Флюоресцентний сенсор на основі багатоканальної структури

1. Флюоресцентний сенсор на основі багатоканальної структури, що містить мікроканали з мікрогранулами сорбенту, вміщеними в мікроканали з боку одного з торців багатоканальної структури, який відрізняється тим, що багатоканальна структура є відрізком полікапілярної трубки з наскрізними капілярами, які утворюють зазначені мікроканали, останні заповнені двома шарами незмішуваних речовин, один з яких утворений водою або водним розчином, а інший - органічною речовиною, при цьому вміщені в мікроканали мікрогранули сорбенту розташовані в шарі води або водного розчину. 2. Сенсор за п. 1, який відрізняється тим, що кожна мікрогранула сорбенту вміщена в шарі води або водного розчину з можливістю вільного переміщення. 3. Сенсор за пп. 1 або 2, який відрізняється тим, що органічна речовина, яка утворює один з шарів, що заповнюють мікроканали, знаходиться у рідкій фазі. 2 (19) 1 3 76841 4 повідно, оптичного або рентгенівського випроміна, яка утворює один із шарів, що заповнюють нювання. мікроканали, є оптично прозорою або рентгеноп16. Сенсор за одним з пп. 1, 2, 4, 5, 7-11, 13, 15, розорою, а відрізок полікапілярної трубки виконаякий відрізняється тим, що багатоканальна струний з можливістю транспортування, відповідно, ктура виконана у вигляді прямого відрізка полікаоптичного або рентгенівського випромінювання. 23. Сенсор за п. 22, який відрізняється тим, що пілярної трубки. 17. Сенсор за п. 16, який відрізняється тим, що багатоканальна структура виконана у вигляді пряполікапілярна трубка виконана зі скла або кварцу. мого відрізка полікапілярної трубки. 24. Сенсор за п. 22, який відрізняється тим, що 18. Сенсор за одним з пп. 1, 2, 4, 5, 7-11, 13, 15, який відрізняється тим, що багатоканальна струбагатоканальна структура виконана у вигляді виктура виконана у вигляді вигнутого відрізка полікагнутого відрізка полікапілярної трубки. 25. Сенсор за п. 22, який відрізняється тим, що пілярної трубки. 19. Сенсор за п. 18, який відрізняється тим, що багатоканальна структура виконана у вигляді відполікапілярна трубка виконана зі скла або кварцу. різка полікапілярної трубки у формі таблетки, дов20. Сенсор за одним з пп. 1, 2, 4, 5, 7-11, 13, 15, жина якого менше поперечного розміру. який відрізняється тим, що багатоканальна стру26. Сенсор за одним з пп. 1, 2, 4, 5, 7-11, 23-25, який відрізняється тим, що полікапілярна трубка ктура виконана у вигляді відрізка полікапілярної трубки у формі таблетки, довжина якого менше виконана зі скла або кварцу. поперечного розміру. 27. Сенсор за одним з пп. 1, 2, 4, 5, 7-11, 15, 17, 21. Сенсор за п. 20, який відрізняється тим, що 19, 21, 23-25, який відрізняється тим, що полікаполікапілярна трубка виконана зі скла або кварцу. пілярна трубка виконана з товщиною стінок мікро22. Сенсор за одним з пп. 1, 2, 4, 5, 7-11, 17, 19, каналів, на порядок меншою за їхній поперечний 21, який відрізняється тим, що органічна речовирозмір. Винахід належить до області хімічного та біологічного аналізу і може бути використаний для створення високочутливих аналітичних приладів для якісного та кількісного аналізу водних і органічних розчинів, а саме, природних вод і техногенних розчинів, що містять низькі концентрації вимірюваних неорганічних та органічних компонентів, а також розчинів, що містять біологічно активні сполуки. Хімічні та біологічні сенсори [1-5] є датчиками, що надають пряму інформацію про іонний або молекулярний склад середовища (розчину), у яке занурений датчик, без відбирання аналізованої проби та її спеціальної підготовки. Сенсори використовуються у комбінації з яким-небудь аналітичним реєструвальним приладом. Для використання з метою визначення мікрокомпонентів у розчинах сенсори повинні мати здатність до селективної адсорбції (сорбції) визначуваних компонентів з цих розчинів, здатністю до накопичення цих компонентів до концентрацій, вищих за межі виявлення аналітичного реєструвального приладу. При необхідності забезпечення оперативного моніторингу (спостереження за зміною концентрації мікрокомпонентів) в аналізованому водному потоці в режимах in-line (у самому потоці) або on-line (у байпасному потоці), сенсори повинні мати задовільні кінетичні характеристики - здатність до швидкого досягнення рівноважного накопичення за характерний час, менший, аніж характерний час істотних змін концентрації в аналізованому потоці. Основним елементом будь-якого сенсора є іммобілізована (прикріплена до доступної поверхні датчика) активна речовина, здатна до селективної взаємодії з визначуваними компонентами. Різновидом сенсорів є хімічні або біологічні чипи [3-5] - аналітичні датчики,що містять набір різних активних речовин в одному сенсорі або набір сенсорів з відмінними характеристиками, у кожному з яких знаходиться активна речовина одного типу. Хімічний або біологічний чип подає інформацію про аналізовані суміші не як число, що є відгуком на одиничний вимір, а у вигляді деякого образа двомірної або тривимірної картинки, що є компактною і точною характеристикою ("відбитком пальців") всієї суміші. Кожна точка такої картинки, що характеризує наявність і концентрацію тієї або іншої речовини, може бути не зовсім точною, але за рахунок багаторазового дублювання таких точок та за рахунок додаткової інформації у вигляді цілісного образа, чипи дозволяють домогтися практично повної селективності та однозначності в аналізі. Хімічні та біологічні чипи почали розроблятися лише останніми роками. У літературі стосовно хімічних чипів також використовуються поняття: електронний (хімічний) "ніс" або електронний (хімічний) "язик", для того щоб підкреслити, що селективность, як і у живих організмах, досягається за рахунок набору сенсорів з відмінними характеристиками [6]. Відомі різні типи хімічних сенсорів [1]: електрохімічні (у тому числі, потенціометричні датчики, такі як іон-селективні електроди); електричні сенсори на основі польових транзисторів та інших пристроїв, магнітні сенсори, термометричні датчики, а також сенсори, чутливі до селективного накопичення компонента за рахунок зміни п'єзоелектричних або акустичних характеристик. Основним недоліком зазначених аналітичних датчиків є обмеженість асортименту визначуваних компонентів - практично на кожний компонент доводиться конструювати свій сенсор з певним типом активної речовини. Крім того, на основі зазначених підходів важко створити біологічні сенсори. Зазначені недоліки усуваються в оптичному й рентгенівському флуоресцентному сенсорах [2], у 5 76841 6 яких активна речовина може мати групову селекрозподілі мікрогранул по каналах з рідини, у якій тивність до великої кількості неорганічних, органігранула не набухає, з наступною обробкою іншою чних або біологічно активних компонентів. Після рідиною, у якій гранула набухає та фіксується. сорбції цих компонентів іммобілізованою активною Таким чином, описаний пристрій є флюоресцентречовиною здійснюється обробка доступної повеним сенсором на основі багатоканальних структур, рхні з активною речовиною збудним випромінюна одному з торців яких є відкриті мікроканали, у ванням за допомогою УФ-лазера або джерела кожному з яких розміщена мікрогранула сорбенту. рентгенівського випромінювання. У першому виОсновними недоліками зазначеного пристрою падку спостерігається спектр флюоресценції (лює: складна технологія його виготовлення, незадомінесценції) у видимій області, у другому - спектр вільні кінетичні характеристики, пов'язані із блокурентгенівської флюоресценції. За рахунок аналіванням значної частини поверхні мікрогранул при тичних можливостей зазначених методів, що доїхній фіксації, а також обмеженість об'єктів аналізволяють роздільно спостерігати спектральні смузу, пов'язана з необхідністю обмеження меж набуги визначуваних компонентів, з'являється хання мікрогранул для збереження цілісності приможливість одночасного аналізу багатокомпонентстрою. Іншим недоліком зазначеного пристрою є них сумішей. неможливість досягнення низьких меж виявлення Відомі флюоресцентні сенсори, у яких активна при рентгенофлюоресцентному аналізі за допоморечовина, що взаємодіє з визначуваними компогою таких сенсорів. Це пов'язане з тим, що в оптинентами середовища, нанесена (просочує) або ко-волоконних нитках зовнішній і внутрішній шари хімічно ' пришита до мембран або до мікрогранул є порівнянними по товщині, тому кількість гранул твердих пористих матеріалів, які утворюють сорбсорбенту на одиницю площі торця незначна і, відційний шар, що складається з великої кількості повідно, щільність сорбованої аналізованої речомоношарів [7]. Основним недоліком зазначених вини на одиницю поверхні площі торця також непристроїв є те, що їх не можна використовувати як значна. чипи, що дозволяють одержувати окремий сигнал Пропонований винахід спрямований на досягз кожної ділянки активної поверхні сенсора. нення технічного результату, що полягає в спроЗазначений недолік усувається при викорисщенні та здешевленні технології одержання флютанні моношарів мікрогранул твердих активних оресцентного сенсора, збільшенні асортименту речовин або мікропосудин з рідкими активними аналізованих розчинів на тому самому пристрої, речовинами. Відомі флюоресцентні сенсори (біополіпшенні кінетичних характеристик аналітичних чипи) [8, 9], у яких до каналів або мікроотворів, методик з використанням флюоресцентного сенвирізаних у спеціальному носії зі скла, кварцу, кесора, підвищенні чутливості аналізу при викорисраміки, пластику або іншого інертного матеріалу танні рентгенофлюоресцентного методу. методами літографії або іншими методами, поміФлюоресцентний сенсор за пропонованим вищені у певному регулярному порядку активні ренаходом, як і найближчий до нього сенсор, відочовини, що селективно взаємодіють з біологічно мий з [10], виконаний на основі багатоканальної активними макромолекулами з аналізованого сеструктури з мікроканалами і містить мікрогранули редовища. Зараз число мікроділянок з активними сорбенту, поміщені в мікроканали з боку одного з речовинами, досяжне в таких пристроях, не переторців багатоканальної структури. вищує декількох тисяч одиниць. Це приводить до Для досягнення названого технічного резульзменшення чутливості (меж виявлення) аналізу тату в пропонованому флюоресцентному сенсорі, при використанні рентгенофлюоресцентного мена відміну від зазначеного відомого, найближчого тоду. до нього, багатоканальна структура є відрізком Найближчим за технічною сутністю до пропополікапілярної трубки з наскрізними капілярами, нованого пристрою є флюоресцентний сенсор на що утворюють зазначені мікроканали. Мікроканали основі багатоканальної структури, описаний в [10]. заповнені двома шарами незмішуваних речовин. Цей сенсор одержаний шляхом спікання пучка з Один із шарів утворений водою або водним розчивеликої кількості оптико-волоконних ниток, кожна з ном. У цьому шарі знаходиться мікрогранула соряких складається із двох коаксіальних шарів, утвобенту. Другий шар утворений органічною речовирених двома сортами скла або кварцу або поліменою. ру. Один з торців одержаного пучка оброблений Товщина заповнюючого мікроканали шару вохімічними речовинами для витравлювання (до ди або водного розчину, у якому знаходиться мікневеликої глибини порядку 10мкм) внутрішніх шарогранула сорбенту, не перевищує 3 міліметрів. рів у кожній нитці, а в утворені канали ("мікроколоЦе пов'язане з тим, що подальше збільшення тодязі") поміщені та закріплені мікросфери твердої вщини даного шару не приводить до поліпшення активної сорбуючої речовини або твердої інертної розділення цього шару та шару органічної речовиречовини, на які нанесений активний реагент. Мони, тобто, вже