Как заставить частицы в микрожидкостных лабораториях двигаться самостоятельно?
Инженеры-химики из Массачусетского технологического института разработали микрочастицы, способные держаться предзаданной траектории и менять курс, чтобы проплыть ровно по центру микроканала. Теперь можно будет управлять движением частиц по микрожидкостным чипам без приложениякакой-либо внешней силы. Обычно для работы микрожидкостных "лабораторий на чипе" надо было направлять частицы по центру канала с помощью электрического или магнитного поля (или посылать два потока жидкости по периметру канала, чтобы те удерживали частицы по центру).
Новый подход опирается на такой принцип: когда частицу помещают в узкий канал, она вступает в сильные гидродинамические взаимодействия со стенками и соседними частицами. Эти взаимодействия достаточно сильны, чтобы управлять траекторией странствующих частиц.
Исследователи из МТИ поняли, что контролировать эти взаимодействия можно, изменив симметрию частиц: все они имеют форму гантели, но передний и задний диск отличаются по форме. Когда такие ассиметричные элементы плывут по узкому каналу, большой диск встречает больше сопротивления, отчего частица вертится до тех пор, когда большой диск не останется сзади.
Благодаря такой форме, частицы не только двигаются вперед, по течению, но и дрейфуют к одной из сторон канала. По мере приближения к стенке, возмущение от частиц отражается ею (вспомните, как волны в бассейне отскакивают от его стенок) - и эта сила заставляет частицу менять ориентацию и переместиться к центру канала.
Слегка ассиметричные элементы "проскочат" центр и сдвинутся к противоположной стенке, потом снова вернутся к центру, пока, со временем, не поплывут прямо. Сильно ассиметричные частицы сразу двинутся к центру, но очень медленно. Если же тщательно рассчитать правильную форму, то частица сразу же поплывет к центру за максимально короткое время.
В 2006 году Патрик Дойл (Patrick Doyle), автор настоящего исследования, придумал новый метод производства микрочастиц в огромном количестве из гидрогеля (губчатого полимера). Дойл и его коллеги светили ультрафиолетом сквозь специальную маску на поток олигомеров. При попадании на вещество образовывались частицы из твердых полимеров в форме этой маски (этот процесс называется фотополимеризацией).
Во время этой операции на одну сторону "гантели" можно вставить флуоресцентный датчик, а на другую - штрихкод (узор из точек, кодирующий молекулу, к которой находит путь частица).
Такого рода элементы могут применяться для диагностики рака и других заболеваний, обнаруживая в крови белки или последовательности ДНК, свидетельствующие о болезни. Теперь, когда инженеры улучшили навигационные способности микрочастиц, на их основе можно будет разработать новые инструменты для биопроб.
Новинка представлена в журнале Nature Communications.
По материалам пресс-релиза МТИ.
Артём Космарский nauka21vek.ru