Способ изготовления кюветы для анализа жидких проб с гидрофильной внутренней поверхностью
METHOD OF MANUFACTURE OF CUVETTE FOR ANALYSIS OF LIQUID SAMPLES WITH HYDROPHILIC INTERIOR SURFACE

Изобретение относится к области медицинской и аналитической техники и может быть использовано при изготовлении пластиковых кювет для анализа жидких проб, например, образцов физиологических жидкостей человека, животных или растений, питьевых и пищевых продуктов, проб воды из различных источников, других жидкостей органической и неорганической природы.
Тенденция к миниатюризации, ускорению и персонализации анализа и диагностики привела к созданию одноразовых кювет, позволяющих анализировать очень небольшие количества жидкости. Например, при анализах с использованием оптических методов толщина слоя жидкости в кюветах сравнима, например, с размерами клеток крови, и составляет десятки микрон. При этом оборудование позволяет автоматически и точно подсчитать количество частиц в единице объема жидкости. Для таких измерений возрастает требование к точности выдерживания геометрии кюветы (толщины слоя жидкой пробы, ее объема и т.п.). Сама геометрия кюветы для точных экспресс-измерений усложнена и, как правило, содержит устье, через которое помещается проба, узкий проток, через который проба попадает во внутреннюю камеру строго определенного размера, вмещающую определенное количество жидкости, где и происходит анализ. При этом важно, чтобы жидкость свободно могла перемещаться по каналам кюветы и полностью заполняла камеру, в которой происходит анализ. Если течение жидкости затруднено, то может возникнуть затруднение с заполнением камеры, потребность в дополнительных операциях, что усложнит и удлинит процедуру анализа, снизит его точность (при неполном заполнении камеры материалом пробы) или сделает ее вовсе невозможной.
Основная причина, затрудняющая течение жидкости по каналам, это - гидрофобность стенок кювет, используемых для поточных анализов, поскольку они изготавливаются в основном из пластмасс. Изготовление таких кювет из стекла, являющегося гидрофильным материалом, нетехнологично (сложно масштабировать процесс) и экономически затратно.
Известны различные способы модификации материалов с целью придания им гидрофильных свойств путем нанесения на них различных покрытий.
Известен способ изготовления тестовой кюветы (см. заявку на изобретение RU №2006129355, МПК G01N 33/52, опубликована 20.06.2008 г.), в котором предлагается делать гидрофильными каналы кюветы нанесением гидрофильных или амфифильных сшиваемых реагентов, с последующим возможным использованием травления или тиснения для физического изменения относительного расположения гидрофильных и гидрофобных слоев.
Известный способ требует для реализации сложного оборудования, сложно масштабируем и, как следствие, нетехнологичен.
Известны способы производства кювет для анализа (см., например, патенты: US №6207000, МПК B01L 3/00, G01N 33/487, опубликован 27.03.2001 г.; US №7238534, МПК G01N 21/00, опубликован 03.07.2007 г.), в которых гидрофилизация внутренних поверхностей устройств достигается при помощи нанесения на их поверхности тонкого слоя оксида алюминия.
Использование известных способов для гидрофилизации кювет из пластиков невозможно без включения ряда дополнительных операций (для создания адгезионного промежуточного слоя, например, путем напыления атомарного алюминия или приклеивания алюминиевой фольги), что усложняет процесс производства, а также изменяет реальный объем кюветы (поскольку толщина слоя в любом случае будет неоднородна в различных местах). Кроме того, при использовании данного способа возможно нарушение оптической прозрачности кюветы.
Известен способ получения гидрофильных внутренних поверхностей (см. патент US №8394338, МПК B01L 3/00, опубликован 12.03.2013 г.) нанесением на них раствора гидрофильного полимера с последующей продувкой устройства газом для удаления растворителя.
Недостатком такого способа является риск возможного изменения геометрии внутренних каналов в процессе нанесения вязкого раствора и его продувки. Кроме того, использование способа затруднительно при гидрофилизации каналов кювет для микроанализа в потоке (с учетом микроразмеров внутренних поверхностей в таких кюветах).
