способ удаления газовых пузырьков из резервуаров и каналов микрофлюидных устройств

Формула изобретения

Способ удаления газовых пузырьков из резервуаров и каналов микрофлюидных устройств, причем используется термокапиллярный механизм движения газового пузырька, отличающийся тем, что жидкость, заполняющую микрофлюидное устройство, сначала нагревают неподвижным пучком света в области расположения газовых пузырьков, в следствие чего газовые пузырьки движутся под действием термокапиллярной силы в неподвижный пучок света и сливаются в нем, образуя один газовый пузырек, локализованный в пучке света, а затем полученный газовый пузырек выводят из канала или резервуара микрофлюидного устройства путем перемещения пучка света.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области микрожидкостных технологий и может быть использовано для удаления газовых пузырьков из каналов и резервуаров различных микрофлюидных устройств и микролабораторий.

Известно, что газовые пузырьки, появляющиеся в каналах или резервуарах микрофлюидных устройств, представляют серьезную проблему. Они приводят к нарушению структуры течения и изменению его скорости, а также могут полностью блокировать течение через канал, скапливаясь в его узких участках, что может приводить к разрушению устройства.

Механизмы появления нежелательных газовых пузырьков в микрофлюидных устройствах различные: при заполнении резервуаров рабочими жидкостями; при изменении в процессе работы температуры жидкости; при прокачке жидкости микромеханическими насосами, а также в результате реакций, выполняемых в этих микроустройствах.

Обычно пузырьки удаляют из каналов путем создания перепада давления, выталкивающего пузырек [1]. Однако этот способ крайне неэффективен и небезопасен для конструкции микрофлюидного устройства, из-за того, что требуются значительные перепады давления. Например, для канала диаметром 1 мкм, заполненного водой, необходимо создавать перепад давления около 100 кПа [1].

Известен способ [2] отвода микропорций газа, образующегося в результате химической реакции, из реактора микрофлюидного устройства, заполненного силиконовым маслом, основанный на действии электростатических сил, которые создаются с помощью линейки электродов, внедренных в подложку микроустройства и управляемых с помощью компьютерной программы.

К недостатку этого способа относится сильная зависимость скорости движения пузырька от ширины электродов и от шага между ними. Так лишь незначительное увеличение шага между электродами приводит к существенному, в разы, снижению скорости пузырька.

В статье [3] предложен способ, позволяющий уменьшить чувствительность микрофлюидной системы к закупориванию каналов газовыми пузырьками. Способ реализуется путем использования канала с переменным по глубине поперечным сечением, таким, что верхняя часть канала шире и мельче, чем его нижняя часть. В каждом сечении канала действуют разные капиллярные силы, которые заставляют находящийся в нем пузырек располагаться в верхней части, при этом нижняя часть остается свободной для течения жидкости.

Недостаток этого способа в том, что газ в процессе работы скапливается в верхней части канала и может увлекаться текущей под ним (в нижней части канала) жидкостью, перемещаясь снова в рабочие области микрофлюидного устройства.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является предотвращение засорения каналов и резервуаров различных микрофлюидных устройств газовыми пузырьками, усовершенствование процедуры очистки этих устройств от пузырьков и, в целом, повышение эффективности и долговечности работы микрофлюидных устройств. Технический результат достигается тем, что жидкость, заполняющую микрофлюидное устройство, сначала нагревают неподвижным пучком света в области расположения газовых пузырьков, вследствие чего газовые пузырьки, испытывая действие термокапиллярной силы [4, 5], движутся в неподвижный пучок света и сливаются в нем, образуя один газовый пузырек, локализованный в пучке света, а затем полученный газовый пузырек выводят из канала или резервуара микрофлюидного устройства путем перемещения пучка света.

Способ поясняется на фиг.1 (вид сверху). Пучок света 1 (фиг.1а) фокусируется через прозрачную крышку микрофлюидного устройства 2, состоящего из рабочих каналов 3, резервуара 4 и выводного канала 5 с отверстиями 6, в заполняющую его жидкость 7, с содержащимися в ней пузырьками разного размера 8. За счет локального нагрева жидкости в зоне падения пучка тепло путем кондукции распространяется в окружающую жидкость. Достигнув пузырька, тепловой фронт возмущает температурное равновесие вблизи него. В результате этого вдоль боковой поверхности пузырька возникает термокапиллярная сила, которая заставляет пузырек двигаться в пучок света. Если в окрестности пучка, сфокусированного в жидкость, находится несколько пузырьков, то каждый из них испытывает действие термокапиллярной силы и перемещается в пучок света. Попадая в пучок, пузырьки контактируют друг с другом, в результате чего сливаются, образуя один пузырек 9 (фиг.2б). Когда все окрестные пузырьки будут собраны в один пузырек в пучке света, пучок перемещают с такой скоростью, чтобы пузырек неотрывно двигался за ним под действием термокапиллярной силы [4, 5], через выводной канал 5 (фиг.1в) к отверстиям 6. Когда пузырек подводят к отверстиям, происходит истечение газа наружу 10 (фиг.1г и 1д - вид по сечению А-В). Выводные отверстия могут быть стандартным: конические, с расширением наружу, микроотверстия в крышке микрофлюидного устройства, внутренняя поверхность которых дополнительно может быть сделана гидрофобной, чтобы препятствовать вытеканию жидкости.

