ilyen eszközökre jellemző a nagyfokú integráltság miatti kis méret és hordozhatóság, kevés minta és reagens igény miatt kevés hulladék képződik, gyors analízis várható a rövid szállítási távolságok és optimális anyagáramlás miatt. Az olcsón és jól reprodukálhatóan sorozatgyártásban készült chipek az egyszeri felhasználhatóságot célozzák meg.

Működési elv

Mikrofluidikai módszerek kémiai elemzésben való felhasználásánál kis térfogatú mintákat injektálnak be az analízishez kialakított csatornákba. A leggyakoribb kromatográfiás és elektroforetikus úton történő elválasztás során nyomás- vagy feszültségkülönbség hatására nagyon kicsi mintatérfogatot injektálnak, majd az elválasztás után az egyes komponenseket detektálják.

Új megközelítést jelent a mikrofluidikai eljárásokban az ún. „digitális mikrofluidika”. E módszernél folyadék cseppeket mozgatnak egy elektródrendszer felületén, ahol aztán a különféle reagens cseppek találkozásával megvalósítható a reagensek keveredése, reakciója, majd detektálásuk is.

Eszközök és módszerek

A mikrofluidikai eszközök legkorábbi felhasználása kromatográfiás módszerekkel történt (GC, LC ), később az elektroforetikus elválasztás valamint a molekuláris biológiai alkalmazások (pl. PCR) is megjelentek.

A chipek készítéséhez a technológia az integrált áramköri elemek megmunkálásától érkezett (pl. fotolitográfia, nedves és száraz maratási eljárások, stb.). Sorozatgyártási igények esetén először egy öntő/nyomóforma elkészítése szükséges, amely a készítendő mintázat negatív lenyomatát tartalmazza. Egyedi eszközök készítésénél a közvetlen kialakítás is elképzelhető. Mindkét esetben a hordozóra (Si, üveg, polimer is lehet) el kell helyezni egy réteget, amelyen a mintázat kialakításra kerül. Ezt a réteget lehet aztán megmunkálni fotolitográfiás eljárással. Az elkészített mintázat lezárása egy védőréteg elhelyezésével történik, amely a csatorna tetejét is adja majd. Az alábbi ábrán egy Si alapú chip készítésének lépéseit mutatjuk be.

Fotolitográfiás eljárás lépései mikrofluidikai eszközök készítéséhez

Először a Si korong hordozóra SiO2 réteget alakítanak ki annak teljes felületén, a kívánt csatorna vastagságnak megfelelően. Az oxid rétegre kerül a fényérzékeny polimergyanta, amely lehet UV fényre keményedő (negatív) és lebomló (pozitív) is. Egy előre elkészített maszkon keresztül, amely a kívánt csatorna negatív mintázatát hordozza, UV fénnyel levilágítják a fényérzékeny polimert. Ahol fény érte, a pozitív gyanta kötései széthasadnak, lemoshatóvá válik, még a negatív gyanta megkeményedik, a kitakart részeken lesz lemosható. Ez a fotolitográfiás lépés. A lemosást követi a SiO2 réteg maratása, amelyben a gyantával nem fedett részeken előbukkan a Si felület. Végül a gyanta eltávolítása történik meg, ezzel előáll a csatorna, amelynek befedése egy újabb Si réteg ragasztásával történhet meg.

Fontos megemlíteni a hordozó maratási eljárásokat. Ekkor a SiO2 réteg helyett egy fémréteget visznek fel a hordozóra, amelyet az előbb bemutatott litográfiás módszerrel megmaratnak. Ezután egy újabb maratási lépésben a csatornák helyén előbukkant tiszta hordozófelületet újra maratják HF/HNO3 vagy KOH-ot használva. Amennyiben a hordozó amorf anyag (pl. üveg), izotrop maratásról beszélünk, mivel minden irányban közel egyenletes sebességgel fog a maratás haladni, a csatorna keresztmetszete félkörhöz hasonló alakú lesz. Kristályos szerkezetű anyagokban (pl. Si) a kristálylapok mentén eltérő lesz a maratás mértéke, anizotrop maratással éles sarkokat kapunk.