не сприяє кращій ізоляції гранули ношар мікрогранул досягається тим, що в один сорбенту від органічної речовини, але приводить канал вміщується одна мікросфера. Розподіл мікдо збільшення часу аналізу через зростання часу росфер по мікроканалах досягається за допомодифузії сорбованих компонентів у шарі води або гою ультразвукового або іншого перемішування із водного розчину. суспензії у легколеткій рідині, що потім випаровуМікрогранулу сорбенту в шарі води або водноється. Фіксація мікросфер у каналах досягається го розчину доцільно розміщати з можливістю її за допомогою синтезу на поверхні торця багатокавільного переміщення. Це забезпечує можливість нальної структури плівок органічних речовин з різвільного доступу сорбованих компонентів до всієї ною проникністю. Інший спосіб фіксації полягає в поверхні мікрогранул сорбенту, тобто, поліпшує 7 76841 8 кінетичні характеристики сенсора для різноманітструктури у вигляді прямого відрізка полікапілярної них асортиментів аналізованих розчинів, у яких трубки може виявитися доцільним також і у випадздатність до набухання мікрогранули може бути ку подачі збуджувального випромінювання з боку різною. торця, що не містить гранул сорбенту. І навпаки, В різні мікроканали можуть бути поміщені міквиконання багатоканальної структури у вигляді рогранули як одного, так і різних сорбентів. вигнутого відрізка полікапілярної трубки може виПерше виконання краще використовувати для явитися доцільним у випадку подачі збуджувальстворення сенсорів, що дозволяють проводити ного випромінювання на торець із мікроканалами, аналіз розчинів з вмістом невеликого числа кому яких розміщені мікрогранули сорбенту. понентів з незалежними флюоресцентними сигнаПри виконанні багатоканальної структури як у лами. вигляді прямого, так і у вигляді вигнутого відрізка Друге виконання краще використовувати для полікапілярної трубки, можливо таке використання створення чипів, що дозволяють проводити аналіз сенсора, при якому з боку його торця, де немає багатокомпонентних розчинів з вмістом великої мікрогранул сорбенту, розміщається датчик збукількості компонентів із взаємозалежними флюодженого люмінесцентного випромінювання. ресцентними сигналами. Багатоканальна структура може бути виконана Доцільно виконати полікапілярну трубку, зоктакож у вигляді відрізка полікапілярної трубки у рема, зі скла або кварцу. формі таблетки, довжина якого менше поперечноЦе дозволить спростити й здешевіти технолого розміру. гію виготовлення вихідних полікапілярних трубок, у Таке виконання є доцільним для більш компатому числі, використати розроблені для цих матектних аналітичних приладів, незалежно від того, з ріалів технології. якого торця полікапілярної трубки подається збуПри цьому для аналізу кислих і нейтральних джувальне випромінювання. розчинів краще виконати полікапілярну трубку зі Органічна речовина, яка утворює один зі згаскла, як більш дешевого матеріалу. даних вище шарів, що заповнюють мікроканали, Для аналізу лужних розчинів, хімічно взаємоможе знаходитися у твердій або рідкій фазі. діючих зі склом, краще виконати полікапілярну Перше виконання краще використовувати для трубку з кварцу. створення флюоресцентних сенсорів, розташовуДоцільно виконати полікапілярну трубку, зокваних в аналітичних блоках приладів у вертикальрема, з товщиною стінок мікроканалів, на порядок ному положенні, в умовах, коли шар водного розменшою їхнього поперечного розміру. чину розташований нижче шару органічної Це стосується сенсорів з рентгенофлюоресцеречовини. нтним аналізом, побудованих на сумарному ефекті Друге виконання краще використовувати для флюоресценції від всіх гранул сорбенту в пристворення флюоресцентних сенсорів, розташовустрої. ваних в аналітичних блоках приладів у довільному При цьому для виготовлення хімічних і біологіположенні. Таке виконання є також кращим у вичних чипів з люмінесцентним спектральним аналіпадку, коли мікрогранула сорбенту може взаємодізом у видимій області для запобігання злиття сигяти не лише з речовинами у водному розчині, але налів від кожної мікрогранули відповідного й з речовинами в органічному шарі. сорбенту можна виконати полікапілярну трубку з У всіх випадках, коли при використанні сенсобільшою товщиною стінок. ра передбачається з боку торця, що не містить Багатоканальна структура може бути виконана гранул сорбенту, розміщати джерело збуджувальу вигляді прямого або вигнутого відрізка полікапіного випромінювання або датчик збудженого люлярної трубки. мінесцентного випромінювання, органічна речовиПерше виконання краще використовувати для на, яка утворює один зі згаданих вище шарів, що створення флюоресцентних сенсорів, що входять заповнюють мікроканали (тобто шар, що примикає до складу аналітичних блоків приладів, до яких до зазначеного торця сенсора), повинна бути пронемає спеціальних вимог по їхній компактності, зорою для відповідного випромінювання (рентгепов'язаних з необхідністю аналізу потоків розчинів нівського або оптичного). При цьому відрізок поліу важкодоступних точках. При цьому виконанні капілярної трубки має бути виконаний з збуджувальне випромінювання подається на томожливістю транспортування цього випромінюрець із мікроканалами, у яких розміщені мікрогравання. нули сорбенту, а джерело збуджувального випроПропонований винахід ілюструється кресленмінювання розміщається усередині зазначеного нями. блоку. На Фіг.1 показаний приклад виконання приДруге виконання краще використовувати для строю, що містить багатоканальну структуру у вистворення флюоресцентних сенсорів, що входять гляді відрізка прямої полікапілярної трубки. до складу компактних аналітичних блоків приладів, На Фіг.2 показаний приклад виконання прирозташовуваних у потоці аналізованого розчину у строю, що містить багатоканальну структуру у виважкодоступних точках. При цьому