eng
Выпуск #3/2017
В.Родченкова, И.Шахнович
Микрофлюидные чипы – конструктор для разработчика. Решения компании Dolomite
Микрофлюидные чипы – конструктор для разработчика. Решения компании Dolomite
Просмотры: 5063
Микрофлюидика (микрогидродинамика) – междисциплинарная наука, изучающая закономерности поведения жидкостей и газов, движущихся по узким каналам внутри герметичных миниатюрных устройств – микрочипов. Сегодня применение микрофлюидных модулей в медицине, биологии, фармацевтике, в промышленности и других областях открывает новые возможности по существенному снижению стоимости, энергоемкости, сложности и длительности исследований и анализов.
УДК 54.07
ВАК 02.00.02
DOI: 10.22184/2227-572X.2017.34.3.60.69
УДК 54.07
ВАК 02.00.02
DOI: 10.22184/2227-572X.2017.34.3.60.69
Микрофлюидные технологии позволяют работать с очень малыми объемами жидкостей, газов, с пузырьками и каплями, с кристаллическими и полимерными частицами, даже с отдельными биологическими клетками. Причем в процессе исследований можно наблюдать за изучаемыми объектами, манипулировать ими, контролировать протекающие процессы.
В основе микрофлюидики – микрофлюидные модули, позволяющие управлять микро-, нано- и даже пиколитровыми объемами жидкостей. Это важно для таких операций, как подготовка проб, их транспортировка, смешивание, разделение, детектирование, дозирование и др. Преимущества микрофлюидных технологий заключаются и в том, что реакции проходят в закрытых системах, где исключена контаминация, а объемы реагентов минимальны. В результате можно выполнять в миниатюрном формате не только традиционные исследования, но и проводить анализы, которые ранее были нереализуемы.
Например, в каплях малых объемов обеспечиваются условия для изоляции отдельных клеток или молекул. Идея изучения отдельных клеток, изолированных в оболочке минерального масла, была предложена в 1954 году. Но только с развитием микрофлюидных технологий удалось достичь стабильного и воспроизводимого формирования монодисперсных капель с заданными параметрами, пригодных для количественных исследований. И подобных примеров – множество.
КОМПАНИЯ DOLOMITE MICROFLUIDICS
В августе 2001 года британские инженеры Марк Джиллиган и Ричард Грей создали компанию Syrris (в составе группы компаний Blacktrace) с целью разработки новых технологий для фармацевтической промышленности. Очень быстро компания стала одним из наиболее значимых игроков на рынке микрореакторов и проточных химических систем. В области разработки новейших технологий Syrris активно сотрудничала с такими ведущими фармацевтическими корпорациями, как Pfizer и GlaxoSmithKline.
В 2005 году была организована дочерняя компания Dolomite microfluidics, сначала как филиал Syrris, ориентированный на разработку решений для микрофлюидики. Однако в 2006 году Dolomite выиграла грант Департамента торговли и промышленности Великобритании в рамках Инициативы микро- и нанотехнологического производства (Micro and Nanotechnology Manufacturing Initiative). Благодаря этому гранту размером в 2 млн фунтов стерлингов компания создала современное производство на основе микротехнологий, включая процессы литографии и прецизионного мокрого травления, других методов высокоточной обработки стекла, а также организовала прикладные лаборатории и сумела сформировать высокопрофессиональную инженерную команду.
Сегодня Dolomite – один из мировых лидеров в конструировании и производстве высококачественной продукции для микрофлюидики. Компания разрабатывает и изготавливает широкий спектр изделий как для научных исследований, так и для промышленных задач. Среди них – модульные системы для генерации капель, инкапсуляции в капли различных химических и биологических объектов, устройства для формирования двойных эмульсий, для смешивания и слияния капель, для синтеза наночастиц. Dolomite производит не только отдельные компоненты для микрофлюидики, но и законченные системы на основе микрофлюидных технологий, в том числе для высокопроизводительных промышленных применений. Помимо стандартных решений, компания ориентирована на изготовление продукции под конкретные требования заказчиков – от отдельных компонентов до законченных устройств на основе идей клиентов. Более того, Dolomite предлагает первый в отрасли 3D-принтер Fluidic Factory для печати микрофлюидных чипов.
В целом, решения Dolomite чрезвычайно разнообразны даже в рамках одного направления – микрофлюидики. Компания выпускает микрофлюидные чипы, коннекторы и интерфейсы, клапаны, насосы, датчики потока и регуляторы температуры, другие комплектующие и принадлежности для работы с жидкостями и газами и т.д. Описать их в рамках одной статьи невозможно, да и ненужно. Поэтому мы сосредоточимся лишь на одном, но важном типе продуктов – микрофлюидных чипах. Причем основной акцент сделаем на чипах для формирования капель.
МИКРОФЛЮИДНЫЕ ЧИПЫ
Компания Dolomite производит более 100 типов микрофлюидных чипов, которые различаются размерами и геометрией соединений каналов, свойствами поверхности и типом материалов подложки. Dolomite выпускает ряд серийных микрофлюидных чипов для таких задач, как генерация микрокапель, смешивание потоков жидкостей, чипы-микрореакторы, микропористые чипы для моделирования структуры горных пород и др. Выпускаются чипы с мембранами, разборные чипы, колодцеобразные чипы, чипы-микропланшеты и т.д.
Чипы из стекла отличаются высокой химической стойкостью, превосходной оптической прозрачностью и хорошими термическими свойствами. Это позволяет использовать разнообразные растворители и химические реактивы. Поверхность сформированных в стекле каналов очень гладкая, шероховатость не превышает 8 нм. Стеклянная подложка чипа может быть очень тонкой (до 100 мкм), поэтому для исследований образцов применимы даже методы конфокальной микроскопии.
Кварцевое стекло сочетает очень высокую температурную стабильность (до 900°C) и химическую стойкость. Кроме того, оно обладает хорошими оптическими свойствами, прежде всего – однородностью и прозрачностью в УФ-диапазоне. Поэтому кварцевое стекло – превосходный материал для микрофлюидных проточных ячеек, микрореакторов и устройств для УФ-полимеризации.
В ряде случаев, например, при изготовлении одноразовых изделий для клинической диагностики, дешевле и удобнее полимерные материалы, например, полидиметилсилоксан (ПДМС). Металлические микрофлюидные чипы применяются в случаях, когда необходима быстрая теплопередача, очень высокое давление или высокая электропроводность, например, для производства микрореакторов высокого давления и/или высокой температуры, электрохимических ячеек и датчиков.
Поверхность микроканалов может быть модифицирована различными реагентами. В частности, используют гидрофильные либо гидрофобные функциональные покрытия, фторофильные покрытия, а для формирования систем электродов – металлизацию (Pt, Au, Ag). Возможно селективное нанесение покрытий.
Глубина каналов составляет от 14 нм до 1 мм. Для формирования канала используются процессы фотолитографии и мокрого травления (HF) с последующей прецизионной обработкой и полировкой. Каналы формируются в двух половинках будущего чипа (подложки толщиной от 100 мкм до 40 мм). Для совмещения используются различные методы, как низкотемпературные, так и термическое соединение. В результате формируются устройства с широким спектром характеристик и, соответственно, возможностей. Так, рабочие температуры чипов составляют от 150 до 500°С, диапазон давлений – до 300 бар.
ЧИПЫ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ КАПЕЛЬ
Сегодня в микрофлюидике одно из наиболее востребованных и быстрорастущих направлений – генерация микрокапель. Основные области применения для технологии капельной микрофлюидики:
• создание эмульсий, пен, гелей, золей и аэрозолей;
• инкапсуляция частиц, например клеток, ДНК или магнитных шариков;
• синтез лекарственных форм, доставка лекарств с помощью полимерных частиц;
• формирование наночастиц и полимерных частиц.
Потенциал "капельной" микрофлюидики огромен не только в сфере приборостроения для химического и биохимического синтеза веществ. Он велик также для высокопроизводительной молекулярной диагностики методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), для исследования отдельных клеток и изучения процессов их функционирования, для скрининга лекарственных средств, в геномике, протеомике и т. д.
Различные задачи требуют своих методов формирования капель, следовательно – своей топологии микроканалов (рис.1). Dolomite предлагает широкий ассортимент чипов с каналами различной геометрии, глубины и свойствами поверхности. Они позволяют получать до 12 тыс. капель в секунду, причем с минимальным расходом реагентов. При этом обеспечивается высокая монодисперсность – размеры капель (частиц или эмульсий) остаются высокостабильными (разброс 1–5%) во всем диапазоне размеров частиц, от нескольких нанометров до 250 мкм. Кроме того, возможен полный контроль условий формирования, объединения (слияния) или дробления капель.
Внутренние поверхности каналов могут быть гидрофильные (немодифицированные), усовершенствованные гидрофобные и фторофильные. Действительно, одно из основных условий устойчивой генерации капель – несмачиваемость поверхности канала дисперсной фазой и смачивание – непрерывной (рис.2). Особенно это важно, если диаметр формируемых капель больше ширины канала, иначе генерация капель будет нестабильной. Немодифицированная поверхность стеклянного канала, естественно, гидрофильна. Такой канал позволяет формировать капли органических веществ в водной фазе носителя. Для образования водных капель в органической фазе используют гидрофобное покрытие. Оно устойчиво к действию органических растворителей, однако его можно удалить с помощью кислоты или выдерживанием в растворе NaOH. Фторофильная обработка каналов позволяет формировать эмульсии типа вода во фтороуглеродном масле. Dolomite производит чипы с определенным видом модифицированных поверхностей. Однако пользователи могут и самостоятельно придавать поверхностям нужные свойства, для чего Dolomite поставляет специальные реагенты.
