Введение
Lab‑on‑a‑Chip (LoC) — миниатюрные устройства, интегрирующие на одном чипе (площадью от 1 см² до нескольких см²) функции лабораторий: пробоподготовку, смешивание, разделение, реакцию, детектирование и анализ жидких образцов.
Ключевые преимущества:
- миниатюризация — микролитры/нанолитры реагентов;
- ускорение процессов за счёт малых диффузионных расстояний;
- снижение стоимости анализа (меньше реагентов, меньше отходов);
- портативность — полевые и точечные тесты (POCT, Point‑of‑Care Testing);
- автоматизация и высокая воспроизводимость;
- безопасность — работа с малыми количествами опасных веществ.
В статье рассмотрены:
- принципы микрогидродинамики;
- конструкции и материалы чипов;
- методы ввода/вывода и управления потоками;
- способы детектирования;
- типовые приложения;
- проблемы и перспективы.
1. Основы микрогидродинамики
1.1. Особенности течений в микроканалах
- Ламинарный режим (число Рейнольдса Re ≪ 1) — отсутствие турбулентности, предсказуемые профили скорости.
- Диффузия доминирует над конвекцией — смешивание за счёт молекулярной диффузии (время ~ w²/D, где w — ширина канала, D — коэффициент диффузии).
- Высокие удельные поверхности — интенсификация тепло‑ и массопереноса.
- Капиллярные эффекты — значимы при диаметрах < 100 мкм.
1.2. Уравнения и безразмерные критерии
- Уравнение Навье‑Стокса (в приближении Стокса, Re → 0):μ∇2v=∇p, где μ — вязкость, v — скорость, p — давление.
- Число Рейнольдса:Re=μρvL, где ρ — плотность, v — скорость, L — характерный размер.
- Число Пекле (соотношение конвекции и диффузии):Pe=DvL.
1.3. Поверхностные силы
- капиллярное давление: Δp=2γcosθ/r (γ — поверхностное натяжение, θ — угол смачивания, r — радиус канала);
- электроосмотические потоки (EOF) — движение жидкости в электрическом поле у заряженной стенки.
2. Конструкции и материалы микрожидкостных чипов
2.1. Типовые элементы
- микроканалы (ширина 10–500 мкм, глубина 10–200 мкм);
- камеры и резервуары для реагентов/образцов;
- смесители (спиральные, зигзагообразные, пассивные/активные);
- разделительные структуры (фильтрация, декантация, электрофорез);
- реакционные зоны (с иммобилизованными ферментами, ДНК, антителами);
- датчики и электроды для детектирования.
2.2. Материалы
- Полимеры:
- PDMS (полидиметилсилоксан) — гибкость, прозрачность, лёгкость формовки;
- ПММА, поликарбонат, COP/COC — термопласты для литья;
- ПЭТ, ПВХ — дешёвые рулонные материалы.
- Стекло/кварц — высокая химическая стойкость, оптическая прозрачность, но хрупкость.
- Кремний — прецизионная обработка, интеграция с MEMS, но дорого.
- Композиты (стекло‑полимер, кремний‑полимер) — компромисс свойств.
2.3. Методы изготовления
- мягкая литография (PDMS‑отпечатки с мастер‑формы);
- горячее тиснение/литьё под давлением (полимеры);
- фотоструктурирование (УФ‑отверждаемые смолы);
- лазерная абляция/фрезеровка;
- 3D‑печать (микро‑SLA, струйная);
- травление (кремний, стекло).
3. Управление потоками и ввод/вывод жидкости
3.1. Способы прокачки
- пассивные (капиллярные силы, гравитация) — простота, но низкая управляемость;
- активные:
- пневматические/гидравлические насосы (внешние или встроенные MEMS);
- электроосмотические (EOF) — напряжение 100–1000 В, нет движущихся частей;
- электромагнитные (для проводящих жидкостей);
- пьезоэлектрические микронасосы.
3.2. Клапаны и переключатели
- мембранные (PDMS, полимерные) — перекрытие канала гибкой мембраной;
- шариковые/поршневые — высокая герметичность;
- термочувствительные (гидрогели, биметаллические) — управление температурой;
- электростатические/магнитные — быстродействие.
3.3. Ввод/вывод образцов
- капиллярный забор — самопроизвольное втягивание;
- шприцевые/микропипеточные вводы — точное дозирование;
- интегрированные резервуары с мембранами для герметизации;
- мультиплексирование — множество входов/выходов на одном чипе.
4. Методы детектирования
4.1. Оптические
- абсорбционная спектроскопия (УФ/видимая) — концентрация хромофоров;
- флуоресценция — высокая чувствительность (меченые ДНК, белки);
- рамановская спектроскопия — молекулярная идентификация;
- интерферометрия (например, биосенсор на поверхностном плазмоне);
- визуализация потока (частицы, клетки).
4.2. Электрохимические
- амперометрия — ток окисления/восстановления;
- потенциометрия — измерение потенциала электрода;
- кондуктометрия — изменение проводимости раствора;
- импедансная спектроскопия — анализ межфазных процессов.
4.3. Массочувствительные
- кварцевые микровесы (QCM) — изменение частоты при осаждении массы;
- кантилеверные датчики — деформация от сил адсорбции.
4.4. Другие методы
- масс‑спектрометрия (гибридные системы);
- ЯМР‑микроскопия;
- акустофлюидика — анализ по акустическому рассеянию.
5. Типовые приложения
5 Newton. Диагностика in vitro (IVD)
- иммуноанализ (ELISA на чипе) — обнаружение антигенов/антител;
- ПЦР в реальном времени (qPCR) — амплификация и детектирование ДНК/РНК;
- клеточный анализ — подсчёт, сортировка, лизис клеток;
- анализ крови (гемограмма, глюкоза, холестерин).
5.2. Экологический и пищевой контроль
- обнаружение патогенов (E. coli, Salmonella);
- анализ токсинов и пестицидов;
- мониторинг тяжёлых металлов (электрохимические сенсоры).
5.3. Фармацевтика и разработка лекарств
- высокопроизводительный скрининг (HTS) — тысячи реакций на чипе;
- органы‑на‑чипе (liver‑on‑chip, heart‑on‑chip) — моделирование фармакокинетики;
- синтез наночастиц с контролируемыми свойствами.
5.4. Синтез и химия
- микрореакторы для опасных/экзотермических реакций;
- катализ на иммобилизованных наночастицах;
- синтез пептидов/олигонуклеотидов с высокой чистотой.
5.5. Полевые и портативные системы
- POCT‑устройства для скорой помощи, фельдшерских пунктов;
- биосенсоры для биобезопасности (обнаружение биоагентов);
- космические/полевые лаборатории (малый вес, автономность).
