Гидродинамический захват
В микрофлюидике гидродинамический захват — это метод улавливания очень мелких частиц в водном растворе на длительный период времени с целью изоляции частиц и наблюдения за их поведением. [1]
Микрофлюидика
[ редактировать ]Гидродинамический захват выгоден в микрофлюидике . Другие устройства улавливания используют для улавливания акустические, электрические, магнитные и оптические поля. Это устройство использует исключительно гидродинамический поток. Поскольку он не использует акустические, электрические, магнитные или оптические поля, изучаемые частицы не обязательно должны обладать химическими или физическими характеристиками, которые соответствуют этим полям. Вместо этого гидродинамический захват универсален и может использоваться для любых частиц. Гидродинамические ловушки способны удерживать мелкие наночастицы . Это связано с тем, что гидродинамическая сила захвата тесно связана с радиусом частицы, тогда как альтернативные методы захвата более тесно связаны с объемом частицы. Эти ловушки стабильны и позволяют точно контролировать факторы окружающей среды. Это означает, что если для исследования требуется конкретная наночастица в растворе, эта наночастица может быть поймана в концентрированные суспензии образцов. Окружающую среду в ловушке можно легко контролировать. [2] В дополнение к ранее упомянутым преимуществам использования гидродинамического улавливания, гидродинамическое улавливание также является относительно дешевым методом улавливания, и его очень легко использовать и анализировать. Его также просто и недорого внедрить в существующие микрофлюидные системы на основе мягкой литографии. [1]
Устройства
[ редактировать ]Первым шагом в создании микрофлюидных устройств, используемых для гидродинамического улавливания, является создание формы СУ-8 . Из этой формы можно изготовить устройство из ПДМС. Готовое устройство состоит из двух слоев: управляющего слоя и жидкостного слоя. Управляющий слой содержит клапан для регулирования потока исследуемого водного раствора. Жидкостный слой содержит каналы для прохождения водного раствора. Многие устройства имеют поперечную прорезь, в которой сходятся два противоположных ламинарных потока. Это создает плоский поток растяжения с точкой, в которой скорость становится равной нулю, что известно как точка застоя жидкости. Анализируя жидкость с шариками, ДНК или другими очень мелкими частицами под микроскопом, можно определить траектории частиц и точку застоя. [1]
Биомедицинские приложения
[ редактировать ]Микрофлюидная гидродинамика находит перспективное применение в медицине, особенно в диагностике в местах оказания медицинской помощи. Гидродинамический захват позволяет изолировать клетку-мишень из водной смеси. Существует несколько преимуществ использования гидродинамического улавливания в качестве метода разделения, в том числе: более высокая скорость обработки, меньшее использование образцов, лучшее пространственное разрешение и экономическая эффективность. Способ разделения клеток-мишеней в растворе зависит от нескольких типов воздействия. Первый – инерционные эффекты. Инерция ламинарного потока может вызвать поперечную миграцию частиц в растворе. Инерционные эффекты связаны с числом Рейнольдса . Другой эффект — вязкоупругая фокусировка в неньютоновских жидкостях . Этот эффект объясняет направления миграции различных частиц и основан на свойствах полимерных жидкостей. Другим эффектом является деформируемость частицы. Это может привести к избирательному разделению клеток по деформируемости. Этот метод особенно полезен для выявления раковых клеток, которые более деформируются, чем здоровые клетки из той же части тела. Другой метод - захват, вызванный завихренностью. Это особенно полезно в ситуациях с высокой производительностью и в ситуациях, когда существует большая разница между целевыми клетками или частицами и другими частицами в растворе. Вихри можно создавать путем изменения геометрии каналов. [3]
Липидные бислои
[ редактировать ]Гидродинамический захват также можно использовать для захвата и изучения молекул в липидных бислоях . Это делается с использованием сил гидродинамического сопротивления, которые создаются потоком жидкости через очень маленькую пипетку конической формы, расположенную примерно в одном микрометре от липидного бислоя. Это позволяет захватывать и изучать частицы, выступающие из липидного бислоя. [4]
Улавливание минералов
[ редактировать ]Гидродинамический захват может использоваться в более макроскопическом масштабе для улавливания минералов. Его можно использовать для хранения CO 2 в геотермальных резервуарах. Геотермальная энергия может привести к большим выбросам CO 2 в атмосферу. Гидронамическая улавливание позволяет CO 2 конвертировать в CaCO 3 . CaCO 3 геохимически стабилен. [5]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Джонсон-Чаваррия, ЕМ; Шредер, CM; Таньери, М.; Гидродинамическая ловушка для одиночных частиц на основе микрофлюидности. Журнал визуализированных экспериментов. 47. 2011.
- ^ «Исследование Шредера» . Scs.illinois.edu. Архивировано из оригинала 10 января 2014 года . Проверено 11 января 2014 г.
- ^ Карими А., С. Язди и А. М. Ардекани. «Гидродинамические механизмы захвата клеток и частиц в микрофлюидике». Биомикрофлюидика 7.2 (2013): 021501-021501-23.
- ^ Питер Йонссон, Джеймс МакКолл, Ричард В. Кларк, Виктор П. Останин, Бенгт Йонссон и Дэвид Кленерман; Гидродинамический захват молекул в липидных бислоях. ПНАС 2012 109 (26) 10328-10333.
- ^ Михаэль Кюн, Хельге Станек, Стефан Пайффер, Кристоф Клаузер, Минеральное улавливание CO2 в эксплуатируемых геотермальных резервуарах - численное моделирование в различных масштабах, Energy Procedia, Том 40, 2013.