Исследование движения потоков вещества в микрофлюидных чипах

10

ФИЗИКА И ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПОТОКОВ ВЕЩЕСТВА В МИКРОФЛЮИДНЫХ ЧИПАХ

А.Н. Тупик, А.А. Евстрапов

На основе экспериментальных данных представлены оценки подвижности электроосмотического потока в каналах микрофлюидных чипов, изготовленных различными методами. Выявлено, что технология герметизации чипов, а также химическая обработка оказывают существенное влияние на величину подвижности электроосмотического потока.

Определяющими тенденциями сформировавшейся в конце 1990-х гг. концепции построения микроаналитических систем |iTAS (Micro-Total Analysis Systems) являются миниатюризация, автоматизация и интеграция. Согласно этой концепции, под микроаналитической системой подразумевается система, состоящая из микрфлюидного чипа (МФЧ) - устройства с размерами в несколько квадратных сантиметров с системой каналов, реакторов, микрососудов и других вспомогательных элементов (с характеристическими размерами от нескольких до сотен микрометров), позволяющих реализовать полный цикл транспортных и аналитических действий с изучаемой пробой [1]. Возможности применения подобных устройств чрезвычайно обширны: медицинский анализ, фармацевтические исследования, биотехнологии, судебная медицина и криминалистика, экологический мониторинг и т.д. [2].

В данной работе рассматриваются особенности электрокинетических процессов, свойственных электрофоретическим методам анализа на микрочипе. Необходимым процессом при реализации аналитических методов на МФЧ является создание управляемых транспортных потоков жидкости (пробы и реагента) [3]. При движение таких потоков в микро- и наноканалах необходимо учитывать возрастающий эффект влияния свойств поверхности канала. Характеристики поверхности канала зависят от множества различных факторов, в частности, от материала, в котором сформирован канал, от качества поверхности и технологий обработки канала и герметизации микрочипа. Одним из эффективных способов получения информации о свойствах поверхности канала является измерение подвижности электроосмотического потока.

Основными способами управления движением потоков жидкости в МФЧ являются гидравлическое и электрокинетическое воздействие на жидкость [4].

Гидравлический транспорт подразумевает перемещение жидкости под действием разности давления. Этот способ управления прост в обращении и применяется в микроаналитических системах для движения раствора с пробой и реагентов. Его недостатками являются высокие требования к стабильности создаваемого потока, трудности при заполнении каналов с гидрофобным покрытием, необходимость надежных гидравлических интерфейсов и получаемый при этом параболический профиль потока, что снижает точность аналитических определений [5].

Электрокинетический транспорт основан на формировании электрофоретического и электроосмотического потоков под действием внешнего электрического поля. Преимуществом данного способа является образование плоского профиля потока [4]. К недостаткам можно отнести нежелательное разделение компонентов пробы под действием внешнего электрического поля.

Природа электроосмотического потока обусловлена явлениями, возникающими на границе раздела «жидкость-поверхность канала». В микрофлюидных аналитических системах на основе стекла или кварца из-за диссоциации силанольных групп в поверх-

ностном слое образуются отрицательные заряды. Соответственно в электролите вблизи границы раздела индуцируются положительные заряды. Такая система пространственно разделенных зарядов на границе раздела фаз называется двойным электрическим слоем (ДЭС) [6]. Вблизи границы раздела фаз, где преобладает действие электрического поля поверхности канала, в электролите образуется неподвижный слой ионов (слой Штерна). По мере удаления от границы раздела фаз силы притяжения ослабевают, и начинает преобладать тепловое движение. Образуется подвижный диффузионный слой с избытком катионов, постепенное уменьшение концентрации которых приближается к общей концентрации электролита в объеме.

Двойной электрический слой 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 так называемый электроосмотический поток. Электроосмотический поток (ЭОП) дает возможность проведения синхронного анализа катионов, анионов и нейтральных частиц. При рН от нейтрального до щелочного ЭОП гораздо сильнее электрофоретической миграции, поэтому все частицы перемещаются потоком по направлению к катоду. Незаряженные молекулы перемещаются со скоростью, равной скорости ЭОП, в то время как различная электрофоретическая подвижность заряженных ионов способствует их разделению [5]. Кроме того, ЭОП используется для транспортировки нейтральных или частично заряженных проб к детектору [5]. Этот способ позволяет изучать биологические пробы (молекулы белка, ДНК, живые клетки), избегая травмирующих воздействий высокого напряжения электрического поля.

ЭОП присутствует во всех электрофоретических методах разделения, так как никогда не удается полностью исключить возникновение поверхностных зарядов. Следовательно, при проведении электрофоретических методов анализа электроосмотический поток должен контролироваться или подавляться для достижения точных и воспроизводимых результатов исследования. При определении подвижности пробы полученное значение является результирующей подвижностью электрофоретического цэф и электроосмотического цэо потоков [5]: = цэф ± цэо

Скорость ЭОП и можно описать, используя уравнение Гельмгольца-Смолуховского [3]:

и =^ , кц

где электрокинетический дзета-потенциал, В; к - коэффициент, учитывающий форму частиц (равный 4 для цилиндрических и 6 для сферических); п - вязкость электролита, Па-с; Е - напряженность электрического поля, В/м; в - диэлектрическая проницаемость; во - электрическая постоянная, равная 8,85-10"12 Ф/м.

