Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1. Принцип разделения микрочастиц. Жидкость в канале движется в направлении, указанном стрелкой. Нижняя стенка канала представляет собой супергидрофобную текстуру и обеспечивает изменение направления тока жидкости в непосредственной близости от этой стенки. Частицы разных размеров (зеленый и красный шарики) с разной скоростью опускаются вниз: более крупные и тяжелые частицы опускаются быстрее. Поэтому на них возникающий у нижней стенки снос действует дольше

Супергидрофобность способствует эффективному разделению микрочастицы

Ключевые слова:  Lab on a Chip, Исследования, периодика, Разделение микрочастиц, Супергидрофобные поверхности

Автор(ы): Тарас Молотилин

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

05 июля 2015

В журнале Lab on a Chip появилась статья группы физиков под руководством Ольги Виноградовой, в которой предложен новый метод для разделения микрочастиц в тонких каналах. Среди множества работ из этой же области новый подход выделяется тем, что использует супергидрофобные поверхности. Эти системы за последние десятилетия завоевали пристальное внимание теоретиков, но редко встречались в экспериментальных работах — особенно связанных с поведением частиц. В новой работе удалось совместить теорию с практикой и к тому же достигнуть результатов, недоступных для других аналогичных методов.

Методы разделения (или фракционирования) микро- и наночастиц становятся всё более и более востребованными. В современных исследованиях, будь то коллоидный синтез или анализ биологических проб, всё чаще бывает необходимо разделить частицы по размерам, форме, механическим или каким-либо другим свойствам.

Например, один из ранних методов диагностирования рака предполагает мониторинг раковых клеток, циркулирующих в крови пациента. Эти клетки являются фрагментами опухоли, которые вымылись в основной кровоток. Проблема в том, что простого обнаружения клеток в крови оказывается мало: нужно также знать их точную концентрацию, а в идеальном случае — выделить эти клетки в чистом виде для дальнейшего анализа.

Существует ряд иммунохимических методов, позволяющих проводить количественное разделение раковых клеток и, к примеру, лейкоцитов. В этом случае клетки опухоли помечают специфическими антителами, которые служат метками для последующего выделения. Однако этот метод может повлиять на химический состав клетки, изменить ее биологические свойства, что в дальнейшем сделает невозможным или напрасным ее анализ.

Для преодоления этих недостатков созданы «мягкие» методы фракционирования, которые никак не изменяют частицы во время разделения. Большинство методов из этого класса основаны на гидродинамических эффектах. В таких подходах частицы разделяются благодаря тому, что они оказываются в участках жидкости с разным характером течения. Важным преимуществом этих методов является то, что они не затрагивают химический состав разделяемых частиц, а используют лишь их механические свойства.

Среди гидродинамических методов наиболее распространено инерционное разделение (см.: D. Di Carlo, 2009. Inertial microfluidics) и фракционирование во внешних полях (Field flow fractionation, см. также: T. Kowalkowski et al., 2007. Field-Flow Fractionation: Theory, Techniques, Applications and the Challenges). В первом случае частицы делятся по вертикальной координате из-за инерционной подъемной силы, возникающей при течении жидкости с большой скоростью. Во втором случае разделение происходит из-за того, что внешнее поле (гравитационное, электрическое или магнитное), действуя с разной силой на частицы разного размера, вовлекает их в участки течения с разной скоростью. В итоге разделение частиц происходит или по вертикали, но с небольшим разрешением (см.: N. Pamme, 2007. Continuous flow separations in microfluidic devices), или по времени, что делает невозможным непрерывное поточное фракционирование — частицы нужно разделять «порциями».

Но для обоих упомянутых методов из-за небольшого разрешения, близкого к размеру частиц, нужны дополнительные методы, усиливающие основной эффект. Например, этого можно добиваться за счет особой геометрии стенок, поворотов канала, наличия выступов и бороздок и так далее. Присутствие таких особенностей затрудняет теоретическое описание системы, поэтому зачастую методы, основанные на фракционировании во внешних полях, являются полуэмпирическими и применимыми только к отдельным классам разделяемых частиц.

В Лаборатории физикохимии модифицированных поверхностей (ИФХЭ РАН) под руководством профессора Ольги Виноградовой разработали новый подход к фракционированию, сочетающий в себе сразу два преимущества: во-первых, он позволяет разделять частицы поперек потока, что резко упрощает их дальнейший сбор по фракциям, а во-вторых, метод удалось полностью описать теоретически, что исключает элемент «подбора» и позволяет точно рассчитывать параметры установки и эксперимента.

