Mikrosystemy Lab-on-a-chip

Procedury analityczne oznaczania wybranych składników w badanych próbkach zwykle są złożone i wymagają odpowiedniego zaplecza technicznego. Ponadto każdy z etapów analizy jest czasochłonny i obarczony błędem, co znacznie obniża wiarygodność oznaczenia. Aby w możliwie jak największym stopniu zwiększyć dokładność oznaczeń, wprowadzane są systemy tzw. analizy całościowej (z ang. Total Analysis System, TAS). Ich głównym celem jest wyeliminowanie kolejnych etapów analizy i całościowe wykonanie całego oznaczenia, z wykorzystaniem jednego urządzenia pomiarowego. Takie rozwiązanie posiada wiele zalet, ale również szereg wad, w tym wysoki koszt aparatury, duże zużycie mocy czy niską mobilność. Stąd pojawiła się koncepcja zminiaturyzowanych aparatów do analizy całościowej, nazywanych Lab-on-a-chip. Jak sama nazwa wskazuje, takie mikrosystemy są praktycznym rozwiązaniem pomysłu „laboratorium na chipie”. Próbka zostaje wprowadzana do układu w postaci gazowej lub ciekłej, następnie, jeśli to konieczne, zostaje poddana wstępnemu przygotowaniu, np. podgrzaniu. W dalszym etapie trafia do mikroreaktorów wyposażonych w takie elementy, jak grzejniki, systemy dozowania odczynników czy mieszadła. Tam zachodzi właściwa reakcja chemiczna, a jej produkty zostają rozdzielone, zatężone i poddane detekcji. Biorąc pod uwagę, że mikrosystemy Lab-on-a-chip są kompleksowymi urządzeniami zastępującymi wszystkie etapy analityczne w laboratorium fizykochemicznym, wyposażone są w szereg układów umożliwiających przygotowanie próbki, jej analizę, detekcję otrzymanych wyników oraz zapis i archiwizację danych. Zminiaturyzowane laboratoria Lab-on-a-chip to zdecydowanie przyszłość chemii analitycznej. Do wzrastającego zainteresowanie tą techniką z pewnością przyczyniają się jej liczne zalety, w tym m.in. ograniczona ilość wytwarzanych odpadów, duży stopień automatyzacji, mobilność czy obniżenie czasochłonności i redukcja kosztów.

Miniaturyzacja w chromatografii cieczowej

W ciągu ostatnich lat zminiaturyzowane układy analityczne stają się coraz popularniejsze również w technikach chromatograficznych, w tym przede wszystkim – chromatografii cieczowej. Praktyczność takich systemów wynika z korzyści, jakie za sobą niosą. Wiążą się ze zmniejszeniem zużycia odczynników (głównie rozpuszczalników), minimalizacją ilości potrzebnej próbki oraz znaczną mobilnością. Miniaturyzacja w HPLC dotyczy głównie zmniejszenia średnicy centrum całego układu, czyli kolumny chromatograficznej. Już w 1967 r. zaczęto stosować kolumny o średnicy 1 mm do oznaczania rybonukleotydów. Zmniejszenie średnicy wiąże się z pewnymi utrudnieniami. Takie kolumny stanowią duże wyzwanie w generowaniu stabilnego gradientu przy niskich prędkościach przepływu, znalezieniu odpowiedniego detektora czy układu pompującego fazę ruchomą. Dlatego wraz z miniaturyzacją wprowadzane są na rynek nowe rozwiązania techniczne. W takim układzie stosowane są pomy, które są w stanie zapewnić zachowanie m.in. stałości przepływu, stabilności gradientu oraz możliwości pracy w szerokim zakresie ciśnień czy natężeń przepływu. Jedne z popularniejszych, w zminiaturyzowanych systemach HPLC, to stałoprzepływowe i elektroosmotyczne. Zmniejszanie systemów chromatograficznych idzie w parze także z wyborem właściwego systemu detekcji. Większość zminiaturyzowanych detektorów jest zaprojektowana do wykrywania określonej klasy związków. Najprostszą grupą detektorów do miniaturyzacji i integracji z systemem HPLC są detektory UV/ViS. Również rozwój miniaturowych spektrometrów mas i ich komercjalizacja są niezwykle obiecujące. Wyniki uzyskane dzięki detektorowi MS są dla badacza bardzo cenne, ponieważ dostarczają informacji nie tylko jakościowych, ale też ilościowych.

Miniaturowe sensory potencjometryczne

Stale rośnie rola i znaczenie czujników chemicznych, które są chętnie wykorzystywane w monitoringu środowiska i kontroli jakości procesów przemysłowych. Do najbardziej popularnych sensorów zaliczane są elektrody jonoselektywne, w tym przede wszystkim elektroda szklana stosowana do pomiarów pH. Dynamiczny rozwój mikrotechnologii krzemowych dał szansę na opracowanie miniaturowych elektrod. Zostały nazwane elektrodami na stałym podłożu (z ang. solid-state electrodes, SSE). Konstruując taką elektrodę głównym problemem jest zagadnienie elektrolitu wewnętrznego. Pewnym rozwiązaniem jest zastosowanie wewnętrznej hydrożelowej warstwy polimerowej (często wykorzystywany jest polihydroksyetylometakrylan – polyHEMA). Warstwa ta przed umieszczeniem wewnątrz miniaturowej elektrody jonoselektywnej jest nasączana wodnym roztworem elektrolitu. Dopiero na takie połączenie hydrożel/elektrolit nanoszona jest warstwa właściwej membrany jonoselektywnej. Miniaturyzacja elektrod wiąże się z możliwością zastosowania znacznie zmniejszonej objętości próbki analitycznej. O ile w przypadku próbek środowiskowych nie jest to najważniejsze kryterium, o tyle ma bardzo duże znaczenie w medycynie. Miniaturowe elektrody jonoselektywne wykorzystywane są w analizach klinicznych przeprowadzanych u małych dzieci, w tym noworodków. U takich pacjentów często jest wręcz niemożliwe pobranie znacznej ilości materiału do badań. Zastosowanie pomiarów stykowych daje możliwość wykonania analizy już przy objętości kilku μl próbki.