chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2019-14-5-39-50chemicallytech-1548Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИFlow and mixing processes in a passive mixing microfluidic chip: Parameters’ estimation and colorimetric analysisПроцессы течения и перемешивания в микрофлюидном чипе пассивного смешивания: оценка параметров и цветометрический анализhttps://orcid.org/0000-0002-2368-5562СарбашевК. А.SarbashevK. A.

Сарбашев Кирилл Артемович, технолог научно-исследовательской лаборатории; аспирант кафедры технологии хранения и переработки продуктов животноводства

ResearcherID X-1340-2019

129272, Москва, ул. Трифоновская, д. 47, стр. 1; 127550, Москва, ул. Тимирязевская, д. 49

Kirill A. Sarbashev, Technologist, Research Laboratory; Postgraduate Student, Chair of Storage and Processing Technologies of Animal Origin Products

ResearcherID X-1340-2019

47-1, Trifonovskaya ul., Moscow 129272, Russia; 49, Timiryazevskaya ul., Moscow 127550, Russia

SarbashevKA@materiamedica.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9139-7255НикифороваМ. В.NikiforovaM. V.

Никифорова Марина Владимировна, руководитель проектов по фармацевтическим технологиям научно-аналитического отдела; аспирант кафедры фармацевтической и токсикологической химии

ResearcherID X-3703-2019

129272, Москва, ул. Трифоновская, д. 47, стр. 1; 1171981, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Marina V. Nikiforova, Pharmaceutical Technology Project Manager, Research and Analytical Department; Postgraduate Student, Chair of Pharmaceutical and Toxicological Chemistry

ResearcherID X-3703-2019

47-1, Trifonovskaya ul., Moscow 129272, Russia; 6, Miklukho-Maklaya ul., Moscow 117198, Russia

nauka@materiamedica.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5158-9500ШульгаД. П.ShulgaD. P.

Шульга Дарья Петровна, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории; аспирант кафедры фармацевтической и токсикологической химии

ResearcherID X-3272-2019

129272, Москва, ул. Трифоновская, д. 47, стр. 1; 1171981, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Darya P. Shulga, Junior Researcher, Research Laboratory; Postgraduate Student, Chair of Pharmaceutical and Toxicological Chemistry

ResearcherID X-3272-2019

47-1, Trifonovskaya ul., Moscow 129272, Russia; 6, Miklukho-Maklaya ul., Moscow 117198, Russia

Shulgadp@materiamedica.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9508-2384ШишкинаМ. А.ShishkinaM. A.

Шишкина Маргарита Андреевна, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории

ResearcherID O-8014-2014

129272, Москва, ул. Трифоновская, д. 47, стр. 1

Margarita A. Shishkina, Senior Researcher, Research Laboratory

ResearcherID O-8014-2014

47-1, Trifonovskaya ul., Moscow 129272, Russia

KanareykinaMA@materiamedica.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2425-174XТарасовС. А.TarasovS. A.

Тарасов Сергей Александрович, кандидат медицинских наук, директор департамента научных исследований и разработок; ведущий научный сотрудник лаборатории физиологически активных веществ

ResearcherID X-2509-2018

129272, Москва, ул. Трифоновская, д. 47, стр. 1; 125315, Москва, ул. Балтийская, д. 8

Sergey A. Tarasov, Cand. of Sci. (Medicine), Director of Research & Development Department; Leading Research Associate, Laboratory of Physiologically Active Substances

ResearcherID X-2509-2018

47-1, Trifonovskaya ul., Moscow 129272, Russia; 8, Baltiyskaya ul., Moscow 125315, Russia

TarasovSA@materiamedica.ruООО «НПФ «Материа Медика Холдинг»; Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. ТимирязеваРоссияООО «НПФ «Материа Медика Холдинг»; Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. ТимирязеваRussian FederationООО «НПФ «Материа Медика Холдинг»; Российский университет дружбы народовРоссияООО «НПФ «Материа Медика Холдинг»; Российский университет дружбы народовRussian FederationООО «НПФ «Материа Медика Холдинг»РоссияООО «НПФ «Материа Медика Холдинг»Russian FederationООО «НПФ «Материа Медика Холдинг»; Научно-исследовательский институт общей патологии и патофизиологииРоссияООО «НПФ «Материа Медика Холдинг»; Научно-исследовательский институт общей патологии и патофизиологииRussian Federation2019141120191453950Copyright © Sarbashev K.A., Nikiforova M.V., Shulga D.P., Shishkina M.A., Tarasov S.A., 20192019Сарбашев К.А., Никифорова М.В., Шульга Д.П., Шишкина М.А., Тарасов С.А.Sarbashev K.A., Nikiforova M.V., Shulga D.P., Shishkina M.A., Tarasov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1548Objectives

Objectives. The development of microfluidic systems is one of the promising areas of science and technology. In most procedures performed using microfluidic systems, effective mixing in microfluidic channels of microreactors (chips) is of particular importance, because it has an effect on the sensitivity and speed of analytical procedures. The aim of this study is to describe and evaluate the major parameters of the flow and mixing processes in a passive microfluidic micromixer, and to develop an information-measuring system to monitor the dynamics of flow (mixing) of liquids.