На фиг.2 дана серия кадров захвата неподвижным пучком полупроводникового лазера (20 мВт, 659 нм) нескольких пузырьков (на кадрах пузырьки обозначены цифрами 1, 2, 3, 4) из окрестности этого пучка, сопровождающегося слиянием пузырьков. Пузырьки расположены в ячейке из оргстекла с зазором 50 мкм, заполненной раствором бриллиантового зеленого в этаноле.

Пузырек 1 (фиг.2a) перемещается в пучок лазера, помеченный треугольным маркером, и спустя около 0.1 с оказывается локализованным в этом пучке (фиг.2б). При этом пузырек 2 также движется в пучок (фиг.2б), достигает его и сливается с пузырьком 7, в результате в пучке образуется пузырек 1+2 (фиг.2в). На фиг.2г отражен момент времени, равный 2 с, когда пузырек 3 вплотную приближается к пучку, а максимально удаленный от пучка пузырек 4, который находился вне поля зрения камеры на кадрах (а-в), также перемещается в направлении пучка. На фиг.2д показано положение пузырьков спустя 3.5 с после начала облучения. Здесь уже три пузырька оказались захвачены пучком лазера и образовали один пузырек 1+2+3. В итоге, фиг.2е, все пузырьки из окрестности пучка лазера оказались собраны действием термокапиллярной силы в один пузырек 1+2+3+4, локализованный в пучке (фиг.2е).

На фиг.3 даны кадры последовательных положений пузырька, образованного слиянием нескольких пузырьков, при перемещении его пучком лазера под действием термокапиллярной силы со скоростью около 2 мм/с. Направление движения из левого нижнего угла кадра в правый верхний. Пучок лазера помечен на кадре треугольным маркером.

На фиг.4 показаны кадры захвата пучком света одиночного пузырька в канале. Пузырек находится в растворе дибромида меди в этаноле в ячейке из кварцевого стекла с зазором 50 мкм. Ширина канала 0.8 мм. Пучком света служит сфокусированное излучение УФ лампы ДРШ-100, с мощностью пучка в фокальной плоскости около 100 мВт. Время перемещения пузырька в пучок составило около 5 с.

Предлагаемый способ имеет следующие преимущества. Перемещение пузырька в неподвижный пучок света под действием термокапиллярной силы упрощает процедуру очистки устройства, поскольку не нужно отыскивать каждый пузырек в устройстве, достаточно лишь спроецировать пучок в ту его область (напр., канал или резервуар), где необходимо провести очистку.

Поскольку для возбуждения термокапиллярного эффекта достаточен перепад температуры не выше 10°С [5], то опасность нагрева жидкости до температуры кипения или температуры, достаточной для разрушения находящихся в ней биологических объектов, исключена.

Применение оптического излучения делает процесс эффективным благодаря тому, что энергия излучения почти мгновенно преобразуется в тепловую. Кроме того, микрофлюидные устройства делают из прозрачного материала (напр., стекло, кварц, оргстекло, ПДМС), что обеспечивает легкий оптический доступ.

Источники информации

1. Gravesen P. et al.; Microfluidics - A Review // J.Micromech. Microeng. 1993. № 3. P. 168-182.

2. Ito Т., Torii Т. Higuchi Т. Electrostatic micromanipulation of bubbles for microreactor applications // Proceedings of the 16th Annual International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2003. P. 335-338.

3. Kohnle J., Waibel G., Cemosa R., Storz M., Ernst H., Sandmaier H., Strobelt Т., Zengerle R. A unique solution for preventing clogging of flow channels by gas bubbles // IEEE. 2002. P. 77-80.

4. Безуглый Б.А., Иванова Н.А. Манипуляция газовым пузырьком в ячейке Хеле-Шоу с помощью пучка света. // Письма в ЖТФ. 2002. Том 28. Вып.19. С.71-75.

5. Иванова Н.А., Безуглый Б.А. Исследование термокапиллярных вихрей, индуцированных пучком света у поверхности пузырька в ячейке Хеле-Шоу. // ПМТФ. - 2005 - том 46. - №5. - С.93-99.