Электрокинетические методы управления микропотоками в каналах

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОПОТОКАМИ В КАНАЛАХ

А.Н. Тупик

Научный руководитель - к.т.н., с.н.с. A.A. Евстрапов

Представлены результаты исследования влияния технологии обработки и герметизации микрофлюидных чипов на величину подвижности электроосмотического потока, что позволяет прогнозировать значение электроосмоса для последующего управления электрокинетическими потоками. При герметизации чипа методом термического связывания наблюдается большее значение подвижности, чем для чипа, герметизированного методом глубокого оптического контакта, однако химическая обработка чипа позволяет снизить величину подвижности электроосмотического потока.

Концепция микроаналитических систем |iTAS (Micro-Total Analysis Systems) предполагает объединить в микроустройстве все стадии химического или биологического анализа, позволяя создавать автоматизированные системы экспресс-анализа, которые успешно используются в аналитической химии, медицине, фармацевтике, экологическом мониторинге, криминалистике и т.д. [1]. Значительное количество статей по микрофлюидным системам опубликовано в журналах Electrophoresis, Analytical Chemistry, Biosensors and Bioelectronics, Journal of Micromechanics and Microengineering, Clinical Chemistry, Lab on a Chip и др. Они посвящены разработке, совершенствованию и применению микрофлюидных чипов в качестве аналитических систем. Основным компонентом микроаналитической системы является микрофлюидный чип (МФЧ), представляющий собой устройство из двух или нескольких пластин на стеклянной или полимерной основе объемом в несколько квадратных сантиметров с системой каналов, реакторов, микрососудов, датчиков и других вспомогательных элементов размерами до сотен микрометров [2]. Преимуществами использования приборов на основе МФЧ являются: повышение скорости анализа, малые объемы образца, снижение потребления дорогих реагентов, возможность широкомасштабных параллельных и объединенных исследований ит.п. [1, 2].

Аналитические исследования на МФЧ требуют организации точного и воспроизводимого процесса транспортировки анализируемого вещества и реагентов по микроканалам чипа. Основными способами создания управляемых транспортных потоков вещества в МФЧ являются гидравлическое и электрокинетическое воздействия на жидкость [3].

В случае гидравлического способа управления движением потоков на жидкость в микроканалах МФЧ воздействуют давлением. Этот способ распространен и достаточно прост в реализации, однако к его недостаткам можно отнести необходимость использования гидравлических интерфейсов, высокие требования к стабильности получаемого потока и формируемый параболический профиль потока (диффузионное размытие границы пробы, что снижает точность анализа) [4].

При электрокинетическом способе управления потоками в жидкости под действием приложенного внешнего электрического поля формируются электрофоретический и электроосмотический потоки, совпадающие по направлению течения или направленные противоположно в зависимости от условий электрофореза. Преимуществом электрокинетического способа по сравнению с гидравлическим является плоский профиль потока, а к недостаткам можно отнести нежелательное разделение ионов пробы под действием электрического поля.

Электроосмотический поток присутствует во всех электрофоретических методах анализа. Возникновение электроосмотического потока обусловлено явлениями на границе раздела жидкость-твердое тело (поверхность канала). В микрофлюидных аналитических системах на основе различных стекол или кварца из-за диссоциации сила-нольных групп в поверхностном слое образуются отрицательные заряды, а в электро-

лите вблизи границы раздела индуцируются положительные заряды. Такая система пространственно разделенных зарядов на границе раздела фаз называется двойным электрическим слоем (ДЭС) [5]. Из электролита на поверхность канала адсорбируется неподвижный слой ионов (слой Штерна). Подвижный диффузионный слой с избытком катионов удерживается силами электрического взаимодействия, однако по мере удаления от границы раздела силы притяжения уменьшаются, преобладает тепловое движение, и концентрация катионов в диффузионном слое постепенно приближается к общей концентрации электролита в объеме. ДЭС на границе раздела обусловливает особенности взаимодействия электролита с электрическим полем. Под действием электрического поля диффузионный слой с повышенной концентрацией катионов перемещается в сторону катода, увлекая за собой остальную массу жидкости в канале (вследствие молекулярного сцепления и внутреннего сопротивления), что формирует электроосмотический поток (ЭОП).