Számos más maratási eljárást is kidolgoztak az elmúlt évtizedekben, pl. porszórás, reaktív ion maratás, anódos maratás, stb.

Polimerek esetén az öntő/nyomóforma elkészítése litográfiás és/vagy maratási lépések során történik meg. A hordozó lehet Si lapka, rozsdamentes acél vagy Ni lemez. Ez a forma egy negatív lenyomatként szolgál, erre öntik, préselik rá a különböző polimereket (pl. polimetil-metakrilát, polikarbonát, polidimetil-sziloxán).

A kész csatornára a chip fedőlapjának elhelyezése előtt sokszor fémes csatlakozásokat visznek fel, a felhasználási céloknak megfelelően detektorként vagy elektroforetikus elválasztás elektródjaiként.

A ma kapható chipek jellemzően polimerből készülnek, és általában egy adott célkészülék számára fejlesztik ki azokat. Ezek az eszközök általában csak kismértékben módosíthatók, így flexibilitásuk a gyártók által korlátozott. .

Analitikai teljesítőképesség

A kromatográfiás módszereknél egy napjainkban használatos chip csatornahossza 5-15 cm, szélessége 5-50 μm, mélysége 1-10 μm, így az össztérfogat 1,5-10 nL közötti. Amperometriás vagy konduktometriás detektorral – az elektródok közti távolságból számítva – a detektor térfogat csupán 1,5 pL. Optikai detektálási módszerek közül –elsősorban a nagy érzékenységnek és a kiváló jel/zaj viszonynak köszönhetően– a fluoreszcenciás módszerek a leggyakoribbak. Töltettel rendelkező csatornák/oszlopok is készíthetők chipeken, amelyeken HPLC alkalmazások alakíthatók kis. Természetesen ilyenkor lényegesen nagyobb térfogatokat használunk. A hátrány ebben az esetben az elválasztáshoz szükséges nagy nyomás, amelyet a csatorna anyag és fedése nehezen visel el.

Elektroforetikus elválasztáshoz elegendő a legegyszerűbb esetben két, egymást keresztező csatornából (kapillárisból) álló chip. Működéséhez az kell, hogy mindkét csatorna fel legyen töltve az elválasztáshoz szükséges pufferrel. A rövid csatornát ezután kis túlnyomás vagy elektromos térerő hatására feltöltjük a mintával. Az elválasztáshoz a hosszabb csatorna végpontjai (portok) között kell kialakítani megfelelően nagy potenciál különbséget, melynek hatására a két csatorna kereszteződésében lévő mintakomponensek a töltés/tömeg arányuknak megfelelően vándorolni kezdenek az elektromos erőtérben a töltésüknek megfelelő pólus irányába. A detektálás történhet optikai (abszorbancia, fluoreszcencia), elektrokémiai (amperometria, konduktometria) úton, de akár tömegspektrométerben is.

Az elválasztás hatékonyságát leíró elméleti tányérszámra (N) igaz, hogy N ~ L/d (L- csatorna hossz, d- csatorna átmérő), az elválasztáshoz szükséges időre (t) pedig t ~ L*d. Látható, hogy a csatorna átmérőjének csökkentése az analízis idejét csökkenti, míg a hatékonyságot növeli. Ez alapján a miniatürizálásra rendkívül jól alkalmazató kapilláris elektroforézisnél. Az egyedüli hátrány a kis kapilláris átmérőnél jelentkező nagy elektromos ellenállás következtében az átfolyó áram az ún. Joule-hő formájában melegíti a környezetét, így a kapillárist is.

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Ismertesse a fotolitográfiás eljárások fontosabb lépéseit!

  2. Milyen hasonlóságok és különbségek jellemzik a hagyományos és a chipeken történő elválasztási módszereket?

  3. Melyek a leggyakoribb detektálási módszerek a LoC eszközöknél?