Известен способ гидрофилизации флюидных систем (см. патентную заявку US №20110194980, МПК G01N 30/00, опубликована 11.08.2011 г.), включающий нанесение твердых гидрофильных частиц в виде суспензии на влажную поверхность микропористой мембраны.
Основным недостатком способа является невозможность использования оптических методов анализа из-за рассеивания или поглощения света твердыми частицами. Кроме того, данный способ искажает геометрию внутренней поверхности каналов.
Наиболее близким к заявляемому по мнению автора является способ получения гидрофильной поверхности у гидрофобных пластиков (см. патентную заявку WO 2008012236 Α1, МПК D06M 16/00, опубликована 31.01.2008 г.), характеризующийся тем, что поверхность обрабатывают ферментом, выбранным из группы оксидоредуктазов, стимулирующим биокаталитическую реакцию, результатом которой является преобразование поверхности (получение ею гидрофильных свойств).
Недостатками описанного способа являются длительность его реализации и технологическая сложность (ферментативная реакция требует нескольких часов и жесткого контроля состава и условий среды), а также риск загрязнения кюветы остатками биообъектов (ферментов). Кроме того, способ не позволяет достичь гидрофильности, сходной с гидрофильностью стекла.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является получение пластиковых микрофлюидных систем для анализа с гидрофильной внутренней поверхностью.
Техническим результатом изобретения является простота и технологичность изготовления кюветы для анализа жидких проб с высокими гидрофильными свойствами.
Технический результат достигается за счет того, что способ изготовления кюветы для анализа жидких проб с гидрофильной внутренней поверхностью включает следующую последовательность действий:
- отливку не менее двух сопрягаемых частей кюветы из отверждаемой полимерной композиции, содержащей в своем составе сложные эфиры, в формах соответствующей геометрии,
- обработку поверхностей полученных частей кюветы раствором щелочи в течение заданного промежутка времени при температуре не ниже 263 К,
- удаление остатков раствора щелочи с поверхностей частей кюветы растворителем,
- сушку частей кюветы,
- соединение частей кюветы между собой по сопрягаемым поверхностям с образованием готовой кюветы.
При этом в зависимости от температурного режима заданный промежуток времени может находиться в диапазоне от 5 до 120 минут.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлена сравнительная таблица, содержащая графические данные гидрофильности поверхностей частей кюветы после их обработки различными реагентами в режимах согласно способу.
Реализацию заявляемого способа осуществляют следующим образом.
Для изготовления частей кюветы производят заливку отверждаемой полимерной композиции, содержащей сложные эфиры в своем составе (например, различные виды одно- или многокомпонентных оптически прозрачных смол, таких как ортофталевая, полиэфирная и др.), в формы соответствующей геометрии и выдерживают в течение времени отверждения для образования трехмерно сшитой молекулярной полимерной структуры. При этом изготавливаются обычно две части кюветы с нанесенным на них рисунком каналов так, чтобы в каждой части кюветы каналы и внутренние поверхности были доступны для жидких реагентов или их растворов. Наиболее практичным представляется отливать одну плоскую заготовку (которая будет являться крышкой или задней стенкой), и одну - рельефную, полностью несущую в себе геометрию каналов кюветы. Изготовление кюветы из количества составных сопрягаемых между собой частей, большего двух, возможно в случаях, когда геометрические параметры кюветы сложны настолько, что ее сборка из двух частей нетехнологична. Изготовление частей кюветы отливкой в форме дает возможность получать кюветы сложной геометрии, и точно эту геометрию выдерживать, в отличие от других методов (штамповка, фрезеровка и т.д.), при которых происходит заметный износ штампов или матриц от значительного механического и химического воздействия.
Для интенсификации процесса производства кювет формы для заливки могут содержать оттиски сразу нескольких кювет. Для полного заполнения рельефных форм смолой можно смолу подогреть для снижения вязкости, либо поместить на короткое время залитую смолой форму в вакуум для удаления пузырьков воздуха. После отверждения смолы готовые части кювет вынимают из формы.