Methods

Methods. This article provides an overview of the concept of microfluidic mixing chips (micromixers) and their classification, and analyzes the kinds of points of mixing and microfluidic channels for mixing. The article presents the description and calculations of the hydrodynamic similarity criteria (Reynolds, Dean and Peclet numbers), which are the critical parameters for creating and optimizing micromixers (for example, straight and curved channels in the flow rate range between 100 and 1000 µl/min). We have developed an information-measuring system to monitor the dynamics of flow (mixing) of liquids in a microfluidic channel, which consists of a microscope with a digital eyepiece (LOMO MIB, Russia), an Atlas syringe pump (Syrris Ltd., UK) and a passive mixing microfluidic chip of interest (made of clear glass). This system was designed to quickly illustrate the principles of mixing in microfluidic channels of different configurations.

Results

Results. The developed system has allowed carrying out a colorimetric analysis of the modes and dynamics of mixing two liquids (5% aqueous solution of azorubine dye and water) at the T-shaped mixing point, at the straight and curved (double-bend shaped) sections of the microfluidic channel of the passive-type micromixer with flow rates varying from 100 to 400 µl/min.

Conclusions

Conclusions. According to the obtained calculations, the share of the advective mixing processes (formation of vortex flows and increase in the contact area of the mixed substances) in flowing liquids is significantly higher in curved microchannels. The developed information-measuring system to monitor the dynamics of flow (mixing) of liquids in a microfluidic channel is a convenient tool for optimizing the mixing modes in the channels of micromixers, and for designing new configurations of channels in microchips. It would allow intensifying processes and increasing the performance of microfluidic systems.

Цели

Цели. Разработка микрофлюидных систем является одним из перспективных направлений развития науки и техники. В большинстве процедур, проводимых с помощью микрофлюидных систем, важное значение имеет эффективное перемешивание в микрофлюидных каналах микрореакторов (чипов), которое влияет на чувствительность и быстроту аналитических процедур. Целью работы являлись описание и оценка основных параметров течения и смешивания в микрофлюидном микросмесителе пассивного смешивания и разработка информационно-измерительной системы контроля динамики протекания (перемешивания) жидкостей в нем.

Методы

Методы. Данная статья содержит обзор концепции микрофлюидных чипов смешивания (микросмесителей), их классификацию, обсуждены разновидности точек смешивания и микрофлюидных каналов смешивания. Приведены описание и расчеты критериев гидродинамического подобия (числа Рейнольдса, Пекле и Дина), являющихся критическими параметрами для разработки и оптимизации микросмесителей (на примере прямого и изогнутого каналов в диапазоне скоростей потоков от 100 до 1000 мкл/мин). Разработана информационно-измерительная система контроля динамики протекания (перемешивания) жидкостей в микрофлюидном канале, состоящая из микроскопа с цифровым окуляром («ЛОМО» МИБ, Россия), шприцевого насоса Atlas (Syrris Ltd., Великобритания) и исследуемого микрофлюидного чипа пассивного смешивания, изготовленного из прозрачного стекла. Данная система предназначена для того, чтобы оперативно проиллюстрировать принципы перемешивания в микрофлюидных каналах разной конфигурации.

Результаты

Результаты. С помощью разработанной системы проведен цветометрический анализ режимов и динамики перемешивания двух жидкостей (5% водного раствора красителя азорубина и воды) в Т-образной точке смешивания, на прямом и изогнутых (в форме змеевика) участках микрофлюидного канала микросмесителя пассивного типа при варьировании скорости потоков от 100 до 400 мкл/мин.

Заключение

Заключение. Согласно полученным расчетам, доля адвективных процессов смешивания (образование вихревых потоков и увеличение площади контакта смешиваемых веществ) в протекающих жидкостях существенно выше в изогнутых микроканалах микрочипов. Разработанная информационно-измерительная система контроля динамики протекания (перемешивания) жидкостей в микрофлюидном канале является удобным инструментом для работ по оптимизации режимов смешивания в каналах микросмесителей и для проектирования новых конфигураций каналов в микрочипах, что позволяет интенсифицировать процессы и увеличить производительность микрофлюидных систем.

