Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 7
1.1. Микрофлюидные чипы в аналитической химии и биохимии 7
1.2. Способы изготовления микрофлюидных чипов 22
1.3. Системы подачи проб и реагентов 28
1.4. Системы детектирования для микрочипов 31
1.5. Поддержание и контроль температуры в микроструктурах чипов 36
ГЛАВА 2. Создание микрочиповых аналитических систем 39
2.1. Микрофлюидные чипы для изучения процессов массопереноса веществ и проведения реакций 39
2.2. Система подачи проб и реагентов 48
2.3. Система флуоресцентного детектирования при использовании ПЗС-матрицы 53
2.4. Система нагрева жидкости и поддержания температуры в микрореакторах чипа 66
ГЛАВА 3. Оценка и оптимизация рабочих параметров системы флуоресцентного детектирования при использовании пзс-матрицы 69
3.1. Оценка аналитических характеристик системы детектирования при использовании ПЗС-матрицы телевизионной камеры наблюдения 69
3.2. Оценка и оптимизация рабочих параметров системы детектирования при использовании ПЗС-матрицы специализированной камеры 74
ГЛАВА 4. Процессы массопереноса в микроканале чипа 85
4.1. Моделирование процессов моссопереноса в микроканале чипа 85
4.2. Динамика процессов моссопереноса вещества в гомогенной системе двух водных микрофлюидных потоков в микроканале чипа 94
4,3. Динамика процессов моссопереноса вещества в системе микрофлюидных потоков двух несмешивающихся жидкостей в микроканале чипа 101
4.4. Процессы моссопереноса вещества в трехфазной жидкостной системе в микроканале чипа 111
4.4.1. Изучение условий образования трехфазной системы в стационарных условиях 111
4.4.2. Образование трехфазной системы и динамика процессов моссопереноса вещества в ней в микроканале чипа 120
ГЛАВА 5. Дериватизация катехоламинов в микрореакторах чипа
5.1. Оптимизация ввода проб в микроструктуры мультиреакторного чипа
5,2. Дериватизация катехоламинов в микрореакторах чипа
Выводы 139
Список литературы 141
- Способы изготовления микрофлюидных чипов
- Система подачи проб и реагентов
- Оценка и оптимизация рабочих параметров системы детектирования при использовании ПЗС-матрицы специализированной камеры
- Динамика процессов моссопереноса вещества в системе микрофлюидных потоков двух несмешивающихся жидкостей в микроканале чипа
Введение к работе
Увеличение количества объектов анализа и одновременно определяемых аналитов при анализе проб, особенно в областях биоаналитической химии и медицинской лабораторной диагностики, необходимость быстрого определения содержания компонентов в различных объектах окружающей среды, живого мира и человека требует применения производительных автоматизированных аналитических систем. В современной аналитической химии при анализе различных объектов все более широкое применение находят миниатюрные аналитические системы, потенциально позволяющие совмещать в одном устройстве несколько стадий химического анализа и проводить одновременное определение содержания компонентов в нескольких пробах.
Развитие технологий микроэлектроники привело к появлению и использованию ДЛЯ аналитических целен микрофлюидных чипов (МФЧ). Они представляют собой миниатюрные устройства планарной геометрии, в которых создана разветвленная сеть микроструктур (микроканалов и микрореакторов), Площадь МФЧ составляет всего несколько квадратных сантиметров, а размеры микроструктур по ширине и глубине обычно находятся в диапазоне от десятков мкм до нескольких мм.
К преимуществам применения мнкрочштов следует отнести малый расход проб л реагентов в ходе проведения анализов; возможность интеграции стадий пробоподготовки и определения па едином устройстве; ускорение протекания химических реакции, процессов массо- и теплопереноса из-за значительного увеличения отношения площадь поверхности/объем по сравнению с обычными реакторами и другие. Типичные объемы проб при работе с чипами находятся в диапазоне от ил до сотен мкл, что позволяет использовать такие устройства не только при определении традиционных веществ неорганической природы, но и, например, при анализе объектов в областях медицинской клинической диагностики, биохимии и лабораторной криминалистике, где расход дорогостоящих реагентов и малый объем проб часто являются ключевыми факторами.
