RU2291402C1 - Способ инкапсулирования порций жидкости в газовые пузырьки - Google Patents
Способ инкапсулирования порций жидкости в газовые пузырьки Download PDFInfo
- Publication number
- RU2291402C1 RU2291402C1 RU2005112111/12A RU2005112111A RU2291402C1 RU 2291402 C1 RU2291402 C1 RU 2291402C1 RU 2005112111/12 A RU2005112111/12 A RU 2005112111/12A RU 2005112111 A RU2005112111 A RU 2005112111A RU 2291402 C1 RU2291402 C1 RU 2291402C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solution
- liquid
- bubble
- gas bubble
- light beam
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)
- Manufacturing Of Micro-Capsules (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области аналитической химии, биотехнологии, фармацевтики, микрофлуидики и может быть использовано для инкапсулирования в газовые пузырьки порций дозируемой жидкости, которая может нести различные реагенты, и для транспортирования инкапсулированной в газовый пузырек порции жидкости к реакторам или к аналитическим датчикам в лаборатории на чипе с помощью пучка света. В способе инкапсулирования порций жидкости осуществляют облучение раствора жидкости и перемещают пучком света каплю жидкости. В способе используют ячейку, заполненную раствором, в котором образуют газовый пузырек, граничащий своей поверхностью с раствором. При облучении смачивающей пленки раствора возникают концентрационно-капиллярные силы, под действием которых осуществляется течение жидкости в газовый пузырек и формирование порции жидкости в виде капли, инкапсулированной в газовом пузырьке. Затем полученную порцию жидкости в газовом пузырьке перемещают пучком света в заданное место ячейки. Способ исключает процесс рассеяния реагентов при их транспортировании через микрофлуидное устройство и повышает степень контроля за порциями транспортируемых реагентов. 5 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к области аналитической химии, биотехнологии, фармацевтики, микрофлуидики и может быть использовано для инкапсулирования в газовые пузырьки порций дозируемой жидкости, которая может нести различные реагенты (микробиологические объекты или твердые микро- и наночастицы), а также для транспортировки инкапсулированной в газовый пузырек порции жидкости к реакторам или к аналитическим датчикам в лаборатории на чипе с помощью пучка света.
Традиционно в микрофлуидных устройствах жидкость, содержащая реагенты, транспортируется через микроканалы под действием градиента давления, создаваемого каким-либо механическим способом (см. например [1-2]), либо под действием электроосмоса, например [3-4]. Однако подход [1-2] имеет существенный недостаток из-за того, что в микроканалах течение жидкости носит ламинарный характер Re<30 [5] с параболическим профилем скорости по сечению, что приводит к дисперсии части реагентов, инжектируемых в микроканал с прокачиваемой через него несущей жидкостью. Таким образом, из-за неодинаковой скорости течения жидкости по сечению канала транспортируемые частицы рассеиваются вдоль него. Учитывая, что электроосмотическое течение (см. например [3-4]) имеет почти линейный профиль распределения скоростей, отмеченная выше проблема частично решается, но поскольку в типичных микрофлуидных приборах каналы имеют множественные искривления и изгибы, то рассеяние на таких участках происходит даже при электроосмотическом течении.
Техническим результатом изобретения является исключение процесса рассеяния реагентов при их транспортировке через микрофлуидное устройство и, в целом, повышение степени контроля за порциями транспортируемых реагентов. Технический результат достигается тем, что используют ячейку, заполненную раствором, в котором образуют газовый пузырек, граничащий своей поверхностью с раствором, а при облучении смачивающей пленки раствора возникают концентрационно-капиллярные силы, под действием которых осуществляется течение жидкости в газовый пузырек и формирование порции жидкости в виде капли, инкапсулированной в газовом пузырьке, а затем полученную порцию жидкости в газовом пузырьке перемещают пучком света в заданное место ячейки.
Концентрационно-капиллярные силы возникают вследствие изменения величины поверхностного натяжения вдоль поверхности жидкости, являющейся раствором тензоактивного вещества [6-7] в летучем растворителе, ограниченной газовой фазой и поглощающей оптическое излучение, при тепловом воздействии на эту поверхность пучка света.
Предлагаемый здесь способ инкапсулирования дискретных порций раствора и транспортировки порции в газовом пузырьке реализуется следующим образом.
На Фиг.1 показана принципиальная схема способа (вид сбоку). Здесь 1 - ячейка Хеле-Шоу, служащая прототипом микрофлуидного устройства; 2 - прозрачные для оптического излучения верхняя и нижняя стенки (стекло, кварц и т.п.); 3 - раствор, заполняющий ячейку, поглощающий оптическое излучение и содержащий тензоактивную компоненту; 4 - газовый пузырек, вся поверхность которого находится в контакте с раствором 3; 5 - смачивающая пленка раствора под пузырьком; 6 - концентрационно-капиллярные силы; 7 - порция раствора в виде капли; 8 - поток пара летучей компоненты; 9 - пучок света; 10 - микроскоп для наблюдения процесса инкапсулирования порции жидкости в пузырек и ее транспортировки. Способ создания пузырька в ячейке может быть любым: например впрыскивание микропипеткой инертного газа или воздуха, или локальное нагревание жидкости до образования парового пузырька.