Так как никогда не удается полностью исключить возникновение поверхностных зарядов, при проведении электрофоретических методов анализа ЭОП должен контролироваться или подавляться для достижения точных и воспроизводимых результатов исследования. При pH от нейтрального до щелочного ЭОП гораздо сильнее электрофо-ретической миграции, и перемещение большинства частиц происходит посредством электроосмотического потока. Применение ЭОП для транспортировки нейтральных или частично заряженных проб к детектору в биоаналитических и фармацевтических исследованиях позволяет изучать биологические пробы (белки, ДНК, живые клетки), избегая травмирующих воздействий высокого напряжения электрического поля [4].

Скорость ЭОП описывается уравнением Гельмгольца-Смолуховского [4], зависит от диэлектрической проницаемости среды, вязкости электролита и прямо пропорциональна напряжению электрического поля и электрокинетическому ^-потенциалу, зависящему от вида электролита и свойств поверхности канала.

В целях создания управляемых электрокинетических потоков необходимо определить влияние на величину и характер ЭОП технологий изготовления МФЧ и способов обработки поверхности канала. Задачей данной работы является измерение подвижности ЭОП в сепарационном канале микрочипов, полученных разными способами, с различной химической обработкой поверхности и разными защитными пластинами.

Исследованы образцы МФЧ с пластиной из стекла К8, каналы в которой были получены методом фотолитографии и кислотного травления. Ширина каналов микрочипа 60 мкм, глубина 12 мкм, общая длина канала (включая подводящие) - 42,9 мм. Герметизация МФЧ осуществлялась методом глубокого оптического контакта (ГОК) и способом термического связывания.

Чипы 1 и 2 имели защитную пластину из стекла Ф1, герметизированы способом термического связывания, подвергались предварительной обработке: химической (обработка 65 % серной кислотой) и термической (выдержка при T = 600 °С), соответственно. Чип 3 с защитной пластиной из стекла К8 был герметизирован методом глубокого оптического контакта (ГОК). Дополнительной химической или термической обработки не проводилось.

В качестве электролита выбран боратный буфер pH 9,18 концентрации 0,01 моль/л, ^-потенциал равен - 60,5 мВ.

Подвижность ЭОП определялась по методу Хуанга К. (Huang X. et. al.) [6]. Метод основан на регистрации зависимости изменения тока во времени и не требует использования специальных реагентов и детектора. Стремление системы к выравниванию разности концентрации за счет ЭОП приводит к повышению сопротивления и падению тока. После выравнивания концентрации буфера величина тока стабилизируется (рис. 1).

3 -

Чип 2

7п

~Г"

20

~Г-

40

~Г-

60

~Г-

80

—I—

100

—I—

120

—I

180

t, С

Чип 1

20

40

—I—

60

80

—I—

100

—I—

120

—I

180

43 -

t, С

Чип 3

20

40

60

80

—I—

100

120

140

160

—I

180

t, С

Рис. 1. Изменения тока во времени при разности концентраций 50 %

Определив по графику время 1 падения величины тока, можно получить скорость ЭОП: Уэоп = ЬЛ, где Ь - длина канала. Подвижность ЭОП: цЭоп = Vэoп/E.

Учитывая, что напряженность электрического поля Е = и/Ь, где и - напряжение, при котором проводился электрофорез, можно найти подвижность ЭОП: цЭоп = Ь2/(и). Результаты расчетов, представленные в таблице, показывают, что метод герметизации МФЧ и различия в способе предварительной обработки поверхности каналов оказывают существенное влияние на величину подвижности электроосмотического потока.

