АНАЛИТИЧЕСКИЙ КАПИЛЛЯРНЫЙ МИКРОЧИП Российский патент 2004 года по МПК G01N21/03 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности, к капиллярным микрочипам для химического анализа, содержащим систему капилляров для адресного транспорта растворов и их анализа на основе электрофоретического или хроматографического принципа с оптической регистрацией компонентов. Устройство может быть использовано при контроле производств в пищевой, химической, биотехнологической, фармацевтической, целлюлозно-бумажной промышленности, а также в медицине для диагностики заболеваний.

Известны конструкции планарного аналитического устройства [1-3], представляющие собой две плоские диэлектрические пластины (например, стеклянные, кварцевые, полимерные), герметически соединенные в виде сэндвича. Между ними в твердом теле одной из пластин имеются капилляры, сообщающиеся с окружающей средой через специальные отверстия. Исследуемый образец вводится в устройство в виде дозированного объема раствора и, двигаясь по капиллярам за счет электрокинетического или гидравлического транспорта пространственно разделяется на составные компоненты, которые после разделения детектируются с помощью оптических средств (фотометрически, флюориметрически, рефрактометрически) или, в случае их прозрачности (оптической инертности), подвергаются для их визуализации химической обработке перед детектированием.

В описанных устройствах первичное излучение, например, от светодиода или лазера вводится в заданную область микроканала с помощью фокусирующей системы. Поскольку между структурой исследуемой компоненты и ее координатой в капилляре существует строгое соотношение, а также из-за малых объемов детектирования, к оптической системе ввода излучения в капилляр и сбора оптического сигнала предъявляются высокие требования.

Однако используемые в настоящее время для этой цели линзовые фокусирующие системы обладают рядом недостатков. Прежде всего они громоздки, дороги в изготовлении и, самое главное, существенно нарушают механическую жесткость конструкции аналитической системы и ее термостабильность, что приводит к снижению надежности и точности анализа, усложняет юстировку прибора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является интегрированное микроустройство (капиллярный микрочип) для анализа фрагментов ДНК [4]. Микроустройство представляет собой две стеклянные пластины, спеченные для герметизации системы капилляров, выполненной методом фотолитографии и травления в твердом теле одной из пластин. Система капилляров имеет пять выходных отверстий для сообщения с внешней средой, т.е. резервуарами для растворов (ДНК, фермента, солевого буфера и два для слива) и электродами для приложения электрического поля вдоль каналов. Ход анализа и разделения регистрируется с помощью лазер-индуцируемой флюоресценции (ЛИФ) для записи электрофореграмм в определенной точке. В описываемой системе детектирования излучение аргонионного лазера (514,5 нм, 10 мВт) фокусируется на чип в виде пятна диаметром 50 мкм с использованием линзы (100 мм фокусное расстояние) под некоторым углом. Сигнал флюоресценции собирается с использованием линзы объектива 20х (NA=0,42), установленной перпендикулярно к телу чипа и с противоположной стороны от источника возбуждающего света, а затем пространственно диафрагмируется (отверстие 0,6 мм) и спектрально фильтруется (ширина полосы 40 нм, граница пропускания 560 нм) и измеряется с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Недостатком данного устройства является необходимость прецизионной юстировки внешней оптической системы детектирования. Поскольку система состоит из восьми элементов, расположенных по разные стороны от заменяемой части системы - аналитического чипа, это усложняет юстировку оптической системы, делает конструкцию более сложной, громоздкой и неудобной для тиражирования в виде промышленного изделия. Использование объектива для собирания света флюоресценции приводит к потерям излученного сигнала и не позволяет использовать высокие потенциальные возможности дорогостоящего аргонионного лазера.