Для задач капельной микрофлюидики компания Dolomite предлагает несколько типов чипов.
Чипы для одного реагента предназначены для получения монодисперсных капель, например, масла в воде. Для таких задач выпускаются чипы с Т- и Х-образным типом соединения каналов (рис.3). Они позволяют получать до 12 тыс. капель в секунду. Причем диаметр капель может составлять 20–150 мкм при использовании чипов с глубиной каналов 100 мкм и 80–300 мкм при глубине каналов 190 мкм.
Для формирования капель диаметром 2–30 мкм Dolomite предлагает специальную серию чипов из стекла и кварца с каналами глубиной 14 мкм (рис.4). Сечение перехода в области соединения каналов составляет 14Ч17 мкм. Для предотвращения засорения микроканалов предусмотрены встроенные фильтры.
Для высокопроизводительных систем разработаны специальные чипы с параллельной генерацией капель диаметром 20–60 мкм (рис.5). В них сформировано шесть независимых каплеобразующих межканальных переходов, в конечном итоге сходящихся в один широкий канал, по которому монодисперсная эмульсия поступает из чипа во внешнюю систему.
Для получения капель из нескольких реагентов предназначены чипы с глубиной каналов 50 и 100 мкм (рис.6). Они находят самое разнообразное применение, включая образование монодисперсных капель, эмульсий и многокомпонентных капель, а также частиц-янусов с неоднородными свойствами поверхности. Такие чипы используются для высокопроизводительного химического анализа, биохимического анализа клеток, исследований полимеризации и т.п.
В чипах с возможностью ввода до трех реагентов (четыре входных и два выходных канала) входы каналов выведены на верхнюю поверхность для подключения круглого 8-канального коннектора. Поэтому они снабжены коннекторным винтом. Неиспользуемые каналы можно закрыть пробкой из ПТФЭ.
Специальные чипы предназначены для формирования капель, содержащих два реактива. В них входы каналов выведены в торцы чипа, для подключения используются линейные коннекторы (рис.7). В таких чипах два потока реактивов встречаются в непосредственной близости от каплеобразующего межканального соединения, что сводит к минимуму смешивание реагентов до формирования капли. Таким образом, химическая реакция между веществами происходит непосредственно в изолированных друг от друга каплях. Это позволяет наблюдать тысячи независимых реакций в секунду в заданном объеме, что важно, например, для исследований полимеризации, биохимического анализа клеток, для формирования янус-частиц и т.п.
Dolomite также предлагает чипы для генерации и инкубирования монодисперсных капель из двух реагентов. Их особенность – длинные каналы хранения капель, объемом 16,38 мкл (рис.8). В них может накапливаться до 91 тыс. капель диаметром 70 мкм и до 364 тыс. 30-мкм капель. Подобные чипы важны в таких приложениях, как кристаллизация белка и ПЦР, для термоциклирования и др.
Некоторые жидкости, например, полимерные, способны повреждать/загрязнять стенки каналов микрочипов со стандартной архитектурой. Это сокращает производительность и срок службы микрочипов. Для предотвращения загрязнений стенок каналов компания разработала микрофлюидные чипы с 3D-фокусировкой. Их особенность – после каплеобразующего перехода поток попадает в специальный канал-пору более узкого диаметра. Например, если сечение каналов до слияния составляло 100Ч105 мкм, то сечение поры – 54Ч75 мкм (рис.9). При этом внешний поток жидкости предотвращает контакт капель со стенками канала. Формируемый диаметр капель 25–70 мкм. Для генерации капель диаметром 5–12 мкм производятся чипы с 3D-фокусировкой с сечением каналов 14Ч17 мкм в зоне перехода, сечение поры – 8Ч12 мкм.
Специальная категория чипов предназначена для непрерывного управляемого формирования одной капли из двух капель различного состава. Для этого в конструкции чипа предусмотрена камера объединения (рис.10). В частности, такие чипы производятся с каналами глубиной 200 мкм для объединения капель объемом от 50 до 175 нл. Например, чип позволяет объединять в одной капле материал исследуемой пробы и эталонные образцы, причем со скоростью до 10 объединенных капель в секунду. Одна из основных задач, для которой разрабатывались такие чипы, – анализ нуклеиновых кислот.
МИКРОФЛЮИДНЫЕ ЧИПЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Формирование капель – важная, но далеко не единственная область, для которой компания Dolomite предлагает микрофлюидные чипы. Фирма выпускает чипы-микрореакторы, микромиксеры, чипы-микропланшеты, чипы со встроенной мембраной, разборные чипы и т.п. Очень бегло рассмотрим некоторые из них.
