A modern analitikai laboratóriumok műszerezettségi fejlett-ségét és fejlődését látva és figyelve meglepően hat, hogy ezen la-boratóriumokban főleg az elemzendő, feldolgozandó minták elő-készítéséhez és folyadékok kezeléséhez használt üveg- és mérő-edények formája, térfogata és jellege a 20. század második feléigszámított 200 év alatt alig változott az analitikai oldatkezeléseksorán, mint az az 1. ábrán bemutatott klasszikus analitikai tan-könyv címoldalán és egy mai laboratóriumi üvegárut forgalmazócég katalógusából vett példán látható.

A 20. század közepére az analitikai kémia fejlődése vezetettoda, hogy a fentebb felsorolt területeken százmilliós, sőt milliár-dos nagyságrendre terjedt a világszerte analizálandó minták szá-ma. A nagyságrend érzékeléséhez példaként gondoljunk csak avilágszerte és naponta elvégzett és az orvosi diagnosztikában nél-külözhetetlen klinikai analitikai laboratóriumi (vér, vizelet) vizs-gálatokra és a minőség-ellenőrzés, környezetvédelem, mezőgaz-daság stb. által támasztott hasonló kívánalmakra.

E helyzet hozta létre az egyre sokasodó analitikai oldatok ke-zelése nyomán óhatatlanul felmerült olyan igényeket, mint:

– a minták feldolgozásánál használt vegyszerek, reagensek tér-fogatának és a laboratóriumi berendezések helyigényénekcsökkentése;

– az elemzések gyorsítása, azok számának növelése; – az elemzések automatizálása.Az említett igények kielégítésére vezették be például az oldat-

kezelő eszközök miniatürizálását, és az ezzel együtt járó sorozat-analitikai és analitikai folyamatos, automatizált méréseket, elem-zéseket. Ez a terület hatalmassá nőtt és átfogó bemutatására ehelyütt lehetetlen lenne igényt tartani. Jelen dolgozat csak azo-kat a lépéseket kísérli meg vázolni, amelyek a címben említett te-rület kialakulásához vezettek.

Első lépés a miniatürizálás felé vezető úton Az egyedi minták feldolgozásától a sorozatos mintaelemzésig

Az analitikai sorozatelemzések (array) és az eszközök méret-csökkentése felé tett első lépés hazánkhoz és egy magyar kutatónevéhez és találmányához köthető.

Takátsy Gyula inframikrobiológus, influenzakutató 1951-ben a

Bevezetés

Számos alapvető mű bizonyítja meggyőzően, hogy az analitikaikémia empirikus módszertanból elismert és fontos tudománnyáfejlődött (itt csak néhány munkát említenénk [1–3]).

A 19. század elejétől az analitikai kémia tárgyát elsősorbanolyan kémiai reakciókra alapozták, amelyek az elemek, funk-ciós csoportok és később molekulák azonosítására és kvantitatívmeghatározására vonatkoztak. Később kezdett az érdeklődés akémiai jelátalakítások felé fordulni, hogy elektromos, mágnesesvagy optikai jelekben tükrözhessék a kémiai összetételt; valamintaz olyan stratégiák felé, amelyek komplexkémiai összetételek el-választására alkalmazhatók. Mindez elvezetett a műszeres anali-tika [4] kialakulásához, ami már alkalmassá vált a kémiai min-ták jelentős komplexitású és érzékenységű mérésére és ellenőr-zésére, valamint utat nyitott és nélkülözhetetlenné vált a kémia,ipar, környezet, klinikai diagnosztika, minőség-ellenőrzés min-den területén.

330 MAGYAR KÉMIKUSOK LAPJA

Braun Tibor ELTE Kémiai Intézet

Miniatürizálás és automatizálásaz analitikai kémiábanLépések a kémcsőtől az integrált mikrofluidikai laborkártyáig vezető úton

1. ábra. Analitikai kémiai térfogatmérő edények és eszközök idő-beli változatlansága

VEGYIPAR ÉS KÉMIATUDOMÁNY

Kísérletes Orvostudomány című hazai folyóiratban cikket publi-kált „Új módszer sorozatos hígítások gyors és pontos elvégzésé-re” címmel [5]. A módszer lényegében az influenzavírus-teszt so-rán kémcsövekben addig elvégzett hígításos szerológiai titrálás-nak [6] nevezett eljárásta kívánta egyszerűsíteni és gyorsítani az-által, hogy téglalap alakú plexiüveg lapon 12 sorban fúrt 96 mé-lyedéssorozattal (üreges mikrolappal) helyettesítette az addighasznált egyedi kémcsöveket, és a hígítást pipettázás helyett pla-tinadrótból gömbölyűre kialakított „spirálkacsokkal” végezte (2.ábra). Ha a kacsokat folyadékba mártották, a folyadék megtöl-tötte őket, és a felületi feszültség a felvett folyadékot a kacsbanakkor is megtartotta, ha azt a folyadékból kiemelték. Említett

dolgozatában Takátsy az üreges mikrolapok alkalmazásával meg-valósította a minták térfogatának körülbelül egy nagyságrendicsökkentését, valamint elsőnek a világon eszközt talált fel és ja-vasolt analitikai sorozatminták párhuzamos gyors feldolgozásá-hoz.

Takátsy valószínűleg tudatában volt találmánya forradalmijellegének és a klinikai analitikai és más laboratóriumi mérésekfejlődésére hatást gyakorolható korszakalkotó jelentőségének.Azonban az akkori időkben (1950-es évek) a hazai tudományoskutatás eredményeinek külföldön és idegen nyelven való publi-kálási tilalma miatt cikkét más nyelven nem publikálhatta.

