Железнодорожная боковая миграция частиц через неповрежденный участок

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21775 (2022) Цитировать эту статью

447 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

В этой статье представлен метод нанесения послойного покрытия (LbL) на частицы в микрофлюидном устройстве с направляющим рельсом. Пассивный микрофлюидный подход позволяет обрабатывать суспензии частиц, подлежащих нанесению в систему. Траектория частиц контролируется с помощью выгравированных направляющих, вызывающих боковое движение частиц, сохраняя при этом аксиально ориентированный поток жидкости (и границу раздела различных жидкостей) невозмущенным. Для определения работоспособной геометрии устройства были изучены глубина и угол наклона рельсов, а также скорость жидкости. Прерывистая процедура нанесения покрытия LbL была преобразована в один непрерывный процесс, продемонстрировав, что чип может выполнять семь последовательных этапов, обычно выполняемых в периодическом режиме, что в дальнейшем легко расширяется до большего количества циклов. Покрытие частиц двумя бислоями было подтверждено флуоресцентной микроскопией.

Способность манипулировать микрочастицами имеет решающее значение для многих приложений в технике, химии, биологии и физике. Различные приложения требуют обработки, сортировки или самосборки частиц. Разработка продвинутых частиц требует использования процессов осаждения для производства сложных наноструктурированных строительных блоков. Одним из методов осаждения, который очень популярен в настоящее время, является метод послойной сборки (LbL) 1,2, предложенный Дечером и др. Этот метод имеет множество преимуществ: простота приготовления, универсальность, улучшение свойств материала, контроль над структурой материала, пористостью, надежностью, возможность применения высоких нагрузок биомолекул в пленках3. Метод LbL получил значительное внимание в инженерных и биомедицинских областях и применяется, например, для доставки лекарств, интегрированной оптики, датчиков и покрытий, снижающих трение. В классическом методе ЛбЛ тонкие пленки формируются путем последующего осаждения противоположно заряженных полиэлектролитов (полимерных электролитов) на подложку любой формы, в результате чего образуются полиэлектролитные мультислои. Адсорбция пленки происходит главным образом в результате электростатических взаимодействий, происходящих между поликатионными и полианионными электролитами. Слой можно получить несколькими способами, например, путем нанесения покрытия погружением, центрифугирования или нанесения покрытия распылением. Автоматизация процессов LbL с использованием обычных реакторов макромасштаба весьма желательна, но сложна в реализации. Эти трудоемкие и непостоянные процессы обычно требуют громоздкого и дорогого оборудования. Более того, часто встречаются такие проблемы, как неоднородность и агрегация микрокапсул, требующие применения последующих стадий обработки, таких как центрифугирование, промывание и ресуспендирование. Кроме того, при периодических процессах расход реагентов выше, что может быть важным фактором, например, при использовании дорогого лекарства.

Обращение с частицами имеет важное значение в подходах к производству частиц. Среди многих доступных методов оптический пинцет чрезвычайно эффективен для манипулирования отдельными объектами. Оптические пинцеты используют силы, создаваемые сильно сфокусированным лучом света, для захвата и перемещения частиц размером от десятков нанометров до десятков микрометров и могут использоваться для организации плоских ансамблей коллоидных частиц, а также для создания оптических насосов и клапанов, построенных из коллоидные частицы в микрофлюидных каналах активируются оптическим пинцетом4,5,6. Другой метод манипулирования частицами использует звуковые волны, требующие более низкой плотности мощности, чем оптический пинцет. Дин и др. разработали акустическое устройство, основанное на стоячих поверхностных акустических волнах, которое может улавливать и манипулировать отдельными микрочастицами с контролем в реальном времени7. Акустическая стоячая волна с непрерывным потоком используется для разделения частиц размером от десятков нанометров до десятков микрометров. Технология акустического пинцета облегчает фокусировку, разделение, выравнивание и формирование рисунка частиц8,9,10. Сфокусированная поверхностная акустическая волна (FSAW) использовалась в микрофлюидной среде для производства микрокапсул со структурой ядро-оболочка11. Магнитными частицами можно манипулировать в микрофлюидных каналах с помощью магнитного поля12,13. Магнетизм использовался в микрофлюидике для приведения в действие, манипулирования и обнаружения. Силы, задействованные в микромагнитофлюидике, подробно описаны и в целом хорошо изучены14. На сегодняшний день разработано множество приложений, ярким примером которых является непрерывная магнитная сепарация частиц и клеток15. Еще одним активным методом контроля движения частиц является диэлектрофорез под наклоном16. Зигзагообразная траектория частиц через три параллельных ламинарных потока была реализована с помощью пар соседних наклонных параллельных электродов, расположенных зигзагообразно вокруг микрофлюидного канала16. Методы управления движением микрочастиц в микрофлюидных устройствах уже широко изучены и описаны17.

15 mm s−1 with a rail depth < 100 µm. Regime 2 was observed for velocities of the liquids > 15 mm s−1 and rails of the depth > 160 µm. Regime 3 was observed for low velocities of the liquids < 15 mm s−1 for all tested rails./p> > D0, and therefore Deff is determined by the roughness of the channel walls, Deff ≈ Rgvrg/4, while thermal diffusion is negligibly small in comparison to the random movements due to the wall imperfections. Using Stokes–Einstein formula, we can formally introduce an effective “temperature”, Teff, that characterizes the fluctuations of the particle motion due to the roughness of the channel wall, Deff = kBTeff/(6πηrp). We note that this quantity, Teff, has a different nature than usual T (which is a measure of thermal noise) and characterizes the intensity of the noise resulting from the collisions of a particle with the surface roughness: Teff = f(Rg)./p> 5 mm between them./p> > w, is related to the coordinate y by the simple analytical expression:/p>, measured experimentally, and therefore it is useful to express v(y) via this known quantity. The average velocity can be calculated by integrating Eq. (3) along the height, from −w/2 to w/2, and dividing by w, resulting in:/p>> w, and the maximum value,/p>, is related with vmax(x = 0) via the same relation as and vmax in Eq. (6):/p>