УСТРОЙСТВО ЦИКЛИЧЕСКОГО ИНЖЕКЦИОННОГО АНАЛИЗА НА ЧИПЕ

Полезная модель относится к аналитической химии и технологии автоматизации и миниатюризации химического анализа. Устройство представляет собой «минилабораторию», изготовленную на пластине из полиметилметакрилата размерами 75 на 50 на 10 мм. Основные стадии химического анализа выполняются в специальных каналах устройства. Устройство включает в себя вертикальный цилиндрический «реакционный» канал с воронкообразным входом с нижней стороны, который сообщается с атмосферой с одной стороны и с другими каналами с другой стороны. Данный элемент устройства позволяет осуществлять эффективное перемешивание зон пробы и растворов регентов потоком инертного газа до установления термодинамического равновесия. Указанный способ гомогенизации реакционной смеси впервые реализован в микрофлюидных устройствах. Также важными элементами устройства являются «транспортный» и «оптический» каналы. Транспортный канал расположен в устройстве спиралевидно, что позволяет устранить пузырьки газа из пробы в процессе ее перемещения из реакционного в оптический канал. В оптическом канале происходит измерение оптической плотности или флуоресценции, на основании измеренного аналитического сигнала происходит установление концентрации аналита в пробе. Устройство может быть использовано многократно.
Известно микрофлюидное устройство [1], функционирующие на принципах неравновесных проточных методов. В этом случае для проведения аналитических реакций в потоке носителя используются микрофлюидные устройства с «Y»-образной топологией микроканалов, выполненных в виде меандра или спирали с целью уменьшения габаритных размеров микрофлюидных устройств. Поскольку преобладающим режимом течения жидкости в микроканалах микрофлюидных устройствах является ламинарный, то в этих системах реализуются неравновесные процессы диффузионного массопереноса реагентов, которые не обеспечивают полноты перекрывания реагирующих зон. Следствием этого является существенное снижение чувствительности анализа и отсутствие возможности выполнения многостадийных аналитических реакций (особенно кинетически замедленных) и реализации методов разделения и концентрирования. Кроме того, при реализации микрофлюидных устройств на принципах неравновесного проточного анализа под каждую конкретную аналитическую задачу необходимо разрабатывать индивидуальную топологию микрофлюидного устройства, что значительно усложняет автоматизацию и миниатюризацию анализа и увеличивает его стоимость.
Известно микрофлюидное устройство [2] на принципах равновесного проточного анализа, обеспечивающего равновесные условия образования и детектирования и унификацию анализа. Так, разработана система микропроточно-порционного анализа (µPBA), которая включает микро-каналы для подачи растворов в реакционный канал, где происходит механическое перемешивание растворов с помощью нейлоновой лески, подключенной к компьютер-управляемому мотору. Система детектирования, интегрированная в данную микрофлюидную систему состоит из диода - источника света (light emitted diode - LED) и фотодиода. Данное микрофлюидное устройство было изготовлено методом фотографии из уретан-акрилового полимера. µFBA позволяет существенно сократить расходы пробы, реагентов и образующихся отходов. Однако в этом устройстве необходимо использовать специальные дополнительные устройства для перемешивания пробы с растворами реагентов и нельзя изменять длину оптического пути. Устройство предназначено только для автоматизации и миниатюризации спектрофотометрического анализа.
Известно устройство инжекционного анализа [3], являющееся наиболее близким по решаемой задаче и принятое в качестве прототипа.
Общим у известного устройства и заявляемого изобретения является то, что используется принцип равновесного проточного анализа.
Недостатком известного устройства является сложная конструкция схемы получения и детектирования аналитической формы, состоящей из реакционной емкости для перемешивания растворов реагентов и пробы, каналов для транспортировки раствора аналитической формы к системе детектирования и системы детектирования, состоящей из детектора, источника света и проточной кюветы.
Заявляемая полезная модель свободна от указанных недостатков.
Техническим результатом заявленной полезной модели является совмещение реакционной емкости, каналов для транспортировки раствора аналитической формы и системы детектирования на одной пластине, что позволило повысить чувствительность анализа, сократить объемы растворов реагентов, пробы, а также отходов. Кроме того, важным и значимым техническим результатом является замена проточной кюветы оптическим каналом на пластине, что существенно позволяет снизить экономические затраты.