Cikkével egy időben Takátsy az akkori Országos TalálmányiHivatalnál szabadalmi igényt is bejelentett. Azt azonban a Hiva-tal 1951. évi június 14-i döntésében a népgazdaság szempontjábóltekintett kis jelentőségre hivatkozva visszautasította. Az eljárástés az arra alapozott készletet, a Takátsy-féle mikrotitrátort (2.ábra) az 1960-as évek második felében az esztergomi Labor Mű-

szeripari Művek gyártani, és itthon, valamint a Metrimpex Kül-kereskedelmi Vállalattal együttműködve külföldön is forgalmaz-ni kezdte. Jelen írás szerzője, a Metrimpex Külkereskedelmi Vál-lalat felkérésére, más laboratóriumi műszerekkel együtt többnagy műszeripari nemzetközi kiállításon (Párizs, Bázel, Frank-furt/M) a külföldi érdeklődőknek használatban is bemutatta amikrotitrátort. Takátsy Gyula, többszöri újabb elutasítás után, amikrotitrátorra 1963. május 7-én szabadalmi oltalmat kapott,azonban annak más országokra való kiterjesztését, illetve érvé-nyesítését a Labor Műszeripari Művek hanyag kezelés, illetve odanem figyelés miatt elmulasztotta. Ezáltal a mikrotitrátor elve ésmaga a műszer külföldi (nyugati) országok műszergyártóinakszabad koppintási prédájává vált [7].

Közvetlen következményként az Egyesült Államokban 1962-ben az „Application of a Microtechnique to Viral Serological In-vestigations” [8] című cikkében a szerző jelentéktelen módosí-tással sajátjaként írta le a mikrotitrátor elvét. A cikk összefogla-lója például a következő mondattal kezdődik: „A microtechnique(modified Takátsy) is described which can be applied to comple-ment fixation, hemagglutation, hemagglutination, inhibition andmetabolic inhibition tests.” A Takátsy-féle gondolat és megvaló-sítás alapján világszerte számos cég kezdte el gyártani a kém-csöveket helyettesítő, különböző számú és űrtartalmú üregekkelellátott titrálási műanyag mikrolapokat (2.f,h,g ábra), és gyárt-ja milliószámra ma is. Ezek használata nem csak a klinikai soro-zatanalitikát [9] forradalmasította. A kacsokat azóta teljes mér-tékben helyettesítették az automata pipetták és pipettázóberen-dezések (2.e, 3. ábra). Az elsőként Takátsy által feltalált üregesmikrolapokat azonban mindmáig használják a világban.

Az 1950-es évek hazai patológiás környezeti publikálási tilal-mai meggátolták Takátsyt, hogy eredményeit megfelelően publi-kálja és szabadalmaztassa, a szabadalmaztatási hátrányából kül-földi műszergyártó cégek gazdagodtak meg. Jelentős késésselugyan, Takátsy üreges mikrolapok feltalálására vonatkozó prio-ritása és tudományos érdemei teljes elismerést kaptak, és mamár a klinikai analitikai laboratóriumi titrálás és az analitikaimikrolapok alkalmazása klasszikusának tekintik [10–11]. A mik-rolapok kezeléséhez (pipettázás, leolvasás, tisztítás) számos be-rendezést gyártanak és forgalmaznak ma is világszerte. Példa-képpen a 3. ábrán a BIOTEK cég készüléke látható.

1990-ben világszerte több mint 15 vállalat gyártotta nagy soro-zatban a titrálási mikrolapokat, és akkori értékelések szerint csak2000-ben 125 millió lapot használtak analitikai célokra [7].

A fentebb ismertetetteket nemcsak azért tekintjük figyelemreméltónak, mert a Takátsy-féle titrálási mikrolapok jelentették az

LXVII. ÉVFOLYAM 11. SZÁM � 2012. NOVEMBER 331

2. ábra. Mikrotitrálás és titrálási mikrolapok. a) Egyedi kémcső-sorozat. b) Takátsy-féle mikrotitrátor és eszközei. c) Takátsy-félespirálkacsok. d) Sorozathígításos mikrotitrálás kacsokkal és furatos (mélyedéses) mikrotitráló lappal. e) A 90-es évekbenkifejlesztett, a kacsokat később helyettesítő automata mikro-pipetta. f) Színes titrálási mikrolapok. g) A 90-es években kifejlesztett 384 és 1536 üregű mikrotitráló lapok (mikroliteresfolyadéktérfogatokhoz). h) Titrálási mikrolapsorozat

a

b

c

df

g

h

e

3. ábra. A Takátsy-féle mikrolapok kezelésére (pipettázás,titrálás, tisztítás) épített automata berendezések egyike

Takátsy-félemikrolap

VEGYIPAR ÉS KÉMIATUDOMÁNY

spirálból és analitikai detektorból állt. Az alapvető elképzelés sze-rint az ábrán sárgával jelzett áramló, úgynevezett vivő, vagy szál-lító folyadékáramba oldalról beáramoltatott levegőbuborékokszakították a folyadékáramot folyadékdugókká. A folyadékdu-gókhoz szintén oldalról, áramlással adagolt elemzendő minták ésreagensek a spirálcsőben áramló folyadékdugóban keveredtek,majd folyamatos továbbáramoltatással végül a fotometriás de-tektorba értek. Itt lezajlott a mérés, és a berendezéshez kapcsoltregisztrálóban megjelentek az eredmények.

1957-ben publikált cikkében [15] és azzal egyidejűleg bejelen-tett szabadalmában Skeggs a folyamatos áramlásos analitikakoncepciójának kidolgozásával megnyitotta a sokmintás gyorsfolyamatos analitikai mérések felé vezető utat.