виконанні збугляді відрізка вигнутої полікапілярної трубки. джувальне випромінювання подається на протиНа Фіг.3 показаний приклад виконання прилежний торець, де немає мікрогранул сорбенту, а строю, у якому багатоканальна структура має фоджерело збуджувального випромінювання розмірму таблетки. щається поза зазначеним блоком. На Фіг.4 схематично показаний приклад устаОднак, у залежності від конкретних умов зановки для виготовлення сенсорів. стосування сенсора, виконання багатоканальної На Фіг.5 наведені мікрофотографії відкритого 9 76841 10 нижнього торця полікапілярної трубки. малий розкид розмірів поперечного переріза мікНа Фіг.6 показаний приклад конструкції спеціароканалів. льного ковпачка з мікропористим дном, який утвоФлюоресцентний сенсор на основі багатокарює нижню частину сенсора. нальних структур у варіанті, показаному на Фіг.2, На Фіг.7 показані потенціометричні криві для також містить відрізок 1 полікапілярної трубки, тестування працездатності сенсорів. герметично заклеєний з верхнього торця шаром 2 На Фіг.8 показане використання пропонованоінертного матеріалу. Мікроканали, утворені капіго сенсора в складі аналітичного приладу для ренлярами, містять внутрішній шар 3 органічної речотгенофлюоресцентного аналізу розчинів. вини, шар 4 води або водного розчину з вільно На Фіг.9 показане використання пропонованорозміщеною в ньому мікрогранулою 5 сорбенту. го сенсора в складі аналітичного приладу для люШар 6 інертного фільтруючого матеріалу закриває мінесцентного аналізу розчинів у видимій області. торець з боку шару води або водного розчину. На Фіг.10 показане використання пропоноваВідмінною рисою варіанта пристрою за Фіг. 2 є те, ного сенсора з оптично прозорою органічною рещо він виконаний у вигляді таблетки, для виготовчовиною, яка утворює один з шарів, що заповнюлення якої використаний відрізок полікапілярної ють мікроканали, у складі аналітичного приладу трубки, довжина якого менше діаметра торця. для рентгенофлюоресцентного аналізу розчинів. У варіанті, показаному на Фіг.3, пропонований На Фіг.11 показане використання пропоновафлюоресцентний сенсор на основі багатоканального сенсора з оптично прозорою органічною рених структур також містить відрізок 1 полікапілярчовиною, яка утворює один з шарів, що заповнює ної трубки, герметично заклеєний або покритий з мікроканали, у складі аналітичного приладу для одного торця шаром 7 інертного матеріалу. Мікролюмінесцентного аналізу розчинів у видимій облаканали, утворені капілярами, містять внутрішній сті. шар 8 органічної речовини, шар 4 води або водноНа Фіг.12-14 показані спектри рентгенівської го розчину з вільно розміщеною в ньому мікрографлюоресценції, одержані при аналізі різних розчинулою 5 сорбенту. Шар 6 інертного фільтруючого нів за допомогою пропонованого сенсора на основі матеріалу закриває торець з боку шару води або багатоканальної структури. водного розчину. Флуоресцентний сенсор на основі багатоканаВідмінною ознакою пристрою за цим варіантом льних структур відповідно до пропонованого винає те, що він виконаний з вигнутого відрізка полікаходу влаштований у такий спосіб. Відрізок 1 поліпілярної трубки. Інші відмінні особливості цього капілярної трубки (Фіг.1), наприклад, зі скла або варіанта виконання пристрою полягають в тому, кварцу, який має сотні тисяч наскрізних капілярів що шар 7 інертного матеріалу і внутрішній шар 8 (мікроканалів) однакового розміру від одиниць до органічної речовини є рентгенопрозорими та/або сотень мікронів у поперечному перерізі, герметичоптично прозорими, а відрізок полікапілярної трубно заклеєний з боку верхнього торця шаром 2 інеки виконаний з можливістю транспортування, відртного матеріалу. У кожному мікроканалі розміщеповідно, оптичного або рентгенівського випроміні два шари речовини. Верхній шар 3 утворений нювання. органічною речовиною, а нижній шар 4 утворений У першому випадку сукупність мікроканалів, водою або водним розчином. У цьому шарі в умозаповнених органічною речовиною, виконує роль вах вільного переміщення знаходиться мікрограсвітловоду, а в другому - роль бендера (засобу нула 5 сорбенту з максимальним діаметром, мендля передачі та повороту рентгенівського випрошим (наприклад, на 10-20%) за внутрішній діаметр мінювання). У цьому випадку використовується мікроканалу. Нижній торець закритий шаром 6 явище повного зовнішнього відбиття випромінюінертного фільтруючого матеріалу з діаметрами вання від стінок мікроканалів, і геометрія мікрокапор, меншими за діаметр мікрогранул сорбенту. налів, властивості матеріалу їхніх стінок та органіБагатоканальна полікапілярна структура, що чної речовини вибираються так, щоб була входить до складу пропонованого сенсора, у цьовиконана умова багаторазового повного зовнішму та інших описуваних нижче окремих випадках нього відбиття [15, 16]. виконання може бути виготовлена, наприклад, за У таблиці 1 наведені приклади інертних матетехнологією, описаною в патентах [11, 12]. Можлиріалів для виготовлення шару 2 для герметичного ве також використання описаної в патенті [13] техзаклеювання або покриття одного з торців прямого нології, застосовуваної при виготовленні полікапівідрізка полікапілярної трубки (у тому числі коротлярних хроматографічних колонок. Дана кого відрізка, коли сенсор має вигляд таблетки) у технологія є кращою, якщо необхідно забезпечити випадках, показаних на Фіг.1 та Фіг.2. 