6

5

4

140

160

6

5

4

3

0

140

160

7

6-

5 -

0

Чип № Напряжение В Кол-во измерений n |г10-4 см2/(В-с) ско % Метод герметизации Предварительная обработка

1 1000 7 4,4±0,1 3 термическое связывание химическая

2 1000 12 9,3±0,6 7 термическое связывание термическая

3 1000 12 2,4±0,1 2 ГОК не проводилась

Таблица. Значения подвижности электроосмотического потока в микрофлюидных чипах

Итак, наименьшая подвижность электроосмотического потока наблюдалась в МФЧ полученных методом ГОК без проведения химической обработки. Наибольшая подвижность была присуще МФЧ получаемым способом термического связывания и при термической обработки чипа. Химическая обработка позволяла снизить величину подвижности ЭОП.

Для подробного анализа рассматривалась скорость изменения величины тока от времени (рис. 2). На начальном участке зависимости характер изменения скорости dI/dt у всех чипов одинаков - наблюдается спад сигнала, осуществляемый с разной скоростью. Для чипов 1 и 3 спад сменяется выходом на плато - скорость изменения тока становится постоянной на некотором временном участке, а затем происходит уменьшение скорости изменения тока до нулевого уровня. Но для чипа 2 характерно другая зависимость изменения сигнала - наблюдается непрерывное изменение скорости dI/dt на всем интервале изменения тока.

Выход dI/dt на плато, по-видимому, свидетельствует об установившемся скоростном режиме изменения тока. Так как измеряемый ток пропорционален количеству переносимых ионов (т.е. вещества), то можно полагать, что этот режим соответствует некоторому стабильному состоянию, при котором наблюдается постоянный ЭОП. Таким

образом, наиболее корректным будет являться определение подвижности ЭОП на участке dIУdt=const. Зависимость, наблюдаемая для чипа 2, вероятно, свидетельствует о более сложных процессах, происходящих с участием поверхностного слоя канала (возможно, отражающих какие-либо химические процессы).

—

о°0о°оЯп

о оо о о о

СИ _

р

V V \

V V

-г-

20

80 t, c

—I—

120

Рис. 2. Скорость изменения величины тока для образцов МФЧ: 1 - чип 1, 2 - чип 2,

3 -чип 3

На основании проведенного анализа можно сделать предварительные выводы:

1. Различие значений подвижности ЭОП для чипов, полученных разными технологиями, означает, что в процессе герметизации МФЧ происходит существенное изменение свойств поверхности канала.

2. Химическая и термическая обработка поверхности чипа перед процессом термического связывания оказывают разное влияние на структуру поверхности канала и на величину создаваемого ЭОП. Химическая обработка серной кислотой позволяет снизить величину подвижности ЭОП.

3. Изучение скорости изменения величины тока от времени позволяет определить интервал времени для более точной оценки ЭОП, а также свидетельствует о сложных процессах, происходящих в каналах чипа в случае термического связывания.

Исследование влияния технологии обработки и герметизации МФЧ на величину подвижности ЭОП в каналах чипов позволит прогнозировать значение электроосмотического потока, что дает возможность управления электрокинетическими потоками для реализации электрофоретических методов анализа на основе микрофлюидных чипов.

Литература

0

3

1

2

0

40

60

100

140

160

1. Khandurina J., Guttman A. Bioanalysis in microfluidic devices. // Journal of chromatography. 2002. 943. P. 159-183.

2. Huikko K., Kostiainen R., Kotiaho T. Introduction to micro-analytical systems: bioana-lytical and pharmaceutical applications // European journal of pharmaceutical sciences 2003. 20. P. 149-171.

3. Micro- and nano-scale diagnostic techniques, Ed. Breuer K.S., Springer Verlag, New York, 2003, P. 166

4. Руководство по капиллярному электрофорезу / Под ред. Волошука A.M. М., 1996. 111 с.

5. Ельцов С.В., Водолазкая Н.А. Физическая и коллоидная химия. Харьков, 2005. 240 c.

6. Huang X., Gordon M.Y., Zare R.N. Current-monitoring method for measuring the elec-troosmotic flow rate in capillary zone electrophoresis // Analytical chemistry. 1988. 60. P. 1837-1838.