Érdemes megjegyezni, hogy első látásra a kortársak annyiranem ismerték fel Skeggs ötletének a jelentőségét, hogy az 1957-es cikk közlését a Journal of Clinical Chemistry visszautasította,és végül csak jelentős átírás után fogadta el közlésre. Sőt, Skeggshiába ajánlotta fel szabadalmaztatott találmányát gyártásra vi-lághírű műszergyártó cégeknek (például Beckman, Hewlett-Pa-ckard), próbálkozásai eredménytelenek maradtak. A cikk vissza-utasítása, majd későbbi elfogadása körüli bonyodalmakat Skeggsegy 1978-ban publikált dolgozatban [16] írta le. Végül egy alig 12személyt foglalkoztató, egyesült államokbeli kis cég, a Techniconráérzett a folyamatos elemzés elvének jelentőségére és a bennerejlő műszerfejlesztési lehetőségekre: 1969-ben megépítette és for-galmazni kezdte az AutoAnalyzer elnevezésű berendezést. A ké-szülék és különböző változatai világsikerré váltak, és milliárd dol-láros profitot hoztak a gyártóknak.

Harmadik lépés a miniatürizálás felé vezető útonÁramlásos befecskendezéses analízis (Flow Injection Analysis)

A FIA fölfedezéséről Stewart 1981-ben publikált dolgozatára [17]és véleményére hivatkozhatunk. „1970-ben Nagy, Fehér és Pungorbeszámolt grafitelektródok alkalmazásáról folyamatosan áram-ló folyadékmintákba befecskendezett voltammetriás méréséről.Ez az általam talált legkorábbi olyan beszámoló, ami ma áram-lásos befecskendezéses analízisnek (FIA) lenne nevezhető.” Ezt aFIA kezdeteire vonatkozó állítást hasznosan egészítheti ki Mar-goshes [18] 1982-ben közzétett álláspontja, miszerint: „Ruzicka ésHansen dániai csoportja említhető elsődlegesen, ha a szegmen-tálatlan folyamatos áramlásos eljárások gyakorló analitikai ké-mikusok általi elfogadtatásáról beszélünk, valamint stimuláló voltérdeklődésük a minták áramló folyadékba való befecskendezésé-nek elméleti és gyakorlati vonatkozásai iránt. De nem hagyhatókfigyelmen kívül olyan, a szegmentálatlan folyamatos áramlásosrendszerekre vonatkozó úttörő munkák, mint például Pungor ésmunkatársaié. Ezek a korai hatvanas, illetve hetvenes években el-ért eredmények elektrokémiai szenzorok teljesítményének érté-kelésére vonatkoztak szegmentálatlan folyamatos áramlásokban.”A FIA felfedezéséről hasznos szempontokat ismertet jelen szer-ző egy 1984-ben publikált dolgozata is [19].

A FIA estében a különbség az, hogy míg a CFA-ban a folyadékfőáramát levegődugókkal szakítják meg, addig a FIA-nál egy vi-vőfolyadék-főáramba fecskendezik a folyadékmintákat (5. ábra).Az alapberendezés is csak annyiban különbözik a Skeggs-félétől(4. ábra), hogy a minta befecskendezését befecskendezőcsap (5.ábra) látja el.

A FIA esetében a folyadék-főáramba fecskendezett mintafo-

analitikai kémiát forradalmasító sorozatméréses miniatürizáláselső lépését, hanem azért is, mert fényt vethettek a hazai tudo-mányos eredmények publikálásának és szabadalmaztatásánakpatológiás viszonyaira a múlt évszázad ötvenes éveiben. A titrá-lási mikrolemezek gyártásából és forgalmazásából mindmáig vi-lágszerte sokan gazdagodtak meg. Az 1914-ben született és 1980-ban elhunyt Takátsy Gyula, sajnos, nem tartozott közéjük.

Végezetül megemlítjük, hogy egy 2010-ben publikált összefog-laló cikkben [13] „Analytical Ancestry: Evolution of the Array inAnalysis” (Analitikai eredet: a sorozatmérés fejlődése az analiti-kában) címmel hangsúlyozzák az analitikai sorozatvizsgálatimikroeszközök, beleértve az üreges mikrolapok mindmáig tartójelentőségét.

Második lépés a miniatürizálás felé vezető útonFolyamatos áramlásos analízis (Continuous FlowAnalysis, CFA)

Leonard Skeggs egyesült államokbeli vegyész a múlt évszázad öt-venes éveiben egy clevelandi kórház klinikai kémiai laboratóriu-mában dolgozott, ahol naponta több száz vizelet- és vérmintátelemeztek.

Miután látta a négy technikusa által felhasznált jelentős rea-gensmennyiséget és azt a hosszú időt, amit a minták egyedielemzésére fordítottak, felmerült benne, hogy az egyedi, illetvesorozatos elemzésekkel szemben találni kellene valamilyen anali-tikai eljárást, ami a sok mintasorozat szekvenciális sorozatelem-zését folyamatossá tenné. Nem a klinikai laboratóriumban, aholdolgozott, hanem a háza pincéjében kialakított kis laborhelyi-ségben kísérletezte ki azt az eljárást, ami folyadékminták rugal-mas gumi-, vagy műanyag csövekben perisztaltikus pumpávalvaló folyamatos áramoltatásán alapult, és ami később a Continu-ous Flow Analysis (CFA) (folyamatos áramlásos analízis) elneve-zést kaptab. A CFA-ról publikált 1981-es összefoglaló dolgozatában[14] Motolla azt hangsúlyozta, hogy a folyamatos áramlásos ana-lízis gondolatával Skeggs olyasmire jött rá, ami előtte senkinekeszébe nem jutott, és annak alapján egy önműködő analitikai be-rendezést hozott létre. Ez a berendezés, amint a 4. ábrán látha-tó séma mutatja, mintaadagolóból, perisztaltikus pumpából, kü-lönböző vastagságú műanyag csövekből, áramlásmérőből, cső-