Когда пучок света 9 проецируется на смачивающую пленку раствора 5 между нижней стенкой ячейки и пузырьком, то из-за локального нагрева раствора происходит испарение его летучей компоненты 8 и, следовательно, повышение поверхностного натяжения раствора в зоне облучения. Возникшая между облучаемым участком и периферией пузырька разность в поверхностном натяжении создает концентрационно-капиллярную тянущую силу 6, направленную в зону облучения. Под действием этой силы жидкость течет в пузырек и формирует в нем сгусток в форме капли 7, объем которой растет с течением времени. Таким образом, порция раствора в виде капли оказывается инкапсулированной в газовую фазу (Фиг.2 и 4).
На Фиг.2 (вид сверху) показана последовательность кадров процесса инкапсулирования порции жидкости из раствора йода в бутаноле в воздушный пузырек с начальным диаметром около 1 мм (Фиг.2а), расположенный в ячейке Хеле-Шоу с зазором 50 мкм. На Фиг.2а штриховой окружностью отмечена граница проекции пучка света на смачивающую пленку под пузырьком. На Фиг.2б показано фото инкапсулированной в пузырек порции раствора объемом около 40×10-12 л через 60 с после начала облучения (Фиг.2а). Пленку под пузырьком облучали сфокусированным пучком света от ртутной лампы ДРШ-100 интенсивностью около 80 мВт/мм2.
Объем полученной порции контролируется по длительности процесса облучения, по величине диаметра пузырька перед началом облучения (Фиг.3), а также по изменению интенсивности пучка света и его диаметра. Подбором указанных параметров порция раствора заданного объема инкапсулируется в пузырек.
На Фиг.3 представлены эволюционные кривые видимого диаметра капли, инкапсулируемой в воздушные пузырьки разного диаметра (квадратные маркеры соответствуют диаметру пузырька до облучения 0.2 мм, круглые - 0.6 мм; треугольные - более 1 мм). Здесь использована ячейка с зазором 10 мкм, заполненная рабочим раствором йода в этаноле с концентрацией порядка 60 г/л. Пучок света - сфокусированное излучение ртутной лампы ДРШ-100 интенсивностью около 80 мВт/мм2.
На Фиг.4 проиллюстрировано инкапсулирование порции раствора медицинского препарата «Деринат» [8] в этиловом спирте (1:5), окрашенного бриллиантовым зеленым, в воздушный пузырек диаметром 1.4 мм, находящемся в ячейке с зазором 50 мкм. Пленку раствора под пузырьком облучали сфокусированным эллиптичным пучком полупроводникового лазера (20 мВт, 659 нм). На Фиг.4а показан спроецированный на пленку под пузырьком пучок света, на Фиг.4б - спустя 80 с после начала облучения инкапсулированная в пузырек порция раствора.
После того как порция заданного объема инкапсулирована в пузырек, порция жидкости в пузырьке транспортируется в заданное место микрофлуидного устройства с помощью смещения пучка света относительно границы пузырька в заданном направлении [6-7].
На Фиг.5 показана фотография движущейся за пучком света порции жидкости в пузырьке с максимальной скоростью более 1 см/с (направление движения из левого нижнего угла в правый верхний). О большой скорости движения свидетельствует вихревой след, образованный за движущейся порцией жидкости, и вытянутый в эллипс пузырек, кормовая граница которого оказалась за кадром. Здесь порция жидкости в виде капли диаметром 100 мкм инкапсулирована в воздушный пузырек из 5% раствора йода в ацетоне, заполняющего ячейку зазором 10 мкм, под действием сфокусированного в пятно излучения лампы ДРШ-100 с интенсивность 80 мВт/мм2.
Таким образом, представленный способ позволяет исключить процесс рассеяния реагентов вдоль микроканалов и полостей микрофлуидного устройства, поскольку порции жидкости отделяются от общего объема в газовые пузырьки под действием сил, направляющих течение жидкости из объема в пузырек, а затем транспортируются в этих пузырьках в заданное место устройства. Кроме того, использование пучка света для инкапсулирования и транспортировки делает предлагаемый способ не только бесконтактным, но и эффективным, поскольку энергия излучения доставляется непосредственно в объем жидкости и преобразуется в тепловую энергию практически мгновенно (за 10-10-10-12 с) [9].
ЛИТЕРАТУРА
1. US Patent 4715786. D.L.Wolff. Control method and apparatus for peristaltic fluid pump. December 29, 1987.
2. US Patent 6109889. Zengerle R. Fluid pump. August 29, 2000.
3. US Patent 6394759 B1. Micropump. J.W.Parce. Caliper technologies. May 28, 2002.
4. Dasgupta, P.K. et. al. Electroosmosis: A Reliable Fluid Propulsion System for Flow Injection Analysis. // Anal. Chem. 1994. №66. PP.1792-1798.
5. Stone H.A., Kim S. Microfluidics: Basic, Issues, Applications, and Challenges. // AIChE Journal. 2001, Vol.47, №6, P.1250-1254.