Традиционно микрочипы изготавливают из пластин стекла и/или кремния путем химического или ионным травления в них микроструктур и спеканием двух пластин для получения готового изделия. Мнкрочипы из пластика часто изготавливают методом термопластической штамповки или лазерной фотоабляции пластин материала, а для герметизации микроструктур проводят процедуру ламинирования.
В настоящее время показаны возможности проведения и интеграции на одном чипе ряда операций и процессов: (бпо)химических реакций в проточной мнкроканалыюй системе или в мпкрореакторе; жидкостной и твердофазной экстракции в потоке;
абсорбцни; разделения компонентов смеси методами хроматографии и капиллярного электрофореза.
Существующие работы в направлении микрочшювой тематики часто фокусируются на переносе традиционных методик пробоподготовкп и определения веществ различными методами в микромасштаб без существенных изменении. Однако при использовании чипов появляются возможности, часто недостижимые или труднореализуемые в макромасштабе, что связано с характеристическим особенностями микроструктур. Это относится и к способам реализации жидкостно-жндкостной экстракции (ЖЖЭ) веществ в потоке в микроканалах чипов, и к параллельному проведению нескольких химических реакций в мультиреакторных чипах. Потенциальным преимуществом при использовании микрофлюндпых систем для проведения ЖЖЭ является, прежде всего, высокое соотношение площади поверхности контактирующих потоков к объёму фаз и малые расстояния диффузии веществ в поперечном сечении микроканала, что позволяет рассчитывать на высокие скорости протекания экстракции.
Предварительные оценки показывают, что в .микроканалах возможна реализация устойчивых мультифазпых систем в потоке, добиться существования которых в макромасштабе затруднительно, а их применение может привести к значительному ускорению процессов массопереноса веществ. Кроме того, до сих пор актуальными являются задачи ввода минимальных объемов проб, параллельного проведения нескольких химических реакций и одновременного анализа нескольких проб в мультиреакторных чипах, и решение этих задач позволяет приблизиться к созданию микрочиповых анализаторов.
Таким образом, необходимы теоретические и экспериментальные исследования по разработке новых мнкрочпповых аналитических систем, а также изучение процессов массопереноса в мпкроканалах чипа в гомогенной и мультифазпых жидкостных проточных системах и оптимизация условий проведения химических реакций в нескольких микрореакторах чипа с минимальным расходом реакционной смеси.
Цель данной работы заключалась в разработке и создании микрочнповых аналитических систем для проведения ЖЖЭ веществ в потоке в мпкроканалах и химических реакций в микрореакторах МФЧ с флуоресцентным детектором, позволяющим с высокой чувствительностью и пространственным разрешением проводить детальное изучение процессов, протекающих в микроструктурах чипов.
Способы изготовления микрофлюидных чипов
Мнкрофлюндные чипы и их отдельные элементы изготавливают как из неорганических материалов (стекло, кварц, кремний, керамика), так и из различных видов полимерных материалов. Материалы для изготовления чипов имеют свои особенности: кварц — хороший диэлектрик и прозрачен в УФ-областп, полимеры — основа дешевой массовой продукции, для полупроводников (кремний) освоено множество технологических приемов обработки, известных из микроэлектроники [1,4-5]. Зачастую, выбор материала и, соответственно, метода изготовления МФЧ определяет возможности чип-реализации большинства (бно)аналитических приложении (проведение ПЦР, разделение компонентов пробы с помощью КЭ и ЭХ и т.д.). Так, например, оправданно использование кремния при изготовлении МФЧ для проведения ПЦР при использовании контактных источников нагрева: за счет хорошей теплопроводности этого материала достигаются высокие скорости нагрева/охлаждения реакционной смеси в ходе проведения амплификации [32-35]. В настоящее время все большее распространение получают технологии изготовления пластиковых чипов. Это менее дорого и более просто, требует технологий меньшей точности [24,41-42].