Известно, что альтернативной системой передачи и преобразования светового излучения является световодная система, в основе которой лежит принцип полного внутреннего отражения света на границе двух сред. Слой прозрачного диэлектрика с показателем преломления n₁, окруженный диэлектриком с показателем преломления n₂<n₁, обладает световодными свойствами, т.е. канализирует процесс распространения света, не позволяя ему уходить в окружающий диэлектрик. Оптические свойства световодов и технологии их изготовления описаны в литературе, посвященной вопросам интегральной оптики.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и точности анализа, снижение габаритов и стоимости, повышение технологичности изделия при массовом выпуске, существенное упрощение юстировки оптической схемы.

Поставленная задача решается за счет миниатюризации системы ввода излучения, увеличения механической жесткости всей системы. Это достигается за счет того, что капиллярный микрочип, состоящий из диэлектрической (или имеющей диэлектрический поверхностный слой) пластины, в теле которой имеется, по крайней мере, один полый канал (капиллярный микрочип), герметизированный покровной пластиной, имеющей вход и выход и образующий капилляр, дополнительно содержит по крайней мере один планарный световодный канал, выполненный в теле той же диэлектрической пластины, и который одним концом примыкает, по крайней мере, к одному из полых каналов или пересекается с ним.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1а представлен аналитический капиллярный микрочип с одним световодным каналом; на фиг. 1б - увеличенное изображение поперечного сечения АА' аналитического капиллярного микрочипа по фиг.1а, на фиг.2 - аналитический капиллярный микрочип с дополнительным сопряженным фотоприемным каналом, на фиг.3а -аналитический капиллярный микрочип с несколькими независимыми световодными каналами; на фиг.3б - аналитический капиллярный микрочип с разветвляющимися световодными каналами.

Капиллярный микрочип [фиг.1 а, б] состоит из пластины 1 из диэлектрического материала (стекло, кварц, полимер) или материала с диэлектрическим поверхностным слоем (кремний/оксид кремния) и покровной пластины 2, герметически соединенных в виде сэндвича. В теле пластины 1 имеются полые капилляры 3, 4 и отверстия с емкостями для растворов: для исследуемой жидкости 5 и ее стока при дозировании 6, для буферного раствора 7 и его стока при анализе 8. В пластине 1 выполнены световодные каналы 9. Для переключения капиллярных каналов используется инжекционный крест.

Устройство работает следующим образом. Исследуемая жидкость из емкости 5 через капилляр 3 поступает в сливную емкость 6 в результате электроосмотического течения или миграции в электрическом поле. Сегмент исследуемой жидкости из области пересечения так называемого инжекционного креста 10 переключением полярности дозируется в разделительный канал в виде узкой зоны и мигрирует в этом канале в электрическом поле между емкостями 7 с буферным раствором и сливной 8, в результате чего зона становится распределенной в пространстве. Излучение источника света детектирующего устройства направляется в заданную область полого канала через световодные каналы 9. Исследование выходящего из детекторной области вторичного излучения производится внешним приемником непосредственно или с помощью щели или посредством фотоприемного световодного канала 11 [фиг.2].

В зависимости от поставленных задач аналитических исследований и свойств анализируемых веществ аналитический капиллярный микрочип может быть выполнен с несколькими независимыми световодными каналами [фиг.3а] или с разветвленными световодными каналами [фиг.3б]. Такая конструкция дает возможность многоканального оптического детектирования, позволяющего повысить избирательность анализа и его разрешение. В случае разветвляющихся каналов система позволяет осуществлять многоканальный параллельный анализ при оптическом детектировании с единым источником излучения. Это может быть удобно, например, для прецизионного позиционирования при вводе излучения, а в сочетании с планарными каналами для дву-(много-)лучевого детектирования.

Для изготовления в теле пластины капилляров и световодных каналов поверхность пластины подвергают физико-химической обработке того или иного типа. В частности, световодный канал может быть изготовлен путем ионного травления, ионной имплантации, ионного обмена.