6. Безуглый Б.А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действием света, и ее применение в способах регистрации информации. Дисс... канд. физ.-мат. наук, Москва, МГУ, 1983.
7. Bezuglyi В.A. Photoinduced solutocapillary convection: New capillary phenomenon. Rev. Proc. 1st Int. Symp. Hydromech. Heat/Mass Transfer Microgr. Perm-Moscow, Russia, July 6-14, 1991. Gordon & Breach Sci. Publ. - 1992. - P.335-340.
8. URL: http://www.derinat.ru/derinat
9. Жаров В.П., Летохов B.C. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. - М.: Наука, 1984. - С.19.
Claims (1)
- Способ инкапсулирования порций жидкости, при котором осуществляют облучение раствора жидкости и перемещают пучком света каплю жидкости, отличающийся тем, что используют ячейку, заполненную раствором, в котором образуют газовый пузырек, граничащий своей поверхностью с раствором, а при облучении смачивающей пленки раствора возникают концентрационно-капиллярные силы, под действием которых осуществляется течение жидкости в газовый пузырек и формирование порции жидкости в виде капли, инкапсулированной в газовом пузырьке, а затем полученную порцию жидкости в газовом пузырьке перемещают пучком света в заданное место ячейки.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005112111/12A RU2291402C1 (ru) | 2005-04-22 | 2005-04-22 | Способ инкапсулирования порций жидкости в газовые пузырьки |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005112111/12A RU2291402C1 (ru) | 2005-04-22 | 2005-04-22 | Способ инкапсулирования порций жидкости в газовые пузырьки |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005112111A RU2005112111A (ru) | 2006-10-27 |
RU2291402C1 true RU2291402C1 (ru) | 2007-01-10 |
Family
ID=37438462
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005112111/12A RU2291402C1 (ru) | 2005-04-22 | 2005-04-22 | Способ инкапсулирования порций жидкости в газовые пузырьки |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2291402C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2793682C2 (ru) * | 2018-07-03 | 2023-04-04 | Иллюмина, Инк. | Интерпозер с первым и вторым адгезионными слоями |
USRE49884E1 (en) | 2008-05-05 | 2024-03-26 | Illumina, Inc. | Compensator for multiple surface imaging |
-
2005
- 2005-04-22 RU RU2005112111/12A patent/RU2291402C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
USRE49884E1 (en) | 2008-05-05 | 2024-03-26 | Illumina, Inc. | Compensator for multiple surface imaging |
RU2793682C2 (ru) * | 2018-07-03 | 2023-04-04 | Иллюмина, Инк. | Интерпозер с первым и вторым адгезионными слоями |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005112111A (ru) | 2006-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU2016234996B2 (en) | High-speed on demand droplet generation and single cell encapsulation driven by induced cavitation | |
Baigl | Photo-actuation of liquids for light-driven microfluidics: state of the art and perspectives | |
Li et al. | Fast on-demand droplet fusion using transient cavitation bubbles | |
US7358051B2 (en) | Liquid flow actuation and suspension manipulation using surface tension gradients | |
Kabi et al. | Moses effect: Splitting a sessile droplet using a vapor-mediated marangoni effect leading to designer surface patterns | |
RU2291402C1 (ru) | Способ инкапсулирования порций жидкости в газовые пузырьки | |
Butzhammer et al. | Thermocapillary and thermosolutal Marangoni convection of ethanol and ethanol–water mixtures in a microfluidic device | |
Hirama et al. | Surface modification of a glass microchannel for the formation of multiple emulsion droplets | |
JP2008116381A (ja) | マイクロポンプ | |
CN113694974B (zh) | 光热诱导气泡辅助固体表面上液滴运动装置及使用方法 | |
Li et al. | Laser emission from dye doped microspheres produced on a chip | |
US11294205B2 (en) | Thermally-actuated devices and use thereof | |
WO2009110237A1 (ja) | 粒子の操作方法およびその装置 | |
RU2267092C2 (ru) | Способ дозирования и перемещения микроколичеств жидкости и устройство для его осуществления | |
Brigo et al. | Water slip and friction at a solid surface | |
JP4369315B2 (ja) | 液滴輸送装置 | |
JP2009103624A (ja) | マイクロ流路基板及びこれを配設した液体制御装置 | |
US20220370977A1 (en) | Liquid Flow Formation Method and Object Moving Method Using Same | |
de Saint Vincent et al. | Microfluidic transport driven by opto-thermal effects | |
Jarrett | An investigation into the pumping properties of diatom biosilica thin films | |
Harada et al. | Size-oriented passive droplet sorting by using surface free energy with micro guide groove | |
Liu et al. | All-optical microfluidic circuit for biochemical and cellular analysis powered by photoactive nanoparticles | |
Ding et al. | Sequential droplet manipulation via vibrating ratcheted microchannels | |
Muto et al. | Microfluidic droplet control by photothermal interfacial flow | |
Motosuke et al. | Photothermal marangoni convection for the usage of characterized droplet manipulation in microfluidic chip |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090423 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20110227 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140423 |