В основе предложенной методики лежит использование супергидрофобных структур в качестве материала для одной из стенок канала. Эти структуры известны прежде всего тем, что позволяют существенно снизить вязкое сопротивление при прокачке жидкости через тонкие каналы. Подобный эффект достигается за счет чередования участков твердых стенок и полостей, заполненные газом, на которых жидкость проскальзывает практически без трения.

Оказалось, что направленная структура газовых полостей («полосатая» текстура или «страйпы») позволяет не только снизить вязкое сопротивление, но и управлять направлением и характером течения вблизи стенки. Так, если полосатую текстуру повернуть под углом 45° к основному направлению канала, жидкость вблизи поверхности будет поворачиваться вдоль полосок, и общий поток в канале будет представлять собой спираль.

Если на входе в канал запускать смесь частиц разного размера, под действием силы тяжести они начнут оседать с разной скоростью. Чем больше частица, тем быстрее она осядет: сила тяжести пропорциональна объему (то есть радиусу в третьей степени), а сила сопротивления — радиусу (в первой степени). Чем быстрее частица приблизится к нижней стенке, тем раньше она начнет поворачивать в направлении полосок из-за особенностей течения.

При наблюдении за частицами в конце канала оказалось, что крупные частицы сносились гораздо дальше в сторону, чем мелкие (рис. 1). Разброс составлял до нескольких десятков микрон, тогда как радиусы частиц лежали в диапазоне от одного до пяти микрон. Простым разветвлением канала в конце можно было добиться эффективного фракционирования частиц по размерам.

В оригинальной публикации было приведено теоретическое описание изложенного эффекта, а также результаты его экспериментальной проверки. Авторам удалось добиться разделения частиц, отличающихся по радиусу всего на 0,5 микрона.

Предложенный метод может стать очередным важным шагом в развитии микрофлюидики — области, стремящейся к созданию миниатюрных устройств, сочетающих в себе функции компьютера, а также синтетической и клинической лабораторий. В будущем, если все пойдет хорошо, «лаборатория на чипе» с функцией выделения, к примеру, раковых клеток может оказаться реальностью.

Источник: E. S. Asmolov, A. L. Dubov, T. V. Nizkaya, A. J. C. Kuehne, O. I. Vinogradova. Principles of transverse flow fractionation of microparticles in superhydrophobic channels // Lab on a Chip. 2015. V. 15. P. 2835–2841.

См. также:
P. Sajeesh and A. K. Sen. Particle separation and sorting in microfluidic devices: a review // Microfluidics and Nanofluidics. 2014. V. 17. P. 1–52.


В статье использованы материалы: Элементы


Средний балл: 10.0 (голосов 1)

 


Комментарии
Balabanov Victor, 02 августа 2015 17:33 
Еще один пример прикладного использования эффекта лотоса.
Палии Наталия Алексеевна, 06 сентября 2015 13:43 

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Агломерат частиц порошка Al(OH)3
Агломерат частиц порошка Al(OH)3

Светодиодные технологии и оптоэлектроника: магистратура на стыке образования и индустрии
Открыт набор на первую в России индустриальную программу «Светодиодные технологии и оптоэлектроника» Университета ИТМО

Международная онлайн-дискуссия «Квант будущего»
Фонд Росконгресс, Госкорпорация «Росатом», Российский квантовый центр и научно-популярное издание N+1 завершают серию международных онлайн-дискуссий «Квант будущего», где лидеры индустрии и ведущие мировые ученые обсуждают, как квантовые технологии уже изменили наш мир, и с какими вызовами помогут справиться в будущем.
Заключительная дискуссия «Квантовая революция: профессии будущего и трансформация образования» состоится 8 июля в 17:00 по московскому времени.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Супергибридный материал для хранения водорода. Двумерная соль. Существование виртуальных мультиферроиков подтверждено. Чёрные бабочки. Служение науке и немного поэзии.

Академия - университетам
Е.А.Гудилин, Ю.Г.Горбунова, С.Н.Калмыков
Российская Академия Наук и Московский университет во время пандемии реализовали пилотную часть проекта "Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии". За летний период планируется провести работу по подключению к проекту новых ВУЗов, институтов РАН, профессоров РАН, а также по взаимодействию с новыми уникальными лекторами для развития структурированного сетевого образовательного проекта "Академия - университетам".

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2020
Коллектив авторов
Защиты выпускных квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 - «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 16, 17, 18 и 19 июня 2020 г.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2020 году
коллектив авторов
2 - 5 июня пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.