Достоинством изобретения является возможность применения для изготовления и транспортных капилляров и световодных каналов одного и того же технологического комплекса, в частности, фотолитографии и травления. Поскольку фотолитографическая технология обеспечивает высокую точность геометрической формы и размеров каналов, координата места выхода световодного канала в полый канал фиксируется с высокой точностью и не может измениться из-за каких-либо случайных факторов в течение всего времени эксплуатации анализатора. Если топология каналов задается одной и той же фотолитографической маской, то вся серия изготовленных приборов будет обладать в высокой степени идентичной геометрией каналов. Поэтому надежность результатов измерений не зависит от конкретного прибора и степени профессиональной подготовки пользователя.

Поскольку световодный канал заключен в теле той же пластины, в которой выполнены полые аналитические каналы, механическая жесткость и термостабильность системы значительно превышает подобные характеристики всех известных аналогов.

Таким образом, перечисленные достоинства предлагаемого изобретения позволят существенно упростить конструкцию аналитического капиллярного микрочипа, значительно повысить точность и надежность его работы, а также стоимость изготовления, поскольку все его стадии могут быть выполнены в едином технологическом цикле.

Источники информации

1. С. Н. Kennedy, Microfluidic devices and systems. Patent USA. US5876675, March 2, 1999.

2. A. Manz. Device and a method for the electrophoretic separation of fluid substance mixtures. Pat. USA. US5599432. Feb. 4, 1997.

3. J. M. Ramsey. Pat. USA. US6010607, 2000.

4. S. С. Jacobson, J. M. Ramsey. Integrated nicrodevice for DNA restriction fragment analysis. Anal. Chem.,1996. V. 68, P. 720-723.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности, к аналитическим устройствам на базе капиллярных микрочипов для анализа флюоресцирующих веществ в растворе или растворов с оптическим поглощением в видимой и инфракрасной области и найдет широкое применение при контроле производств в пищевой, химической, биотехнологической, фармацевтической, целлюлозно-бумажной промышленности, а также в медицине для диагностики заболеваний и в научных исследованиях. Аналитический капиллярный микрочип, изготовленный с помощью планарных технологий, содержит плоскую диэлектрическую пластину, в теле которой выполнен, по крайней мере, один полый канал, герметизированный покровной пластиной и образующий капилляр, имеющий вход и выход, и, по крайней мере, один планарный световодный канал для ввода излучения в капилляр, при этом один из его концов примыкает к капилляру для жидкости. Техническим результатом является повышение надежности и точности анализа, упрощение юстировки, снижение габаритов и стоимости, повышение технологичности изделия при массовом выпуске. 6 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Аналитический капиллярный микрочип, изготовленный с помощью планарных технологий и состоящий из плоской диэлектрической или с диэлектрическим поверхностным слоем пластины, в теле которой выполнены по крайней мере один полый канал, герметически соединенный в виде сэндвича с покровной пластиной для образования капилляров для жидкости, имеющих вход и выход для жидкости, и по крайней мере один планарный световодный канал для ввода излучения в капилляр, при этом один из концов световодного канала примыкает к капилляру для жидкости.2. Аналитический капиллярный микрочип по п.1, в котором дополнительно выполнен световодный канал, пересекающийся с капилляром для жидкости, образуя сопряженные световодные каналы.3. Аналитический капиллярный микрочип по пп.1 и 2, в котором выполнены несколько независимых планарных световодных каналов.4. Аналитический капиллярный микрочип по пп.1 и 2, в котором выполнен разветвляющийся световодный канал.5. Аналитический капиллярный микрочип по пп.1-4, в котором диэлектрическая и покровная пластины выполнены из стекла, кварца или полимера.6. Аналитический капиллярный микрочип по пп.1-5, включающий капилляр для жидкости и планарный световодный канал, выполненные в теле диэлектрической пластины путем физико-химической обработки ее поверхности.7. Аналитический капиллярный микрочип по пп.1-6, включающий по крайней мере один полый капилляр, служащий для дозирования в него исследуемой жидкости в виде узкой зоны.