332 MAGYAR KÉMIKUSOK LAPJA

Minta Reagens Keverés

Áramlás

Idő DetektorRegisztráló

%

%

L

M

P

BL

D

R

R

S

4. ábra. A Skeggs-féle folyamatos CFA analizátor alaprajza [18]az egyedi mintafeldolgozással szembesítve (fent), L: levegő, R: reagens. Levegőbuborékokkal elválasztott folyadékminták a csőben (lent)

VEGYIPAR ÉS KÉMIATUDOMÁNY

lyadék áramlásában a detektor irányában két, lényegében kine-tikai folyamat egyidejűleg jön létre: a minta fizikai diszperziójaés a minta és reagens-főáram közötti kémiai reakció. Ezen folya-matok egyike sem éri el az egyensúlyt, de az áramlás sebességé-nek ellenőrzésével a diszperzió olyan pontosan ellenőrizhető,hogy a minta és sztenderd minták párhuzamos feldolgozásával adetektálás során a minta koncentrációja reprodukálhatóan ki-számítható.

Ruzicka és Hansen a folyadékbefecskendezés alapján számosberendezést dolgozott ki és szabadalmaztatott a FIA alkalmazá-sára, és ezeket először a dán Tecator cég, majd világszerte számosmás cég is gyártani kezdte. Néhány továbbfejlesztett, és különbö-ző analitikai mérésre alkalmas változatot az 5. ábra mutat be.

A CFA-elv alapján gyár-tott, sok mintát elemző au-tomatikus berendezések je-lentős konkurenciára talál-tak a FIA alapján gyártot-takban, sőt a világméretűvetélkedés a két elv alapjánvégzett kutatási eredménye-ket leíró publikációk számá-nak időbeni alakulásában ismegmutatkozott, amint a 6.ábra mutatja.

Az ábrán látható, hogy aFIA különböző alkalmazá-

sait leíró cikkek száma 1974-től kezdődően folyamatosan növe-kedett, és a múlt század nyolcvanas éveinek elejére utolérte aCFA-alkalmazásokat leíró cikkek számát [20].

Mikrofluidikai miniatürizálás

Mindennapi életünkben számos törekvést figyelhetünk meg,amely célja minél kisebb, egyszerűbb, okosabb készülékek, be-rendezések kialakítása. Talán a legnyilvánvalóbb és legmeggyő-zőbb példákként a mobiltelefonokat, számítógépeket, másolóbe-rendezéseket, nyomtatókat és más informatikai készülékeket em-líthetnénk.

A fentebb vázolt lépésekhez idomulva az analitikai kémiai fo-lyamatok mikrofluidikai miniatürizálása a 21. század elejére azanalitikai kutatás egyik jelentős trendjévé vált (7. ábra). Az áb-ra bemutatja a mikrofluidikával foglalkozó folyóiratcikkek és azazokra vonatkozó idézetek számának növekedését 2000 és 2010között. A növekedés rakétasebességűnek tekinthető. Ez a trendszámos területet foglal magában, például olyanokat, ahol mikro-gyártásosc (microfabricated) szerkezeteket kutatnak egészen azolyanokig, amik ezek specifikus analitikai alkalmazásait tartjákszem előtt. A mikrogyártás [21] olyan szilárd lapkák, kártyák(chipek) tisztakörnyezeti (cleanroom) előállítása, amelyekbe fo-

tolitográfiával, közvetlen lézeres litográfiával, nedves maratással,filmpárologtatással csatornákat vésnek. Ezt a technikát eredeti-leg a nyomtatott áramkörök előállítására a mikroelektronikai iparalkalmazta.

A műszeripar gyors és korai reagálása, illetve részvétele előre-vetítette egy a miniatürizált analitikai rendszerek gyártására sza-kosodott új ipari szektor létrejöttét, ezáltal jelentősen erősítetteezt a fejlődési trendet.

A mikrofluidika egyik legjelentősebb jellemzője az, hogy a fo-lyadékok kis átmérőjű csatornákban való áramlása során a felü-let/térfogat hányadosa arányosan nő a méret csökkenésével, ésez számos új analitikai lehetőséget nyújt, amint a továbbiakbanlátjuk majd.

A mikrofluidika a tudomány és a technológiai rendszerekolyan területe, amelyik kis folyadéktérfogatokd (10–9–10–10 liter)áramlásával, feldolgozásával és kezelésével foglalkozik tíztől többszáz mikrométer átmérőjű, a fenti eljárásokkal mikrolapkákbavésett, illetve préselt csatornákban. Mikrofluidikai berendezés-nek nevezhetünk minden olyat, amelyik legalább egy ilyen mére-tű csatornát használ. A jelentősen csökkentett folyadéktérfoga-tok, illetve azok mozgatási, áramoltatási tulajdonságai számosrendkívül hasznos lehetőséget kínálnak az analitikai kémiában,például elemzendő minták és reagensek nagyon kis térfogatainakáramoltatása, illetve az ezzel járó elválasztások és detektálásoknagy érzékenységű és felbontóképességű megvalósítása; alacsonyreagensfelhasználási költségek; gyors mérések és az eszközök cse-kély helyigénye. Mindehhez a mikrofluidika a rá jellemző két tu-lajdonságát veszi igénybe: a kis térfogatok áramoltatását és aszűk csatornákban létrejövő lamináris áramlást. Ezáltal alapve-tően új lehetőségeket teremt analitikai mérésekre és ellenőrzé-sekre.

