Микрофлюидные устройства используют физические и химические свойства жидкостей и газов в микромасштабе и обладают рядом преимуществ:
- малый объем образцов и низкое потребление реагентов, снижение затрат;
- минимальная обработка образцов и снижение контакта с опасными веществами;
- упрощение рабочих процессов для пользователя;
- мультиплексные анализы и высокопроизводительный скрининг;
- компактность и портативность;
- простота автоматизации и параллелизации процессов;
- сокращение времени эксперимента и ускорение протекания реакций;
- улучшенный контроль параметров и повышенная аналитическая чувствительность.
Микрофлюидный чип представляет собой систему микроканалов, сформированных (литографически или механически) в подходящем материале. Подача и отвод жидкости осуществляются через соответствующие каналы. Геометрия микроканалов должна быть адаптирована под конкретное применение для достижения требуемых характеристик.
Одной из целей микрофлюидики является интеграция лабораторных процедур в одном устройстве, компактном чипе — концепция lab-on-a-chip (LOC). Развитие этой области достигло значительных успехов и обеспечивает применение микрофлюидики в широком спектре исследований.
Особенно перспективно применение микрофлюидики в медицинских исследованиях. Цель — создание микрофлюидных устройств для 3D-культивирования клеток, воспроизводящих ключевые функции живых органов — organ-on-a-chip. По сравнению с традиционными клеточными культурами, микрофлюидные системы позволяют имитировать микроокружение клеток и его влияние на функцию органа.
Мониторинг параметров в микрофлюидных системах
Использование микрофлюидных чипов для культивирования клеток имеет множество преимуществ, однако сопряжено и с рядом сложностей. Поскольку клетки изолированы внутри чипа, прямой мониторинг таких параметров, как O₂, pH и CO₂, затруднен.
Для этих задач оптимально подходят хемооптические датчики, обладающие следующими преимуществами:
- различные форм-факторы для интеграции в микрофлюидные и миллифлюидные устройства;
- неинвазивное считывание сигнала через прозрачный материал чипа;
- возможность измерений в малых объемах без отбора проб;
- независимость сигнала от скорости потока;
- отсутствие потребления анализируемых компонентов.
Во всех типах датчиков флуорофоры иммобилизованы и встроены в биосовместимые полимерные мембраны. Это предотвращает вымывание красителя и исключает влияние на живые образцы, что особенно важно для систем типа organ-on-a-chip.
Основные конфигурации систем измерения O₂, pH и CO₂ для микро- и миллифлюидики
SensorPlugs и оптоволоконные измерители O₂, pH и CO₂
SensorPlugs представляют собой датчики, закрепленные на наконечнике «пробки», которая устанавливается в порт микрофлюидного чипа таким образом, чтобы чувствительный элемент контактировал со средой внутри канала.
- стандартная версия основана на интерфейсе Mini-Luer;
- диаметр чувствительной области — 2 мм;
- доступны OEM-версии под различные типы портов;
- каждый SensorPlug комплектуется глухой заглушкой (plain plug);
- поставляются предварительно откалиброванными и стерилизованными (β-облучение).
Требования к системе:
- диаметр канала в точке измерения — не менее 2 мм;
- при установке датчик герметизирует порт, а его наконечник немного выступает в канал.
SensorPlugs особенно удобны при наличии свободы в проектировании чипа и обеспечивают высокую точность и воспроизводимость измерений.
Компактные волоконно-оптические измерители
Модели: OXY-1 SMA, pH-1 SMA, CO2-1 SMA
Конфигурация системы:
- компактный оптический измерительный модуль;
- полимерное оптическое волокно (POF);
- SensorPlug;
- ПО PreSens Measurement Studio 2.
Сенсорные пленки и система визуализации VisiSens™
Планарные оптоды (сенсорные пленки) интегрируются в структуру чипа как дополнительный слой между его частями.
Преимущества:
- не изменяют геометрию каналов;
- позволяют исследовать градиенты и процессы смешения;
- подходят для градиентных чипов;
возможна непосредственная посадка клеток на поверхность (при необходимости с предварительной обработкой).
Измерение выполняется методом FRIM (Fluorescence Ratio Imaging Microscopy) с использованием систем VisiSens™ для 2D-визуализации через прозрачный материал чипа.
ПО обеспечивает:
- калибровку;
- базовую обработку изображений;
- экспорт данных (например, в ImageJ).
Особенности:
- калибровка проводится в конкретной экспериментальной конфигурации;
- несовместимы с традиционной микроскопией;
- максимальное пространственное разрешение — 25 мкм.
Конфигурация системы:
Проточные измерительные ячейки (Flow-Through Cells, FTC)
FTC с интегрированными датчиками O₂, pH или CO₂ подключаются к трубкам на входе или выходе микрофлюидного чипа.
- соединение с измерителем через полимерное оптическое волокно;
- централизованное управление через программное обеспечение;
- минимальный внутренний объем — от 2,1 мкл;
- доступны стерильные версии (β-облучение).
Конфигурация системы:
Сенсорные пятна (Sensor Spots)
Сенсорные пятна могут быть интегрированы непосредственно в каналы (до герметизации чипа).
Особенности:
- монтаж с помощью приклеивания;
- необходимо учитывать диаметр и толщину;
- возможна стерильная поставка (β-облучение);
- автоклавирование не рекомендуется (из-за большой толщины автоклавируемых вариантов).
Параметры:
- диаметр — от 2 мм;
- толщина — от 75 мкм.
Считывание осуществляется через оптическое волокно, размещенное снаружи чипа.
Конфигурация системы:
Микросенсоры
Микросенсоры для O₂ и pH представляют собой тонкие стеклянные волокна с чувствительным элементом на конце.
- заключены в металлические иглы (канюли);
- минимальный диаметр наконечника — 50 мкм;
- подходят преимущественно для мягких PDMS-чипов (возможна проколка материала);
- наконечник вводится непосредственно в канал.
Конфигурация системы:
OEM-компоненты
Все типы датчиков (SensorPlugs, сенсорные пятна, FTC, микросенсоры) могут использоваться с EOM-модулями.
- интеграция в пользовательские системы управления;
- поддержка программного обеспечения и протоколов обмена;
- возможность встраивания данных датчиков в управляющую электронику микрофлюидных устройств.