В отличие от кремния и стекла полимеры - недорогие материалы, микроструктуры в них могут создаваться не только травлением, но и литьем или тиснением; герметизация осуществляется термически или с помощью клея. Однако химия поверхности полимеров требует большего внимания, чем в случае стекла или кремния, полимеры часто несовместимы с органическими растворителями и низкомолекулярными органическими компонентами растворов, большей частью не выдерживают высоких температур, и они обладают значительно .меньшей теплопроводностью [4-5]. В литературе [41-42] описаны многие методы изготовления пластиковых микрочипов. Эти чипы, как и чипы из неорганических материалов, предназначаются для многоразового использования. Их низкая стоимость связана с применением дешевых материалов и соответствующих технологии. Предполагается, в силу дешевизны пластиковых чипов, их одноразовое использование [4-5]. Например, микроструктуры в пластиковых чипах из полистирола, ацетата целлюлозы, полиэтилентерефталата, поликарбоната, полиметилмета крилата и т.д. могут изготавливаться методом УФ-лазерной фотоабляции (laser photoablation) при воздействии на пластины материала излучения лазера (ArF эксимериый лазер (193 км); KiF эксимерныц лазер (248 им)) [41-42]. Другой способ получения пластиковых микрочипов - импритннговая техника (техника тиснения) микроструктур в материале (impriting); материалы: поликарбонат, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, полнэтилентерефталат [41-42].
Для получения отпечатков микроструктур в подложке при ее нагревании пли при комнатной температуре используют пуансоны с положительным рельефом, изготавливаемые из металла или кремния. При массовом производстве чипов часто используются методы литья микрочнпов из жидкого пластика (полиметилметакрилат, поликарбонат) или полимеризации жидких эластомеров на подложке (полиднметилсилоксаны) (injection molding; soft lithography (3-D)) [41-42]. При литье из пластика используют форму, полученную путем травления кремниевой пластины; элсктроосаждают на нее более прочную форму из никеля и далее используют полученную таким образом прочную металлическую вставку лля массового производства чипов [4-5]. При получении эластомерных чипов наносят слой полнмеризующепся до твердого состояния жидкости па кремниевую подложку специалыюн формы, которая в данном случае выполняет роль пуансона. Далее проводят процесс термического отверждения жидкости, снимают изделие с кремниевой матрицы и после герметизации получают готовый микрочип [41-42]. Герметизация полученных в пластинах материала микроструктур для обеспечения заполнения мпкрорсакторов и мпкроканалов чипов жидкими реагентами и пробами осуществляется наиболее часто с помощью дешевой техники ламинирования. Наиболее часто проводят термическое ламинирование (thermal lamination) при использовании пленок из полиэтилена или полиэтилептерефталата толщиной около 20-40 мкм при температуре порядка 100 С [42]. При такой толщине слоя эти полимеры прозрачны при использовании многих спектроскопических методов детектирования аналитического сигнала в микроструктурах МФЧ. В настоящей работе были использованы стеклянн о-кремниевые микрочипы.
Для изготовления чипов из кремния и стекла обычно используются распространенные методы фотолитографического нанесения рисунков топологии микрочипов на пластины материала с последующим травлением микроструктур в них, развитые в микроэлектронике [43-46,102-103]. Пластины материала с вытравленными микроструктурами часто герметизируются спеканием с другими такими же или с покровными пластинами, могут снабжаться элементами систем детектирования, термостатирования или подачи проб и реагентов (например, оптическими элементами, электрохимическими детекторами, микроэлектроникой, ми кро смесителя ми и т. д.). Для изготовления микрочипов в качестве материала часто используют монокристашшчеекпн кремний с кристаллографической ориентацией кристалла 100 и/или термостойкие виды стекл [43-46,103]. Ориентация 100 характеризуется расположением октаэдр ическон кристаллической решетки монокристалла кремния под углом 90 по отношению к горизонтальной плоскости. Различают несколько вариантов техники травления микроструктур в кремниевых и стеклянных пластинах: глубокое реактивно-ионное травление (reactive ion etching, RIE), электрохимическое травление (electrochemical etching), «мокрое» химическое травление (wet chemical etching) [44]. Последнее является наиболее распространенным и простым в осуществлении методом; различают анизотропное и изотропное химическое травление кремния и изотропное травление стекла [4-5,43-46,103].
