ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Разработка конструкции биосенсора без маркера на базе полого наноструктурного волокна».

Рекомендуемая область пременения

Биология, медицина, фармакология для определения сверхмалых концентраций анализируемых веществ.

Назначение, цели и задачи проекта

Разработка конструкции биосенсора без маркера на базе полого наноструктурного волокна для определения малых концентраций анализируемых веществ, определение токсичности сред, определения молекулярного состава веществ.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Аналогов не существует

В последние годы особую актуальность приобрела проблема биотерроризма. Поэтому представляется необходимым наличие в арсенале медицинской службы средств быстрого обнаружения и идентификации опасных микроорганизмов, разработанных на основе использования эффективной системы диагностики.

Таким образом, очевидна перспектива развития, совершенствования и внедрения в практику здравоохранения новых систем детекции возбудителей инфекционных заболеваний, основанных на использовании миниатюрных многопараметрических анализаторов - биосенсоров.

Внедрение новых диагностических методов даст возможность перевести медицинскую диагностику на новый технологический уровень, что позволит сделать анализ многих патологических факторов исчерпывающим и абсолютно объективным.

Микроструктурные оптические волокна, привлекли к себе внимание, благодаря феноменальным возможностям передачи оптического сигнала с малыми потерями в широком диапазоне длин волн в одномодовом режиме. Микроструктурные волокна, широко используются в разработках конструкций полупроводниковых лазеров поверхностного излучения, широкополосных источников излучения для оптической когерентной томографии и оптической частотной метрологии. Однако до настоящего момента, как в теории, так и в практике оптических волноводов на основе микроструктурных волокон существует большое число нерешенных задач, что обуславливает значительный интерес к ним во всем мире.

       Многие исследования в области биотехнологий опираются на лазерную спектроскопию: взаимодействие излучения с наноструктурированными материалами. Они нацелены на разработку и изготовление оптически-активного синтетического наноструктурного материала для исследования механизмов биологических, химических взаимодействий. Использование фотонно-кристаллических сред микро – и нано – структурных волноводов оптического диапазона представляется весьма перспективным для создания нового класса чувствительных элементов в аналитических устройствах. На сегодняшний день активное развитие получила качественно новая область ДНК-диагностики, основанная на использовании биологических lab-on-a-chip, где реализован принцип миниатюризации, приводящий к снижению себестоимости и повышению производительности выполнения исследований, а также к полной автоматизации рабочего места. Технология lab-on-a-chip, благодаря заложенному принципу многофакторности анализа, оперируя с сотнями и тысячами зондов, позволяет проводить системное и полное исследование объекта по большому числу признаков.

Использование на этапе экспресс диагностики lab-on-a-chip, позволяющего проводить многофакторный анализ, предоставит возможность одномоментно осуществлять индикацию и идентификацию различных инфекционных заболеваний со схожей симптоматикой. Для повышения достоверности анализа один микроорганизм может быть протестирован одновременно по нескольким признакам (ДНК или антиген), использование подобного биосенсора представляет собой серьезную альтернативу микробиологическим методам исследования.

Возможность эффективного управления модовым составом, нелинейными свойствами, дисперсией, в том числе высшими порядками излучения, связана, прежде всего, с геометрией наноматериалов, образующих среду. Вблизи границ полос не пропускания таких структур (или запрещенных зон) существуют особенности дисперсии, позволяющие усилить или ослабить нелинейные эффекты вследствие изменения плотности мод или времени взаимодействия волн. Световая мода распространяется по полой сердцевине, благодаря локализующему и направляющему свойству сформированной фотонной запрещенной зоны.

Введение в микроструктурное волокно других материалов, таких как металл, жидкости и газы могут существенно влиять на свойства этого волокна.

Спектры пропускания полого микроструктурного волокна характеризуются наличием ярко выраженных максимумов. Природа этих пиков объясняется высокой отражательной способностью периодически структурированной оболочки волокна вблизи фотонных запрещенных зон, что и приводит к значительному уменьшению потерь волноводных мод в узких спектральных областях. Оптические нелинейные эффекты могут быть существенно усилены на поверхности раздела двух сред, в частности для изотропных сред наличие генерации второй гармоники связано с поверхностными явлениями. 

