Химии много не бывает

Некогда греки придумали концепцию атома, как частицы вещества, далее неделимой (atomos – неделимый). В латинском языке для обозначения чего-то маленького и мелкого использовалось слово «моль», от которого химики произвели свой термин «молекула». В идеале представители сей почитаемой науки хотели бы всегда иметь дело с одиночными молекулами. Это избавляло бы их от излишней головной боли в виде побочных продуктов реакций и неуправляемого выделения избыточной энергии, часто приводящего к взрывам.

Но до самого последнего времени никто не мог предложить микроскопических колб и реакторов с хорошо регулируемыми и управляемыми условиями проведения реакций. Однако, похоже, дело постепенно «исправляется» благодаря внедрению в химию чиповых технологий.

Чип (сhip) представляет собой электронную схему, нанесенную на кремниевую подложку, либо на подложку из арсенида галлия. На рубеже третьего миллениума технологи научились вытравливать и высверливать в чипе микроканалы. Так был создан первый химический чип, комбинирующий микроканалы и реакторы.

Известно, что качество электронных чипов проверяется с помощью подводимых к контактам тестирующих микроэлектродов-зондов («щупов»). Для проведения химических экспериментов к точкам введения реагентов и отведения продуктов реакции подводятся аналогичного размера «микроинжекторы» – трубочки с соответствующим сечением. Диаметр самого канала меньше миллиметра! Оно и понятно, если учесть, что химический чип представляет собой квадратик со стороной не более двух сантиметров.

Каналы имеют разный шаг и кривизну соединяющей их петли. Эти изгибы ускоряют смешение реагентов. Время реакции определяется длиной каналов и скоростью протекания растворов. Благодаря тому, что объем реакционных смесей не превышает микролитров, давление и температура с высокой степенью точности могут регулироваться компьютером.

В настоящее время чипы активно используются в фармацевтической отрасли промышленности для синтеза разного рода лекарств. Китайские специалисты из компании «Сиань Хуань кемикл» совместно со специалистами Института микротехнологии в германском городе Майнце за пять месяцев построили завод, пущенный в строй в сентябре 2005 г., на котором активно используют чипы для производства нитроглицерина – лекарственного средства, необходимого людям с заболеванием сердца.

Чрезвычайно высокая скорость химических реакций в микрочипах позволяет проводить более полусотни экспериментов в течение рабочего дня! Вторым немаловажным преимуществом является необычайная «версатильность», или разносторонность самих химических опытов, осуществимых в чипах.

Главная проблема при использовании химических чипов – это явление преципитации, т.е. образование осадков, забивающих чиповые микроканалы и реакторы. Бороться с этой проблемой помогает ламинарный ток жидкостей в микроканалах. Это выгодно отличает ход химического процесса от такового в стандартной круглодонной колбе с ее турбулентными трудно управляемыми потоками.

Ограниченность объемов резко уменьшает возможность образования побочных продуктов и выделение нежелательных количеств энергии. Благодаря этому реакции, которые проводили при охлаждении с помощью жидкого азота, теперь идут при комнатной температуре. Компьютеризация процесса с помощью обратной связи (feedback) позволяет более чутко улавливать отклонения в протекании химических реакций.

Микрочиповый прогресс не обошел стороной и такую важную область химического анализа как высокоэффективная жидкостная хроматография, в частности НРLС, т.е. хроматография под высоким давлением (High Pressure Liquid Chromatography). Чип создает идеальные условия для получения веществ в максимально чистом виде. При этом движением подаваемой по микроканалам жидкости можно управлять с помощью подаваемого по другим каналам инертного газа.

О масштабах процессов можно судить по нескольким цифрам. Один микролитр (10^–6 л) представляет собой куб со стороной всего лишь 1 мм. Время диффузии веществ в таком объеме составляет примерно 15 мин. В объеме 1 нанолитр (10^–9 л) молекулы «растекаются» всего лишь за 10 с. Время диффузии в пиколитре (10^–12 л) не превышает 100 мс. Благодаря этому и достигается высокая скорость протекания химических реакций в чипах.

Химические чипы в настоящее время все чаще комбинируются с клеточными, в микролунках которых выращиваются различные клетки. Cначала в лунки по разным каналам подаются питательная среда и ростовые стимуляторы в виде белковых факторов роста. На втором этапе с помощью ферментов клеточную массу лизируют, т.е. растворяют стенки клеток, после чего содержимое сканируют и «оцифровывают» с помощью микроскоп-имиджинга, а затем проводят биохимический и геномный анализ.

Но еще более перспективным является использование микрокамер объемом 1 цептолитр (10^–21 л), позволяющих изолировать отдельные белковые молекулы ферментов, в частности АТФ-синтазы. Этот фермент катализирует реакцию синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

АТФ является основным источником энергии, который может использовать клетка. АТФ широко используется и в качестве лекарственного препарата, поэтому промышленное производство этого ценного соединения крайне важно. Думается, что развитие новых химических технологий сделает мечту химиков и технологов реальностью.

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(Nature, 2006, № 7101, р. 351, 388)