Система подачи проб и реагентов
Для создания микрофлюидных потоков жидкостей в микроканалах Н-чипа использовали экспериментальную установку, состоящую из двух микрошприцевых насосов (МШН). На (рис. 2.2.1) показаны основные механические элементы МШН (а) и изображен его внешний вид со шприцом, микромотором и концевыми выключателями движения вала (Ь). При создании МШН использовали микромоторы с насадками-редукторами (Faulhaber), технические характеристики которых приведены в таблице 2.2.1. Насадка-редуктор представляла собой шестеренчатый механизм и использовалась для уменьшения числа оборотов вала микромотора. При работе МШН использовали стеклянные шприцы с тефлоновыми наконечниками и металлической полой гильзой (Hamilton-Bonaduz; модификация TLL) объемом 50, 100, 250, 500 и 1000 мкл с металлическими тупыми иглами (модификация PST-3) или пластиковые одноразовые медицинские шприцы объемом 1 мл. Калибровка МШН осуществлялась при его работе на выталкивание воды из шприца в зависимости от напряжения питания, поданного на микромотор-редуктор. Линейные диапазоны объемных скоростей потоков, создаваемых МШН, в зависимости от напряжения питания микромоторов при использовании шприцов различного объема и мотор-редукторов с разным передаточным отношением приведены в таблице 2.2.2. Как видно из таблицы 2.2.2, при использовании МШН было технически осуществимо создание потоков жидкостей с объемной скоростью от 2.2 до 440 мкл/мнн. При этом на практике при создашш микрофлюидных жидкостных потоков в Н-чнпе использовали шприцы объемом 100 - 1000 мкл, что было связано с достаточно большим «мертвым» объемом внешних по отношению к чипу жидкостных коммуникации.
При использовании МШН технически достаточно легко осуществлять изменение н контроль скорости потока путем подачи соответствующего напряжения па концсвики мнкромотора. Стыковку шприцов насосов с отверстиями ввода растворов Н-чипа осуществляли при помощи двух соединителей (капролом) со сквозными отверстиями диаметром 0.5 мм с --уплотнительными кольцами (витон) внутренним диаметром 2.0 мм и толщиной 1.5 мм. В соединители были вставлены полые металлические иглы от одноразовых медицинских шприцов, соединенные с полипропиленовыми шлангами внутренним диаметром 0.5 мм. Другие концы шлангов соединялись с иглами шприцов. При этом соединители по внешней резьбе закручивались в пластиковую подложку (оргстекло) с зажатым в ней Н-чипом. На (рис.2.2.2,а) схематично показана стыковка капролонового соединителя с отверстием ввода/вывода Н-чипа. На (рис. 2.2.2,Ь) показана пластиковая подложка с микрочипом. На (рис. 2.2.2,с) приведен в разрезе капролоновый соединитель с указанием основных размеров. --Как видно из рисунка, возможен и обратный вариант - отбор жидкости из приемных сосудов при работе МШН в режиме откачки. При таком способе создания потоков соотношение объемных скоростей потоков будет определяться не только характеристиками работающих МШН, как в случае нагнетания жидкостей, по и физическими свойствами растворов (прежде всего, вязкостью растворов). Заполнение микрорсакторов 9р-чшіа реакционной смесью производили следующим образом: при помощи микродозатора помещали в ячейки ввода чипа капли реакционной смеси заданного объема и проводили заполнение микрореакторов смесью при использовании ширина, соединенного с отверстием слива чипа.
Расход смеси составлял около 3.5-6.0 мкл при заполнении каждого мнкрореактора, а характерная скорость потока жидкости при заполнении микрореакторов находилась в диапазоне 0.2- 5 мкл/с. слив жидкости из микрочипа Рис. 2.2.4. Принцип заполнения 9р-чипа реакционной смесью. Микрочип соединялся со шприцом объемом 250 мкл (Hamilton) с помощью микрофлюидного фитинга с уплотнительпым кольцом (Upchurch Scientific) и тайгонового шланга внутренним диаметром 0.19 мм, надеваемого па иглу шприца. М икр о флюидный фитинг (рис. 2.2.5) состоял из двух частей: нижнюю часть (основание) с уплотнительпым кольцом прикленвхти на чип со стороны кремниевой подложки в месте расположения отверстия слива; верхняя часть при этом по внешней резьбе закручивалась в основание. Приклеивание основания мпкрофлюидного фитинга эпоксидным клеем к подложке чипа
Оценка и оптимизация рабочих параметров системы детектирования при использовании ПЗС-матрицы специализированной камеры
