Микрофлюидный «бег с препятствиями» отсортирует частицы по размеру

Ученые из Института физической химии и электрохимии РАН и МГУ с помощью компьютерного моделирования обнаружили, что частицы в микроканалах можно сортировать по размерам с помощью электрического поля. Для этого в каналах должны быть углубления, создающие поперечные потоки, и смещающие частицы в сторону от основного потока в зависимости от их размера. Исследование опубликовано в журнале Soft Matter.

Микрофлюидные устройства используются для различных биологических, химических и других задач, в том числе и для разделения частиц. Нередко для этого используются электрокинетические явления — движение частиц (электрофорез) или жидкости (электроосмос) в каналах и капиллярах под действием электрического поля. Но таким образом сортируют заряженные частицы, например ионы в зависимости от их заряда.

Исследователи решили использовать это же явление для сортировки незаряженных частиц по их размеру. Для этого они смоделировали микроканал с ровной верхней стенкой и углублениями на нижней стенке, расположенными под углом к направлению канала. Частицы имели одинаковую с жидкостью плотность, и, следовательно, нейтральную плавучесть, то есть не всплывали и не тонули в жидкости.

Ученые создавали электрическое поле, направленное вдоль микроканала, за счет чего жидкость и частицы в нем начинали двигаться. Из-за того, что углубления на дне канала расположены под углом к направлению поля, в них формировался поперечный поток жидкости. Этот поток воздействовал на частицы и отклонял их от направления поля. Поскольку величина этого воздействия зависит от близости к углублениям, более крупные частицы отклонялись не так сильно, как мелкие. В итоге, в конце канала частицы распределились по размеру.

Исследователи считают, что предложенный метод может использоваться на практике при создании микрофлюидных чипов для разделения различных частиц. Стоит отметить, что в моделировании не учитывалось влияние боковых стенок канала на потоки жидкости, то есть канал считался бесконечно широким.

Недавно ученые из Нидерландов разработали микрофлюидный чип для разделения фрагментов ДНК по размерам. Он также работает с помощью электрического поля: помимо продольного поля в нем есть переменное поперечное, которое заставляет фрагменты отклоняться от изначальной траектории, причем это отклонение зависит от длины фрагмента.

Григорий Копиев