Valószínűnek tűnik, hogy a mikrofluidika létrejöttét és meg-valósítását a legjelentősebb és legjellemzőbb módon – mint em-lítettük – a mikroelektronikának köszönheti. A legelső kutatá-sokban és mikrofluidikai alkalmazásokban a mikrocsatornák ki-alakítását szilícium- és üveglapkákon valósították meg. Azonbankiderült, hogy ezeket a lapkákat rendkívül eredményesen helyet-tesíthetik a műanyag lapkák. A mikrofluidikai kutatásokban ésfejlesztésekben szilícium- és üveglapkák helyett, illetve mellett a

LXVII. ÉVFOLYAM 11. SZÁM � 2012. NOVEMBER 333

5. ábra. A Ruzicka –Hansen-féle FIA berendezés [18]

6. ábra. A CFA és a FIA téma kutatásával foglalkozó folyóirat-cikkek számnak növekedése [20]

7. ábra. A mikro-fluidikával foglalkozó folyóiratcikkek és idézeteik számának exponenciális növekedése. Ki: kétszereződésiidő (az az időszak,ami alatt a cikkek és idézetek száma a két-szeresére nő).Adatok a [26] hivatkozásból

Hordozófolyadék

Pumpa

SpirálUV detektor

Lefolyó

Minta és befecskendező szelep

1. reagens

2. reagens

●

●

●

●

●

●●

●●●●

●●●

●●●

●●

●

●

●

●

FIA

CFA

a) b)

103

102

10

1

Cik

kek

kum

ulat

ív s

zám

a

Év1966 68 70 72 74 76 78 80 82

▼

▼

▼

▼

▼

▼

▼▼

▼▼

▼▼

19911992199319941995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010

Ki: 1,2 év

Folyóiratcikkek kumulatív száma

Idézetek kumulatív száma

1

10Év

100

1000

10 000

19911992199319941995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010

Ki: 1,0 év

1

10Év

100

1000

10 000

100 000

▼

▼

▼

▼▼

▼▼

▼▼

▼

VEGYIPAR ÉS KÉMIATUDOMÁNY

Ezért a mikrofluidikai lamináris áramlás elősegítésére háromkülönböző erő vehető igénybe: nyomás hatása, az elektroozmó-zis, a centrifugális erő alkalmazása.

Nyomással való működtetésre mikrofluidikai lapkáknál általá-ban külső vagy a lapkákba beépített pumpákat vesznek igénybe.Elektroozmotikus nyomás akkor jön létre, amikor egy poláros fo-lyadék érintkezik a szilárd lapkacsatorna felületével és elektro-mos tér hatása alá kerül. A poláris folyadékkal való érintkezésnéla csatorna fala elektromos töltést vesz fel. Ez elektromos töltés-átrendeződést hoz létre a folyadékban, azaz elektromosan ellen-tétesen töltött vékony ionréteget hoz létre a csatorna falán. Eztmerev rétegnek (stern layer) is nevezik. Ennek külsején vasta-gabb töltésréteg képződik, amit diffúz rétegnek nevezünk. Ez aréteg a merev réteg polaritásához hasonló töltéseket tartalmaz.A merev réteg ionjai rögzítettek, míg a diffúz rétegbeliek mobi-lisak. Amikor a csatornára elektromos erő hat, a diffúz réteg töl-tése folytán mobilissá válik. Például egy kvarclapkában kialakí-tott csatorna felülete a felületi hidroxilcsoportok jelenléte miattnegatív töltésű. Amikor ez a felület kapcsolatba kerül a folya-dékkal, az abban lévő pozitív ellenionok a felületre koncentrá-lódnak a negatív töltés ellensúlyozására. Ez diffúz réteget ered-ményez, amit az elektromos tér mozgásba hoz. A létrejövő egye-nes irányú áramlás profiljának sebessége a következő képlet sze-rinti [24]:

ν = ζεγE

,4πµ

ahol ν a folyadéktömeg sebessége, ζ a csatornafal zeta-poten-ciálja, εγ a folyadék dielektromos állandója, E a rá ható elektro-mos tér erőssége és µ a folyadék viszkozitása.

A centrifugális folyadékmozgatás korongszerűen kialakítottfluidikai lapkákon történik, erre a célra kialakított pörgetőbe-rendezésekkel. Erre egy későbbi dolgozatban térünk ki. A mik-rofluidikai lapkákat különböző formákban gyártják annak érde-kében, hogy analitikai mintafeldolgozásra és alkalmazásra meg-felelővé váljanak. Néhány ilyen lapkát mutat be a 9. ábra. Ezek-ben analitikai mintaoldatok, illetve reagensek áramoltatása, át-irányítása, ágaztatása, keverése, elválasztása stb. oldható meg. Amegfelelő eszközökkel ezek egymáshoz és külső berendezések-hez, például pumpákhoz, detektorokhoz csatlakoztathatók.

Integrálás, lab-on-a-chip rendszerek [25]

A múlt század ötvenes éveinek végén felfedezték az integráltnyomtatott áramköröket [26]. Az összes elektronikai komponenstegyetlen félvezetőre, eleinte germánium-, később szilíciumlap-kákra integrálták, s tranzisztorokból, ellenállásokból, kondenzá-torokból és megfelelő csatlakozóikból álló áramköröket hoztaklétre: ezáltal feleslegessé vált az alkatrészek kézi összeszerelése.Az integrált áramkörök építése által ihletve a múlt század ki-lencvenes éveiben a 9. ábrán bemutatott mikrofluidikai lapkák-ból, csatlakozókból, valamint külső pumpából és detektorokbólkialakuló integrált mikrofluidikai berendezések kialakításáraadódott lehetőség [27]. Ezeket a szakirodalomban a lab-on-a-chipnévvel jellemezték. Jelen szerző tudomása szerint ennek a kifeje-zésnek még nem alakult ki magyar nyelvű változata. Mivel a szószerinti fordítás meglehetősen nehézkes és félreérthető lenne, fel-merült a „laborlapka”, vagy a ma már mindennapi használatbanlévő, bankkártyákhoz hasonló és méretben is összevethető „la-borkártya” elnevezés. A továbbiakban az utóbbit használjuk.

