Концентрирование макромолекул и наночастиц в электролите около ионоселективной микрогранулы

Автор: Георгий Сергеевич Ганченко

Соавторы: М.С. Алексеев

Организация: Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации

Проблема малых концентраций аналита в пробах биологических жидкостей существенно ограничивает использование микропроб для проведения медицинских и химических анализов. Это связано с тем, что концентрация исследуемых веществ, например молекул ДНК или пептидов, очень мала и в микромасштабах в области детектора статистически может не оказаться ни одной исследуемой частицы, что существенно снижает чувствительность детектора и приводит к ложноотрицательным результатам анализов.

Для решения этой проблемы можно использовать электрокинетические эффекты в жидкостях, которые наиболее сильным образом проявляются около ионоселективных поверхностей. В докладе будут представлены результаты численного моделирования процессов самофокусировки взвешенных микромолекул и наночастиц около ионоселективной микросферы. Численные расчеты представляют собой моделирование микроустройства, которое состоит из сферической внешней камеры с помещенной внутрь ионоселективной микрогранулой. В системе также имеется поток жидкости, который возникает как за счет электроосмоса, так и за счет внешнего градиента давления. Экспериментальные результаты исследования аналогичных устройств можно найти в работах [1,2]. Процесс самофокусировки аналогичен процессу образования концентрационной струи в задаче электрофореза [3], поэтому моделируемое устройство можно использовать не только для концентрирования частиц около микрогранулы, но и для создания расслоенного потока, который уносится из выходящего отверстия.

Исследование показало, что степень концентрирования увеличивается с увеличением напряженности внешнего электрического поля, однако начиная с некоторого критического значения напряженности стационарное течение теряет устойчивость [3], что негативно влияет на процесс концентрирования. Таким образом, существует оптимальные значения управляющих параметров, при которых можно добиться максимального концентрирования макромолекул и наночастиц.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект 20-79-00044.

1. Wang S.-C., Wei H.-H., Chen H.-P., Tsai M.-H., Yu C.-C., Chang H.-C. Dynamic super- concentration at critical-point double-layer gates of conducting nanoporous granules due to asymmetric tangential fluxes // Biomicrofluidics. 2008. Vol. 2, No. 1. P. 014102.

2. Wang S.-C., Lai Y.-W., Ben Y., Chang H.-C. Microfluidic Mixing by dc and ac Nonlinear Electrokinetic Vortex Flows // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2004. Vol. 43. No. 12. P. 2902–2911. 

3.  Ganchenko G.S., Frants E.A., Amiroudine S., Demekhin E.A. Instabilities, biffurcations and transition to chaos in electrophoresis of charge-selective micropaticle // Physics of Fluids. 2020. Vol. 32, No 5. P. 054103.