Чипы-микрореакторы производства Dolomite предназначены для смешивания и реакций двух или трех жидких реактивов в потоке с целью быстрого и эффективного химического анализа (рис.11). В частности, их используют для создания новых лекарств и синтеза соединений. Хотя габариты чипа – всего 90Ч28 или 90Ч45 мм, длина каналов составляет от 1,8 до 2,5 м. Объем чипа-реактора – 62,5; 250 или 1000 мкл. Компания предлагает и специальные микрофлюидные чипы с каналами длиной 5 м (после Y-образного соединения, каналы для подвода жидкости – по 8 мм). При этом габариты чипа составляют 90Ч15 мм. Такие чипы, в частности, можно использовать в качестве проточных ячеек, для обеспечения контакта газ-жидкость и т.п. Чипы-микрореакторы обеспечивают работу при температурах до 150°С и давлении до 30 бар. Благодаря хорошим оптическим свойствам можно контролировать ход реакции визуально или при помощи оптических методов. Немаловажно, что поверхность каналов допускает металлизацию, в частности – платиной. Такое покрытие отличается химической стойкостью и служит катализатором различных химических реакций.
Чипы-микромиксеры разработаны для смешивания до трех потоков жидкостей за несколько миллисекунд (рис.12) в каждом из двух независимых смесительных каналов. Каждый канал включает 12 смесительных каскадов (внутренний объем каждого – 0,37 мкл). При объединении этих каналов возможно смешивание до пяти потоков. Причем габариты чипа – всего 22,5Ч15 мм. Такие чипы необходимы для изучения кинетики реакции, разведения образца, повышения селективности реакции, для задач быстрой кристаллизации и синтеза наночастиц.
Компания Dolomite выпускает ряд чипов с Т- и Y-образным соединением каналов. Они отличаются геометрией, материалом покрытия стенок (например, металлизацией платиной), толщиной подложки (до 150 мкм, что важно для задач микроскопии) и т.п. Так, чипы с Y-образной конфигурацией каналов могут применяться для исследований диффузии и наблюдения тока жидкости в двух прямых микроканалах.
Чипы с Т-образным межканальным переходом можно рассматривать как базовый элемент микрофлюидных устройств, поэтому они используются в широчайшем спектре задач. Компания предлагает несколько серийных вариантов исполнения таких чипов, в том числе – с платиновой металлизацией. Чип обладает длинным змеевидным каналом (278 мм). Возможно исполнение со срезанным торцом, что позволяет непосредственно выводить поток капель в объем жидкости.
Чип с пористой структурой (рис.13) предназначен для моделирования сложной пористой структуры горных пород. В таком чипе из стекла сформирована сетка каналов со 150 ячейками размером 2Ч2 мм. Каждая ячейка образована сеткой из пересекающихся восьми вертикальных и восьми горизонтальных каналов с почти круглым профилем сечения (100Ч110 мкм). В пересечениях каналов сформированы сужения (поры) диаметром 85 и 63 мкм, часть пересечений выполнена без сужений. Поры различных типов распределены по ячейке псевдослучайным образом, чтобы имитировать структуру горных пород. Общая длина каналов на таком чипе составляет 4,8 м. Такие микрочипы используют, например, в задачах нефтегазодобычи и геологических исследованиях в целом, в химической промышленности, при экологических испытаниях и анализе подземных вод.
Чип со встроенной мембраной представляет собой микрофлюидный чип с одним змеевидным каналом, разделенным мембраной по горизонтали (рис.14). Таким образом формируются два канала сечением 900Ч150 мкм и длиной 212 мм, взаимодействующих друг с другом через мембрану. Площадь контакта составляет 190 мм2. Компания изготавливает "половинки" таких чипов размером 24Ч24Ч4 мм (они называются "мембранный чип"), а также сами мембраны и интерфейсное устройство для сборки конструкции и ввода-вывода потоков. Стандартные мембраны выполнены из тефлона, причем как с гидрофильной, так и с гидрофобной поверхностью, однако возможно применение других мембран. Подобные чипы востребованы во многих задачах электрохимии, для разделения смесей, изучения фильтрации (например, диффузии примеси между двумя потоками, разделенными мембраной) и т.п.
КОННЕКТОРЫ И ИНТЕРФЕЙСЫ
Чтобы с микрофлюидным чипом было легко и удобно работать, нужны специальные коннекторы и интерфейсы. Компания Dolomite разработала для своих чипов серию микрофлюидных коннекторов Multiflux. В нее входит достаточно широкая гамма устройств, предназначенных для простого подключения к чипу необходимого числа трубок. В различных конструкциях вывод каналов реализован на поверхность или в торец чипа, причем на поверхности возможно линейное или круговое расположение выходных отверстий. Для подключения к чипам разработана система коннекторов и адаптеров (интерфейсов). Это системы коннекторов для чипов с портами каналов в торце и на поверхности, с линейным и круговым расположением выводов (рис.15). Адаптер необходим для простого подключения коннектора, чтобы обеспечить его точное совмещение с микроканалами чипа. Многие чипы изначально поставляются с такими адаптерами. Несколько лет назад компания разработала семейство унифицированных 7-канальных коннекторов Multiflux-2. В семейство входит и набор интерфейсов, в том числе – Н-интерфейсы для крепления чипов (рис.16).