poli(dimetiloziloxan)-ból (PDMS) készült lapkákat is bevezették.A PDMS például optikailag átlátszó, lágy elasztomer. Párhuza-mosan azonban más polimerek, például polikarbonátok, illetvepoliolefinek igénybevétele is folyt és folyik. Az a könnyedség,amivel az új és még újabb elképzeléseket a PDMS-sel ki lehetettpróbálni, és öntéssel, vagy préseléssel mikrofluidikához alkal-massá tenni, a PDMS-t a kutatások és technológiai megvalósítá-sok kulcsfontosságú anyagává tették a mikrofluidika fejlődésesorán. Azonban a mikroelektronikában alkalmazott technológi-ák a mikrofluidika fejlődésében az üveget, az acélt és a szilíciu-mot megtartották olyan specializált berendezések esetében, aholjelentős szerepet játszott a kémiai és termikus stabilitás.

Folyadékok áramlásának két formáját különböztethetjük megcsövekben, illetve csatornákban: a lamináris és a turbulens áram-lást. A lamináris áramlás esetében a fluidum valamely jellem-ző helyzetének sebessége állandó környezeti körülmények eseté-

ben nem lehet az idő véletlenfüggvénye.

Ennek következményekéntkonvektív anyagátadás csakaz áramlás irányában jöhetlétre. A Reynolds-szám a fo-lyadék tehetetlenségi és visz-kozitási erői hányadosánakarányát jelzi, és azt is, hogyegy áramlás lamináris-e. La-minárisnak mondjuk az áram-lást, ha a viszkozitási erők

uralják a folyadék áram-lását a csatornában. Ere-detileg a számot Os-borne Reynolds javasol-ta 1883-ben áramlásokjellegének a leírására[22]. A kis Reynolds-szám lamináris, vagy ré-teges áramlást jelez, az-az olyat, amiben a fo-lyadékáramok egymás-sal párhuzamosan áram-lanak, s csak konvektívés molekuláris diffúzió-val keverednek (8. áb-

ra). A nagy Reynolds-szám turbulens áramlásra jellemző, azazolyanra, aminél különböző folyadék-„csomagok” gyors keveredéstidéznek elő a csatornában. A lamináris és turbulens áramlás kö-zötti átmenet jellemzően Re = 2000 értéknél történik. A Rey-nolds-számot (Re) a következő képlet írja le:

Re = vζl/n,

ahol v a folyadék áramlásának átlagos sebessége a csatornában,ζ a folyadék fajsúlya és l a csatorna keresztmetszete [23]. Pél-dául víz áramlására egy 100 µm×100 µm méretű csatornában10 cm/s sebességgel körülbelül 10-es Reynolds-szám a jellemző.Ez az áramlás így messzemenően lamináris. Viszont egy 2×2mm-es csatornában 10 m/s sebességgel áramló víz Reynolds-szá-ma 20 000. Ugyancsak példaként említhető, hogy a diffúziósanyagátadás 100-szor gyorsabb, ha a rendszer 10-szer kisebb, pél-dául analitikai elválasztások esetében. Ugyanez érvényes a hőát-adásra is.

334 MAGYAR KÉMIKUSOK LAPJA

8. ábra. Diffúzióval detektált analitikaimérés lamináris áramlás során. A hordozó-, reagens- és mintaáramokpárhuzamosan haladnak a mikro-csatornában, látható – kolorimetriásanvagy fluorometriásan mérhető – kölcsönhatási zónákat képezve a hordozóáram két oldalán

Laminárisáramlásirány

Diffúzióskölcsönhatásizónák

Detektáló(hordozó)folyadékáram

Minta-folyadékáram

Referenciafolyadékáram

VEGYIPAR ÉS KÉMIATUDOMÁNY

A 9–11. ábra a fentiek szerint kialakított laborkártya-példá-kat mutat be. Mint látható, egyetlen, zsebben hordható kártyaszámos analitikai funkciót integrál, miniatürizált hagyományosanalitikai laboratóriumként is működhet és elláthat olyan fel-adatot, amikor nem a mintát viszik a laboratóriumba, hanem alaboratóriumot a mintavételi helyre. Ennek például a környezet-védelemben, nehezen megközelíthető és/vagy veszélyes ipari he-lyeken, beteg melletti, illetve kórházi vizsgálatok során van kü-lönleges jelentősége [28].

Fejlődés és jövőkép

A terület fejlődése a múlt század kilencvenes éveitől kezdődőenolyan rohamossá alakult, hogy 2001 óta az egyesült királyságbe-li Royal Society for Chemistry kiadásában egy Lab-on-a-Chip cí-mű folyóirat is megjelenik [29].

A laborkártya-kutatás további, főleg közeljövőbeli fejlődésénekelőrejelzésére talán érdemes megjegyezni: a szerző valószínűnektartja, hogy a jelentősen terjedő 3D nyomtatók lehetővé teszik,hogy a kutatók saját szükségleteiknek megfelelően nyomtassa-nak, illetve sajátkezűleg állítsanak elő, építsenek mikrofluidikailaborkártyákat [30, 31].

