Способ инкапсулирования порций жидкости в газовые пузырьки

Изобретение относится к области аналитической химии, биотехнологии, фармацевтики, микрофлуидики и может быть использовано для инкапсулирования в газовые пузырьки порций дозируемой жидкости, которая может нести различные реагенты, и для транспортирования инкапсулированной в газовый пузырек порции жидкости к реакторам или к аналитическим датчикам в лаборатории на чипе с помощью пучка света. В способе инкапсулирования порций жидкости осуществляют облучение раствора жидкости и перемещают пучком света каплю жидкости. В способе используют ячейку, заполненную раствором, в котором образуют газовый пузырек, граничащий своей поверхностью с раствором. При облучении смачивающей пленки раствора возникают концентрационно-капиллярные силы, под действием которых осуществляется течение жидкости в газовый пузырек и формирование порции жидкости в виде капли, инкапсулированной в газовом пузырьке. Затем полученную порцию жидкости в газовом пузырьке перемещают пучком света в заданное место ячейки. Способ исключает процесс рассеяния реагентов при их транспортировании через микрофлуидное устройство и повышает степень контроля за порциями транспортируемых реагентов. 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области аналитической химии, биотехнологии, фармацевтики, микрофлуидики и может быть использовано для инкапсулирования в газовые пузырьки порций дозируемой жидкости, которая может нести различные реагенты (микробиологические объекты или твердые микро- и наночастицы), а также для транспортировки инкапсулированной в газовый пузырек порции жидкости к реакторам или к аналитическим датчикам в лаборатории на чипе с помощью пучка света.

Традиционно в микрофлуидных устройствах жидкость, содержащая реагенты, транспортируется через микроканалы под действием градиента давления, создаваемого каким-либо механическим способом (см. например [1-2]), либо под действием электроосмоса, например [3-4]. Однако подход [1-2] имеет существенный недостаток из-за того, что в микроканалах течение жидкости носит ламинарный характер Re<30 [5] с параболическим профилем скорости по сечению, что приводит к дисперсии части реагентов, инжектируемых в микроканал с прокачиваемой через него несущей жидкостью. Таким образом, из-за неодинаковой скорости течения жидкости по сечению канала транспортируемые частицы рассеиваются вдоль него. Учитывая, что электроосмотическое течение (см. например [3-4]) имеет почти линейный профиль распределения скоростей, отмеченная выше проблема частично решается, но поскольку в типичных микрофлуидных приборах каналы имеют множественные искривления и изгибы, то рассеяние на таких участках происходит даже при электроосмотическом течении.

Техническим результатом изобретения является исключение процесса рассеяния реагентов при их транспортировке через микрофлуидное устройство и, в целом, повышение степени контроля за порциями транспортируемых реагентов. Технический результат достигается тем, что используют ячейку, заполненную раствором, в котором образуют газовый пузырек, граничащий своей поверхностью с раствором, а при облучении смачивающей пленки раствора возникают концентрационно-капиллярные силы, под действием которых осуществляется течение жидкости в газовый пузырек и формирование порции жидкости в виде капли, инкапсулированной в газовом пузырьке, а затем полученную порцию жидкости в газовом пузырьке перемещают пучком света в заданное место ячейки.

Концентрационно-капиллярные силы возникают вследствие изменения величины поверхностного натяжения вдоль поверхности жидкости, являющейся раствором тензоактивного вещества [6-7] в летучем растворителе, ограниченной газовой фазой и поглощающей оптическое излучение, при тепловом воздействии на эту поверхность пучка света.

Предлагаемый здесь способ инкапсулирования дискретных порций раствора и транспортировки порции в газовом пузырьке реализуется следующим образом.

На Фиг.1 показана принципиальная схема способа (вид сбоку). Здесь 1 - ячейка Хеле-Шоу, служащая прототипом микрофлуидного устройства; 2 - прозрачные для оптического излучения верхняя и нижняя стенки (стекло, кварц и т.п.); 3 - раствор, заполняющий ячейку, поглощающий оптическое излучение и содержащий тензоактивную компоненту; 4 - газовый пузырек, вся поверхность которого находится в контакте с раствором 3; 5 - смачивающая пленка раствора под пузырьком; 6 - концентрационно-капиллярные силы; 7 - порция раствора в виде капли; 8 - поток пара летучей компоненты; 9 - пучок света; 10 - микроскоп для наблюдения процесса инкапсулирования порции жидкости в пузырек и ее транспортировки. Способ создания пузырька в ячейке может быть любым: например впрыскивание микропипеткой инертного газа или воздуха, или локальное нагревание жидкости до образования парового пузырька.

Когда пучок света 9 проецируется на смачивающую пленку раствора 5 между нижней стенкой ячейки и пузырьком, то из-за локального нагрева раствора происходит испарение его летучей компоненты 8 и, следовательно, повышение поверхностного натяжения раствора в зоне облучения. Возникшая между облучаемым участком и периферией пузырька разность в поверхностном натяжении создает концентрационно-капиллярную тянущую силу 6, направленную в зону облучения. Под действием этой силы жидкость течет в пузырек и формирует в нем сгусток в форме капли 7, объем которой растет с течением времени. Таким образом, порция раствора в виде капли оказывается инкапсулированной в газовую фазу (Фиг.2 и 4).

На Фиг.2 (вид сверху) показана последовательность кадров процесса инкапсулирования порции жидкости из раствора йода в бутаноле в воздушный пузырек с начальным диаметром около 1 мм (Фиг.2а), расположенный в ячейке Хеле-Шоу с зазором 50 мкм. На Фиг.2а штриховой окружностью отмечена граница проекции пучка света на смачивающую пленку под пузырьком. На Фиг.2б показано фото инкапсулированной в пузырек порции раствора объемом около 40×10^-12 л через 60 с после начала облучения (Фиг.2а). Пленку под пузырьком облучали сфокусированным пучком света от ртутной лампы ДРШ-100 интенсивностью около 80 мВт/мм².

Объем полученной порции контролируется по длительности процесса облучения, по величине диаметра пузырька перед началом облучения (Фиг.3), а также по изменению интенсивности пучка света и его диаметра. Подбором указанных параметров порция раствора заданного объема инкапсулируется в пузырек.

На Фиг.3 представлены эволюционные кривые видимого диаметра капли, инкапсулируемой в воздушные пузырьки разного диаметра (квадратные маркеры соответствуют диаметру пузырька до облучения 0.2 мм, круглые - 0.6 мм; треугольные - более 1 мм). Здесь использована ячейка с зазором 10 мкм, заполненная рабочим раствором йода в этаноле с концентрацией порядка 60 г/л. Пучок света - сфокусированное излучение ртутной лампы ДРШ-100 интенсивностью около 80 мВт/мм².

На Фиг.4 проиллюстрировано инкапсулирование порции раствора медицинского препарата «Деринат» [8] в этиловом спирте (1:5), окрашенного бриллиантовым зеленым, в воздушный пузырек диаметром 1.4 мм, находящемся в ячейке с зазором 50 мкм. Пленку раствора под пузырьком облучали сфокусированным эллиптичным пучком полупроводникового лазера (20 мВт, 659 нм). На Фиг.4а показан спроецированный на пленку под пузырьком пучок света, на Фиг.4б - спустя 80 с после начала облучения инкапсулированная в пузырек порция раствора.

После того как порция заданного объема инкапсулирована в пузырек, порция жидкости в пузырьке транспортируется в заданное место микрофлуидного устройства с помощью смещения пучка света относительно границы пузырька в заданном направлении [6-7].

На Фиг.5 показана фотография движущейся за пучком света порции жидкости в пузырьке с максимальной скоростью более 1 см/с (направление движения из левого нижнего угла в правый верхний). О большой скорости движения свидетельствует вихревой след, образованный за движущейся порцией жидкости, и вытянутый в эллипс пузырек, кормовая граница которого оказалась за кадром. Здесь порция жидкости в виде капли диаметром 100 мкм инкапсулирована в воздушный пузырек из 5% раствора йода в ацетоне, заполняющего ячейку зазором 10 мкм, под действием сфокусированного в пятно излучения лампы ДРШ-100 с интенсивность 80 мВт/мм².

Таким образом, представленный способ позволяет исключить процесс рассеяния реагентов вдоль микроканалов и полостей микрофлуидного устройства, поскольку порции жидкости отделяются от общего объема в газовые пузырьки под действием сил, направляющих течение жидкости из объема в пузырек, а затем транспортируются в этих пузырьках в заданное место устройства. Кроме того, использование пучка света для инкапсулирования и транспортировки делает предлагаемый способ не только бесконтактным, но и эффективным, поскольку энергия излучения доставляется непосредственно в объем жидкости и преобразуется в тепловую энергию практически мгновенно (за 10^-10-10^-12 с) [9].

ЛИТЕРАТУРА

1. US Patent 4715786. D.L.Wolff. Control method and apparatus for peristaltic fluid pump. December 29, 1987.

2. US Patent 6109889. Zengerle R. Fluid pump. August 29, 2000.

3. US Patent 6394759 B1. Micropump. J.W.Parce. Caliper technologies. May 28, 2002.

4. Dasgupta, P.K. et. al. Electroosmosis: A Reliable Fluid Propulsion System for Flow Injection Analysis. // Anal. Chem. 1994. №66. PP.1792-1798.

5. Stone H.A., Kim S. Microfluidics: Basic, Issues, Applications, and Challenges. // AIChE Journal. 2001, Vol.47, №6, P.1250-1254.

6. Безуглый Б.А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действием света, и ее применение в способах регистрации информации. Дисс... канд. физ.-мат. наук, Москва, МГУ, 1983.

7. Bezuglyi В.A. Photoinduced solutocapillary convection: New capillary phenomenon. Rev. Proc. 1st Int. Symp. Hydromech. Heat/Mass Transfer Microgr. Perm-Moscow, Russia, July 6-14, 1991. Gordon & Breach Sci. Publ. - 1992. - P.335-340.

8. URL: http://www.derinat.ru/derinat

9. Жаров В.П., Летохов B.C. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. - М.: Наука, 1984. - С.19.

Способ инкапсулирования порций жидкости, при котором осуществляют облучение раствора жидкости и перемещают пучком света каплю жидкости, отличающийся тем, что используют ячейку, заполненную раствором, в котором образуют газовый пузырек, граничащий своей поверхностью с раствором, а при облучении смачивающей пленки раствора возникают концентрационно-капиллярные силы, под действием которых осуществляется течение жидкости в газовый пузырек и формирование порции жидкости в виде капли, инкапсулированной в газовом пузырьке, а затем полученную порцию жидкости в газовом пузырьке перемещают пучком света в заданное место ячейки.