Измерения АС с помощью ПЗС-матрицы камеры «EOS-249» проводили в микроканалах Н-чипа и мпкрореакторах 9р-чипа на микроскопной и макетной установках флуоресцентного детектирования (раздел 2.1, раздел 2.3). В качестве рабочих градуировочных растворов при установлении аналитических характеристик установок детектирования использовали растворы родамина 6Ж и флуоресцеина. Исходные растворы красителей готовили, как описано в разделе 3.1. Рабочие растворы флуоресцеина готовили разбавлением исходного боратным буферным раствором (20 мМ, рИ 9.0); рабочие растворы родамина готовили разбавлением исходного спиртового ректифицированным этанолом (-95%). Рабочие градуировочные растворы готовили непосредственно перед проведением измерений. Все водные растворы были приготовлены на основе дистиллированной воды. Реактивы для приготовления исходных и градуировочных растворов красителей были отечественного производства качества не ниже «х.ч.». Для приготовления боратного буферного раствора с точно известным показателем рН использовали портативный рН-метр «РН-201» (Conrad Electronic). Буферный раствор заданной концентрации готовили по точной навеске борной кислоты с --последующим титрованием раствора -0.5 М раствором гидрокснда натрия до заданного значення рН при использовании рН-метра. Перед процедурой ввода рабочих растворов в микроструктуры чипов их фильтровали через мембранные дисковые фильтры ФМ АЦ-1.2 (Владипор) с диаметром пор 1.2 мкм и дегазировали под вакуумом, создаваемым водоструйным насосом, в течение 10 минут. Концентрации красителей в рабочих растворах при установлении аналитических характеристик установок детектирования находились в диапазоне от 2x10"9 до 2х 10"6 М для флуоресцеина и от 5 10"7 до 2x10"3 М для родамина.
Измерение интенсивности флуоресценции рабочих растворов флуоресцеина проводили на макетной установке флуоресцентного детектирования в микрореакторах 9р-чнпа. При этом в качестве источника возбуждения флуоресценции использовали синий евстодиод, а в качестве спектральных элементов установки детектирования - комплект для регистрации зеленой флуоресценции (раздел 2.3). Измерение интенсивности флуоресценции рабочих растворов родамина проводили на микроскопной установке флуоресцентного детектирования при максимальном интегральном увеличении оптической системы (х2.4) в мпкроканалах Н-чипа. В качестве источника возбуждения флуоресценции использовали зеленый светодиод, а в качестве спектральных элементов установки детектирования - комплект для регистрации желтой флуоресценции (раздел 2.3). Перед проведением измерений АС в микроструктурах чипов проводили оценку зависимости темпового шума ПЗС-матрицы после оцифровки сигнала с помощью АЦП от температуры матрицы для различных времен экспозиции кадра изображения. Измерения темпового шума проводили в условиях полной темноты. При этом охлаждение ПЗС-матрицы осуществляли при помощи двух Пельтье-элемептов, которые в данном случае выполняли роль охлаждающих элементов. Схема использования двух таких элементов, образующих т.п. каскад, позволяла поддерживать температуру ПЗС-матрицы во время работы от -10 до 10 С. Без использования системы охлаждения ПЗС-матрица неконтролируемо разогревалась в ходе работы до 40-50 С.
Контроль и управление температурным режимом матрицы и временем экспозиции кадра изображения проводили из окна программы, прилагаемой к камере. Рабочий результат (кадр изображения) при проведении измерений представлял собоії файл (12-бптная оцифровка) в специальном разработанном формате разрешением, совпадающим с поминальным разрешением самой матрицы (752x582 пикселей). На (рис. 3.2.1) приведена полученная зависимость темпового шума от температуры матрицы. Как видно из рисунка, значительное возрастание темпового шума наблюдается В таблице 3.2.1 приведены зависимости отношения фоновый сигнал/шум от температуры матрицы для различных времен экспозиции кадра изображения, полученные при использовании макетной установки флуоресцентного детектирования (рис. 2.3.2). При проведении измерений максимальное время экспозиции кадра изображения ограничивали 3.5 с, что было связано с перспективой использования разработанной установки детектирования для изучения динамично протекающих химических процессов. Оценку числа фотонов, достигающих фотоприемной поверхности матрицы за единицу времени (NPh), проводили на основании технических характеристик ПЗС-матрнцы и камеры (раздел 2.3). При этом шумом считывания (-30 электронов) считали оцифрованный сигнал камеры, полученный в условиях полной темноты при времени экспозиции, совпадающем с