микрофлюидикамикрофлюидный чипмикросмеситель пассивного смешиваниякритерии гидродинамического подобияцветометрический анализmicrofluidicsmicrofluidic chippassive micromixercriteria of hydrodynamic similaritycolorimetric analysisReferencesSackmann E.K., Fulton A.L., Beebe D.J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 2014;507(7491):181-189. https://doi.org/10.1038/nature13118Sackmann E.K., Fulton A.L., Beebe D.J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 2014;507(7491):181-189. https://doi.org/10.1038/nature13118Manz A., Graber N., Widmer H.M. Miniaturized total chemical-analysis systems—A novel concept for chemical sensing. Sens. Actuator B – Chem. 1990;1:244-248. https://doi.org/10.1039/b907652mManz A., Graber N., Widmer H.M. Miniaturized total chemical-analysis systems—A novel concept for chemical sensing. Sens. Actuator B – Chem. 1990;1:244-248. https://doi.org/10.1039/b907652mReyes D.R., Iossifidis D., Auroux P.A., Manz A. Micro total analysis systems. 1. Introduction, theory, and technology. Anal. Chem. 2002;74(12):2623-2636. https://doi.org/10.1021/ac0202435Reyes D.R., Iossifidis D., Auroux P.A., Manz A. Micro total analysis systems. 1. Introduction, theory, and technology. Anal. Chem. 2002;74(12):2623-2636. https://doi.org/10.1021/ac0202435Demello A.J. Control and detection of chemical reactions in microfluidic systems. Nature. 2006;442(7101):394-402. https://doi.org/10.1038/nature05062Demello A.J. Control and detection of chemical reactions in microfluidic systems. Nature. 2006;442(7101):394-402. https://doi.org/10.1038/nature05062Hessel V., Löb P., Krtschil U., Löwe H. Microstructured reactors for development and production in pharmaceutical and fine chemistry. Ernst Schering Found Symp. Proc. 2006;3:205-240. http://dx.doi.org/10.1007/2789_2007_035Hessel V., Löb P., Krtschil U., Löwe H. Microstructured reactors for development and production in pharmaceutical and fine chemistry. Ernst Schering Found Symp. Proc. 2006;3:205-240. http://dx.doi.org/10.1007/2789_2007_035Samiei E., Tabrizian M., Hoorfar M. A review of digital microfluidics as portable platforms for lab-on-a-chip applications. Lab Chip. 2016;16(13):2376-2396. https://doi.org/10.1039/c6lc00387gSamiei E., Tabrizian M., Hoorfar M. A review of digital microfluidics as portable platforms for lab-on-a-chip applications. Lab Chip. 2016;16(13):2376-2396. https://doi.org/10.1039/c6lc00387gMou L., Jiang X. Materials for microfluidic immunoassays: A review. Adv. Healthcare Mater. 2017;6(15):1-20. https://doi.org/10.1002/adhm.201601403Mou L., Jiang X. Materials for microfluidic immunoassays: A review. Adv. Healthcare Mater. 2017;6(15):1-20. https://doi.org/10.1002/adhm.201601403Yáñez-Sedeño P., Campuzano S., Pingarrón J.M. Multiplexed electrochemical immunosensors for clinical biomarkers. Sensors (Basel). 2017;17(5):1-30. http://dx.doi.org/10.3390/s17050965Yáñez-Sedeño P., Campuzano S., Pingarrón J.M. Multiplexed electrochemical immunosensors for clinical biomarkers. Sensors (Basel). 2017;17(5):1-30. http://dx.doi.org/10.3390/s17050965Mancera-Andrade E.L., Parsaeimehr A., Arevalo-Gallegos A., Ascencio-Favela G., Parra-Saldivar R. Microfluidics technology for drug delivery: A review. Front Biosci. (Elite Ed.). 2018;10:74-91. http://dx.doi.org/10.2741/e809Mancera-Andrade E.L., Parsaeimehr A., Arevalo-Gallegos A., Ascencio-Favela G., Parra-Saldivar R. Microfluidics technology for drug delivery: A review. Front Biosci. (Elite Ed.). 2018;10:74-91. http://dx.doi.org/10.2741/e809Kimura H., Sakai Y., Fujii T. Organ/body-on-a-chip based on microfluidic technology for drug discovery. Drug Metabolism and Pharmacokinetics. 2018;33(1):43-48. https://doi.org/10.1016/j.dmpk.2017.11.003Kimura H., Sakai Y., Fujii T. Organ/body-on-a-chip based on microfluidic technology for drug discovery. Drug Metabolism and Pharmacokinetics. 2018;33(1):43-48. https://doi.org/10.1016/j.dmpk.2017.11.003Ottino J.M., Wiggins S. Introduction: Mixing in microfluidics. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 2004;362:923-935. https://doi.org/10.1098/rsta.2003.1355Ottino J.M., Wiggins S. Introduction: Mixing in microfluidics. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 2004;362:923-935. https://doi.org/10.1098/rsta.2003.1355Chin P., Barney W.S., Pindzola B.A. Microstructured reactors as tools for the intensification of pharmaceutical reactions and processes. Curr. Opin. Drug Discov. Devel. 