Végezetül röviden visszatérhetünk a címben jelzett kiindulásiponthoz, azaz a kémcsőhöz. Ugyanis a kémiai és az orvos-bioló-giai kutatások egyre intenzívebb szinergetikus átlapolása a mini-atürizálás terén is hangsúlyozni kívánja jelenlétét és igényeit.Ilyenek például a „living cells as test tubes” (élő sejtek mint kém-csövek), amelyeket a sejtfaltól elzárt edényekként vizsgálhatnak,és a bennük végbemenő vagy esetleg végbe vihető reakciókat istanulmányozhatják. És persze a rendkívüli kis folyadéktérfoga-tok analitikai felhasználási jövőjeként említhetők az olyan fej-lesztések, amelyeket az „analytical chemistry on the femtoliterscale” [32] (analitikai kémia a femtoliter tartományban) névvelillethetünke. Ez szorosan összefügg a még csak törekvésként, demár jelen lévő nanofluidikai nanokártyák (nano-chips) elgondo-lásaival [33]. ���

JEGYZETEKa Szerológiai titrálás: vérszérumban antigén, illetve antitest sorozatos, gyakran tíz lé-

pésben elvégzett hígítása az olyan, legnagyobb hígítás meghatározására, amely mégdetektálható antitestet tartalmaz. Ennek a hígításnak a reciprokát a szérum antitest-titerének nevezik.

b Ennek azért volt jelentősége, mert így a későbbi szabadalmi igényt nem a kórház tulajdonaként, hanem magántulajdonként jelenthette be, illetve kaphatta meg.

c Tudomásunk szerint az angol „microfabrication” kifejezésnek még nincs magyar fordítása. Jelen szerző még egyik hozzáférhető angol–magyar szótárban (beleértve aműszakiakat is) sem talált rá. Ezért itt a szó szerint fordított „mikrogyártás”-t hasz-náljuk.

d Bár a mikrofluidika területe minden fluidumra vonatkozik, jelen dolgozat csak a fo-lyadékok mikrofluidikájával foglalkozik.

e Az angol nyelvű szakirodalomban a miniatürizálásra a „down sizing” (leméretezés)kifejezést is használják.

IRODALOM[1] Szabadváry Ferenc, Az analitikai kémia módszereinek kialakulása, Akadémiai Ki-

adó, Budapest, 1960.[2] F. Szabadváry, History of Analytical Chemistry, Pergamon Press, Oxford, 1966. [3] H. A. Laitinen, G. W. Ewing, A History of Analytical Chemistry, American Chemical

Society, Division of Chemistry, 1977.[4] G. W. Ewing, Analytical Instrumentation Handbook, Marcel Dekker, Inc., New York,

1990.[5] Takátsy Gyula, Kísérletes Orvostudomány (1951) 2, 293. [6] http://medical.dictionary.thefreedctionary.com/titration [7] http://en.wikipedia.org/wiki/microtiter_plate [8] Roy Manns, History of Microplates, http://www.plastiquarian.com/index.php?id=

13&subid=179[9] J. L. Sever, J. of Immunology (1961) 88, 320. [10] H. Zähringer, Laborjournal, http://www.laborjournal.de[11] J. Burbaum, Chem. in Britain (1998) June, 38.

LXVII. ÉVFOLYAM 11. SZÁM � 2012. NOVEMBER 335

9. ábra. Kereskedelmileg forgalmazott analitikai alkalmazásúmikrofluidikai lapkák és csatlakozók [31]

10. ábra. Influenza kimutatására alkalmas integrált mikrofluidikailaborkártya [28]

11. ábra. DNS hibridizálási vizsgálatokra alkalmas laborkártya és berendezés [34]

Mintabevezetés Levegő bevezető szelepAmplifikáló reakciópl. DNS polimeráz lánc-reakcióval

Vérminta (sárga)és amplifikáló reagens(levegővel pumpálva)

Amplifikált DNS keveredikegy reagenssel (sárga)

és keveredik a csatornában(zöld)

Melegítés

Elektronikai nyomtatottáramkörök

UV-fénnyel leolvasottelektroforézis.Csatorna jelzi a jelenlévő patogéneket

Leolvasó diódaPatogén kimutatás

VEGYIPAR ÉS KÉMIATUDOMÁNY

[24] T. McCreedy, Trends Anal.Chem. (2000) 19, 396. [25] P. C. H. Li, Microfluidic Lab-on-a-Chip for Chemical and Biological Analysis and

Discovery, Taylor & Francis, Boca Raton, 2005.[26] T. R. Reid, The Chip: Two Americans Invented the Microchip and Launched a Re-

volution, Simon & Schuster, New York, 1984. [27] http://www.thinkxxxs.com/main/producte/microfluidixxxs/html [28] Ch. Q. Choi, Scientific American (2007) October, 74.[29] Lab-on-a-Chip, Miniaturization for Chemistry, Physics, Biology and Bioenginee-

ring, Royal Society of Chemistry, UK, 2001.[30] N. Jones, Nature (2012), 487, 22. [31] M. D. Symes, Ph. J. Kitson, Jun Ian, C. J. Richmond, G. J. T. Cooper, R. W. Bowman,

T. Vilbrandt, L. Cronin, Nature, Chemistry (2012) 4, 349. [32] H. H. Gorris, D. R. Walt, Angew.Chem. Int. Ed. (2010) 49, 3880.[33] K. E. Drexler, Nanotechnology (1991) 2, 113. [34] D. Ericson, D. Li, U. J. Krull, Anal.Biochem. (2012) 4, 346. [35] A. Manz, N. Graber, H. M. Widmer, Sensors, Actuators (1990) B1, 244.

