a potravinářskou analýzu
Prudký rozvoj nových mikrotechnologií
polovodičů v posledních
desetiletích přinesl řadu poznatků
aplikovatelných i na jiné oblasti.
Například mikrolitografické techniky
umožňují vytváření velmi
jemných prostorových struktur
v různých materiálech - anorganických
i organických polymerech
nebo kovech. Jejich využití se tak
nabízí při vývoji tzv. mikrofluidních
čipů. Narozdíl od polovodičových
aplikací se však v mikrofluidních
čipech objevuje řada
možností pro transport kapalných
vzorků a detekci složek v kapalině
obsažených.
Protože naprostá většina vzorků
analyzovaných například v diagnostických
laboratořích existuje v kapalné
formě, zdá se, že dveře jsou v této
oblasti pro mikrofluidiku otevřené.
Praxe je však jiná. Až na některé
výjimky dnes diagnostické laboratoře
používají standardně zavedené
metody pro detekci různých chemických
komponent z tělních tekutin
(např. ELISA na mikrotitračních destičkách).
Důvody jsou jasné - typická
cena analýzy jednoho vzorku se
pohybuje pouze v řádu desítek korun
a metody jsou vysoce automatizované
a standardizované. Jakou šanci
má tedy neprobádaná mikrofluidika?
Odpověď musíme hledat v základní
vlastnosti mikrofluidních zařízení,
a to je malý charakteristický rozměr
kanálků, ve kterých jsou analyzované
vzorky transportovány a analyzovány.
Extrémně krátká transportní vzdálenost
vede v konečném důsledku ke
zkrácení doby analýzy z několika
hodin až na několik sekund. Uvedená
vlastnost může být klíčová například
u některých akutních stavů pacientů
(infarkt, sepse atd.). Mezi další výhody
patří například nízká spotřeba drahých
chemikálií, malá
zátěž pro pacienta při
odběru minimálního
množství vzorku nebo
hromadné stanovení
mnoha komponent.
Jednou z poměrně
rozvinutých oblastí
mikrofluidiky je analýza
genetické informace
na tzv. DNA čipech.
Z inženýrského hlediska
se jedná o heterogenní
aplikaci, kdy na
površích detekčních míst jsou umístěny
imobilizované molekuly s biochemickou
aktivitou, které specificky
váží DNA molekuly z přivedeného
kapalného vzorku. Detekce vzniklého
komplexu mezi imobilizovanou
molekulou DNA a DNA molekulou
ze vzorku je možná například
fluorescenčními technikami. Mezi
významné aplikace DNA čipů patří
například mapování genetické informace
u různých organismů nebo diagnostika
genetických poruch. DNA
čipy jsou již dnes komerčně dostupné.
Jejich cena však šplhá ke stovkám
až tisícům amerických dolarů. Méně
rozvinutou oblastí mikrofluidiky jsou
aplikace zaměřené na detekci proteinů.
Důvodem je mnohem vyšší variabilita
ve velikosti, prostorové struktuře
nebo chemických a fyzikálních
vlastnostech jednotlivých proteinů.
Téměř každý proteinový systém
vyžaduje individuální přístup.
V České republice se několik
výzkumných, vývojových i průmyslových
pracovišť zabývá studiem
a vývojem nových typů mikrofluidních
biosenzorů. Protože se jedná
o vysoce interdisciplinární výzkum,
není téměř možné, aby biosenzorová
aplikace vznikla na jednom pracovišti
bez spolupráce s odborníky v oblastech
organické chemie, biochemie,
chemického inženýrství, medicíny,
fyziky a dalších oborů. Jedno takové
unikátní uskupení vědeckých týmů
vzniklo díky vzdělávacímu projektu
s názvem "Senzory a biosenzory
pro biotechnologie, podpora rozvoje
biotechnologií a inovačního podnikání",
podporovaného Strukturálními
fondy EU. Konsorcium tvoří
Vysoká škola chemicko-technologická
v Praze (VŠCHT), Matematicko-
fyzikální fakulta Univerzity
Karlovy, Ústavy makromolekulární
chemie a radiotechniky a elektroniky
Akademie věd ČR, Ústav hematologie
a krevní transfúze, a dále tři
malé firmy - VIDIA, Safibra a InovaPro.
Cílem programu je mimo
jiné vytváření nových vzdělávacích
programů, zaměřených na zvýšení
kvalifikace klientů těchto programů
zejména v oboru biosenzorů. Díky
těsnému kontaktu jednotlivých vzdělávacích
a vědeckých týmů se rodí
nové vědecké projekty, které budou
mít za cíl vývoj mikrofluidních aplikací
dobře uplatnitelných v každodenní
diagnostické praxi.
Jedním ze členů vzdělávacího konsorcia
je Ústav chemického inženýrství
VŠCHT. Pracoviště má vynikající
tradici v teoretickém a experimentálním
výzkumu chemicky
reagujících systémů integrujících
s transportními procesy. V poslední
době se výzkumná skupina vedená
prof. Milošem Markem stále více
zaměřuje na oblast mikrofluidiky
a biosenzorových aplikací. Pracovišti
se dlouhodobě daří získávat
potřebné přístrojové vybavení
a finanční podporu z různých veřejných
i neveřejných zdrojů. V současné
době jsou na pracovišti vyvíjeny
a zdokonalovány různé techniky
výroby mikrofluidních struktur
- litografické techniky, mikroobrábění,
metody tepelného slinování
a formování polymerů nebo techniky
zalévání do forem. Uvedenými
technikami se podařilo zkonstruovat
celou řadu mikročipů pro různé aplikace.
Jednou ze zkoumaných aplikací
je uskutečnění imunoanalytického stanovení
vybraných proteinů ze vzorku
například některé tělní tekutiny. Celou
imunoanalytickou proceduru je teoreticky
možno uskutečnit v řádu nejvýše
několika minut. Cesta k vývoji
dobře fungujícího čipu je však obtížná
a vyžaduje řešení celé řady obtížných
kroků, tj. reprodukovatelné vyrobení
mikročipu, ukotvení aktivní vrstvy
v mikročipu, volba a optimalizace
imunoanalytické procedury, zvládnutí
elektrokinetického nebo tlakem řízeného
dávkování vzorků, optimalizace
fluorescenčního detekčního systému
aj. Postupně se daří jednotlivé problémy
řešit a je reálné, že výsledkem
výzkumu v nepříliš vzdálené budoucnosti
budou biosenzory, které budou
užitečné jak v diagnostice, tak i při
posuzování kvality a původu potravin.
MICHAL PŘIBYL, VŠCHT PRAHA
