Процессы течения и перемешивания в микрофлюидном чипе пассивного смешивания: оценка параметров и цветометрический анализ

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. 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. 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. 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.

1. Sackmann 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/nature13118

2. Manz 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/b907652m

3. Reyes 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/ac0202435

4. Demello A.J. Control and detection of chemical reactions in microfluidic systems. Nature. 2006;442(7101):394-402. https://doi.org/10.1038/nature05062

5. Hessel 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_035

6. Samiei 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/c6lc00387g

7. Mou L., Jiang X. Materials for microfluidic immunoassays: A review. Adv. Healthcare Mater. 2017;6(15):1-20. https://doi.org/10.1002/adhm.201601403

8. Yáñez-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/s17050965

9. Mancera-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/e809

10. Kimura 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.2017.11.003

11. Ottino J.M., Wiggins S. Introduction: Mixing in microfluidics. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 2004;362:923-935. https://doi.org/10.1098/rsta.2003.1355

12. 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.

13. 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/R01

14. Cai G., Xue L., Zhang H., Lin J. A review on micromixers. Micromachines (Basel). 2017;8(9):E274. https://doi.org/10.3390/mi8090274

15. Soleymani 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.2007.07.048

16. Sudarsan A.P., Ugaz V.M. Multivortex micromixing. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006;103(19):7228-7233. https://doi.org/10.1073/pnas.0507976103

17. Nizkaya 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.96.033109

18. Кухтевич 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-i6585

19. Черных 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.

20. 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.

21. 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.91.033020

22. 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.