11 76841 12 Таблиця 1 №№ 2 3 4 Інертний матеріал для шару 2 Герметик, стійкий до органічних розчинників Масло- та бензостойкая гума Силікон Рідке скло 5 Рідке скло + гума 6 Рідке скло + поліетилен 7 Рідке скло + поліпропілен 8 Рідке скло + тефлон 9 Парафін + гума (або силікон) Парафін + поліетилен (або поліЗаклеювання рідким парафіном з наступним ущільненням пропілен чи тефлон) 1 10 Спосіб закриття торця Заклеювання герметиком, що полімеризується Використання ущільнювальної голівки з гумовою прокладкою Використання ущільнювальної голівки із силіконовою прокладкою Заклеювання рідким склом з наступним ствердінням Заклеювання рідким склом і додаткова герметизація за допомогою ущільнювальної голівки з гумовою прокладкою Заклеювання рідким склом і додаткова герметизація за допомогою ущільнювальної голівки з поліетиленовою прокладкою Заклеювання рідким склом і додаткова герметизація за допомогою ущільнювальної голівки з поліпропіленовою прокладкою Заклеювання рідким склом і додаткова герметизація за допомогою ущільнювальної голівки з тефлоновою прокладкою Заклеювання рідким парафіном з наступним ущільненням У таблиці 2 наведені приклади інертних рентгенопрозорих («РП») та/або прозорих для ультрафіолетового випромінювання («УФП») матеріалів для виготовлення шару 7 для герметичного за клеювання або покриття одного з торців відрізка вигнутої полікапілярної трубки у випадку, показаному на Фіг.3. Таблиця 2 №№ 1 2 3 4 Інертний матеріал для шару 7 РП, УФП Термопластичні клеї-розплави на основі поліетилену РП, УФП Поліетиленова плівка + термопластичні клеї (розчини на основі полістиролу) РП, УФП Целофанова плівка + термопластичні клеї (розчини на основі полістиролу) РП Термопластичні клеї-розплави на основі співполімеру етилену з вінілацетатом У Таблиці 3 наведені приклади органічних речовин, що утворюють внутрішній шар 3 сенсорів, виконаних з прямого відрізка полікапілярної трубки, у тому числі, у вигляді таблетки, показа Спосіб закриття торця Заклеювання торця з наступним ствердінням Заклеювання з нанесенням клею на плівку (із «захопленням» верхньої частини зовнішньої стінки полікапілярної трубки) з наступним ствердінням Заклеювання з нанесенням клею на плівку (із «захопленням» верхньої частини зовнішньої стінки полікапілярної трубки) з наступним ствердінням Заклеювання торця з наступним ствердінням них на Фіг.1 і Фіг.2, або внутрішній шар 8 сенсора, виконаного з вигнутого відрізка полікапілярної трубки, показаного на Фіг.3. Таблиця 3 №№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Речовина Гексан Гептан Октан Бензин Уайт-спірит Бензол Толуол Парафін Поліакриламід Поліакрилонітрил Полістирол Агрегатний стан: рідкий - «Р»; твердий - «Т» Рентгенопрозорий - «РП»; Прозорий для ультрафіолетового випромінювання - «УФП» Ρ, ΡΠ, УФП Р, РП, УФП Р, РП, УФП Р, РП, УФП Р, РП, УФП Р, РП Р, РП Т, РП Т, РП Т, РП Т, РП 13 76841 14 У таблиці 4 наведені приклади сорбентів, з яких виготовлені мікрогранули 5, поміщені в шар 4 води або водного розчину. Таблиця 4 №№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Сорбційні матеріали Сильнокислотні гелеві тамакропористі катіоніти: КУ-2, КУ-23, Dowex-50, Dowex-HCR, Dowex-MSC, Dowex-Marathon С, PuroliteС100, Амберлайт ГОЛ, Амберджет, Lewatit S, Lewatit SP Слабокислотні гелеві та макропористі катіоніти: КБ-2, КБ-4, Dowex MAC, Purolite С105, Амберлайт IRC, Lewatit SNP Сильноосновні гелеві та макропористі аніоніти: АВ17, АВ-171, Dowex-2, Dowex-MSA, Purolite A400, Amberlite IRA, Lewatit Μ Слабоосновні гелеві та макропористі аніоніти: АН31, АН-221, АН-511, Dowex MWA, Purolite A100, Lewatit MP Функціональна група -SO3 -COO-N(R4)+ -NHk(R4-k)+ де k=1, 2, 3 -SO3- + -NHk(R4-k)+ Гелеві та макропористі поліамфоліти: АНКБ-50, або Тулсіон -COO- + -NH2 - C(R)=N-OH; - CO-N(R)=OH; - C(OH)-C(R)=N-OH; Селективні сорбенти для аналітичної хімії типу - N(R)-C(S)-S(Na); «Полісорб» - N-(NO)-ONH4; - CH2(R)-N(CH2COONa)2 де R - органічний радикал, та ін. амідооксимні, гидразинові, дитизонові, діацетатні групи Просочення: - рідкими іонітами: Імпрегновані сорбенти - комплексоутворювальними органічними реагентами, екстрагентами Пришиття: - олігомерів та мономерів з іонообмінними груНейтральні полімерні матриці з наступним хімічпами: ним пришиттям функціональних груп комплексоутворювальних органічних реагентів та екстрагентів Неорганічні сорбенти, які не містять визначуваних Алюмосилікатні, оксидні, фосфатні компонентів КМ-целюлоза, ДЕАЕ-целлюлоза, Сорбенти-носії для афінної хроматографії біополі- Агароза, мерів Сефадекс, Оксіалкілметакрилат, Полівінілацетат У таблиці 5 наведені приклади інертних фільтруючих матеріалів для шару 6, що закриває торець з боку шару води або водного розчину. 15 76841 16 Таблиця 5 №№ 1 2 3 4 5 6 7 8 Сітка - «С»; Мембрана - «М» Рентгенопрозорий - «РП»; ПрозоМатеріал (плівка товщиною 1-20мкм), рий для ультрафіолетового випромінювання - «УФП»; Прозодіаметр отворів - 1-10мкм рий у видимій області -«ВП» Капрон С, РП, УФП Нейлон С, РП, УФП Склоткань С Поліацетат Μ, РП, УФП Поліетилен М, РП, УФП, ВП Тефлон М, РП, УФП, ВП Поліпропілен М, РП, УФП, ВП Целофан М, РП, УФП, ВП При виготовленні пропонованого флюоресцентного сенсора на основі багатоканальної полікапілярної структури може бути використаний ефект капілярного підняття рівня рідин, які мають змочувальний ефект. Виготовлення пристрою із шаром рідкої органічної речовини в мікроканалах включає такі етапи. А. Сорбційний матеріал попередньо подрібнюють з використанням кульового млина, потім одержаний порошок розділяють на вузькі за гранулометричним складом фракції методом седиментації - осадженням в колонах у середовищі 0,1Μ розчину хлориду натрію. Відбирають необхідні для даного типу сенсора фракції, наприклад, для полікапілярних трубок з розміром одиничного каналу 20мкм відбирають фракції із граничними розмірами зерен 15-17мкм. Б. Заготовки - полікапілярні стовпчики 9 (відрізки прямих полікапілярних трубок) закріплені в затискачах 10 тримача 11 з регульованою висотою, переміщуваного по стійці 12, встановленій на нерухомій станині 13 (Фіг.4). За допомогою тримача 11 полікапілярні стовпчики 9 занурюють до половини довжини в посудину 14 з органічною рідиною, розміщену на рухомій платформі 15, у свою чергу, встановленій на станині 13. Платформа 