2009;12(6):848-861.Chin P., Barney W.S., Pindzola B.A. Microstructured reactors as tools for the intensification of pharmaceutical reactions and processes. Curr. Opin. Drug Discov. Devel. 2009;12(6):848-861.Nguyen N.T., Wu Z. Micromixers – a review. J. Micromech. Microeng. 2005;15:R1–R16. http://dx.doi.org/10.1088/0960-1317/15/2/R01Nguyen N.T., Wu Z. Micromixers – a review. J. Micromech. Microeng. 2005;15:R1–R16. http://dx.doi.org/10.1088/0960-1317/15/2/R01Cai G., Xue L., Zhang H., Lin J. A review on micromixers. Micromachines (Basel). 2017;8(9):E274. https://doi.org/10.3390/mi8090274Cai G., Xue L., Zhang H., Lin J. A review on micromixers. Micromachines (Basel). 2017;8(9):E274. https://doi.org/10.3390/mi8090274Soleymani A., Kolehmainen E., Turunen I. Numerical and experimental investigations of liquid mixing in T-type micromixers. Chem. Eng. J. 2008;135:S219-S228. http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2007.07.048Soleymani A., Kolehmainen E., Turunen I. Numerical and experimental investigations of liquid mixing in T-type micromixers. Chem. Eng. J. 2008;135:S219-S228. http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2007.07.048Sudarsan A.P., Ugaz V.M. Multivortex micromixing. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006;103(19):7228-7233. https://doi.org/10.1073/pnas.0507976103Sudarsan A.P., Ugaz V.M. Multivortex micromixing. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006;103(19):7228-7233. https://doi.org/10.1073/pnas.0507976103Nizkaya T.V., Asmolov E.S., Vinogradova O.I. Advective superdiffusion in superhydrophobic microchannels. Phys. Rev. E – Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 2017;96:033109. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.033109Nizkaya T.V., Asmolov E.S., Vinogradova O.I. Advective superdiffusion in superhydrophobic microchannels. Phys. Rev. E – Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 2017;96:033109. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.033109Кухтевич И.В., Посмитная Я.С., Белоусов К.И., Букатин А.С., Евстрапов А.А. Принципы, технологии и устройства «капельной» микрофлюидики. Ч. 1 (Обзор). Научное приборостроение. 2015;25(3):65-85. https://doi.org/10.18358/np-25-3-i6585Kukhtevich I.V., Posmitnaya Ya.S., Belousov K.I., Bukatin A.S., Evstrapov A.A. Principles, technologies and droplet-based microfluidic devices. Part 1 (Review). Nauchnoe Priborostroenie = Scientific Instrumentation. 2015;25(3):65-85 (in Russ.). https://doi.org/10.18358/np-25-3-i6585Черных В.Я., Сарбашев К.А., Шуленини А.В., Жирнова Е.В. Определение цветовых характеристик пшеничной муки при производстве хлебобулочных и макаронных изделий. Хлебопродукты. 2017;(2):44-47.Chernykh V.Ya., Sarbashev K.A., Shulenini A.V., Zhirnova Е.V. Determination of the color characteristics of wheat flour in the production of bread and pasta. Khleboproducty [Bakery products]. 2017;(2):44-47 (in Russ.).Рудяк В.Я., Белкин А.А., Егоров В.В., Иванов Д.А. Моделирование течений в наноканалах методом молекулярной динамики. Наносистемы: физика, химия, математика. 2011;2(4):100-112.Rudyak V.Ya., Belkin A.A., Egorov V.V., Ivanov D.A. Simulation of flows in nanochannels by the molecular dynamics method. Nanosistemy: fizika, khimiya, matematika = Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2011;2(4):100-112 (in Russ.).Nizkaya T.V., Asmolov E.S., Zhou J., Schmid F., Vinogradova O.I. Flows and mixing in channels with misaligned superhydrophobic walls. Phys. Rev. E. 2015;91(3):033020. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.033020Nizkaya T.V., Asmolov E.S., Zhou J., Schmid F., Vinogradova O.I. Flows and mixing in channels with misaligned superhydrophobic walls. Phys. Rev. E. 2015;91(3):033020. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.033020am Ende M.T., am Ende D.J. Chemical Engineering in the Pharmaceutical Industry: Drug Product Design, Development, and Modeling. New York: John Wiley & Sons, 2019. 688 p.am Ende M.T., am Ende D.J. Chemical Engineering in the Pharmaceutical Industry: Drug Product Design, Development, and Modeling. New York: John Wiley & Sons, 2019. 688 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.