Микрофлюидное устройство — это чип, на поверхности которого расположены микро- или наноэлементы разной формы: каналы, резервуары, спирали, смесители или змеевики. Работая с чипом, исследователи добавляют на него разные жидкости, которые распределяются по микроструктурам. Благодаря микроэлементам можно управлять потоками вещества — хранить, сортировать или смешивать между собой и таким образом изучать потоки.
Микрофлюидные чипы применяются для решения разных задач — например, они позволяют ученым проводить разные биомедицинские исследования в одном месте, анализировать вещества и определять в них опасные молекулы и даже синтезировать металл-органических каркасы (MOFs) ― пористые кристаллические материалы, в которых атом переходного металла окружен лигандами (органическими молекулами-цепочками). MOFs применяют для решения разных задач, в том числе для очистки воздуха и воды.
Прочитайте также:
Ученые ИТМО создают элементную базу лабораторий на чипе для обнаружения примесей этанола в среде
Изображение микрофлюидных элементов и параметры для их изготовления на поверхности кварцевого стекла с помощью прямой CO2-лазерной записи. Изображение предоставлено Анастасией Бондаренко. 
Изготавливают микрофлюидные чипы из разных материалов. Но наиболее перспективно использовать именно кварцевое стекло. По словам ученых ИТМО, этот материал обладает отличными оптическими свойствами, устойчив к термическим и химическим воздействиям и не впитывает в себя анализируемые пробы. Поэтому чип на его основе можно использовать многократно и для разных экспериментов.
Но для начала элемент для будущего чипа необходимо обработать. Способов обработки тоже много (в их числе — петлевой метод, электронная, полутоновая и фотолитография), но все методы объединяет одно — они дорогие, трудоемкие и занимают много времени. Кроме того, если впоследствии, уже после изготовления чипа, исследователям потребуется изменить геометрию — например, добавить еще один канал, чтобы проанализировать другое вещество — им придется заново с нуля разрабатывать шаблон всей микроструктуры.
Открытые поверхностные микрофлюидные системы, полученные при комбинации микроканалов и микрорезервуаров. На изображениях римскими цифрами обозначены: I) входной резервуар II) микроканал III) резервуар для сбора жидкости. Изображение предоставлено Анастасией Бондаренко. 
Что предложили ученые ИТМО
Сотрудники Института лазерных технологий ИТМО при поддержке компании «Лазерный центр» создали новую технологию для структурирования микрофлюидных элементов на чипе с помощью недорогого СО2-лазера. Как отмечает одна из авторов разработки, магистрантка первого курса Института лазерных технологий Анастасия Бондаренко, разработка ученых позволит быстро и просто создать микроструктуру определенной геометрии и так же быстро и просто при необходимости ее изменить.
«Если вам нужно немного изменить рельеф чипа, вам не придется создавать новый шаблон-маску микроструктуры, использовать дорогое оборудование или создавать вокруг поля обработки вакуум, как это требуется в фотолитографии. Также не нужно искать отдельное помещение и команду сотрудников — будет достаточно одной недорогой лазерной установки C-Marker и одного оператора. Зато вы можете создать любую геометрию под разные задачи», ― рассказывает она.
Анастасия Бондаренко. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS
Лазерная установка C-Marker. Фото предоставлено Анастасией Бондаренко.
Как работает технология
Перед лазерной обработкой кварцевое стекло очищают в ультразвуковой ванне, наполненной спиртом или дистиллированной водой. Затем оператор кладет стекло в поле обработки и выставляет нужную мощность лазерного излучения, скорость сканирования и частоту следования импульсов. От этих параметров зависят геометрические характеристики изготавливаемых микроструктур — можно создавать каналы шириной от 60 до 250 микрометров, а глубину варьировать в пределах от полмикрона до десятков микрометров.
После этого сфокусированным лазерным пучком оператор проходится по поверхности чипа, создавая на нем нужные геометрические элементы. Благодаря интенсивному поглощению излучения на стекле с высокой точностью удаляется слой материала с шагом в сотни нанометров.
В результате через десять минут на поверхности стекла появляется микрофлюидная система с низким значением шероховатости. Это значит, что до 100 нанолитров исследуемого вещества может перемещаться по микроструктурам устройства с высокой скоростью — до 15 миллиметров в секунду.
Тестирование микрофлюидных систем. Время заполнения системы жидкостью — 1,3 секунды.
Тестирование микрофлюидных систем. Время заполнения системы жидкостью — 0,9 секунды.
Перспективы
С помощью разработанной технологии можно создавать разные геометрии микроструктур и применять чипы для разных анализов и экспериментов. Например, недавно ученые ИТМО, используя микрофлюидный чип, разработали тест-систему для раннего определения воспалительных заболеваний в организме человека и исследования оксидативного стресса
Прочитайте также:
Тестирование микрофлюидных систем. Снимки с течением времени распространения раствора от входного элемента по микроканалу к резервуару для осаждения: a) для первой системы время заполнения составляет 4,9 с. b) для второй системы время заполнения составляет 1,3 секунды. c) для третьей системы время заполнения составляет 0,9 с. Изображение предоставлено Анастасией Бондаренко. 
«Оксидативный стресс — причина появления разных воспалений — сахарного диабета, сердечной недостаточности, системных заболеваний соединительных тканей, мужского и женского бесплодия и даже рака. Одной из главных причин стресса может быть нарушение баланса свободных радикалов, генерирующих активные формы кислорода (АФК). АФК — это метаболиты кислорода, которые могут включать в себя супероксид-анион, пероксид водорода, гидроксильные и гидропероксильные радикалы и оксид азота. Для поиска в растворе пероксида водорода и определения его концентрации мы используем хемилюминесцентный метод», ― рассказал старший научный сотрудник международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО Далер Дададжанов.
Микрофлюидный чип как раз помогает провести хемилюминесцентный анализ. Например, благодаря чипу ученые могут распределить исследуемый раствор на два канала, чтобы сравнить результаты. Первый оставить нетронутым, а второй смешать с люминолом (веществом, отвечающим за свечение) и окислителем H2O2 (веществом, провоцирующим химическую реакцию) и затем понаблюдать за реакцией окисления веществ. Реакция высвободит энергию, и последняя преобразуется в излучение. Анализ интенсивности излучения поможет обнаружить пероксид водорода в растворе, определить его концентрацию и понять, есть ли у человека заболевание.
Исследование поддержано грантом для научно-исследовательских работ магистрантов и аспирантов (НИРМА) от физико-технического мегафакультета ИТМО.
Статья: A. Bondarenko, A. Ramos-Velazquez, A. Shmalko, R. Zakoldaev. Surface microfluidics elements fabrication by CO2-laser writing on glass: challenges and perspectives (Optical and Quantum Electronics, 2023).
