МЕХАНИЗМЫ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ МАКРОМОЛЕКУЛ И МНОГОВАЛЕНТНЫХ ИОНОВ В РАСТВОРЕ ЭЛЕКТРОЛИТА В МИКРОУСТРОЙСТВАХ

Автор: Георгий Сергеевич Ганченко

Соавторы: Ганченко Г.С., Демехин Е.А.

Организация: Лаборатория электро- и гидродинамики микро- и наномасштабов, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации

Ионообменные мембраны находят широкое применение в биомедицине, особенно в создании лабораторий на чипе и при решении задач медицинского и химического анализа. Одной из ключевых проблем является чрезвычайно низкая концентрация биомолекул, таких как пептиды или ДНК, в биологических жидкостях, что затрудняет их обнаружение и анализ. Для преодоления этой проблемы активно разрабатываются методы локального концентрирования, позволяющие многократно увеличить содержание целевых веществ в ограниченных зонах. В литературе описаны устройства, обеспечивающие повышение локальной концентрации на несколько порядков — вплоть до миллионов раз [1]. Несмотря на такие впечатляющие достижения, широкого внедрения эти технологии пока не получили [2]. Это может быть связано как с узкими диапазонами рабочих параметров, ограничивающими адаптацию устройств под разные задачи, так и с отсутствием глубокого теоретического анализа, необходимого для их надёжного масштабирования и оптимизации.

В рамках нашего исследования было проведено численное моделирование устройства сферической геометрии [3,4], которое позволило выявить два различных механизма концентрирования макромолекул и ионов в растворах электролитов. Первый механизм связан с накоплением макромолекул в зоне обессоливания — области с пониженной концентрацией соли, возникающей под действием электрического поля. Второй механизм наблюдается в зоне повышенной концентрации соли и преимущественно действует на многовалентные ионы. 

Для более глубокого понимания этих процессов была разработана упрощённая модель в виде трехслойной системы [5] (см. рис.). Исследование одномерных стационарных решений позволило получить аналитические оценки степени концентрирования, зависящие от физических параметров среды и свойств анализируемых частиц. Эти формулы дают возможность количественно описывать оба механизма концентрирования и могут быть использованы для проектирования более эффективных устройств.

1. Wang Y.-C., Stevens A. L., Han J. Million-fold Preconcentration of Proteins and Peptides by Nanofluidic Filter // Anal Chem. 2005. Vol. 77(14). P. 4293–4299.

2. Ouyang W. et al. Deciphering ion concentration polarization-based electrokinetic molecular concentration at the micro-nanofluidic interface: theoretical limits and scaling laws // Nanoscale. 2018. Vol. 10(32). P. 15187–15194.

3. Ganchenko G.S., Alekseev M.S., Demekhin E.A. Gravitation effect on concentration of ions near ion-selective microparticle // Microfluid Nanofluid. 2023. Vol. 27(5). P. 32.

4. Ganchenko G.S. et al. Weakly Charged Analyte Concentration Scenarios Near an Ion-selective Microparticle // Microgravity Sci. Technol. 2025. Vol. 37(2). P. 18.

5. Ганченко Г.С., Шелистов В.С., Ольберг И.И., Моршнева И.В., Демехин Е. А. Моделирование влияния конвективных течений через ионоселективную область на токовые режимы в бинарных растворах электролитов // Коллоидный журнал. 2025 (принята в печать).