Миниатюрная лаборатория на чипе для химического анализа жидкостей в режиме реального времени

В аналитической химии часто необходимо точно отслеживать изменение концентрации тех или иных веществ в ях во временной шкале секунд. Особенно в фармацевтической промышленности такие измерения должны быть чрезвычайно чувствительными и надежными.


В Техническом университете Вены был разработан датчик нового типа, который отлично подходит для этой задачи и уникальным образом сочетает в себе несколько важных преимуществ: благодаря специальной инфракрасной технологии он значительно более чувствителен, чем предыдущие стандартные устройства. Более того, его можно использовать для широкого диапазона концентраций молекул и он может работать непосредственно в жидкости. Это является следствием его химической стойкости и, таким образом, позволяет получать данные в режиме реального времени, т.е. за доли секунды. Эти результаты были опубликованы в научном журнале Связь с природой.

Разные молекулы поглощают разные длины волн

«Для измерения концентрации молекул мы используем излучение в среднем инфракрасном спектральном диапазоне», — говорит Борислав Хиньков, руководитель исследовательского проекта Института твердотельной электроники Венского технического университета. Это хорошо известный метод: молекулы поглощают определенные длины волн в среднем инфракрасном диапазоне, в то время как другие длины волн передаются без затухания. Таким образом, разные молекулы имеют свои очень специфические «инфракрасные отпечатки пальцев». Точно измеряя профиль силы поглощения в зависимости от длины волны, можно определить концентрацию конкретной молекулы в образце в любой момент времени.

Инфракрасная спектроскопия уже давно используется для обнаружения газов. Новым достижением команды TU Wien является реализация этой технологии на сенсорном е размером с кончик пальца, который специально подходит для измерения жидкости. Разработка такого датчика была как технологической, так и аналитической задачей, поскольку жидкости поглощают инфракрасное излучение намного сильнее, чем газы. Компактный датчик жидкости был разработан в сотрудничестве с Бенедиктом Шварцем из Института твердотельной электроники и изготовлен в Центре микро- и наноструктур, современном чистом помещении Технического университета Вены.

«Для измерения нам нужно всего несколько микролитров жидкости», — говорит Борислав Хиньков. «А датчик выдает данные в режиме реального времени — много раз в секунду. Таким образом, мы можем точно отслеживать изменение концентрации в режиме реального времени и измерять текущую стадию химической реакции в стакане. Это сильно отличается от других эталонных технологий, где нужно взять образец, проанализировать его и ждать результата до нескольких минут».

Сотрудничество между различными дисциплинами является ключевым

Это стало возможным благодаря сотрудничеству между кафедрами электротехники и химии Технического университета Вены: Институт твердотельной электроники имеет большой опыт в разработке и производстве так называемых квантовых каскадных лазеров и детекторов. Это крошечные устройства на основе полупроводников, которые могут излучать или обнаруживать инфракрасное лазерное излучение с точно определенной длиной волны на основе их микро- и наноструктуры.

Инфракрасное излучение, испускаемое таким лазером, проникает в жидкость на микрометровой шкале и затем измеряется детектором на том же чипе. Используя эти специально объединенные сверхкомпактные лазеры и детекторы, было создано чувствительное устройство, и его характеристики были проверены в первых измерениях для проверки концепции. Работа проводилась совместно с группой Бернхарда Лендла из Института химических технологий и аналитики.