15 може пересуватися по напрямних роликах 16 як у вільному режимі, так й у режимі регульованого крокового переміщення. Органічна рідина повинна мати такі властивості: - вона повинна змочувати матеріал стінок мікроканалів полікапілярних стовпчиків, але змочувати гірше, ніж вода; - рідина не повинна перемішуватися з водною фазою; - рідина повинна бути легше води. Наприклад, такою рідиною може бути вибраний гексан. Протягом 5хв. за рахунок капілярних сил всі стовпчики повністю заповнюються гексаном. В. Заздалегідь розраховують і відважують масу числа частинок сорбенту, що відповідає числу каналів. Наприклад, для того, щоб у кожному мікроканалі на 20мкм у полікапілярному стовпчику з 400000 мікроканалами була одна гранула сорбенту, необхідно мати 1 мг фракції сорбенту з розмірами частинок 15-18мкм і густиною 1,1г/см3); для одночасного виготовлення 100 сенсорів необхідно мати 100мг сорбенту. Г. Готовлять робочу суспензію. У відважену кількість сорбенту, поміщену в скляну мікропосудину 17, обладнану автоматичним дозатором крапель 18 і перемішувальним мікропристроєм 19, за допомогою іншого дозатора рідини (крапельниці) вносять 100 (за кількістю виготовлюваних сенсорів) крапель (по 5.10-2см3) концентрованого розчину хлориду натрію із густиною, яка дорівнює густині сорбенту, перемішують суміш і виготовляють стійку суспензію. Д. Використовують розташовану на рухомій платформі 15 гідрофобну пластину 20 (наприклад, з поліетилену) з вирізаними в ній заглибленнями 21, що мають форму усіченого конуса, розташування яких і відстані між якими відповідають розташуванню затискачів 10 тримача 11 і відстаням між ними. Регулюючи підведення центрів конічних заглиблень 21 до мікродозатора 18 суспензії та здійснюючи узгоджене дозування крапель, у кожне зі 100 заглиблень вводять одну краплину суспензії. Е. Піднімають на короткий час рівень тримача 11, відводять убік скляну посудину 14 з гексаном, підводять під тримач гідрофобну пластину 20 із краплями суспензії в конічних заглибленнях 21, встановлену на рухомій платформі 15, і фіксують платформу в чітко розрахованому положенні. Опускають тримач 11 так, щоб нижній торець кожного полікапілярного стовпчика 9 стикнувся з відповідною краплею суспензії. Протягом приблизно 30сек. за рахунок капілярних сил відбувається втягування (досуха всієї краплі) суспензії в стовпчик. Мікрофотографії нижнього торця стовпчика в різному масштабі збільшення, наведені на Фіг.5, дозволяють показати схему включення зерна сорбенту 22 в одиничний мікроканал 23 багатоканальної структури. Ж. Герметизують верхні торці полікапілярних стовпчиків одним з методів, описаних у таблицях 1 або 2. З. Нижню частину кожного готового сенсора закривають спеціальним ковпачком 24 (Фіг.6), бічна стінка якого виконана з відрізка 25 силіконової трубки, що герметично примикає до зовнішньої стінки полікапілярного стовпчика 9. Дно ковпачка 24 утворено сіткою або мікропористою мембраною 26, натягнутою на пластикове циліндричне кільце 27 і приклеєною, як показано на Фіг.6, однім боком до зовнішньої поверхні циліндричного кільця 27, а іншим боком - до внутрішньої поверхні відрізка 25 силіконової трубки. Приклади відповідних сіток або 17 76841 18 мембран наведені в таблиці 5. Зокрема, викорисодночасного виготовлення 100 сенсорів необхідно товують сітчастий нейлоновий фільтр на 10мкм мати по 10мг кожного сорбенту. (стандартна продукція фірми "Міліпор"). Такий Г1. Готовлять робочу суспензію. У відважену варіант використовують у випадку, коли розмір кількість суміші сорбентів, поміщену в скляну мікмікрогранул сорбенту більше 10мкм. У всіх інших ропосудину 17, обладнану автоматичним дозатоваріантах замість сітчастого мікрофільтра викориром 18 крапель і перемішувальним мікропристростовують мембрану, наприклад, поліацетатну єм 19, за допомогою іншого такого ж дозатора мембрану з мікропорами 5мкм або менше (станвносять 100 крапель (по 5-10-2см3) концентрованодартна продукція фірми "Міліпор"), підібраними го розчину хлориду натрію з густиною, рівною гусвідповідно до розмірів мікрогранул сорбенту. Петині сорбентів, перемішують суміш і готовлять ред надяганням ковпачка на нижню частину сенстійку суспензію. сора внутрішню поверхню силіконової трубки, що Виробничий процес одержання сенсорів вклюбуде безпосередньо примикати до зовнішньої почає стадію їхнього виборчого тестування на вміст у верхні полікапілярної трубки, покривають тонким них працюючого сорбенту і на швидкість функціошаром водовідштовхувального герметика (клею), нування сенсорів. що полімеризується. Тестований сенсор протягом 10хв. витримують Виготовлення пристрою із твердим органічним у склянці з 0,1Н розчином соляної кислоти (при шаром, наприклад, парафіном, включає перелічені перемішуванні розчину), потім тричі проводять вище етапи А, В, Г, Д, З і відрізняється виконанням його промивання в дистильованій воді. За допомоетапів Б та Ε (див. нижче, відповідно, Б1 та Е1), а гою рН-метра переконуються в тому, що рН дистакож тим, що етап Ж не виконується. тильованої води не змінюється в присутності сенБ1. Заготовки - полікапілярні стовпчики за досора. помогою тримачів 11 з регульованою висотою Після цього сенсор вносять у склянку з 20мл (Фіг.4) занурюють до рівня на 1-2мм нижче верх0,01Н розчину NaCI, що знаходиться під рНнього торця стовпчиків у встановлену на рухомій метром, і при перемішуванні відстежують зміну платформі 15 посудину 14, у якій замість гексана значення рН розчину з часом. Така зміна, а саме, знаходиться розплавлений парафін. Парафін плапідкислення розчину, має місце за рахунок іонного виться й утримується в розплавленому стані заобміну Na+ - Н+. Тестування повторюють не менше вдяки тому, що в посудину введена теплообмінна двох разів для того, щоб переконатися у відтворютрубка 28 з гарячою водою (або силіконовим масваності