Далее производят химическую обработку полученных частей кюветы для гидрофилизации поверхностей ее внутренних каналов. Для этого полученные части кюветы погружают в раствор щелочи, либо раствор щелочи наносят на внутренние поверхности частей кюветы. При использовании полиэфирной смолы хорошим раствором для гидролиза поверхностных сложноэфирных групп является раствор щелочи (например, NaOH или КОН) в концентрациях от 0.5 до 8 н, позволяющий в течение 20 минут при комнатной температуре гидрофилизовать поверхность полиэфирной смолы до показателей, сопоставимых с обычным стеклом.
Затем части кюветы с модифицированными в результате химической реакции поверхностями очищают при помощи растворителей (например, водой, спиртами, тетрагидрофураном и т.п.) и сушат части кюветы. Сушку можно проводить в естественных условиях, либо под действием теплых потоков воздуха, ИК-нагревателями и другими приспособлениями.
Конечным этапом является соединение частей кюветы между собой (например, склеиванием или механически, как клипсы), с образованием готовой кюветы с внутренними каналами, поверхность которых гидрофильна и обеспечивает качественное перемещение жидкости.
Выбор реагентов для химической обработки поверхности каналов в общем случае зависит от материала, из которого сделаны части кюветы. В заявляемом техническом решении, используя реакцию щелочного гидролиза гидрофобных сложных эфиров на гидрофильные кислоты и спирты, оптимально раствором щелочи модифицировать поверхности, содержащие сложноэфирные (-COOR) группы, конвертируя их в поверхностные карбоксильные (-СООН) и спиртовые (-ОН) группы по реакции:
R-COOR'+КОН или NaOH=R'OH+R-COOK или R-COONa.
Для проверки подтверждения технического результата были проведены следующие исследования.
Двухкомпонентная ортофталевая полиэфирная смола HC113AFS (Sirca), смешанная с 1.5% отвердителя, была помещена в формы (одна форма содержала рельефный рисунок, имитирующий рельеф каналов кюветы, вторая - плоскую крышку кюветы). После полного отверждения (24 ч, 25°С) полученные части кюветы из отвержденной смолы были отделены от форм. На сторону одной части, содержащую каналы, и сопрягаемую с ней сторону второй части был нанесен 4н раствор КОН, после чего обе части кюветы находились при комнатной температуре (25°С) в течение 30 минут. По истечении этого времени изделия были промыты большим количеством воды и высушены. Методом измерения контактного угла было оценено увеличение гидрофильности поверхности. В приведенном примере при использовании 4н раствора КОН в течение 30 минут удалось достигнуть гидрофильности, близкой к гидрофильности стекла (с точностью до 4%). Части кюветы были склеены между собой.
При этом не произошло искажений геометрии кюветы, ее массы, значимых изменений ее оптических свойств.
Для сравнения, кроме раствора КОН, химическая обработка поверхностей частей кювет проводилась и другими растворами, способными химически модифицировать поверхность застывшей смолы в силу своих окислительных или гидролизующих свойств. Так, была использована промышленная жидкость Satreat, используемая для модификации пластиковых поверхностей перед склеиванием, а также раствор персульфата натрия (сильного окислителя). Данные испытаний представлены в сравнительной таблице.
Заявляемое изобретение - технологичное изготовление оптически прозрачных кювет с гидрофильными внутренними поверхностями без нарушения их геометрических параметров в процессе гидрофилизации.
Особую важность изобретение приобретает для плоских кювет (соотношение длины и/или ширины к высоте более чем 1 к 7), в том числе одноразовых, применяемых для поточного или автоматизированного тестирования. Такое поточное тестирование возможно при диагностике большого массива людей в поликлиниках или больницах, донорских и медицинских пунктах, при анализе большого количества образцов проб пищевых и питьевых продуктов, проб технических вод, продукции на заводах и т.п.