Музика Катерина Миколаївна. Технологія створення електрохемілюмінесцентного мікрофлюїдного пристрою біомедичного призначення

Краткое описание

Музика Катерина Миколаївна. Технологія створення електрохемілюмінесцентного мікрофлюїдного пристрою біомедичного призначення : Дис... канд. наук: 05.27.06 - 2008.

Музика К.М. Технологія створення електрохемілюмінесцентного мікрофлюїдного пристрою біомедичного призначення. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спе-ціальності 05.27.06 технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2007.
Дисертація містить результати теоретичних та експериментальних досліджень, які необхідні під час розробки технології створення мікрофлюїдного електрохемілюмінесцентного пристрою для визначення амінокислот. Шляхом проведення обчислювального експерименту руху проби з амінокислотами у мікрофлюїдних каналах за гідродинамічного та електрокінетичного режимів визначено вплив конструктивно-технологічних параметрів на ефективність вихідного аналітичного сигналу. На основі подальшого розвитку методу утворення мікроструктур у матеріалі з полімеру лазерною абляцією розроблено технологію виготовлення платформи з мережею каналів контрольованих розмірів та заданої топології, необхідних для проведення капілярного електрофорезу. З використанням методу Ленгмюра-Блоджетт та електрохімічних і електрохемілюмінесцентних методів розроблено технологію створення електрохемілюмінесцентного трансд’юсера з нанорозмірними структурами, сенсорні властивості якого підтверджено при визначенні амінокислоти пролін.

У дисертаційній роботі вирішене актуальне науково-практичне завдання розроблено технологію створення мікрофлюїдного електрохемілюмінесцентного пристрою аналізу амінокислот, яка представленасукупністю методів і операцій, що забезпечили можливість створення та інтеграцію в один повноцінно функціонуючий пристрій платформи капілярного електрофорезу з мікроструктурами-каналами та ЕХЛ-трансд’юсера на базі нанорозмірних (в одному вимірі) ансамблів молекул-електрохемілюмінофорів у амфіфільній матриці, а такожсукупністю методів дослідженькожного з функціональних елементів пристрою.
Основні результати дисертаційної роботи.
1. На основі огляду літератури щодо сучасного стану та науково-методологічних і технологічних основ виробництва електронної техніки біомедичного призначення зазначено, що одним із перспективних напрямків розвитку аналітичного приладобудування є мікросистемні технології для реалізації методів пробопідготовки та детектування в межах одного пристрою на новому технологічному рівні у форматі «на чипі», що дає можливість високошвидкісного, високоселективного, високочутливого аналізу. При цьому особлива увага приділяється розробці технологій швидкого виготовлення мікрофлюїдних пристроїв (на основі мікро- і нанороз-мірних структур), які визначаються тими матеріалами і методами аналізу, які реалізовуються у мікроформаті. До найперспективніших методівфракціонуванняналежить капілярний електрофорез, адетектування електрохемілюмінесценція. Відзначено, що технології отриманнямікророзмірнихструктур для капілярного електрофорезу у склі й кварці трудомісткі, а успіхи в області створення сенсорних нано-розмірних структур зумовлені використанням методу Ленгмюра-Блоджетт.
Таким чином, на основі зробленого аналітичного огляду обрано напрямок досліджень: розробка технології мікрофлюїдного пристрою для електрохемілюмінесцентного аналізу амінокислот, Відзначено, що для створення мікрофлюїдної платформи доцільно використовувати полімерні матеріали; для оперативного формування мікроструктур і отворів метод лазерної абляції; нанорозмірних структур ЕХЛ-трансд’юсера метод ЛБ. Однак при цьому невирішеними проблемами є: вибір топології капілярної мережі, режимів капілярного електрофорезу та лазерного видалення матеріалу, які, зрештою, істотно впливатимуть на ефективність фракціонування біопроб; проблема утворення електрохемілюмінофорами-реагентами стабільних моношарів, а отже, і плівок ЛБ. Сформульовано мету та задачі дослідження.
2. Вирішено наукову задачу вибору топології мікрофлюїдного електрохемілюмінесцентного пристрою з довжиною сепараційного каналу, необхідною для ефек-тивного і високошвидкісного фракціонування проби з амінокислотами, шляхом проведення обчислювального експерименту на базі розробленої та реалізованої методом кінцевих різниць математичної моделі електрокінетичного руху проби, що пов’язує параметри фракціонування проби з геометрією каналу для капілярного електрофорезу. Показано, що значення довжини сепараційного каналу, рН буфера та прикладеної напруги, за яких відбувається найефективніше та найшвидше (4 с) розділення амінокислот (Pro, Met, Туr, Trp) складають відповідно: L = 2 см; рН =7; U = 2 кВ.
Крім того, розроблена математична модель електрокінетичного руху проби дозволяє прогнозувати поведінку проб різного вмісту під час проведення капілярного електрофорезу, що дає можливість (на відміну від натурного експерименту з готовими зразками) ще перед етапом конструкторських робіт обґрунтувати вибір технологічних параметрів створення та функціонування мікрофлюїдного пристрою, що забезпечуватимуть необхідні метрологічні характеристики аналізу.
3. Вирішено науково-технологічну задачу контрольованого створення мікроструктур у полімерному матеріалі на базі методу лазерної абляції, що полягає в дослідженні та аналізі вперше отриманих залежностей розмірів мікроструктур у пластині з поліметилметакрилату від параметрів випромінювання лазера. Показано, що при цільовому виборі параметрів світлового випромінювання (потужності лазера, швидкості руху лазера, частоти імпульсів, умов фокусування випромінювання) можна сформувати відтворювальні структури (шириною і глибиною від 100 до 300 мкм) у базовому матеріалі з поліметилметакрилату, що дає можливість розробити технологію виготовлення мікрофлюїдної платформи капілярного електрофорезу з каналами контрольованих розмірів і геометрії.
4. Вирішено науково-технологічну задачу утворення електрохемілюмінофорами-реагентами (біпіридилу рутенію та рубрену) стабільних нанорозмірних плівок Ленгмюра-Блоджетт. Обрано матриці для їх іммобілізації (стеаринова кислота та поліметилметакрилат, відповідно). Експериментальним шляхом знайдено оптимальне значення поверхневого тиску, який забезпечує формування структурно впорядкованих багатошарових ПЛБ на підкладках з ITO-покриттям для систем: стеаринова кислота / біпіридильний комплекс рутенію 30 мН/м, рубрен / поліметилметакрилат 20 мНм. Встановлено число шарів ЛБ (13), що вміщує ефективну кількість електрохемілюмінофору, необхідну для стабільної роботи трансд’юсера. Методом циклічної вольтамперометрії досліджено характеристики отриманих нанорозмірних плівок, що дозволило розробити технологію створення впорядкованих плівок із молекулами біпіридильного комплексу рутенію та рубрену.
5. Вперше досліджено електрохемілюмінесцентні властивості (у водних розчинах) молекул електрохемілюмінофорів-реагентів, інкорпорованих у нанорозмірні ПЛБ на поверхні електрода. Встановлено адекватність використання комплексів біпіридилу рутенію в іммобілізованому на електроді вигляді, що дозволило розробити технологію створення електрохемілюмінесцентного трансд’юсера на базі ITO-електрода з Ru(bpy)32+для визначення амінокислоти пролін у фосфатному буфері рН=7,5. На відміну від існуючих технологій аналізу амінокислот з використанням комплексів біпіридилу рутеніюв об’ємі, запропонована технологія створення трансд’юсера дає можливість суттєво зменшити витрати реагентів, прискорити аналіз та мініатюризувати пристрій.