временем считывания кадра (0.16 с) и температуре ПЗС-матрицы, равной -10 С. Квантовую эффективность матрицы в этих условиях считали не хуже 40 % [129-132]. Фоновый сигнал ПЗС-матрицы был получен от микрорсакторов 9р-чппа, заполненного дистиллированной водой. Значением фонового сигнала считали условную величину отклика детектора в области центрального из девяти микрорсактора чипа. Величина NPh в этих условиях составила 104 фотонов/пиксел/с. прочих равных условиях наблюдалось прн температуре ПЗС матрицы, равноіі -10 С. При увеличении температуры матрицы наблюдалось незначительное падение сигнала детектора, что, по-видимому, было связано с изменением характеристик встроенного в ПЗС-матрицу оконечного каскада усиления. При этом наблюдался одновременный рост значения шума [129-132], поэтому отношение сигнал/шум с ростом температуры матрицы падало (таблица 3.2.1). Измерения фонового сигнала от поверхности П-чипа, заполненного водой проводили на микроскопной установке детектирования (раздел 2.3) при максимальном интегрированном увеличении системы и температуре ПЗС-магрицы -10 С. Значением фонового сигнала считали условную величину отклика детектора в области середины мпкроканала Н-чипа. Величина NPh в этих условиях составила 2.5х 10 фотонов/пиксел/с. Па (рис. 3.2.2) приведены зависимости отношения фс/ш от времени экспозиции прн температуре ПЗС-матрицы -10 С прн проведении измерений на микроскопной (в микроканале Н-чипа) и макетной (в микрореакторах 9р-чипа) установках детектирования.
Как видно из (рис.3.2.2), отношение фс/ш росло с увеличением времени экспозиции. При этом эта величина при проведении измерений на макетной установке была гораздо выше, чем при использовании микроскопной установки детектирования. Это можно объяснить несколькими причинами. Во-первых, при проведении измерений на макетной установке площадь сбора излучения в планарнон плоскости микрочипа гораздо выше, чем в случае микроскопной (раздел 2.3). Несмотря па высокое значение численной апертуры входной оптики микроскопной установки (N.A.-0.78), коэффициент сбора излучения и вклад рассеянного излучения в сигнал детектора в случае макетной установки был намного выше. Во-вторых, при проведении измерении на макетной установке в качестве источника возбуждения флуоресценции был использован синий светодиод. В этих условиях значительным являлся вклад в фоновый сигнал детектора флуоресцентного излучения клеевого слоя дуплстпых сборок линз оптической системы (бальзаминовый оптический клей). При использовании в качестве источника возбуждения зеленого
Динамика процессов моссопереноса вещества в системе микрофлюидных потоков двух несмешивающихся жидкостей в микроканале чипа
Изучение массопереноса модельного вещества в системе микрофлюндных потоков двух иесмешнвающнхея жидкостей в центральном мнкроканале Н-чипа (раздел 2.1) проводили на примере экстракции красителя родамина 6Ж из водной фазы в октанол-1. Для измерений использовали микроскопную установку флуоресцентного детектирования с ПЗС-матрицей типа 1/3" в корпусе камеры «VSC-741». При этом интегральное увеличение системы было максимально возможным и составляло 1.4 (раздел 2.3). В качестве источника возбуждения флуоресценции использовали зеленый светоднод. Использовали комплект спектральных элементов для регистрации желтой флуоресценции. Все растворы были приготовлены на основе дистиллированной воды. Реактивы для приготовления растворов красителя были отечественного производства качества не ниже «х.ч.». Для приготовления боратного буферного раствора с точно известным показателем рН использовали портативный рН-метр «РН-201» (Conrad Electronic). Буферный растнор заданной концентрации готовили по точной навеске борной кислоты с последующим титрованием раствора 0.5 М раствором гидроксида натрия до заданного значения рН при использовании рН-мстра и разбавлением оттитрованной смеси водой в мерной колбе. Исходный раствор родамина 6Ж концентрации 5 101 М был приготовлен путем растворения точной навески вещества в этиловом спирте ( 95 %). Рабочий раствор родамина концентрации 5x1 (Г М готовили непосредственно перед измерениями путем разбавления исходного 10 мМ боратным буферным раствором (рН 9.18). Перед процедурой ввода рабочих растворов в микроканалы Н-чнпа их фильтровали через мембранные дисковые фильтры ФМ АЦ-1.2 («Владипор») с диаметром пор 1.2 мкм и дегазировали под вакуумом, создаваемым водоструйным насосом, в течение 10 минут.
