Микрофлюидные каналы в зонде микроскопа позволили смешать менее пиколитра жидкости

Ученые из Нидерландов и Ирана предложили метод контролируемого набора и выделения жидкости ультрамалых объемов (менее пиколитра) через наконечник зонда атомно-силового микроскопа одновременно с исследованием топологии поверхности. Результаты исследования опубликованы в журнале Nanoscale.

За счет наличия каналов малых размеров (порядка микрон), микрофлюидные устройства позволяют изучать поведение растворов небольших объемов с пространственным разрешением. Смешивание небольших порций реагента в определенной точке пространства может позволить контролировать прохождение химических реакций. Смешивание порций меньше одного пиколитра (10^-12 литра) даст возможность исследовать реакции, которые проходят в единичной клетке.

Если манипуляции с ультрамалыми объемами жидкости проводить с использованием кантилевера атомно-силового микроскопа, можно одновременно проводить визуализацию топографии поверхности, а также силовую спектроскопию. Ранее исследователи уже создавали платформы для контролируемого выделения жидкостей через зонд, но каждый из резервуаров был соединен с отдельным наконечником, поэтому одновременное выделение жидкостей в одну точку не было возможно.

Элеонора Юлиана Ферлинден (Eleonoor Juliane Verlinden) с коллегами из Делфтского технического университета предложила модифицировать кантилевер атомно-силового микроскопа двумя микрофлюидными каналами с отверстиями у острия одного наконечника. Каждый из каналов был соединен со своим резервуаром, но дозирование жидкости осуществлялось через отверстия на конце одной иглы кантилевера. Регулируя давление в резервуарах от −500 до 500 миллибар относительно атмосферного, авторы могли регулировать подачу или забор фемто- и пиколитровых порций жидкостей и состав смеси, выходящей или всасываемой через наконечник зонда. Для визуализации движения потоков, авторы наполняли резервуары флуоресцеином и родамином, способными к люминесценции. Тонкий баланс между диффузией анализируемых веществ и конвекцией потока жидкости в каналах и жидкости, в которую помещали зонд, позволял точно дозировать объем жидкости и концентрацию анализируемых веществ.

Зонд оказался способным как получать обычные изображения атомно-силового микроскопа, так и выделять или набирать определенный ультрамалый объем жидкости через отверстия у наконечника иглы. Каналы могли заполнять из резервуара в кантилевере или всасыванием жидкости, в которую опущен зонд, через отверстия. Максимальная измеренная скорость потока через один канал составила 83 пиколитра в секунду, а минимальная — десять фемтолитров в секунду. Наименьшая скорость потока при выделении дозированного количества жидкости, когда давление в одном из резервуаров было десять миллибар, а в другом — атмосферное, оказалась 720 пиколитров в секунду.

Эксперименты с флуоресцеином показали, что зонд способен контролируемо выделять от 17,5 до 90 процентов объема резервуара. Экспериментально полученные зависимости получаемых концентраций в смесях выделяемых жидкостей от давлений в резервуарах могут быть использованы для определения других экспериментальных параметров выделения или забора заданных концентраций и объемов.

По словам авторов, предложенная микрофлюидная конфигурация позволит использовать одну и ту же иглу зонда для забора или выделения растворов внутрь живой клетки и одновременно получать ее изображение. Для применения большего числа жидкостей в дальнейшем можно делать больше каналов и резервуаров в кантилевере.

Микрофлюидные системы также используют для существенно улучшения аналитических характеристик методов. Например, ученые с помощью этой технологии увеличили на три порядка чувствительность иммунохимического метода обнаружения белков.

Алина Кротова