результатів. На Фіг.7 видно, що результати лом), подаваною із зовнішнього термостата. практично повністю відтворюються. Час до досягПротягом 30хв. за рахунок капілярних сил всі нення горизонтальної ділянки на наведених кривих стовпчики повністю заповнюються рідким парафі(~7хв.) відповідає часу настання рівноваги, тобто, ном. Після цього полікапілярні стовпчики піднімаговорить про кінетичні характеристики сенсора, а ють до такого рівня, при якому в рідкому парафіні глибина зміни рН показує обмінну ємність. На кризалишається нижня частина полікапілярних стовпвих Фіг.7 видно, що ця глибина відповідає зміні від чиків висотою не більше 3см. У такому положенні рН=6,8-7,0 до рН=3,60-3,75. У перерахунку це відвитримують систему протягом 10хв, даючи охолоповідає ємності 4,3-4,4мкг-екв, а з урахуванням нути й затвердіти парафіну в незануреній частині табличної ємності катіоніту КУ-2, рівної 4-4,5мгстовпчиків. екв/г, видно, що "працює" 1мг катіоніту. Е1. Піднімають на короткий час рівень тримаОдержані сенсори можуть бути використані ча 11, шляхом переміщення платформи 15 відводля аналітичного контролю різних розчинів. Прикдять посудину 14 з рідким парафіном і підводять лади схем установок для контролю наведені на під тримач гідрофобну пластину 20 із краплями Фіг.8-11. На цих Фігурах: 29 - проточна комірка; 30 суспензії, фіксуючи її в чітко розрахованому поло- сенсор; 31 - посудина з аналізованим розчином; женні. Опускають тримач 11 так, щоб нижній то32 - помпа; 33 - ультразвуковий активатор сорбції; рець кожного полікапілярного стовпчика стикнувся 34 - джерело рентгенівського збудження рентгез відповідною краплиною суспензії. За рахунок нофлюоресцентного спектрального аналізатора; зменшення (приблизно на 5%) об'єму парафіну 35 - датчик рентгенівської флюоресценції; 36 при його остиганні та твердінні в нижніх частинах перетворювач сигналів; 37 - комп'ютер; 38 - джестовпчиків протягом приблизно 300сек. відбуварело УФ випромінювання (УФ лазер); 39 - хвилевід ється втягування всієї краплі суспензії (досуха) у для УФ збудження; 40 - датчик люмінесценції; 41 стовпчик. люмінесцентний спектральний аналізатор; 42 Виготовлення пристрою з різними сорбентами сенсор з рентгенопрозорим шаром органічної ре(флюоресцентного чипа) з рідким або твердим човини, виконаний з вигнутої полікапілярної труборганічним шаром аналогічно вищеописаним прики; 43 - сенсор із шаром оптично прозорої органічкладам їхнього виконання й відрізняється тільки ної речовини, виконаний з відрізка полікапілярної виконанням етапів В та Г (див., нижче, відповідно, трубки у вигляді таблетки; 44 - хвилевід для люміВ1 та Г1) несцентного випромінювання у видимій області. В1. Заздалегідь розраховують і відважують Нижче описується функціонування сенсорів у масу числа частинок сорбентів, що відповідають складі зазначених аналітичних установок. числу каналів. Наприклад, при використанні 10 При використанні методу рентгенівської флюрізних сорбентів і виборі полікапілярної трубки з оресценції для аналізу як контрольний об'єкт об400000 каналами по 20мкм необхідно мати по рані проточні розчини - промивні стічні води галь100мкг кожного сорбенту (див. таблицю 4) з розмівановиробництва (міднення та цинкування) після рами частинок 15-18мкм і густиною 1,1г/см3. Для технологічної стадії їхнього очищення методом 19 76841 20 іонного обміну. Вміст іонів кольорових і важких подається на торець, де знаходяться мікрогранули металів у таких очищених розчинах не перевищує сорбенту, використовуються в складі аналітичного кількох десятків мкг/л. Тому такі очищені розчини приладу, показаного на Фіг.9. Аналіз, проточних дозволено зливати в природні водойми рибогосрозчинів, що містять органічні люмінофори або подарчого користування. біологічно активні молекули із пришитими до них У той же час межі виявлення методу рентгелюмінесцентно-активними зондами, проводиться нівської флюоресценції при безпосередньому за методикою, аналогічною описаній вище метоаналізі розчинів - на рівні кількох десятків мг/л. диці для рентгенівської флюоресценції, за винятПротягом 30-120хв. через проточну комірку 29 ком того, що найбільш придатним джерелом збу(Фіг.8), у яку був занурений сенсор 30, за допомоджувального випромінювання є УФ-лазер, а гою помпи 32 пропускали аналізований розчин з реєструючим приладом - люмінесцентний спектпосудини 31. Після зазначеної обробки проводили ральний аналізатор. Межа виявлення визначуваодержання відповідних спектрів на рентгенофлюних компонентів (органічних або біологічно активоресцентному приладі «Фокус» [14]. Для десорбції них речовин) при використанні зазначених накопичених елементів і відновлення сенсора для сенсорів зменшується пропорційно коефіцієнту використання в наступних аналізах сенсор занунакопичення на відповідних сорбентах, описаних у рювали нижнім торцем (із сорбентом) у 0,1Н розграфі 10 таблиці 4, а саме - в 102-104 разів. чин соляної кислоти й витримували в ньому протяФлюоресцентні сенсори, виконані з вигнутого гом 15хв. відрізка полікапілярної трубки, з рентгенопрозорим На Фіг.12-14 показані спектри рентгенівської або УФ-прозорим верхнім шаром 7 і внутрішнім флюоресценції, одержані на установці, схема якої рентгенопрозорим або УФ-прозорим шаром 8 орнаведена на Фіг.8, з використанням сенсорів, вигоганічної речовини, використовуються в складі анатовлених з прямих відрізків полікапілярних трубок літичного приладу, показаного на Фіг.10. висотою 10см з використанням як шару органічної Флюоресцентні сенсори, виконані з відрізка речовини шару парафіну (Фіг.12 і Фіг.14) та гексану полікапілярної трубки у вигляді таблетки, з УФ(Фіг.13) для таких варіантів виконання сенсора: прозорим верхнім шаром 2 і внутрішнім УФ- на Фіг.12 - сенсори виконані зі свинцевого прозорим шаром органічної речовини 3, викорисскла, містять 400000 мікроканалів з діаметром товуються в складі аналітичного приладу, показаодиничного мікроканалу 20мкм і товщиною стінок ного на Фіг.11. між ними 2мкм, у кожному з яких поміщена мікрогАналіз проточних розчинів, що містять визнаранула розміром 16мкм із сильнокислотного катіочувані компоненти, зокрема, кольорові та важкі ніту КУ-2 на основі стиролу та дивінілбензолу із метали, а також люмінесцентно активні органічні й сульфоновими функціональними групами; біологічні речовини, проводиться за методиками, - на Фіг.13 - сенсори виконані зі свинцевого аналогічними описаним вище, за винятком того, скла, містять 1000000 мікроканалів з діаметром що, як показано на зазначених фігурах, збуджуваодиничного мікроканалу 10мкм і товщиною стінок льне рентгенівське випромінювання від джерела між ними 1мкм, у кожному з каналів поміщена мік34 подається з боку торця, не зануреного в аналірогранула розміром 8мкм із сильнокислотного казований розчин (Фіг.10), або за винятком того, що тіоніту КУ-2 на основі стиролу та дивінілбензолу із люмінесцентне випромінювання у видимій області сульфоновими функціональними групами; підводиться до датчика 40 за допомогою хвилево- на Фіг.14 - сенсори виконані з безсвинцевого ду 44 (Фіг.11). скла, містять 1000000 мікроканалів з діаметром Межа виявлення визначуваних компонентів одиничного мікроканалу 10мкм, у кожному з канапри використанні сенсорів зменшується пропорлів поміщена мікрогранула розміром 8мкм зі слаційно коефіцієнту накопичення на відповідних сорбокислотного катіоніту КБ-4 на основі поліметилбентах, описаних у таблиці 4. Зокрема, межа виметакрилату з карбоксильними функціональними явлення металів знижується в 103-105 разів, а групами. органічних та біологічно активних речовин - в 102Концентрації визначуваних компонентів у про104 разів. мивній воді, знайдені в різні проміжки часу з викоФлюоресцентні сенсори, у різні мікроканали ристанням флюоресцентних сенсорів: на Фіг.12: яких поміщені різні сорбенти, а саме, флюоресцеFe - 30мкг/л; Сu - 90мкг/л; Ni - 60мкг/л; Μn нтні чипи, використовуються в складі аналітичних 200мкг/л; Co - 320мкг/л, Zn - 120мкг/л, сумарний приладів, схеми яких не відрізняються від показачас накопичення і аналізу - 30хв.; на Фіг.13, 14: Сu них на Фіг.8-11. Однак, датчик 35 на Фіг.8 і Фіг.10 є - 50мкг/л; Fe - 30мкг/л; Zn - 50мкг/л, сумарний час растровим (двокоординатним) рентгенівським датнакопичення і аналізу 120хв. чиком, а датчик 40 на Фіг.9 і Фіг.11 є двокоординаЯк видно із представлених спектрів, застосутним датчиком у видимій області (електронною вання флюоресцентних сенсорів за пропонованим фотокамерою). При використанні рентгенофлюовинаходом дозволяє впевнено визначати вміст ресцентного методу аналітичний результат для компонентів, в 1000 разів менший, ніж при прямокожної характеристичної смуги рентгенівської му аналітичному контролі без сенсорів, виводячи, флюоресценції визначуваного хімічного елемента таким чином, метод рентгенівської флюоресценції виводиться у вигляді тривимірної діаграми: інтенна рівень методів для моніторингу природних і сивність сигналу у залежності від координат (розстічних вод. ташування) мікрогранул сорбентів на торці сенсоФлюоресцентні сенсори, призначені для викора (чипа). ристання у видимій області люмінесценції, збуПри використанні люмінесценції у видимій обджуваної ультрафіолетовим випромінюванням, що ласті аналітичний результат для кожної довжини 21 76841 22 хвилі люмінесценції визначуваної органічної або С.563-584. біологічної сполуки, що містить люмінофор, або 6. S.Ampuero, J.O.Bosset, The electronic nose кожної довжини хвилі висвічування люмінофора, applied to dairy products: a review // Sensors and що міститься в сорбентах, характеристично зміActuators B: Chemical, 2003, V.94, P.1-12. щеної під дією визначуваного (сорбованого) неор7. SeitzW.R., Fiber optic sensors // Anal.Chem., ганічного або органічного компонента, виводиться 1984, V.86, No 1, P.16-25. у вигляді тривимірної діаграми: інтенсивність світ8. Патент Російської Федерації №2157385, опубл. лового сигналу в залежності від координат мікрог10.10.2000. ранул сорбентів на торці сенсора (чипа). 9. P.Zhang, T.Beck., W.Tan, Design a molecular Обробка результатів у зазначених випадках beacon with two dye molecules // Angewandte проводиться аналогічно процедурі, описаній в [10]. Chemie International Edition, 2001, V.40, P.402-405. Джерела інформації 10. Патент США №6023540, опубл. 08.02.2000. 1. Будников Г.К. Что такое химические сенсоры // 11. Патент Російської Федерації №2096353, опубл. Соросовский Образовательный Журнал, 1998, 20.11.97. №3, С.72-76. 12. Патент ФРН №4411330, опубл. 14.08.2003. 2. Fluorescent Chemosensors for Ion and Molecule 13. Патент Російської Федерації на корисну моRecognition, ACS Symp. Ser. / ed. A.W.Czamik // дель №31859, опубл. 27.08.2003. ACh Publ., Washington, DC, 1992, 225p. 14. A.S.Scherbakov, S.M.Cheremisin, V.V.Danichev, 3. Reviews: The Chipping Forecast // Nature V.S.Ozerov, Focus-1 X-Ray fluorescent spectrometer Genetics, 1999, V.21, P.1-60. // Proceed. SPIE, 2000, V.4155, P.131-137. 4. Gilbert W., DNA sequencing and gene structure / 15. В.А. Аркадьев, А.П. Коломийцев, М.А. Кумахов, Science, 1981, V.214, P.1305-1312. И.Ю. Пономарев, И.А. Ходеев, Ю.П. Чертов, И.М. 5. Барский В., Колчинский Α., Лысов Ю., МирзабеШахпаронов. Широкополосная рентгеновская опков А. Биологические микрочипы, содержащие тика с большой угловой апертурой // Успехи Физииммобилизованные в гидрогеле нуклеиновые кисческих Наук, март 1989г., том 157, вып. 3, стр.529лоты, белки и другие соединения: свойства и при537. ложения в геномике // Мол. Биология, 2002, Т.36, 16. Патент США №5192869, опубл. 09.03.93. 23 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 76841 Підписне 24 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601