***
Конечно, чипы – базовые, но не единственные элементы микрофлюидной системы. Компания предлагает широкий набор других необходимых компонентов – от специальных химических реактивов до детекторов, нагревателей, насосов, клапанов, оптических систем, а также законченные системы на их основе. В целом, продукты Dolomite Microfluidics позволяют создавать самые разнообразные решения для широчайшего спектра задач. Не стоит забывать, что компания специализируется не только на производстве стандартных компонентов, но и на создании законченных систем на основе идей заказчиков. И использует для этого собственные микрофлюидные компоненты.
По материалам компании Dolomite Microfluidics
В основе микрофлюидики – микрофлюидные модули, позволяющие управлять микро-, нано- и даже пиколитровыми объемами жидкостей. Это важно для таких операций, как подготовка проб, их транспортировка, смешивание, разделение, детектирование, дозирование и др. Преимущества микрофлюидных технологий заключаются и в том, что реакции проходят в закрытых системах, где исключена контаминация, а объемы реагентов минимальны. В результате можно выполнять в миниатюрном формате не только традиционные исследования, но и проводить анализы, которые ранее были нереализуемы.
Например, в каплях малых объемов обеспечиваются условия для изоляции отдельных клеток или молекул. Идея изучения отдельных клеток, изолированных в оболочке минерального масла, была предложена в 1954 году. Но только с развитием микрофлюидных технологий удалось достичь стабильного и воспроизводимого формирования монодисперсных капель с заданными параметрами, пригодных для количественных исследований. И подобных примеров – множество.
КОМПАНИЯ DOLOMITE MICROFLUIDICS
В августе 2001 года британские инженеры Марк Джиллиган и Ричард Грей создали компанию Syrris (в составе группы компаний Blacktrace) с целью разработки новых технологий для фармацевтической промышленности. Очень быстро компания стала одним из наиболее значимых игроков на рынке микрореакторов и проточных химических систем. В области разработки новейших технологий Syrris активно сотрудничала с такими ведущими фармацевтическими корпорациями, как Pfizer и GlaxoSmithKline.
В 2005 году была организована дочерняя компания Dolomite microfluidics, сначала как филиал Syrris, ориентированный на разработку решений для микрофлюидики. Однако в 2006 году Dolomite выиграла грант Департамента торговли и промышленности Великобритании в рамках Инициативы микро- и нанотехнологического производства (Micro and Nanotechnology Manufacturing Initiative). Благодаря этому гранту размером в 2 млн фунтов стерлингов компания создала современное производство на основе микротехнологий, включая процессы литографии и прецизионного мокрого травления, других методов высокоточной обработки стекла, а также организовала прикладные лаборатории и сумела сформировать высокопрофессиональную инженерную команду.
Сегодня Dolomite – один из мировых лидеров в конструировании и производстве высококачественной продукции для микрофлюидики. Компания разрабатывает и изготавливает широкий спектр изделий как для научных исследований, так и для промышленных задач. Среди них – модульные системы для генерации капель, инкапсуляции в капли различных химических и биологических объектов, устройства для формирования двойных эмульсий, для смешивания и слияния капель, для синтеза наночастиц. Dolomite производит не только отдельные компоненты для микрофлюидики, но и законченные системы на основе микрофлюидных технологий, в том числе для высокопроизводительных промышленных применений. Помимо стандартных решений, компания ориентирована на изготовление продукции под конкретные требования заказчиков – от отдельных компонентов до законченных устройств на основе идей клиентов. Более того, Dolomite предлагает первый в отрасли 3D-принтер Fluidic Factory для печати микрофлюидных чипов.
В целом, решения Dolomite чрезвычайно разнообразны даже в рамках одного направления – микрофлюидики. Компания выпускает микрофлюидные чипы, коннекторы и интерфейсы, клапаны, насосы, датчики потока и регуляторы температуры, другие комплектующие и принадлежности для работы с жидкостями и газами и т.д. Описать их в рамках одной статьи невозможно, да и ненужно. Поэтому мы сосредоточимся лишь на одном, но важном типе продуктов – микрофлюидных чипах. Причем основной акцент сделаем на чипах для формирования капель.
МИКРОФЛЮИДНЫЕ ЧИПЫ
Компания Dolomite производит более 100 типов микрофлюидных чипов, которые различаются размерами и геометрией соединений каналов, свойствами поверхности и типом материалов подложки. Dolomite выпускает ряд серийных микрофлюидных чипов для таких задач, как генерация микрокапель, смешивание потоков жидкостей, чипы-микрореакторы, микропористые чипы для моделирования структуры горных пород и др. Выпускаются чипы с мембранами, разборные чипы, колодцеобразные чипы, чипы-микропланшеты и т.д.
Чипы из стекла отличаются высокой химической стойкостью, превосходной оптической прозрачностью и хорошими термическими свойствами. Это позволяет использовать разнообразные растворители и химические реактивы. Поверхность сформированных в стекле каналов очень гладкая, шероховатость не превышает 8 нм. Стеклянная подложка чипа может быть очень тонкой (до 100 мкм), поэтому для исследований образцов применимы даже методы конфокальной микроскопии.
