На пути к новому поколению аналитических приборов

Одной из важных и перманентных тенденций химического анализа является его миниатюризация. На протяжении столетий уменьшались навески анализируемых веществ, объемы исследуемых растворов, размеры посуды и приборов для анализа. Еще в первой половине XIX века Берцелиус и другие выдающиеся химики стали вводить в практику методы, позволяющие работать с навесками не более одного грамма. Шагом в сторону миниатюризации был и перевод качественного химического анализа в специальные пробирки, относящийся тоже к XIX столетию. В XX веке были созданы микрометоды органического элементного анализа, за что австрийский химик-аналитик Ф. Прегль удостоен Нобелевской премии 1923 г. В середине XX столетия разрабатывались ультрамикрометоды химического анализа, осуществляемые на предметном столике микроскопа.

Аналитические приборы изменялись в сторону уменьшения уже на наших глазах. От громоздких напольных приборов (вспомним первые жидкостные хроматографы или ИК-спектрометры) мы перешли к более компактным настольным, и они сейчас составляют абсолютное большинство. Некоторые приборы этого типа к тому же транспортабельны.

За последние десятилетия появились и приборы второго поколения, которые можно назвать миниприборами. Речь идет об анализаторах небольшого размера (до 15 см в длину), веса (до 1 кг) и стоимости (до 500 долларов). Это в особенности приборы для определения газов, но есть устройства для определения растворенного в воде кислорода, рН-метры и другие мини-приборы для анализа жидкостей.

С начала 90-х годов XX столетия проводятся исследования, имеющие целью создание аналитических приборов третьего поколения, которые можно именовать микроприборами. Имеются в виду приборы на микрочипах, размер которых составляет несколько квадратных сантиметров. В отличие от многих мини-приборов-анализаторов (когда определяется один компонент в одной среде) поначалу ставилась задача создать не только узкоцелевые устройства, но и более или менее универсальные, многоцелевые приборы: для капиллярного электрофореза, хроматографии, проточно-инжекционного анализа. Правда, столкнувшись с трудностями в решении задач универсализации, исследователи сейчас иногда сужают предназначение создаваемых устройств, двигаясь особенно в сторону решения отдельных биомедицинских проблем.

Работа на этом уровне сулит ряд существенных выгод по сравнению с мини- и макромасштабами аналитических работ. Помимо очевидных достоинств микроприборов (меньший расход реактивов, электроэнергии, анализируемых веществ, площади и т. д.) переход к малым объемам обеспечивает и другие преимущества, например ускорение химических взаимодействий. В настоящее время используют каналы глубиной порядка 50 мкм и такой же или несколько большей ширины.

Направление, которое мы обсуждаем, в мировой литературе фигурирует под разными названиями: µ -TAS (Micro Total Analysis Systems), Lab-on-a-Chip, Microfluidic Systems. Ему посвящается огромное число публикаций, много научных конференций, создан журнал Lab-on-a-Chip. Несколько фирм (Shimadzu, Agilent) выпускают приборы с микрочипами, преимущественно для капиллярного электрофореза. Все это подробнее рассматривается в нижеследующих статьях.

В нашей стране тоже давно было понятно, что разработка интегрированных микрофлюидных аналитических приборов — весьма перспективное и важное направление. Автор этого предисловия еще в 1996 г. опубликовал в "Журнале аналитической химии" статью "Аналитические приборы на микрочипах" (ЖАХ, 1996, т. 51, № 4). Б.Г. Беленький в 1997 г. сделал на эту тему доклад на заседании Президиума РАН и не раз обращал внимание на данное направление в других выступлениях.

Экспериментальные работы по созданию и исследованию микрочиповых флюидных систем аналитического и биомедицинского назначения проводятся в настоящее время в ряде российских организаций.

Ю. А. ЗОЛОТОВ

Это Институт аналитического приборостроения РАН, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Петербургский электротехнический университет (ЛЭТИ), фирма "Люмэкс", Московский и Петербургский университеты, Технологический центр Московского института электронной техники (г. Зеленоград); участвует в этих работах ПО "Светлана" и некоторые другие предприятия и учреждения.

Для обмена информацией, консолидации, усилий в деле разработки микрофлюидных аналитических систем и формирования творческого коллектива, работающего в этой сфере, в 2002 году был создан Семинар по аналитическим микрочипам. Было проведено 10 заседаний (в Москве на базе кафедры аналитической химии МГУ им. М.В. Ломоносова и в Петербурге на базе Института аналитического приборостроения РАН). На заседаниях семинара было заслушано несколько десятков докладов, причем выступали или по крайней мере участвовали в семинаре представители почти всех названных выше организаций.

В данном разделе очередного выпуска журнала "Научное приборостроение" помещены материалы одного из заседаний семинара (С.-Петербург, 3 марта 2005 г.).

PAVING THE WAY TO THE NEW GENERATION ANALYTICAL INSTRUMENTS

Yu. A. Zolotov

Acad., Workshop Chair, Chemical Department, Moscow State University

This section of Nauchnoe Priborostroenie presents the materials of one of the workshop sessions on Microchip Technology in Analytical Chemistry (St. Petersburg, March 3, 2005). Introductory remarks for the section.

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2005, том 15, № 2