 Таким образом, управление формой и структурой границ воздух-диэлектрик или металл-диэлектрик в процессе изготовления микроструктурного волокна могут существенно влиять на нелинейные эффекты,  и, следовательно, оптимизация структуры волокна позволит влиять на его сенсорные свойства.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Одна из самых перспективных технологий получения наноразмерных структур – волоконная технология, в основе которой лежит конформные преобразования макро размеров в микро, а микро в нано.

Совершенствование волоконной технологии создания двухмерных микро- и наноструктур, отличается простотой, возможностью серийного производства недорогих элементов и гибкостью по отношению к изменению базового оптического материала, обладает высокой точностью изготовления элементов. Эта технология основана на методе многократной перетяжки в подобии пакетов стеклянных элементов с заданной структурой, получаемой в процессе укладки первоначального пакета. Волоконная технология идеально подходит для серийного производства микроструктурных волокон (рис.1, рис.2), объектов со сверхрешеточной структурой (рис.3,4), наноструктурных волокон, структурированных пленок.

Стекло является идеальным материалом для этих целей. Широкий температурный интервал размягчения, существование большого количества разных типов стекла с разным содержанием элементов позволяет конструировать разные типы капиллярных структур для различных задач.

Стекловолоконная технология относится к групповой технологии, т.к. однотипные изделия тиражируются в данном случае в составе одного волоконного пакета, позволяет одновременно вести изготовление большого количества изделий. Это экологически чистая технология.

Процесс перетягивания заготовок стеклянных капилляров базируется на принципах подобия. Причем капилляры, уложенные в пучках, могут быть предварительно изготовлены из различных типов стекол, например из «легкого» (обычно оптического или электровакуумного бессвинцового стекла) и «тяжелого» (с высоким содержанием окиси свинца или других необходимых окислов), основного и растворимого. Эта технология позволяет получать многослойные структуры, моно-нити, зонные пластинки, поликапиллярные структуры и линзы, многоканальные матрицы, ренгеновские тест – объекты, фильтры и разделители для синхротронного излучения, микроструктурные и фотонно кристаллические волокна и многое другое.

Заданный профиль поперечного сечения изготавливаемой структуры определяется профилем уложенного пучка. Геометрическое подобие профиля сохраняется в процессе вытягивания пучка. Из заготовок, полученных в результате первого вытягивания, может быть сформирован новый пакет, и этот процесс может повторяться неоднократно. В результате чего формируются необходимые каналы требуемой формы и размеров.

Рис.1.                                                            Рис.2                

Рис. 3                                                             Рис.4

Поликапиллярная структура - это многоканальная система, имеющая множество отверстий, причем и форма каналов и наружная геометрия может быть цилиндрической, гексагональной, прямоугольной, треугольной и т.д.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

В результате реализации проекта будет получена серийная технология изготовления элементов биосенсорной системы, которая будет поставляться в широкую продажу. Общая стоимость проекта 39 млн. руб., длительность 24 месяца. Это будет дешевый одноразовый биосенсорный элемент, потребность в котором составит 100 000 000 штук в год, с дальнейшем увеличением объемов.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Технологический процесс – экологически чистый, что никаким образом не скажется на состоянии окружающей среды. Отработанная технология позволит сократить трудозатраты. Увеличение скорости анализа биологической пробы на 50% процентов.

Новые потребительские свойства продукции

-увеличена скорость анализа пробы анализируемого вещества;
-увеличена точность определения концентраций веществ.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Для изготовления элементов биосенсоров будет использовано стекло оптической варки

Стадия и уровень разработки

Предлагаемые инвестиции

39 млн. руб.
1 этап: (21 млн.)
-разработка маршрутной технологии,
-приобретение материалов и комплектующих,
-разработка и изготовление технологической оснастки,
-разработка и изготовление макетного оборудования,
-техническая документация
2 этап: (6 млн.)
-проведение экспериментальной работы по отработке технологических режимов,
-корректировка технологической оснастки
3 этап: (6 млн.)
-разработка технологии производства,
4 этап: (6 млн.)
- изготовление опытной партии,
-создание базы для серийного производства.

Рынки сбыта

Научно-исследовательские институты, станции санэпидемологического надзора, исследовательские лаборатории

Возможность и эффективность импортозамещения

Аналогов на мировом рынке не существует

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

19.07.2007