Кварцевое стекло сочетает очень высокую температурную стабильность (до 900°C) и химическую стойкость. Кроме того, оно обладает хорошими оптическими свойствами, прежде всего – однородностью и прозрачностью в УФ-диапазоне. Поэтому кварцевое стекло – превосходный материал для микрофлюидных проточных ячеек, микрореакторов и устройств для УФ-полимеризации.
В ряде случаев, например, при изготовлении одноразовых изделий для клинической диагностики, дешевле и удобнее полимерные материалы, например, полидиметилсилоксан (ПДМС). Металлические микрофлюидные чипы применяются в случаях, когда необходима быстрая теплопередача, очень высокое давление или высокая электропроводность, например, для производства микрореакторов высокого давления и/или высокой температуры, электрохимических ячеек и датчиков.
Поверхность микроканалов может быть модифицирована различными реагентами. В частности, используют гидрофильные либо гидрофобные функциональные покрытия, фторофильные покрытия, а для формирования систем электродов – металлизацию (Pt, Au, Ag). Возможно селективное нанесение покрытий.
Глубина каналов составляет от 14 нм до 1 мм. Для формирования канала используются процессы фотолитографии и мокрого травления (HF) с последующей прецизионной обработкой и полировкой. Каналы формируются в двух половинках будущего чипа (подложки толщиной от 100 мкм до 40 мм). Для совмещения используются различные методы, как низкотемпературные, так и термическое соединение. В результате формируются устройства с широким спектром характеристик и, соответственно, возможностей. Так, рабочие температуры чипов составляют от 150 до 500°С, диапазон давлений – до 300 бар.
ЧИПЫ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ КАПЕЛЬ
Сегодня в микрофлюидике одно из наиболее востребованных и быстрорастущих направлений – генерация микрокапель. Основные области применения для технологии капельной микрофлюидики:
• создание эмульсий, пен, гелей, золей и аэрозолей;
• инкапсуляция частиц, например клеток, ДНК или магнитных шариков;
• синтез лекарственных форм, доставка лекарств с помощью полимерных частиц;
• формирование наночастиц и полимерных частиц.
Потенциал "капельной" микрофлюидики огромен не только в сфере приборостроения для химического и биохимического синтеза веществ. Он велик также для высокопроизводительной молекулярной диагностики методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), для исследования отдельных клеток и изучения процессов их функционирования, для скрининга лекарственных средств, в геномике, протеомике и т. д.
Различные задачи требуют своих методов формирования капель, следовательно – своей топологии микроканалов (рис.1). Dolomite предлагает широкий ассортимент чипов с каналами различной геометрии, глубины и свойствами поверхности. Они позволяют получать до 12 тыс. капель в секунду, причем с минимальным расходом реагентов. При этом обеспечивается высокая монодисперсность – размеры капель (частиц или эмульсий) остаются высокостабильными (разброс 1–5%) во всем диапазоне размеров частиц, от нескольких нанометров до 250 мкм. Кроме того, возможен полный контроль условий формирования, объединения (слияния) или дробления капель.
Внутренние поверхности каналов могут быть гидрофильные (немодифицированные), усовершенствованные гидрофобные и фторофильные. Действительно, одно из основных условий устойчивой генерации капель – несмачиваемость поверхности канала дисперсной фазой и смачивание – непрерывной (рис.2). Особенно это важно, если диаметр формируемых капель больше ширины канала, иначе генерация капель будет нестабильной. Немодифицированная поверхность стеклянного канала, естественно, гидрофильна. Такой канал позволяет формировать капли органических веществ в водной фазе носителя. Для образования водных капель в органической фазе используют гидрофобное покрытие. Оно устойчиво к действию органических растворителей, однако его можно удалить с помощью кислоты или выдерживанием в растворе NaOH. Фторофильная обработка каналов позволяет формировать эмульсии типа вода во фтороуглеродном масле. Dolomite производит чипы с определенным видом модифицированных поверхностей. Однако пользователи могут и самостоятельно придавать поверхностям нужные свойства, для чего Dolomite поставляет специальные реагенты.
Для задач капельной микрофлюидики компания Dolomite предлагает несколько типов чипов.
Чипы для одного реагента предназначены для получения монодисперсных капель, например, масла в воде. Для таких задач выпускаются чипы с Т- и Х-образным типом соединения каналов (рис.3). Они позволяют получать до 12 тыс. капель в секунду. Причем диаметр капель может составлять 20–150 мкм при использовании чипов с глубиной каналов 100 мкм и 80–300 мкм при глубине каналов 190 мкм.
Для формирования капель диаметром 2–30 мкм Dolomite предлагает специальную серию чипов из стекла и кварца с каналами глубиной 14 мкм (рис.4). Сечение перехода в области соединения каналов составляет 14Ч17 мкм. Для предотвращения засорения микроканалов предусмотрены встроенные фильтры.