[12] http://www.laboautopedia.org/mw/index.php/Early_microplate_automation [13] L. J. Kricka, K. Imai, P. Fortina, Clinical Chemistry (2010) 56, 1797.[14] H. A. Mottola, Anal. Chem. (1981) 53, 1312A [15] L. T. Skeggs jr., Am. J. Clin. Pathol. (1957) 28, 311. [16] L. T. Skeggs, Current Contents (1978) 36, 200.[17] K. K. Stewart, Anal. Chem. (1981) 53, 1312A[18] J. Ruzicka, Flow Injection Analysis, Tutorial on Flow microanalytical Techniques,

Fourth Edition, 2009, Available free of charge from FIA Lab Instruments, Inc., www.flowinjection.com

[19] T. Braun, W. S. Lyon, Fresenius Z. Anal. Chem. (1984) 319, 74.[20] T. Braun, E. Bujdosó, A. Schubert, Literature of Analytical Chemistry: A Sciento-

metric Evaluation, CRC Press, Inc., Boca Raton, 1987. [21] M. J. Madon, Fundamentals of Microfabrication: The Science of Miniaturization,

CRC Press, Boca Raton, 2002. [22] O. Reynolds, Philos. Trans Royal Soc. (1883) 174, 935. [23] C. T. Crowe, D. F. Elgar, J. A. Anderson, Engineering Fluid Mechanics, Wiley, New

York, 2000.

336 MAGYAR KÉMIKUSOK LAPJA

Bruckner-termi előadásMándity István Szegedi Tudományegyetem Gyógyszerkémiai Intézet

Nagy hatékonyságú kémiai átalakításokfolyamatos áramban: védőcsoport-eltávolítás,deuterálás és organokatalízis

szintetikus technikák körében egyrenagyobb teret hódítanak a folyama-

tos áramlásos kémiai (ÁK) eljárások. Ezekszámos előnyös tulajdonsággal rendelkez-nek a konvencionális szakaszos techni-kákkal szemben. Példaként említhetjük areagensek hatékonyabb összekeverését, agyorsabb hő- és anyagtranszportot és arövidebb reakcióidőket [1]. A modern ÁKeljárásoknál nem szükséges nagy mennyi-ségű reagens és oldószer alkalmazása [2],továbbá lehetőség nyílik a fő reakciópara-méterek (áramlási sebesség, hőmérséklet,nyomás) finomhangolására, ezek gyors éspontos ellenőrzésére [3]. Így lehetővé válika különböző reakciókörülmények idő- ésköltséghatékony tesztelése; segítségünkrelehet gyógyszerszerű molekulák nagykönyvtárainak ökotudatos előállításában;mindemellett a méretnövelés is könnyenmegvalósítható [4]. Az áramlásos kémiaegyedülálló és eredményes lehetőséget kí-nál reakciók gyorsabb kivitelezésére, anagyfokú szelektivitás pedig igen jó kiter-meléseket eredményez [5]. A folyamatosáramú technikák napjainkban jelentős ér-deklődésre tartanak számot az alapkuta-tásban, ám a műszerezettség kialakításá-

nak köszönhetően ipari alkalmazásuk iskönnyen kivitelezhető [6].

A legjobb eredményeket a laboratóriu-mi hidrogénezés területén sikerült elérni.Számos különböző reakcióban – pl. a nit-ro-, oxim- vagy iminocsoport redukciója,kettős vagy hármas kötés telítése – sikere-sen alkalmazható [7]. Ezeket az eredmé-nyeket alapul véve kifejlesztettünk egyegyszerű, gyors és hatékony védőcsoport-eltávolítási metodikát ÁK hidrogénező re-aktorban. Benzil- és benzilidén védettszénhidrát-molekulák esetén jó eredmé-nyeket értünk el olyan származékok ese-tében is, melyek sav- vagy bázis-érzékenyfunkciós csoportot, például acetil- vagy szi-lil-védőcsoportot tartalmaztak [8].

Kidolgoztunk egy ÁK deuterálási meto-dikát, mely sokféle molekula esetén is jólalkalmazható. A reakció Pd- vagy Ni-kata-lizátorok alkalmazásával H-Cube® ÁK hid-rogénező reaktorban zajlik, mely tartal-maz egy szabályozható, D2-ot nehézvízelektrolízisével előállító gázgenerátort. Eza szintézis gyorsabb, mint az eddig leír-tak, kisebb a D2O-igénye, ezáltal a koráb-bi eljárásoknál nagyobb hatásfokú [9]. Amódszert sikeresen alkalmaztuk több kü-

lönböző funkciós csoportot tartalmazómolekula esetén is, tehát igen szelektívnekbizonyult. Kitűnően alkalmaztuk C–C ket-tős, valamint C–C és C–N hármas kötésekesetén is. A kifejlesztett metodikát sikere-sen kiterjesztettük nitrogéntartalmú hete-rociklusos gyűrűk deuterálásra is. A reak-cióba vitt molekulák között a különfélemódon szubsztituált nitrogéntartalmú he-terociklusok mellett gyógyszermolekula isszerepelt. A módszer esetén nem kell szá-molni a szakaszos technikáknál fennállóhátrányokkal, nagy konverzió és jó deuté-riumbeépülési arány érhető el [10].

Aszimmetrikus organokatalitikus reak-ciók segítségével számos C–C kötéskiala-kítási eljárást dolgoztak ki [11]. Énaminokreakciójában eredményes katalizátornakbizonyult a prolin, alkalmazásával általá-ban megfelelő termelést és enantioszelek-tivitást sikerült elérni [12]. Míg a kismére-tű, merev organokatalizátorok csupán ke-vés olyan helyet tartalmaznak, mely mó-dosítható, vagy funkcionálisan hangolha-tó, addig a peptidek moduláris felépítéseszámos lehetőséget teremt a katalizátor op-timálására. Az utóbbi néhány évben szá-mos kutatás témája volt peptidkatalizáto-

A

VEGYIPAR ÉS KÉMIATUDOMÁNY