СПОСОБ ДОЗИРОВАНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ МИКРОКОЛИЧЕСТВ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01F13/00 G01N21/01 

Предлагаемое изобретение относится к области микрофлуидики, комбинаторной и аналитической химии, биотехнологии и фармацевтики и может быть использовано для бесконтактного дозирования и перемещения микрокапель жидкости из микрорезервуаров, содержащих как растворы жидкостей с включенными в их объем различными биологическими или иными объектами типа молекул ДНК, вирусов, микробов, микрокапель жидкости, твердых частиц и т.д., так и без них, через сеть микроканалов к другим микрорезервуарам для проведения химических реакций либо анализа.

Известен микрофлуидный актюатор [1], позволяющий дозировать объем жидкости и прокачивать его через микроканалы. Принцип действия этого актюатора состоит в создании перепада давления вдоль микроканалов, соединяющих резервуары, за счет электрически управляемой разгерметизации вакуумной камеры, соединенной с одним из резервуаров.

Данный актюатор не позволяет осуществлять многократную прокачку и предъявляет высокие требования к герметичности вакуумной камеры.

Известны метод и устройство [2], позволяющие формировать и перемещать сегменты малых объемов жидкости, где каждый сегмент разделен сегментирующей жидкостью. Сегменты жидкости могут содержать различные реагенты, молекулы и частицы, которые доставляются к аналитическим датчикам в этом микрофлуидном устройстве. Жидкость приводится в движение за счет электрокинетических сил (электроосмоса), индуцированных разностью потенциалов, прикладываемой к электродам, которые размещены вдоль микроканала и находятся в контакте с жидкостью.

К недостаткам такого способа и устройства относятся необходимость непосредственного контакта электродов с жидкостью. Кроме того, недостатками электрокинетических способов прокачки являются их чувствительность к загрязнениям, которые адсорбируются на стенках микроканалов; выделение джоулева тепла в жидкости; высокое управляющее напряжение, достигающее несколько сотен вольт;

появление продуктов электрохимической реакции - пузырьков газа, забивающих микроканалы [3].

В статье [4] описан способ термокапиллярной прокачки дискретных капель жидкости в микроканалах. В этом способе при нагреве одного из концов капли, находящейся в микроканале, посредством вмонтированных в стенку микроканала резистивных нагревателей создается разность в поверхностном натяжении между противоположными концами капли, которая вызывает разность капиллярных давлений, приводящую каплю в движение.

Недостатками такого способа являются высокая рабочая разность температур (до 70°С) между концами капли, что не позволяет использовать его для прокачки жидкостей с низкой температурой кипения или жидкостей, содержащих биологические объекты. Применение охлаждающих элементов Пельтье для увеличения перепада температур без повышения средней температуры капли значительно усложняет конструкцию устройства и процедуру прокачки.

Патент [5] раскрывает способ формирования микрокапель жидкости и способ их прокачки через микроканалы. Формирование капель производится путем инжекции порций газа через гидрофобное отверстие в стенке микроканала, частично заполненного жидкостью. Далее, отделенные от основной жидкости капли прокачиваются через микроканал под действием термокапиллярных сил, вызываемых нагревом одного из концов капли с помощью решетки микронагревателей, вмонтированных в стенку микроканала.

Существенными недостатками представленного способа формирования капель является использование дополнительных микронасосов, а также необходимость специальной обработки внутренней поверхности микроканала, чтобы сделать ее гидрофобной. Недостатки термокапиллярной транспортировки микрокапель описаны выше.

Таким образом, устройства для осуществления предложенных способов крайне сложны в изготовлении, а сами способы трудно контролируемы из-за использования большого числа управляющих элементов.

Предлагаемый способ и устройство позволяют существенно упростить процесс дозирования микрообъемов (микрокапель) жидкости и сделать его контролируемым; перемещать микрокапли бесконтактно, что важно в случае агрессивных жидкостей; упростить изготовление устройства, т.к. нет необходимости наносить изоляционные и гидрофобные слои, а также формировать решетки резистивных нагревателей, либо электроды.