Для высокопроизводительных систем разработаны специальные чипы с параллельной генерацией капель диаметром 20–60 мкм (рис.5). В них сформировано шесть независимых каплеобразующих межканальных переходов, в конечном итоге сходящихся в один широкий канал, по которому монодисперсная эмульсия поступает из чипа во внешнюю систему.
Для получения капель из нескольких реагентов предназначены чипы с глубиной каналов 50 и 100 мкм (рис.6). Они находят самое разнообразное применение, включая образование монодисперсных капель, эмульсий и многокомпонентных капель, а также частиц-янусов с неоднородными свойствами поверхности. Такие чипы используются для высокопроизводительного химического анализа, биохимического анализа клеток, исследований полимеризации и т.п.
В чипах с возможностью ввода до трех реагентов (четыре входных и два выходных канала) входы каналов выведены на верхнюю поверхность для подключения круглого 8-канального коннектора. Поэтому они снабжены коннекторным винтом. Неиспользуемые каналы можно закрыть пробкой из ПТФЭ.
Специальные чипы предназначены для формирования капель, содержащих два реактива. В них входы каналов выведены в торцы чипа, для подключения используются линейные коннекторы (рис.7). В таких чипах два потока реактивов встречаются в непосредственной близости от каплеобразующего межканального соединения, что сводит к минимуму смешивание реагентов до формирования капли. Таким образом, химическая реакция между веществами происходит непосредственно в изолированных друг от друга каплях. Это позволяет наблюдать тысячи независимых реакций в секунду в заданном объеме, что важно, например, для исследований полимеризации, биохимического анализа клеток, для формирования янус-частиц и т.п.
Dolomite также предлагает чипы для генерации и инкубирования монодисперсных капель из двух реагентов. Их особенность – длинные каналы хранения капель, объемом 16,38 мкл (рис.8). В них может накапливаться до 91 тыс. капель диаметром 70 мкм и до 364 тыс. 30-мкм капель. Подобные чипы важны в таких приложениях, как кристаллизация белка и ПЦР, для термоциклирования и др.
Некоторые жидкости, например, полимерные, способны повреждать/загрязнять стенки каналов микрочипов со стандартной архитектурой. Это сокращает производительность и срок службы микрочипов. Для предотвращения загрязнений стенок каналов компания разработала микрофлюидные чипы с 3D-фокусировкой. Их особенность – после каплеобразующего перехода поток попадает в специальный канал-пору более узкого диаметра. Например, если сечение каналов до слияния составляло 100Ч105 мкм, то сечение поры – 54Ч75 мкм (рис.9). При этом внешний поток жидкости предотвращает контакт капель со стенками канала. Формируемый диаметр капель 25–70 мкм. Для генерации капель диаметром 5–12 мкм производятся чипы с 3D-фокусировкой с сечением каналов 14Ч17 мкм в зоне перехода, сечение поры – 8Ч12 мкм.
Специальная категория чипов предназначена для непрерывного управляемого формирования одной капли из двух капель различного состава. Для этого в конструкции чипа предусмотрена камера объединения (рис.10). В частности, такие чипы производятся с каналами глубиной 200 мкм для объединения капель объемом от 50 до 175 нл. Например, чип позволяет объединять в одной капле материал исследуемой пробы и эталонные образцы, причем со скоростью до 10 объединенных капель в секунду. Одна из основных задач, для которой разрабатывались такие чипы, – анализ нуклеиновых кислот.
МИКРОФЛЮИДНЫЕ ЧИПЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Формирование капель – важная, но далеко не единственная область, для которой компания Dolomite предлагает микрофлюидные чипы. Фирма выпускает чипы-микрореакторы, микромиксеры, чипы-микропланшеты, чипы со встроенной мембраной, разборные чипы и т.п. Очень бегло рассмотрим некоторые из них.
Чипы-микрореакторы производства Dolomite предназначены для смешивания и реакций двух или трех жидких реактивов в потоке с целью быстрого и эффективного химического анализа (рис.11). В частности, их используют для создания новых лекарств и синтеза соединений. Хотя габариты чипа – всего 90Ч28 или 90Ч45 мм, длина каналов составляет от 1,8 до 2,5 м. Объем чипа-реактора – 62,5; 250 или 1000 мкл. Компания предлагает и специальные микрофлюидные чипы с каналами длиной 5 м (после Y-образного соединения, каналы для подвода жидкости – по 8 мм). При этом габариты чипа составляют 90Ч15 мм. Такие чипы, в частности, можно использовать в качестве проточных ячеек, для обеспечения контакта газ-жидкость и т.п. Чипы-микрореакторы обеспечивают работу при температурах до 150°С и давлении до 30 бар. Благодаря хорошим оптическим свойствам можно контролировать ход реакции визуально или при помощи оптических методов. Немаловажно, что поверхность каналов допускает металлизацию, в частности – платиной. Такое покрытие отличается химической стойкостью и служит катализатором различных химических реакций.
