Miniaturiseret lab-on-a-chip til kemisk analyse af væsker i realtid

I analytisk kemi er det ofte nødvendigt nøjagtigt at overvåge koncentrationsændringen af ​​visse stoffer i væsker på en tidsskala på sekunder. Især i den farmaceutiske industri skal sådanne målinger være ekstremt følsomme og pålidelige.

Der er udviklet en ny type sensor på TU Wien, som er særdeles velegnet til denne opgave og kombinerer flere vigtige fordele på en unik måde:baseret på skræddersyet infrarød teknologi er den væsentligt mere følsom end tidligere standardenheder. Desuden kan den bruges til en bred vifte af molekylekoncentrationer, og den kan fungere direkte i væsken. Dette er konsekvensen af ​​dens kemiske robusthed og leverer således data i realtid, altså inden for brøkdele af et sekund. Disse resultater er nu blevet offentliggjort i Nature Communications .

Forskellige molekyler absorberer forskellige bølgelængder

"For at måle koncentrationen af ​​molekyler bruger vi stråling i det mellem-infrarøde spektralområde," siger Borislav Hinkov, leder af forskningsprojektet fra Institut for Solid State Electronics ved TU Wien. Dette er en velkendt teknik:molekyler absorberer specifikke bølgelængder i det mellem-infrarøde område, mens andre bølgelængder transmitteres uden dæmpning. Forskellige molekyler har således deres helt specifikke "infrarøde fingeraftryk". Ved nøjagtigt at måle den bølgelængdeafhængige absorptionsstyrkeprofil er det muligt at bestemme koncentrationen af ​​et bestemt molekyle i prøven på ethvert givet tidspunkt.

Infrarød spektroskopi har rutinemæssigt været brugt i gassensing i lang tid. Den nye præstation for holdet på TU Wien er implementeringen af ​​denne teknologi på en sensorchip i fingerspidsstørrelse, som er specielt velegnet til væskeregistrering. At udvikle en sådan sensor var en teknologisk såvel som en analytisk udfordring, fordi væsker absorberer infrarød stråling meget stærkere end gasser. Den kompakte væskesensor blev realiseret i samarbejde med Benedikt Schwarz fra Institute of Solid State Electronics og fremstillet i Center for Mikro- og Nanostrukturer, TU Wiens avancerede renrum.

"Vi mangler kun et par mikroliter væske til en måling," siger Borislav Hinkov. "Og sensoren leverer data i realtid - mange gange i sekundet. Således kan vi præcist overvåge en ændring i koncentrationen i realtid og måle det aktuelle stadie af en kemisk reaktion i bægeret. Dette er i stærk kontrast til andre referenceteknologier , hvor du skal tage en prøve, analysere den og vente op til minutter på resultatet."

Samarbejde mellem forskellige discipliner er nøglen

Dette blev muliggjort af et samarbejde mellem afdelingerne for elektroteknik og kemi på TU Wien:Institute of Solid State Electronics har stor erfaring i design og fremstilling af såkaldte kvantekaskadelasere og detektorer. De er små halvlederbaserede enheder, der kan udsende eller detektere infrarød laserstråling med en præcist defineret bølgelængde baseret på deres mikro- og nanostruktur.

Den infrarøde stråling, der udsendes af en sådan laser, trænger ind i væsken på mikrometer-længdeskalaen og måles derefter af detektoren på den samme chip. Ved at bruge disse specielt kombinerede ultrakompakte lasere og detektorer blev en sensorenhed realiseret, og dens ydeevne blev testet i første proof-of-concept-målinger. Arbejdet blev udført i samarbejde med gruppen af ​​Bernhard Lendl fra Institute for Chemical Technologies and Analytics.

Eksperimentel demonstration:et protein ændrer sin struktur

For at demonstrere ydeevnen af ​​den nye mellem-infrarøde sensor, blev en reaktion fra biokemi udvalgt:Et kendt modelprotein blev opvarmet og ændrede derved dets geometriske struktur. Til at begynde med har proteinet form af en spirallignende spiral, men ved højere temperaturer folder det sig ud til en flad struktur. Denne geometriske ændring ændrer også det særlige mellem-infrarøde fingeraftryksabsorptionsspektrum for proteinet. "Vi valgte to passende bølgelængder og fremstillede passende kvante-kaskade-baserede sensorer, som vi integrerede på en enkelt chip," siger Borislav Hinkov. "Og det viser sig faktisk:du kan bruge denne sensor til at observere den såkaldte denaturering af det valgte modelprotein med høj følsomhed og i realtid."

Teknologien er ekstremt fleksibel. Det er muligt at justere de nødvendige bølgelængder efter behov for at studere forskellige molekyler. Det er også muligt at tilføje yderligere kvantekaskadesensorer på den samme chip for at måle forskellige bølgelængder og dermed skelne koncentrationen af ​​forskellige molekyler samtidigt. "Dette åbner et nyt felt inden for analytisk kemi:Mid-infrarød spektroskopi i realtid af væsker," siger Borislav Hinkov.

De mulige anvendelser er ekstremt forskellige - de spænder fra observation af termisk inducerede strukturelle ændringer af proteiner og lignende strukturelle ændringer i andre molekyler, til realtidsanalyse af kemiske reaktioner, for eksempel i farmaceutisk lægemiddelproduktion eller i industrielle fremstillingsprocesser. Uanset hvor der er behov for at overvåge dynamikken i kemiske reaktioner i væsker, kan denne nye teknik medføre vigtige fordele. + Udforsk yderligere

Kvantesnifferhunden