Способ состоит в использовании для дозирования и перемещения микрокапель жидкости концентрационно-капиллярного (КК) эффекта, индуцированного тепловым действием оптического излучения [6, 7]. Этот эффект наблюдается в растворах, в состав которых входит летучая компонента, уменьшающая с ростом ее концентрации поверхностное натяжение (ПН) раствора. Если на трехфазную границу жидкость/газ/твердое тело такого раствора направить пучок света, который поглощается жидкостью, либо поверхностью твердого тела, то из-за локального нагрева раствора происходит локальное испарение летучей компоненты. Поскольку в облучаемой области концентрация указанной компоненты падает, то поверхностное натяжение раствора здесь растет. На свободной поверхности жидкости возникает разность поверхностного натяжения (т.е. тянущая сила), направленная в область нагрева. Под действием тянущей силы жидкость течет в эту область и формирует микрокаплю (Фиг.1а), которая растет в размерах, (Фиг.1б). По достижению микрокаплей определенных размеров она самостоятельно удаляется от трехфазной границы (Фиг.1в). Затем в том же месте формируется следующая микрокапля (Фиг.1г), т.е. процесс повторяется. Размер микрокапли, обособившейся от основного объема раствора, зависит от времени облучения, интенсивности пучка и расстояния от центра пучка до трехфазной границы, а также от состава раствора. Подбирая указанные параметры пучка можно дозировать микрокапли заданного объема.

На Фиг.1 представлены последовательные стадии формирования обособленной микрокапли: 1а - возникновение микрокапли в области облучения, 1б - рост микрокапли, 1в - самостоятельное удаление микрокапли от основного объема раствора, 1г - возникновение следующей микрокапли. Жидкостью служил 5% раствор йода в ацетоне, где летучей компонентой был ацетон. Облучение осуществлялось сфокусированным пучком ртутной лампы ДРШ-100 мощностью около 30 мВт. Интервал между снимками равен 2 с.

После того, как микрокапля сформирована, она может быть перемещена по твердой поверхности бесконтактным образом, с помощью того же КК эффекта, индуцированного тепловым действием света. Для этого пучок, который вызвал формирование микрокапли, смещают в том направлении, куда необходимо перемещать микрокаплю. На ближней к границе пучка стороне микрокапли температура выше, что вызывает здесь более интенсивное испарение летучей компоненты и рост поверхностного натяжения. По поверхности микрокапли возникают течения, которые переносят вещество микрокапли из ее части, удаленной от центра пучка, где ПН меньше, в ближнюю к пучку часть. Эти течения и вызывают движение микрокапли за пучком света.

На Фиг.2 показана кинограмма движения в пучок света микрокапли из 5% раствора йода в этаноле (интервал между кадрами 6 с, мощность пучка 20 мВт, диаметр капли около 300 мкм), а на Фиг.3 - капли из 5% раствора йода в броме (интервал между кадрами 4 с, мощность пучка 30 мВт, диаметр капли на первом кадре около 400 мкм).

Пример схемы устройства для дозирования и перемещения микроколичеств жидкости с восемью микрорезервуарами показан на Фиг.4 (общий вид), Фиг.5 (вид сверху), Фиг.6 (вид спереди), Фиг.7 (вид сбоку), Фиг.8 (вид в сечении А-А'), Фиг.9 (вид в сечении В-В'), а принцип его работы пояснен на Фиг.10-13 (вид в сечении А-А').

Здесь: 1 - подложка (напр., карболит, эбонит, кварц или силикатное стекло), 2 - прозрачное для оптического излучения окно (напр., кварц или силикатное стекло), 3-10 - микроотверстия для ввода/вывода жидкостей в микрорезервуары, а также для ввода в микрорезервуары аналитических датчиков, 11-18 - микрорезервуары, 19-25 - микроканалы, 26 - жидкость. Микрорезервуары 11, 12, 14, 15, 17 и 18 удобно использовать как хранилища исследуемых жидкостей и жидких реагентов, а микрорезервуары 13 и 16 - как микрореакторы или как микрорезервуары для анализа жидкостей.

