Laboratorium z kontrolowanych mikrokropel

Nawet kilkadziesiąt tysięcy doświadczeń chemicznych i biochemicznych dziennie można przeprowadzić za pomocą układu mikroprzepływowego wielkości karty kredytowej, opracowanego w Instytucie Chemii Fizycznej PAN.

Urządzenie już przetestowano w badaniach nad skutecznością mieszanek antybiotyków.

Grupa naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, prowadzona przez dr. hab. Piotra Garsteckiego, skonstruowała układ mikroprzepływowy umożliwiający łączenie strumieni kropelek zawierających różne roztwory. Nowy układ pozwala na wytwarzanie i precyzyjne kontrolowanie stężeń mikromieszanin reakcyjnych, działa przy tym kilkukrotnie szybciej i operuje na mniejszych objętościach płynów niż obecnie popularna w laboratoriach metoda macierzy dołkowych. "Opracowane przez nas urządzenie pozwoli przeprowadzić w ciągu jednego dnia nawet kilkadziesiąt tysięcy doświadczeń biochemicznych" - mówi dr hab. Garstecki. Mikrolaboratorium może w znaczący sposób wpłynąć na sposób prowadzenia doświadczeń przy syntezie chemicznej oraz w diagnostyce medycznej i biotechnologiach.

Skonstruowany w IChF PAN układ mikroprzepływowy jest miniaturowym reaktorem chemicznym rozmiarów karty kredytowej. Reakcje zachodzą we wnętrzach drobnych kropel, przesuwających się wzdłuż odpowiednio zaprojektowanych kanalików. Objętości kropel są kontrolowane za pomocą komputera i zazwyczaj wynoszą ok. jednego mikrolitra. Układ jest w stanie pracować z szybkością pozwalającą na mieszanie do trzech kropel na sekundę. Dodatkowo zamiast trudnych w realizacji mikrozaworów, naukowcy wykorzystali typowe, tanie i duże zawory, które umieścili poza urządzeniem. "Miniaturyzacja wszystkiego po prostu się nie opłaca. Dzięki zewnętrznym zaworom płytkę z układem kanalików będzie można w przyszłości produkować za niewielkie pieniądze i wymieniać przy rozpoczynaniu każdej kolejnej serii doświadczeń. Najważniejsze, że same reakcje chemiczne zachodzą w mikroskali, w precyzyjnie kontrolowanych warunkach" - wyjaśnia doktorant Krzysztof Churski.

Techniki mikroprzepływowe są postrzegane jako przyszłość chemii inżynierii chemicznej. Ich rodowód sięga lat 90., kiedy to rozpoczęto prace nad pierwszymi układami kanalików o średnicach dziesiątych lub setnych części milimetra, przez które przepuszczano płyny z odczynnikami chemicznymi. Przy małych objętościach przepływ jest laminarny i rządzą nim efekty związane z lepkością, co ułatwia kontrolowanie przebiegu reakcji (przepływy makroskalowe często są zdominowane przez bezwładność i turbulencje). Układy wytwarzające kropelki są proste i tanie, substancje w mikrokanalikach doskonale się mieszają, a ich przepływ zazwyczaj jest wymuszany różnicą ciśnień, czyli zjawiskiem fizycznym niewpływającym na skład chemiczny płynu (w przeciwieństwie do np. przepływów zachodzących pod wpływem pola elektrycznego). W przyszłości objętości kropel będzie można zredukować do nanolitrów lub nawet pikolitrów. W zgodnej opinii wielu naukowców, układy mikroprzepływowe zmienią oblicze współczesnej chemii z równie wielką siłą, z jaką układy scalone przekształciły elektronikę w latach 70. ubiegłego wieku.

[informacje prasowe Instytutu Chemii Fizycznej PAN, via Science Daily]

Więcej o: