Перспективы коммерциализации асимметричных трековых

Перспективы коммерциализации
асимметричных трековых мембран
И.Ф.Ленский,
Директор по R&D ООО «А-Трек»
1.
Мембраны с уединенными симметричными порами (симметричные трековые нанопоры)
2.
Мембраны с уединенными асимметричными
нанопорами
(асимметричные трековые
нанопоры)
3.
Симметричные многопоровые мембраны (симметричные ТМ)
4.
Асимметричные многопоровые мембраны (асимметричные ТМ):
o
Монолитные ТМ, сечение пор которых изменяется с глубиной (получаемые, например, односторонней
фотосенсибилизацией с последующим травлением с использованием поверхностно-активных веществ)
o
Композитные ТМ, асимметрия пор в которых обусловлена нанесением покрытия из другого полимера с
переменными по глубине пор характеристиками (получаемого с помощью, например, полимеризации в
плазме, фото-полимеризации и т.п.)
o
Композитные металл-полимерные ТМ, в которых сечение треков изменяется с глубиной благодаря
нанесению металлического покрытия
o
Ламинированные ТМ (симметричные ТМ на упрочняющем субстрате, таком как, например, нетканый
материал)
Объем глобального рынка мембранных технологий в целом составил $ 15.6 млрд. в 2012 году.
Прогнозируемые объемы данного рынка составляют $ 21.22 млрд. в 2016 году и $25 млрд. – в 2018 году
(совокупный среднегодовой темп роста 8%).
Сегмент технологий на основе трековых мембран достиг объема в $ 2 млрд. в 2012 году, что составляет
около 13% объема рынка мембранных технологий в целом.
Темпы роста сегмента асимметричных трековых мембран превышают темпы роста рынка в целом и
составляют 8-12% в год.
http://www.acmite.com/brochure/Brochure-Global-Membrane-Technology-Market-Report.pdf
«Single Track-etched Nanopores and Asymmetric Track-etched Membranes Market – Global», Netscribes, Inc., 2013
Динамика рынка мембранных технологий
Доля рынка трековых мембран
Рынок трековых мембран в целом (как симметричных, так и асимметричных) в основном сосредоточен в США, что
вызвано наибольшим объемом спроса со стороны компаний, работающих в области водоочистки и водоподготовки,
именно в данном регионе.
Страны Европейского союза и Азиатско-Тихоокеанского региона являются перспективными регионами для расширения
рынка трековых мембран;
Российский рынок трековых мембран находится на ранней стадии развития по сравнению с рынками США и стран
Европейского союза.
Ключевые участники рынка: GE Group (GE Whatman, GE Osmonics), США; Merck Millipore , США;
Maine Manufacturing , США; It4ip, Бельгия; Oxyphen, Швейцария; Sterlitech, США.
Основные области применения асимметричных
трековых мембран
Сегментация рынка трековых мембран по
географическому признаку
GE Group является лидером рынка ТМ и, в частности, асимметричных ТМ.
GE Group (Whatman, Osmonics) демонстрирует высокие показатели в сравнении с их ближайшими конкурентами.
Выручка GE Osmonics от продажи PCTE мембран (трековые мембраны на основе поликарбоната и полиэстера) составила
200 млн.$ в 2011.
Основные факторы, обеспечивающие лидерство:
•
Собственная производственная база, а также база и экспертиза в R&D ТМ (симметричных и асимметричных))
•
GE в состоянии обеспечить выпуск ТМ на уровне 10 млн. кв.м. в год
•
Финансовая устойчивость
•
Надежное соответствие требованиям регуляторов рынка
•
Развитая глобальная маркетинговая сеть. Основной объем продаж приходится на США. Оставшаяся часть –
Европа и Азия.
•
Высокодиверсифицированный портфель продуктов. GE предлагает практически весь спектр, например,
мембран или картриджей на их основе, что обеспечивает точное соответствие потребностям заказчика и
способствует укреплению репутации компании как надежного бизнес партнёра, гарантирующего наилучшее
техническое решение.
Ожидаемый рост продаж PCTE составляет 10-12% в год
Такие компании как Merck Millipore, Maine manufacturing, it4ip следуют за лидером на данном рынке
Другие участники рынка ТМ (Sterlitech, Oxyphen, Trackpore) также осваивают новые сегменты и приложения
GE Group запускает три новых производственных подразделения по выпуску трековых мембран в Индии, Китае и
Венгрии.
GE Osmonics Inc: реализация мембран + массовый продукт *
•
•
•
•
•
•
Производит и продает трековые мембраны только на основе поликарбоната и полиэстера (PCTE).
Облучение – на исследовательском реакторе (не в ускорительной установке).
Объем рынка PCTE (видимо, рулонный материал, диски, листы, картриджи) – 200 млн.$ в год.
Прогноз роста на ближайшие 10 лет – 10-12% в год.
Рост OEM поставок рулонного материала – 20% в 2011г.
Специфика рыночного сегмента – глобальный дефицит облучательных установок.
Основные приложения:
Фарма; медицинские устройства; фильтрация воды; океанография; анализ воды; surface capture для
аналитики, микроскопии; эпифлюоресцентного анализа; микробиологии; анализа воздуха; Цитологический
анализ (прежде всего в онкологии, в т.ч. – при разработке лекарств); Хемотаксис; субстраты для
выращивания клеточных культур и трансплантации кожи.
Пример продукта – картридж Memtrex* PC:
Номиналы – 0.05, 0.1, 0.2, 0.45 мкм.
Приложения:
• Финишная фильтрация воды для диализа (надежный контроль биоконтаминации)
• Чистая химическая фильтрация (мембрана устойчива к различным средам)
• Фильтрация чернил и красителей
• Подготовка сред для химического нанесения тонких пленок (plating solutions)
Наряду с картриджами на ТМ компания продает широчайший ассортимент других типов
картриджей.
* Данные о компании из GE Environmental report Polymer track etch membrane 10 C.F.R § 30.15)
IT4IP (Бельгия): реализация мембран + R&D по различным направлениям
It4ip (Ion Track Technology for Innovative Products)
Компания создана в 2006 г. для коммерциализации разработок University of Louvain (Бельгия) в области
ионно-трековых технологий.
Коммерческая деятельность по мембранной тематике вынесена университетом в it4ip. Для этого:
• Передана интеллектуальная собственность (лицензии, переданные University of Louvain при создании
компании; лицензии других научных партнеров)
• Обеспечен доступ к широкому спектру оборудования (3 циклотрона, из них 2 на регулярной основе,
аналитическое оборудование, биотехнологическая лаборатория и пр.)
Компания предлагает на рынке максимально широкий спектр ТМ, имея соответствующее оборудование:
• Трековые мембраны из поликарбоната, полиэстера, полиимида
• Supported nanoporous track-etched templates
• Patterned track-etched templates
Среди клиентов - GSK, Pfizer, Heineken, L'OREAL, Coca Cola
Компания имеет прототипы/образцы изделий/приборов практически по всем мыслимым приложениям
ТМ и значительный портфель инициативных R&D проектов:
Искусственные органы, различные имплантаты на базе трековых мембран, биочипы, СВЧ-структуры,
топливные элементы, солнечные батареи, имплантируемые системы дозированной подачи лекарств и др..
Работы выполняются в коллаборации с различными университетами и исследовательскими центрами
(University of Louvain, Université de Liège и др.) и с привлечением грантового финансирования (региональные и
европейские проекты).
За период 2009-2010 компания выросла примерно на 40% и расширяет свои мощности,
чтобы соответствовать потребностям рынка.
Oxyphen is one of the key manufacturers of asymmetric TEM with respect to water
segment vertical i.e. microfiltration
Рынок водоочистки и водоподготовки с использованием мембран на данный момент оценивается в $ 5,54 млрд.
В рамках данного рынка сегмент микрофильтрации с использованием мембран оценивался в $ 817 млн. в 2011 году.
По географическому признаку основными рынками являются страны Азиатско-Тихоокеанского региона, США и Европа.
Ожидается, что в ближайшие годы географическое распределение спроса останется без изменений.
В сегменте водоочистки и водоподготовки на базе мембранных технологий подсегмент трековых мембран занимает долю в
10%. В первую очередь они используются в микрофильтрации, обратном осмосе, ультрафильтрации и, в последнее время,
нанофильтрации воды.
Объем рынка мембранных технологий в водоподготовке
и водоочистке
Доля трековых мембран на рынке водоочистки и
водоподготовки
Мировой рынок мембранных технологий для биотехнологий (в том числе фармацевтики и наук о жизни) оценивался в $
6,4 млрд. в 2011 году и ожидается на уровне $ 10 млрд. к 2016 году, продемонстрировав темпы роста 9,3% в год.
Биотехнологии являются наиболее быстрорастущей отраслью – потребителем мембран.
Фармацевтический рынок составлял $ 2,7 млрд. в 2011 году. Ожидается уровень $4,4 млрд. к 2016 году (темпы роста 9,9%
в год в период 2011-2016 гг.).
Основные рынки - США, страны ЕС и страны Азиатско-Тихоокеанского региона. В 2011 году США были лидером по
потреблению, однако темпы роста спроса в странах Азиатско-Тихоокеанского региона превышают на данный момент
темпы роста в других регионах.
Трековые мембраны на данный момент занимают только 6% рынка мембранных технологий для биотехнологий, отдавая
первенство другим типам мембран,
http://www.companiesandmarkets.com/News/Healthcare-and-Medical/Membrane-technology-market-to-grow-at-CAGR-of-9-3/NI3460
Объем рынка мембранных технологий в
биотехнологиях
Доля трековых мембран в биотехнологиях
Индустриальные рыночные сегменты
Водоочистка и водоподготовка
Приложения
1.
Рыночные срезы
Оборудование
для
водоподготовки
и •
очистки сточных вод.
2.
Мембранные
водоочистки и водоподготовки
фильтрации •
технологии
воды.
3.
Нанотехнологии в технологиях
Технологии водоочистки и
водоподготовки
Технологии очистки воды для повторного
использования.
Биотехнологии
4.
Прочие приложения в водоподготовке
1.
Биосенсоры
(био-молекулярное •
•
детектирование)
2.
Био-молекулярная сепарация. Очистка в •
Нано-биотехнологии
Секвенирование ДНК
Оборудование для биотехнологий
био-молекулярных технологиях.
3.
Прочие
приложения
в
области
биотехнологий.
Электроника
Energy
Harvesting,
топливные элементы
Прочие
1.
Наносенсоры и логические компоненты
2.
Лаборатория на чипе (LOC)
3.
Сверхпроводники
и
•
Биологические микрочипы (Microarrays) и
LOC
тонкопленочная •
Органические светодиоды (OLEDs)
электроника (OLED).
•
Биосенсоры и наносенсоры
Energy Harvesting
•
Energy Harvesting
2.
Хранение электрической энергии
•
Хранение электрической энергии
3.
Топливные элементы
•
Топливные элементы
накопители, 1.
Картриджи для различных процессов мембранного разделения и очистки сред.
Микрофильтрация.
Био-молекулярная сепарация. Очистка в био-молекулярных технологиях.
Применение ТМ перспективно в следующих приложениях: сепарация ДНК, белков, выделение анализируемых
объектов из сложных образцов, ВЭЖХ (высокоэффективная жидкостная хроматография), в том числе подготовка
образцов для ВЭЖХ, приготовление сверхчистых растворителей, выделение и очистка от бактерий, других
микробиологических объектов, поперечная фильтрация.
Применение АТМ перспективно в соответствующих приложениях с выходом на ультрафильтрацию.
В фильтрации крови – тест на деформируемость эритроцитов, удаление лейкоцитов, фильтрация эритроцитов,
плазмаферез.
Одной из актуальных задач разработки и совершенствования лечебного каскадного плазмафереза является
создание высокоселективного ультрафильтра с экстремально узким распределением размера пор. В настоящее
время концепция каскадного плазмафереза последовательно реализована с использованием картриджей на полых
волокнах
Cascadeflo™
японской
компании
Аsahi-Кasei
(http://www.asahi-
kasei.co.jp/medical/en/apheresis/product/plasma/ec/), а также картриджей Evaflux™ японской компании Kawasumi
Laboratories (http://www.kawasumi.jp/e/).
При проведении каскадной плазмофильтрации с использованием подобных фильтров удаление 99% вирусных
частиц размером от 55 до 65 нм достигается при использовании картриджей с «номиналом» 20нм. Иначе говоря,
вследствие существования заметного разброса в размерах пор, приходится использовать материал с меньшим
номиналом. Это приводит к потере белка за счет удаления высокомолекулярных компонентов. Поэтому при
обработке больших объемов плазмы требуется возмещение суммарного белка альбумином, что удорожает
процедуру.
Биосенсоры (био-молекулярное детектирование)
Анализ ДНК, исследования генома, наносита, детектирование белковых биомаркеров, обнаружение и
идентификация вирусов и прионов, других опасных микробиологических объектов, биохимические сенсоры,
картирование ДНК/белков, технологии и устройства ДНК-секвенирования.
Уединенные нанопоры, в частности с диодоподобными свойствами, активно используются различными
исследовательскими центрами и разработчиками в этих приложениях в качестве ключевого компонента
соответствующих чувствительных элементов.
Другой вариант использования ТМ в данных приложениях - барьер, обеспечивающий контролируемую
диффузию анализируемого материала и/или веществ, используемых при препарировании и/или участвующих в
процессе взаимодействия анализируемого объекта с сенсором.
Применение
АТМ
перспективно
в
случаях,
когда
соответствующий
барьер
должен
обладать
ультрафильтрационными параметрами, а также в случаях когда необходимо объединить функции барьера
(фильтра) и активного субстрата, например – SERS-активные фильтр-субстраты (SERS – поверхностно
усиленная рамановская спектроскопия). Применение подобных субстратов особенно актуально в экспрессанализе качества пищевых продуктов и окружающей среды.
Еще один вариант использования ТМ – создание на их основе (в т.ч. с использованием ионно-трековой
литографиии и темплатных технологий на основе ТМ)
элементов микрофлюидики биочипов как в части
системы микроканалов, так и в части микронасосов (например, на основе электроосмоса).
Во многих случаях приложения в данной области в равной степени можно отнести и к области
электроники и к области Energy harvesting.
Биосенсор
+ some micro-(nano-)fluidic system inside
biosensor and/or inside LOC/µTAS!
Биосенсор состоит из:
1. некоторого рецептора, включающего тот или иной биообъект, либо построенного на подсмотренных в природе принципах,
который обеспечивает формирование некоторого сигнала при взаимодействии с анализируемым веществом/объектом
2. Трансдьюсера, обеспечивающего преобразование сигнала в форму, регистрируемую тем или иным физическим методом
3. Некоторой микро-(нано-)флюидной системы, обеспечивающей движение аналита в устройстве.
Перспектива – включение биосенсора в устройство более высокого уровня интеграции – LOC (lab-on-chip), µTAS (micro Total
Analysis Systems)
Нанопоры в тематике биосенсоров
Некоторые активно разрабатываемые варианты:
1.
Воспроизведение свойств биологических
мембран, каналов (biomimetics). Сегодня во
многих случаях параметры биоструктур
превосходят характеристики искусственных.
Однако есть технологические проблемы,
связанные
с
их
использованием,
долговечностью и т. д.
2.
Использование
массива
нанопор
для
организации потока аналита в устройстве.
Это , например, то, как можно использовать в
Зеленоградском проекте
1.
Создание рецепторов на основе нанопор.
(Например, для использования в DNAсеквенаторе).
2.
Создание микро-(нано-)флюидных устройств.
(Например, на основе электроосмоса).
Перспектива – интеграция с рецептором и
трансдьюсером)
Сенсор глюкозы, построенный на конической
нанопоре. Стенки поры покрыты катализатором
(энзимом). Последний вызывает быстрое окисление
глюкозы, приводящее к падению рН и изменению ВАХ
конической нанопоры (Fink et al 2009)
19
Рыночный срез: Секвенирование ДНК.
Объем рынка продуктов и услуг в сегменте технологий секвенирования ДНК оценивается в 3 млрд.$ в 2011 году и прогнозируется на уровне 6.6
млрд.$ в 2016 году (CAGR 17.5%).
Объем рынка продуктов и услуг для секвенирования ДНК
Рынок ДНК-секвенирования можно разделить на три сегмента: Оборудование и расходные материалы; Услуги; Процессы (Workflow products).
Рынок оборудования и расходных материалов имел объем в 1.6 млрд.$ в 2011 году и составит 2.2 млрд.$ в 2016 году. Объем услуг составил 987.6
млн.$ в 2011 году и ожидается на уровне 3.5 млрд.$ в 2016 году (CAGR 29%). Продажи Workflow products составили 410 млн.$ в 2011 году и
ожидаются на уровне 883.6 млн.$ в 2016 году (CAGR 16.6%).
К настоящему времени уровень технологии вплотную приблизил ДНК-секвенирование к использованию в персонализированной медицине, когда
считывание ДНК оказывается инструментом для определения того, использование какого медикамента оптимально для данного пациента.
Ожидается, что именно ориентация на персонализированную медицину станет одним из драйверов развития данного сегмента технологии на
фоне снижения государственного финансирования в нём.
Рынок ДНК-секвенирования демонстрирует не только высокие темпы роста, но и быстрое технологическое обновление, опережающее развитие
совершенно новых технологий и решений. Так объем рынка так называемых систем секвенирования следующего поколения (Next generation
sequencing -NGS), обеспечивающих высокую скорость за счет реализации массивно-параллельной архитектуры секвенирования, составил 1
млрд.$ в 2011. Ожидается, что этот объем удвоится к 2015 году (CAGR 17%).
BCC Research DNA Sequencing: Emerging Technologies and Applications. http://www.bccresearch.com/pressroom/bio/global-dna-sequencing-products-services-market-reach-$6.6-billion-2016
Многие участники рынка не ограничиваются созданием и/или совершенствованием своих NGS-систем, но активно
разрабатывают концепты так называемых секвенаторов третьего поколения.
Ряд концептов третьего поколения предполагает использование уединенных нанопор. Подобные проекты были запущены
следующими компаниями:
Agilent Technologies Inc.
Genia http://www.geniachip.com/technology/ http://www.bio-itworld.com/news/10/21/11/genia-nanopore-microchip-technologygains-life-technologies-support.html
International
Business
Machines
Corp.(IBM)
http://www.roche.com/media/media_releases/med_dia_2010-07-01.htm
http://www.my454.com/
Illumina, Inc. http://www.isogg.org/wiki/Illumina
Oxford Nanopore Technologies http://www.bloomberg.com/news/2013-03-07/oxford-nanopore-s-gene-sequencer-facing-technicaldelays.html
Roche Holding Ag http://www.roche.com/media/media_releases/med_dia_2010-07-01.htm http://www.my454.com/
Noblegen http://www.noblegenbio.com/Technology.html
NabSys http://nabsys.com/News-Events/Press-Releases/Press-Relese-Title-2.aspx
Использование респондентами технологий секвенирования ДНК
третьего поколения
Нанопоры в реальных устройствах на основе биосенсоров
Компания Oxford Nanopore создала прибор GridION для быстрого
автоматического секвенирования ДНК. Прибор работает с одноразовыми
картриджами, которые включают в себя:
• весь набор реактивов,
• микроматрицу из аналитических ячеек,
• Управляющий электронный чип,
• Микрофлюидную систему, обеспечивающую необходимое движение
анализируемого образца,
• Систему микросоединений
Уровень интеграции крайне высок. Микроматрица содержит большое
количество аналитических ячеек, каждая из которых включает
нанопору.
Над микроматрицей сформирована потоковая ячейка, задающая
необходимое распределение потоков.
Управление осуществляется специальным электронным чипом Application Specific Integrated Circuits (ASIC)
Вся эта конструкция пронизана системой соединений и включает
массу электродов
Изготовление Микроматрицы и ASICs осуществляется по микроэлектронной
технологии на полупроводниковых пластинах (ваферах).
Нанопора и непосредственно связанное с ней окружение представляют
принципиальный, но лишь единичный фрагмент технологии
22
Рыночный срез: Energy harvesting
Мировой рынок технологий Energy harvesting составил 323 млн.$ в 2011 году и 514 млн.$ в 2012 году. Прогнозируемый уровень
на 2017 год составляет 3.1 млрд.$ (CAGR 43.2%)
Региональный сегмент Европа-Ближний Восток-Африка: 113 млн.$ в 2012 году и 670 млн.$
В 2017 году (CAGR 42.8%). Доминирует Германия: 26 млн.$ в 2012 году и 134 млн.$ в 2017 году (CAGR 38.8%).
В Юго-Восточной Азии объемы выше: 148 млн.$ в 2012 году и 1млрд.$ в 2017 году (CAGR 47.3%). Продажи японских
производителей составили 51 млн.$ в 2012 году и ожидаются на уровне 249 млн.$ в 2017 году (CAGR 37.3%)
Американский рынок в 2012 году имел объем в 253 млн.$ и ожидается на уровне 1.4 млрд.$ в 2017 году (CAGR 40.8%). При этом
объем рынка США в 2012 году – 221 млн.$ и ожидается на уровне 1.1 млрд.$ в 2017 году (CAGR 36.8%)
http://www.marketresearch.com/BCC-Research-v374/Global-Technologies-Devices-Energy-Harvesting-7167920/
http://www.bccresearch.com/market-research/energy-and-resources/energy-harvesting-markets-technology-devices-egy097a.html
Часто , говоря об Energy harvesting, имеют в виду более узкий технологический и продуктовый сегмент: микросистемы
автономного питания для MEMS и сенсоров, в том числе – объединенных в беспроводные сети. Соответствующий рынок имел
объем на уровне всего лишь 19 млн.$ в 2012 году. Ожидается 45 млн.$ в 2013 году. Прогнозируемый объем в 2015 году – 100
млн.$, в 2017 – 227 млн.$ (Yole Developpment).
Ожидается, что доминирующими сегментами будут строительство/обслуживание зданий и промышленность, где прогресс в
снижении энергопотребления соответствующих беспроводных датчиков позволит Energy harvesting вытеснить батареи.
Другие перспективные сегменты приложений – транспорт, системы контроля давления в шинах, медицина, контроль
окружающей среды.
Основные четыре типа подобных устройств: «собирающие» механическую энергию, тепловую энергию, энергию радиоволн, а
также миниатюрные фотовольтаические системы.
IDTechEX, цитируется по http://www.psma.com/sites/default/files/uploads/tech-forums-energyharvesting/presentations/2012-apec-111-energy-harvesting-zero-power-devices-%E2%80%93architecture-and-technology-overview.pdf
Термоэлементы, сформированные на основе полиимидной пленки толщиной 125 мкм путем заполнения трековых
пор никелем и сурьмой и создания соответствующей коммутации. Hanna Yousef. High Aspect Ratio Microstructures
in Flexible Printed Circuit Boards
«Energy Conversion in Protocells with Natural Nanoconductors» Jian Xu, T.Kyle Vanderlick,
and David A.LaVan
“Energy Harvesting with Single-Ion-Selective Nanopores: A ConcentrationGradient-Driven Nanofluidic Power Source» группа китайских исследователей
(Wei Guo1,2, Liuxuan Cao1, Junchao Xia1, Fu-Qiang Nie2, Wen Ma1, Jianming
Xue1, Yanlin Song2, Daoben Zhu2, Yugang Wang1,*, Lei Jiang2,*Article first
published online: 25 MAR 2010)
Рыночный срез: Биочипы и LOC
Объем глобального рынка биочипов, который составил 3.9 млрд.$ в 2011 году, должен достигнуть уровня
9.6 млрд.$ в 2016 году (CAGR 19.5%).
Рынок включает три основных сегмента: Оборудование; диагностические средства; секвенирование.
Сегмент оборудования демонстрирует некоторое замедление темпов роста: CAGR на уровне 8.4% в
период с 2011 по 2016 год с выходом объема рынка на значение 2.7 млрд.$/
Рынок диагностических средств растет наиболее быстро: 1.05 млрд.$ в 2010 году; 2 млрд.$ в 2011 году,
прогнозируемый уровень в 2016 году – 4.1 млрд.$ (CAGR 28.2%).
Рыночный срез: Биосенсоры и наносенсоры
Мировой рынок микросенсоров оценивается в 5.2 млрд.$ в 2010 году и в 5.9 млрд.$ в 2011 году.
Прогнозируемый уровень 2016 года – 12 млрд.$ (CAGR 15.3%).
Основные сегменты: МЭМС (микро-электромеханические системы); биочипы и наносенсоры.
Наиболее крупный сегмент – МЭМС: ожидается рост с уровня 3.2 млрд.$ в 2011 до 6.5 млрд.$ в 2016
году (CAGR 15.3%).
Сегмент наносенсоров должен вырасти с 0.1% до 0.3% за период с 2011 по 2016 год. Прогнозируемый
уровень 2016 года – 38 млн.$ (CAGR 42/7%).
SERS: Физика процесса
Рамановские спектрометры – приборы, в которых
лазерное излучение испытывает комбинационное
рассеяние на анализируемых объектах, и спектр
рассеянного излучения позволяет надежно
идентифицировать данный объект, - широко
используются в исследованиях и производственных
лабораториях
SERS (поверхностно усиленное рамановское рассеяние
или гигантское комбинационное рассеяние, в
отечественной терминологии) имеет место, когда
взаимодействие лазерного излучения с анализируемым
объектом происходит на поверхности, на которой
сформирована специальная наноструктура. При этом
уровень сигнала возрастает на несколько порядков.
Чувствительность метода допускает детектирование
единичных микроорганизмов на поверхности субстрата
28
Различные варианты субстратов и методы их получения
EBL – electron beam lithography
NSL – nanosphere lithography
OAD – oblique angle deposition
Novel nanostructures for SERS biosensing. Ralph A.Tripp, Richard A.Dluhy, and Yiping Zhao
29
Темплаты на ТМ – один из методов приготовления субстратов для SERS. В то же время, возможно
использование других методов для формирования наноструктуры на УФ и/или МФ ТМ
SERS-биосенсоры
Используются два типа схем SERS-детектирования:
«внутреннее» и «внешнее» детектирование. В первом случае
исследуются рамановские спектры самого исследуемого
объекта. При этом существуют различные модификации
такого детектирования, например, с использованием
антител, аптамеров и т.д. для более избирательной
иммобилизации объектов на наноструктурированной
поверхности.
При «внешнем» детектировании исследуют рамановский
сигнал от специальных молекул («Raman reporter», «Raman
label»), которые иммобилизуются на поверхности SERSактивных наночастиц (например, золотых). Частица с
такими молекулами покрывается диэлектрической
оболочкой (например, из SiO2, TiO2, или из полимера),
которая «декорируется» молекулами (такими как антитела),
способными захватывать анализируемые объекты.
Детектирование объекта осуществляется в Сэндвичструктуре.
Novel nanostructures for SERS biosensing. Ralph A.Tripp, Richard A.Dluhy, and Yiping Zhao
Пример реализации: Детектирование PSA (Prostate-Specific Antigen)
Детектирование PSA (ProstateSpecific Antigen) в «сэндвич»конфигурации. Молекулы Ramanreporter – родамин 6G (R6G),
иммобилизованные на частицах
золота.
Bioanalytical Application of SERS
Immunoassay for Detection of
Prostate-Spesific Antigen. Kyung Jin
Yoon, Hyeong Kuyn Seo et al
Пример использования ситового механизма в SERS
Моноклональные антитела, специфические по
отношению к C.parvum и G.Lamblia,
иммобилизованы на поверхности наночастиц
золота
вместе
с
раман-активными
красителями (rhodamine B isothiocyanate –
RBITC; malachite green isothiocyanate
MGITC) – «иммунозолото». Размер пор
мембраны подобран так, чтобы целевые
микроорганизмы (а также связавшиеся с ними
частицы иммунозолота) не проходили через
мембрану.
SERS-детектирование
частиц
иммунозолота
надежно
указывает
на
присутствие целевых микроорганизмов.
Используемая мембрана – PCTE (ТМ на
поликарбонате) с напыленным слоем золота
для подавления паразитной флюоресценции
Surface Enhanced Raman Spectroscopy as a Tool
for Waterborne Pathogen Tasting. Krista Rule
Wigginton
SERS-активный субстрат-концентратор на ТМ
SERS-активный субстрат приготовлен на основе поликарбонатной ТМ с номиналом пор 5
мкм посредством нанесения коллоидных частиц серебра.
Использован для концентрирования модельного аналита – метиленового синего, - на
поверхности за счет сорбции последнего при циркуляции раствора через мембрану.
SERS-Active Silver Nanoparticle Array on Track Etch Membrane Support as Flow-through Water Quality
Sensors. Jolian S.Taurozzi and Volodimir V. Tarabarda
35
Возможное направление работ
На рисунке слева представлена одна из
традиционных методик препарирования
анализируемых объектов для анализа на
поверхности SERS-субстрата.
На практике ( вследствие высокой опасности уже
крайне низкой – например, до 100 вирусов на 1 куб
метр воды) концентрирование исходных
контаминантов до объема одной капли
проблематично.
В связи с этим актуальна задача совмещения в
одной операции процесса выделения исследуемых
объектов из подготовленных образцов (из
концентрата) с их переносом на поверхность
субстрата.
Это позволит исключить потери объектов при
переносе на субстрат и свести к минимуму
человеческий фактор.
Таким образом, шаг 2 на рисунке (Evaporation)
трансформируется в шаг «Фильтрация»:
36
Раман-активный фильтрующий субстрат на
основе ТМ
Синергия с проектами по расшифровке ДНК и микрофлюидике
37