Устройство работает следующим образом. Микрообъемы исследуемых жидкостей, содержащих различные включения или без них, закачивают с помощью микрошприца в микрорезервуары через микроотверстия в окне 2. Затем микрообъемы этих жидкостей дозируют и перемещают с помощью пучка света от одних микрорезервуаров к другим для проведения химических реакций или анализа.

Рассмотрим процесс дозирования и перемещения жидкости из микрорезервуара 11 в микрорезервуар 13. Для формирования микрокапли используют оптическое излучение любого источника (напр., лазер, светодиод, дуговая газоразрядная лампа, лампа накаливания), для которого окно 2 является прозрачным, а жидкость - поглощающей. Излучение этого источника направляют на трехфазную границу в микрорезервуаре 11, Фиг.10. Тепловое действие излучения вызывает КК эффект, который приводит к формированию микрокапли жидкости в области падения пучка, Фиг.11. По достижению микрокаплей необходимого объема, который контролируют, наблюдая за ней в окно 2, ее перемещают от микрорезервуара 11 по микроканалу 19 к микрорезервуару 13 путем смещения того же пучка света по указанной траектории, Фиг.12 и 13.

Аналогичным образом осуществляют дозирование и перемещение микрокапель жидкости из любого другого микрорезервуара.

Возможны и легко реализуемы устройства с любым другим числом микрорезервуаров, произвольным способом соединеных между собой микроканалами.

Таким образом, представленные способ и устройство обладают следующими преимуществами.

Процессы дозирования и перемещения микрообъемов жидкости существенно упрощаются, поскольку они осуществляются с помощью одного и того же пучка света, и дополнительные устройства типа микронасосов или вакуумных камер не требуются.

Дозирование и перемещение производятся бесконтактно, что важно при работе с агрессивными, токсичными и радиоактивными жидкостями.

Доступен широкий выбор источников оптического излучения (лазеры, светодиоды, дуговые газоразрядные лампы и лампы накаливания), достаточно лишь чтобы излучение источника поглощалось веществом дозируемой и перемещаемой жидкости, либо материалом подложки устройства.

Процесс дозирования микрокапли можно контролировать, наблюдая за ней в прозрачное окно, что позволяет легко получать микрокапли заданного объема.

Изготовление устройства также заметно упрощается, т.к. нет необходимости наносить изоляционные и гидрофобные слои, и формировать решетки резистивных нагревателей, либо электроды. Достаточно изготовить прозрачное для оптического излучения окно.

При этом для изготовления устройства можно использовать материал с любыми тепловыми и электрическими характеристиками (напр., кремний, кварц, силикатное стекло, керамики, пластики). Необходима лишь химическая инертность этого материала по отношению к дозируемым жидкостям, а для материала окна, кроме того, - прозрачность к оптическому излучению.

Поскольку для осуществления способа не требуется заметный нагрев жидкости (при использовании высоколетучих компонент раствора, таких как ацетон или хлороформ с температурой кипения 56.2 и 61.1°С [8], достаточен нагрев на 10-20°С от комнатной температуры) и в ней не течет электрический ток, то в качестве веществ дозируемых и перемещаемых жидкостей могут выступать как истинные растворы, так и растворы, включающие транспортируемые объекты, такие как биологические, химические и другие материалы, напр., молекулы ДНК, бактерии, кровяные тельца, белки, живые клетки, споры, пептиды, протеины, коллоидные и твердые частицы, пигменты, микрокапельки жидкости, несмешивающейся с несущей жидкостью и т.д. Достаточно, чтобы в состав раствора входила летучая компонента, уменьшающая с ростом ее концентрации поверхностное натяжение. Такие компоненты легко подобрать, напр., в случае водных растворов ими могут служить низкомолекулярные спирты или кетоны.

ЛИТЕРАТУРА

1. US patent N6521188, 2003, 18 Feb. J.R.Webster. Microfluidic Actuator.

2. US Patent 6524456 Bl. J.M.Ramsey, S.C.Jacobson. Microfluidic Devices for the Controlled Manipulation of Small Volumes. Feb.25, 2003.

