Численное и экспериментальное исследование суперконцентрации около ионоселективной микрогранулы

Автор: Максим Сергеевич Алексеев

Соавторы: Ганченко Г.С, Мороз И.А., Мареев С.А.

Организация: Кубанский государственный университет

Проблема детектирования веществ из микропроб биологических жидкостей, связанная с малой концентрацией аналита, является одной из основных преград в проведении медицинских/химических анализов в подобных масштабах. Главной причиной этой проблемы является очень малая концентрация исследуемых веществ (молекулы ДНК, пептиды), из-за которой в области детектора статистически может не оказаться частиц, что приведёт к ложноотрицательному результату анализа.

Для решении этой проблемы можно заранее концентрировать исследуемые частицы в детектируемой области [1], выгодно использовать электрокинетические эффекты в жидкостях, проявляющиеся сильнее всего вблизи ионоселективных поверхностей [2]. В докладе будут представлены результаты численного моделирования концентрирования взвешенных микромолекул и наночастиц вблизи ионоселективной гранулы, которые также будут качественно сравниваться с полученными экспериментальными результатами в такой же постановке. В расчётах представлено моделирования микроустройства, состоящего из сферической внешней камеры, внутри которой помещена ионоселективная частица, сквозь внешнюю камеру протекает, в отличие от ранее рассмотренной задачи [3], тернарный электролит. Поток жидкости возникает за счёт как электроосмоса, так и градиента давления. В экспериментальной постановке используется аналогичная схема устройства, но с цилиндрической формой внешней камеры, что качественно не отражается на полученных результатах. В экспериментальной ячейке помимо исследуемой камеры также присутствуют электродные камеры, соединённые с исследуемой каналом.

Численное моделирование показало новые интересные эффекты концентрирования, вызванные значительным отличием в коэффициентах диффузии между хлором и красителем Rhodamine-6G. Численное моделирования также показало, что возможно регулировать толщину и общую концентрацию струи не только за счёт разности потенциалов, но и градиента давления. Данные явления удалось подтвердить с помощью проведённых экспериментов, которые качественно совпадают с ними.

1.Wang Y.-Ch., Stevens A. L. Han J.  Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter // Anal. Chem. 2005 . 77 . P 4293-4299.

2. Shau-Chun Wang, Hsien-Hung Wei, Hsiao-Ping Chen, Min-Hsuan Tsai, Chun-Ching Yu, and Hsueh-Chia Chang. Dynamic superconcentration at critical-point double-layer gates of conducting nanoporous granules due to asymmetric tangential fluxes // Biomicrofluidics, 2008. V. 2, 014102.

3.  Shiffbauer J., Ganchenko G., Nikitin N., Alekseev M., Demekhin E. Novel electroosmotic micromixer configuration based on ion-selective microsphere // Electrophoresis, 2021. V. 42, P.2511-2518.