Коэффициент распределения родамина в системе «вода-октанол» определяли в стационарных условиях проведения экстракции при смешивании боратного буферного раствора красителя (10 мМ, рН 9.18) концентрации 2.55 10_i М с октанолом-1 в объемном соотношении 10:1. Экстракцию проводили в пробирках объемом 15 мл. Измеряли оптическую плотность водных растворов красителя до и после ЖЖЭ относительно воды. На (рнс.4.3.1) приведены спектры поглощения водных растворов родамина до и после проведения экстракции. Как видно из рисунка, максимум поглощения растворов наблюдался при X -525 им.Коэффициент распределения родамина рассчитывали на основании значений оптической плотности растворов при .=525 им по уравнению (4.3.1): где Аим-оптическая плотность исходного водного раствора красителя; A ,,,- оптическая плотность водного раствора красителя после экстракции (?.=525 нм).На основании полученных данных Краспр родамина 6Ж в системе «вода-октанол» составил величину 11.7±0.2 (N=3).При изучении процессов массопереноса в двухфазной системе «октанол-вода» в микроканале Н-чипа с помощью шприцевого насоса в нем создавали потоки водного раствора красителя и октан ол а. Одновременный ввод водного раствора и органической фазы в микроканал Н-чипа с помощью одного шприцевого насоса осуществлялся из двух резервуаров (0,5 мл) через два входных канала микрочипа в режиме работы насоса на отбор жидкости, как показано на (рис.4.3.2). Использовали микрошприцы объемом 100 и 250 мкл. Скорости потоков органической и водной фаз варьировали при изменении напряжения питания, подаваемого на концевики микромотора насоса. Измерение объемных скоростей движения жидкостей осуществляли, как видно из рисунка, при использовании расходомеров, представляющих собой стеклянные капилляры внутренним диаметром 0.2 мм, по движению пузырька воздуха в расходомере. При данном способе создания микрофлюидных потоков фаз в микроканалах Н-чипа скорость движения водной фазы была в 4.1 раза выше скорости движения органической. Наблюдаемая меньшая скорость потока органической фазы объясняется большей динамической вязкостью октанола-1 (9.13 сП при 20С [144]). Диапазон объемных скоростей водного потока составлял 0.1-Нмкл/с, а скорости движения октанольной фазы по микроканалу при этом находились в диапазоне 25+250 нл/с. --На (рис.4.3.3,а) приведены полученные при изучении экстракции красителя из отдающего водного потока в принимающий органический поток экспериментальные фотографии протекающего во времени процесса распределения красителя в поперечном сечении микроканала. Экспериментальные фотографин экстракции родамина в системе «вода-октанол», представляющие собой рабочие результаты, были получены при использовании в качестве детектора ПЗС-матрицы типа 1/3" в корпусе камеры «VSC-741» математической обработкой 50 кадров изображения в среде программирования MathCad 2001 (см. раздел 3.1, 4.2). После оцифровки полученных рабочих результатов получали экспериментальные профили распределения интенсивности флуоресценции в поперечном сечении микроканапа. При этом аналогично обработке результатов по смешиванию водных микрофлюидных потоков в микроканале (раздел 4.2), при получении экспериментальных данных вычитали в программе математической обработки сигналов детектора (MalhCad 2001) из общего сигнала значение фона и учитывали эффект отражения флуоресценции от боковых наклонных стенок микроканала при малых временах контакта фаз.На (рнс.4.3.3,Ь) показаны соответствующие экспериментальным фотографиям профили распределения АС в сечешш микроканала для разных времен контакта потоков.
Времена контакта фаз а микроканале рассчитывали на основании линейных скоростей движения жидкостей (мм/с), зависящих от объемных скоростей потоков (мкл/с) и степени заполнения канала каждой фазой. Поскольку объемные скорости потоков фаз отличались, то, в отличие от реализации массопереиоса в гомогенной системе (раздел 4.2), времена контакта водной и органической фаз при проведении экстракции в потоке также отличались. Для условий стабильной границы поверхности раздела фаз, расположенной посередине микроканала, как наблюдалось в эксперименте (рис.4.3.3) время контакта для каждой фазы рассчитывали по уравнению (4.3.2):