3. G.M.Whitesides, A.D.Stroock. Flexible Methods for Microfluidics. // Physics Today, Vol.54, N.6, pp.42-48, 2001.

4. T.S.Sammarco, M.A.Burns. Thermocapillary Pumping of Discrete Drops in Microfabricated Analysis Devices. // AlChE Journal, Vol.45, No.2, pp.350-362,1999.

5. US patent N6130098. К.Handique, В.Gogoi, M.Bums, С.Mastrangelo. Moving Microdroplets. 10 Oct. 2000.

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

8. Физические величины: Справочник. Под ред. акад. Григорьева И.С, Михайлова Е.З. - M.: Энергоатомиздат, 1991.

Изобретение относится к области микрофлуидики, комбинаторной и аналитической химии, биотехнологии и фармацевтики и может быть использовано для бесконтактного дозирования и перемещения микрообъемов жидкости из микрорезервуаров, содержащих как истинные растворы, так и растворы, включающие транспортируемые объекты, такие как биологические, химические и другие материалы, например молекулы ДНК, бактерии, кровяные тельца, белки, живые клетки, споры, пептиды, протеины, коллоидные и твердые частицы, пигменты, микрокапельки жидкости, несмешивающейся с несущей жидкостью, и т.д., через сеть микроканалов к другим микрорезервуарам для проведения химических реакций либо анализа. Изобретение позволяет упростить процесс дозирования микроколичеств жидкости и сделать его контролируемым. При дозировании и перемещении микроколичеств жидкости используют концентрационно-капиллярный эффект, вызванный тепловым действием света. Дозирование жидкости осуществляют путем облучения трехфазной границы жидкость/газ/твердая подложка пучком света. В облучаемой области трехфазной границы формируется микрокапля жидкости, объем которой определяется временем облучения, интенсивностью пучка и расстоянием от центра пучка до трехфазной границы. По достижению микрокаплей необходимого объема ее перемещают по поверхности твердой подложки в заданное место путем перемещения светового пятна того же пучка по поверхности твердого тела. Контроль за дозированием и перемещением микрообъемов жидкости осуществляют путем визуального наблюдения. Источник света подбирают так, чтобы его излучение поглощалось жидкостью и/или материалом твердой подложки, на которой она находится. Для получения концентрационно-капиллярного эффекта используют жидкости, в состав которых входит летучая компонента, уменьшающая с ростом ее концентрации поверхностное натяжение. Устройство для осуществления дозирования выполнено в виде подложки, в объеме которой имеются микрорезервуары и соединяющие их микроканалы. Подложка закрыта прозрачным для оптического излучения окном так, что обеспечивается оптический доступ к микрорезервуарам и микроканалам. В окне над микрорезервуарами имеются микроотверстия для ввода/вывода жидкости в микрорезервуары и для помещения в них аналитических датчиков. 2 н.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ дозирования и перемещения микроколичеств жидкости, отличающийся тем, что для дозирования и перемещения микроколичеств жидкости используют концентрационно-капиллярный эффект, вызванный тепловым действием света, дозирование жидкости осуществляют путем облучения трехфазной границы жидкость/воздух/твердая подложка пучком света, количество дозированной жидкости определяется временем облучения, интенсивностью пучка и расстоянием от центра пучка до трехфазной границы, перемещение дозированного объема жидкости производят путем перемещения светового пятна того же пучка по поверхности твердой подложки, контроль за процессами дозирования и перемещения микроколичеств жидкости осуществляют визуально, при этом спектральный состав пучка света такой, что жидкость и/или материал твердой подложки, на которой она находится, поглощает это излучение, а в состав жидкости входит летучая компонента, уменьшающая с ростом ее концентрации поверхностное натяжение.2. Устройство для дозирования и перемещения микроколичеств жидкости в виде подложки, в объеме которой имеются микрорезервуары и соединяющие их микроканалы, закрытой прозрачным для оптического излучения окном так, что имеется оптический доступ к микрорезервуарам и микроканалам, а в окне над микрорезервуарами имеются микроотверстия.