Таким образом, скорость ЭОП определяется диэлектрической проницаемостью среды, вязкостью среды и ^-потенциалом, зависящими от вида электролита, температуры и свойств поверхности канала.

В работе исследовалось влияние свойств поверхности канала на ЭОП в микрочипах, полученных разными способами. Были исследованы образцы МФЧ с канализированной пластиной из стекла К8. Ширина канала микрочипа 6о мкм, глубина 12 мкм, длина канала 42,9 мм.

Чипы 1 и 2 имели защитную пластину из стекла Ф1, были герметизированы способом термического связывания, предварительно были подвергнуты химической обработке: в первом случае - 65%-ной серной кислотой, во втором - концентрированной фосфорной кислотой. Чип 3 имел защитную пластину из стекла К8, был герметизиро-

ван методом глубокого оптического контакта (ГОК). Дополнительной химической обработки не проводилось.

В качестве электролита выбран фосфатно-цитратный буфер pH 7,55 концентрации 0,5 моль/л, ^-потенциал равен -7, 3-10"3 В.

Электроосмотическую подвижность оценивали по методу Хуанга К. (Huang X. et. al.) [7]. Метод основан на регистрации зависимости изменения тока во времени, что не требует использования специальных реагентов и детектора. Стремление системы к выравниванию концентрации за счет ЭОП приводит к повышению сопротивления, вызывающему уменьшение значения тока. После выравнивания концентрации буфера величина тока стабилизируется. Экспериментально определив время t изменения величины тока, можно получить скорость ЭОП:

Уэоп = L /t,

где L - длина канала.

В процессе подготовки к эксперименту чипов 1 и 2 проводилась промежуточная щелочная (чип 1) и кислотная (чип 2) обработка. Введение в канал слабых растворов гидроксида натрия или соляной кислоты сопровождалось последующим промыванием канала дистиллированной водой. Следует отметить кратковременную нестабильность результатов, проявляющуюся в существенном уменьшении значений подвижности ЭОП. Подобные явления характерны для первой серии измерений, поэтому для получения воспроизводимых результатов несколько экспериментов проводились без применения разности концентраций буфера.

Подвижность ЭОП определяется по формуле

Цэоп Уэоп /E.

Учитывая, что напряженность электрического поля E = U/L, где U - приложенный потенциал, можно вычислить подвижность ЭОП: Цэоп = (L2)/(Ut).

Полученные результаты представлены в таблице и дают возможность заключить, что метод герметизации МФЧ и тип используемого защитного стекла оказывают существенное влияние на величину подвижности электроосмотического потока.

№ чи- Напряжение, Кол-во изме- И0-4, Метод герметизации

па В рений n см2/

1 1000 8 2,6±0,2 (7%) термическое связывание

2 1000 8 3,1±0,6 (18%) термическое связывание

3 1000 12 1,6±0,1 (9%) ГОК

Таблица. Значения подвижности электроосмотического потока в МФЧ

Заметим, что в случае герметизации МФЧ способом термического связывания проводилась дополнительная химическая обработка. Следовательно, в этом случае наблюдается сочетание химического и термического влияний на поверхность канала. Кислотная обработка канала за счет образования химических комплексов может оказывать влияние на структуру поверхностного слоя.

Значения подвижности ЭОП для чипов 1 и 2 (таблица) близки по величине, но отличаются характером скорости изменения величины тока (рис. 1). На начальном участке измерений характер изменения скорости dI/dt у всех чипов одинаков - наблюдается спад сигнала 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 оЮ=соп81. Зависимость, наблюдаемая для чипа 2, вероятно, свидетельствует о более сложных процессах, происходящих с участием поверхностного слоя канала (возможно, отражающих какие-либо химические процессы).

200 1 0-200-400-600-

тз

-800-1000-1200-1400-

-1600

V

ПРУ7

ГСГ1

ттш

I-

3

.ОО'

ООО"

о 2 °

V

0,0

—I—

0,5

-Г-

1,0

—I—

1,5 1, т1п

2,0

-г-

2,5

—I

3,0

Рис. 1. Скорость изменения величины тока для образцов МФЧ: 1 - чип 1, 2 - чип 2, 3 - чип 3

Вышеизложенное позволяет сделать вывод, что химическая обработка влияет на свойства поверхности канала, несмотря на неявное различие в оценках подвижности ЭОП.

На основании анализа можно сделать следующие выводы.

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

2. Химическая обработка поверхности чипа перед процессом термического связывания оказывает влияние на структуру поверхности канала и, следовательно, на характер создаваемого ЭОП, но существенно не отражается на величине подвижности ЭОП.

3. МФЧ, герметизированные методом термического связывания, оказываются чувствительными к кислотности раствора при обработке и требуют предварительной подготовки перед проведением экспериментов.

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

1

Литература

1. Беленький Б.Г., Комяк Н.И., Курочкин В.Е., Евстрапов А.А., Суханов В.Л. Микрофлюидные аналитические системы // Научное приборостроение. 2000. 10. 3. С. 253258.

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. Weigl B.H., Bardell R.L., Cabera C.R. Lab-on-chip for drug development // Advanced drag delivery reviews, 2003. 55. P. 349-377.

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

5. Руководство по капиллярному электрофорезу. / Пер. Вартапетян Р.Ш., под ред. Во-лошука А.М. М, 1996. 111 с.

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

7. 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.