Указанный технический результат достигается тем, что топология микрофлюидного устройства позволяет совместить реакционную емкость, каналы для транспортировки и оптический канал, в котором осуществляется детектирование раствора аналитической формы.
Сущность заявленной полезной модели поясняется Фиг., на которой представлена схема устройства. На Фиг. схема устройства состоит из реакционной емкости (1), которая соединена с гидравлическим каналом (2) и (9), шприцевой насос (6), соединен с многоходовым краном (7), который через гидравлический канал (2) соединен с реакционной емкостью (1). Оптический канал (4), детектор (3) и светодиод (10) составляют систему детектирования, которая соединена с реакционной емкостью (1) через гидравлический канал (9). Оптический канал (4) сообщается с каналом для сброса отработанного раствора (5).
Работа заявленного устройства состоит в следующем, при помощи шприцевого насоса (6) через многоходовой кран (7) через гидравлический канал (2) в реакционную емкость (1) инжектируют растворы реагентов и пробы. В реакционной емкости (1) осуществляется перемешивание растворов потоком инертного газа. Поток газа подается в реакционную емкость (1) через многоходовой кран (7) при помощи шприцевого насоса (6). Раствор аналитической формы, полученный после перемешивания растворов реагентов и пробы из реакционной емкости (1) по гидравлическому каналу (9) перемещают в оптический канал (4). В оптическом канале (4) осуществляют детектирование раствора аналитической формы. После детектирования раствор аналитической формы из оптического канал (4) перемещают в канал для сброса отработанного раствора (5).
Заявленная полезная модель была апробирована в Санкт-Петербургском государственном университете, а так же в Университете Кюсю г. Фукуока, Япония.
В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: повышение чувствительности анализа, сокращение времени анализа и объемов реагентов и пробы, а также отходов.
Результаты апробации представлены в виде конкретных примеров реализации.
Пример.
Спектрофотометрическое определение концентрации цистеина в биологически активных добавках и комбикормовом сырье на устройстве циклического инжекционного анализа на чипе. Определение основано на реакции цистеина с гетерополикомплексом (18-молибдодифосфатом аммония). Для проверки правильности определения цистеина на устройстве циклического инжекционного анализа на чипе использовали референтную методику [4]. Результаты, полученные по двум методикам представлены в Таблице и удовлетворительно сходятся.
Таблица.
Результаты определения концентраций цистеина в биологически активных добавках и комбикормовом сырье (n=5, P=0.95).
Объект анализа
Концентрация цистеина, мг в ампуле
Устройство циклического инжекционного анализа на чипе
Референтная методика [4]
«Fitoval» (KRAK)
108±9
110±18
«Revalid» (TEVA)
53±4
54±7
Комбикорм
1.15±0.08 мг/г
1.17±0.09 мг/г
Устройство может быть использовано как индивидуальным образом для автоматизированного анализа различных объектов анализа (лекарственных препаратов, биологических жидкостей, водных и газовых сред), так и в качестве блока пробоподготовки для автоматизации спектрального, электрохимического и хроматографического анализа.
Применение данного устройства возможно для проведения автоматизированного экологического, клинического и технологического анализа с минимальным расходом пробы, растворов реагентов и образующихся отходов.
Как показывают результаты приведенных исследований, технико-экономическая эффективность заявленного изобретения состоит в повышении чувствительности анализа, существенном сокращении времени анализа за счет миниатюризации, а также сокращении расходов реагентов и образующихся отходов.
Список использованной литературы:
1. Gang Chen, Zhi Chen, Ting Liu, Luyang Zhang // Патент Китая CN 101717068;
2. Severino S. Monte-Filho, Marcelo B. Lima etc. «Flow-batch miniaturization)) // Talanta 86 (2011) 208-213;
3. Л.Н. Москвин, А.Л. Москвин, А.В. Мозжухин // Патент России RU 2287145 // - Прототип;
4. Я. Гасеми, Ш. Найеби «Одновременное спектрофотометрическое определение аскорбиновой кислоты и L-цистеина в фармацевтических препаратах с использованием метода двух скоростей реакции и дифференциально-кинетического метода» // Химико-фармацевтический журнал. 2006, 1 (40), 41-48.