Чипы-микромиксеры разработаны для смешивания до трех потоков жидкостей за несколько миллисекунд (рис.12) в каждом из двух независимых смесительных каналов. Каждый канал включает 12 смесительных каскадов (внутренний объем каждого – 0,37 мкл). При объединении этих каналов возможно смешивание до пяти потоков. Причем габариты чипа – всего 22,5Ч15 мм. Такие чипы необходимы для изучения кинетики реакции, разведения образца, повышения селективности реакции, для задач быстрой кристаллизации и синтеза наночастиц.
Компания Dolomite выпускает ряд чипов с Т- и Y-образным соединением каналов. Они отличаются геометрией, материалом покрытия стенок (например, металлизацией платиной), толщиной подложки (до 150 мкм, что важно для задач микроскопии) и т.п. Так, чипы с Y-образной конфигурацией каналов могут применяться для исследований диффузии и наблюдения тока жидкости в двух прямых микроканалах.
Чипы с Т-образным межканальным переходом можно рассматривать как базовый элемент микрофлюидных устройств, поэтому они используются в широчайшем спектре задач. Компания предлагает несколько серийных вариантов исполнения таких чипов, в том числе – с платиновой металлизацией. Чип обладает длинным змеевидным каналом (278 мм). Возможно исполнение со срезанным торцом, что позволяет непосредственно выводить поток капель в объем жидкости.
Чип с пористой структурой (рис.13) предназначен для моделирования сложной пористой структуры горных пород. В таком чипе из стекла сформирована сетка каналов со 150 ячейками размером 2Ч2 мм. Каждая ячейка образована сеткой из пересекающихся восьми вертикальных и восьми горизонтальных каналов с почти круглым профилем сечения (100Ч110 мкм). В пересечениях каналов сформированы сужения (поры) диаметром 85 и 63 мкм, часть пересечений выполнена без сужений. Поры различных типов распределены по ячейке псевдослучайным образом, чтобы имитировать структуру горных пород. Общая длина каналов на таком чипе составляет 4,8 м. Такие микрочипы используют, например, в задачах нефтегазодобычи и геологических исследованиях в целом, в химической промышленности, при экологических испытаниях и анализе подземных вод.
Чип со встроенной мембраной представляет собой микрофлюидный чип с одним змеевидным каналом, разделенным мембраной по горизонтали (рис.14). Таким образом формируются два канала сечением 900Ч150 мкм и длиной 212 мм, взаимодействующих друг с другом через мембрану. Площадь контакта составляет 190 мм2. Компания изготавливает "половинки" таких чипов размером 24Ч24Ч4 мм (они называются "мембранный чип"), а также сами мембраны и интерфейсное устройство для сборки конструкции и ввода-вывода потоков. Стандартные мембраны выполнены из тефлона, причем как с гидрофильной, так и с гидрофобной поверхностью, однако возможно применение других мембран. Подобные чипы востребованы во многих задачах электрохимии, для разделения смесей, изучения фильтрации (например, диффузии примеси между двумя потоками, разделенными мембраной) и т.п.
КОННЕКТОРЫ И ИНТЕРФЕЙСЫ
Чтобы с микрофлюидным чипом было легко и удобно работать, нужны специальные коннекторы и интерфейсы. Компания Dolomite разработала для своих чипов серию микрофлюидных коннекторов Multiflux. В нее входит достаточно широкая гамма устройств, предназначенных для простого подключения к чипу необходимого числа трубок. В различных конструкциях вывод каналов реализован на поверхность или в торец чипа, причем на поверхности возможно линейное или круговое расположение выходных отверстий. Для подключения к чипам разработана система коннекторов и адаптеров (интерфейсов). Это системы коннекторов для чипов с портами каналов в торце и на поверхности, с линейным и круговым расположением выводов (рис.15). Адаптер необходим для простого подключения коннектора, чтобы обеспечить его точное совмещение с микроканалами чипа. Многие чипы изначально поставляются с такими адаптерами. Несколько лет назад компания разработала семейство унифицированных 7-канальных коннекторов Multiflux-2. В семейство входит и набор интерфейсов, в том числе – Н-интерфейсы для крепления чипов (рис.16).
***
Конечно, чипы – базовые, но не единственные элементы микрофлюидной системы. Компания предлагает широкий набор других необходимых компонентов – от специальных химических реактивов до детекторов, нагревателей, насосов, клапанов, оптических систем, а также законченные системы на их основе. В целом, продукты Dolomite Microfluidics позволяют создавать самые разнообразные решения для широчайшего спектра задач. Не стоит забывать, что компания специализируется не только на производстве стандартных компонентов, но и на создании законченных систем на основе идей заказчиков. И использует для этого собственные микрофлюидные компоненты.
По материалам компании Dolomite Microfluidics
Отзывы читателей
