액체의 실시간 화학 분석을 위한 소형 랩온칩 날짜:2022년 8월 30일 원천:비엔나 공과대학교 요약: 손가락 끝 크기의 칩이 부피가 큰 실험실 장비를 대체합니다. 1초 만에 액체의 함량을 분석하는 적외선 센서가 개발되었습니다.
분석 화학에서는 액체 내 특정 물질의 농도 변화를 초 단위로 정확하게 모니터링해야 하는 경우가 많습니다. 특히 제약 산업에서 이러한 측정은 매우 민감하고 신뢰할 수 있어야 합니다.
이 작업에 매우 적합하고 몇 가지 중요한 장점을 독특한 방식으로 결합한 새로운 유형의 센서가 TU Wien에서 개발되었습니다. 맞춤형 적외선 기술을 기반으로 하는 이 센서는 이전 표준 장치보다 훨씬 더 민감합니다. 또한 광범위한 분자 농도에 사용할 수 있으며 액체에서 직접 작동할 수 있습니다. 이는 화학적 견고성의 결과이며 실시간으로 데이터를 제공합니다. 이러한 결과는 현재 과학 저널인 Nature Communications 에 게재되었습니다 .
다른 분자는 다른 파장을 흡수합니다.
"분자의 농도를 측정하기 위해 우리는 중적외선 스펙트럼 범위의 방사선을 사용합니다."라고 TU Wien의 고체 전자 연구소(Institute of Solid State Electronics) 연구 프로젝트 책임자인 Borislav Hinkov가 말했습니다. 이것은 잘 알려진 기술입니다. 분자는 중적외선 범위의 특정 파장을 흡수하고 다른 파장은 감쇠 없이 전송됩니다. 따라서 서로 다른 분자에는 매우 특정한 "적외선 지문"이 있습니다. 파장 의존적 흡수 강도 프로파일을 정확하게 측정함으로써 주어진 시간에 시료 내 특정 분자의 농도를 결정할 수 있습니다.
적외선 분광법은 오랫동안 가스 감지에 일상적으로 사용되어 왔습니다. TU Wien 팀의 새로운 성과는 액체 감지에 특히 적합한 손가락 끝 크기의 센서 칩에 이 기술을 구현한 것입니다. 액체는 기체보다 훨씬 강한 적외선을 흡수하기 때문에 이러한 센서를 개발하는 것은 기술적일 뿐만 아니라 분석적인 도전이기도 합니다. 소형 액체 센서는 고체 상태 전자 연구소(Institute of Solid State Electronics)의 Benedikt Schwarz와 협력하여 실현되었으며 TU Wien의 최첨단 클린룸인 Center for Micro- and Nanostructures에서 제작되었습니다.
"측정을 위해 몇 마이크로리터의 액체만 필요합니다."라고 Borislav Hinkov는 말합니다. "그리고 센서는 초당 여러 번 실시간으로 데이터를 전달합니다. 따라서 실시간으로 농도 변화를 정확하게 모니터링하고 비커에서 화학 반응의 현재 단계를 측정할 수 있습니다. 이는 다른 참조와 큰 대조를 이룹니다. 샘플을 가져와 분석하고 결과를 몇 분 동안 기다려야 하는 기술이 있습니다."
서로 다른 분야 간의 협업이 핵심
이것은 TU Wien의 전기 공학 및 화학 부서 간의 협력으로 가능했습니다. 솔리드 스테이트 전자 연구소(Institute of Solid State Electronics)는 소위 양자 캐스케이드 레이저 및 검출기의 설계 및 제작에 대한 광범위한 경험을 보유하고 있습니다. 마이크로 및 나노 구조를 기반으로 정확하게 정의된 파장으로 적외선 레이저 방사선을 방출하거나 감지할 수 있는 작은 반도체 기반 장치입니다.
이러한 레이저에서 방출되는 적외선은 마이크로미터 길이 규모의 액체를 투과한 다음 동일한 칩의 검출기로 측정됩니다. 특별히 결합된 초소형 레이저와 검출기를 사용하여 감지 장치가 구현되었으며 첫 번째 개념 증명 측정에서 성능이 테스트되었습니다. 이 작업은 화학 기술 및 분석 연구소(Institute for Chemical Technologies and Analytics)의 Bernhard Lendl 그룹과 협력하여 수행되었습니다.
실험적 시연: 단백질의 구조 변화
새로운 중적외선 센서의 성능을 입증하기 위해 생화학 반응이 선택되었습니다. 알려진 모델 단백질이 가열되어 기하학적 구조가 변경되었습니다. 처음에는 단백질이 나선과 같은 코일 모양을 갖지만 고온에서는 평평한 구조로 펼쳐집니다. 이 기하학적 변화는 또한 단백질의 특정 중적외선 지문 흡수 스펙트럼을 변경합니다. Borislav Hinkov는 "우리는 두 개의 적절한 파장을 선택하고 적절한 양자 캐스케이드 기반 센서를 제작하여 단일 칩에 통합했습니다. "그리고 실제로, 이 센서를 사용하여 선택된 모델 단백질의 소위 변성을 높은 감도로 실시간으로 관찰할 수 있습니다."
이 기술은 매우 유연합니다. 다른 분자를 연구하기 위해 필요에 따라 필요한 파장을 조정할 수 있습니다. 또한 동일한 칩에 양자 캐스케이드 센서를 추가하여 서로 다른 파장을 측정하여 서로 다른 분자의 농도를 동시에 구별할 수도 있습니다. Borislav Hinkov는 "이것은 분석 화학의 새로운 분야를 열었습니다. 액체의 실시간 중적외선 분광법"이라고 말했습니다. 가능한 응용 프로그램은 매우 다양합니다. 열에 의해 유도된 단백질의 구조적 변화 및 다른 분자의 유사한 구조적 변화의 관찰에서 예를 들어 의약품 생산 또는 산업 제조 공정과 같은 화학 반응의 실시간 분석에 이르기까지 다양합니다.