Система манипулирования каплями
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали оборудование, которое при помощи электрических полей позволяет перемещать отдельные капельки жидких растворов химических веществ и биологических компонентов.
Это, в свою очередь, позволяет смешивать произвольные комбинации реагентов и изучать тысячи химических реакций в одно и то же самое время. Данное оборудование является альтернативой микрожидкостным устройствам, используемым сейчас в химии и биологии, в которых растворы перемещаются в микроскопических каналах за счет использования микронасосов и клапанов, и смешиваются в специальных полостях-реакторах.
Главной проблемой, успешно решенной исследователями, стало создание сверхгидрофобного покрытия рабочей области, которое накрывает печатную плату с рядами электродов. Свойства этого покрытия значительно уменьшают силы трения, что позволяет капелькам беспрепятственно скользить по поверхности. Помимо этого, сверхгидрофобное покрытие препятствует тому, чтобы капельки оставляли за собой следы, что не позволяет загрязнять одни реактивы следами других и поддерживает чистоту проводимых экспериментов.
Сверхгидрофобные свойства нового покрытия были получены за счет создания плотной матрицы из крошечных микросфер на его поверхности. Сейчас исследователи экспериментируют с поверхностями, покрытыми наноструктурами других форм и размеров, некоторые из которых работают лучше с определенными видами биологических жидкостей.
Поскольку поверхность обладает сверхгидрофобными свойствами, капельки, помещенные на нее, пытаются принять форму, максимально близкую к сферической. Электрический потенциал, подаваемый на электроды печатной платы, притягивает капельки к поверхности. И если снять потенциал с электрода, расположенного под капелькой и подать его на расположенный рядом электрод, капелька, скользя по поверхности, начнет двигаться в сторону этого электрода.
Для управления движением капелек используется электрический потенциал в диапазоне от 95 до 200 Вольт. При этом, на электроды через определенные промежутки времени подаются высоковольтные сигналы с частотой в 1 килогерц и низковольтные (3.3 Вольта) сигналы с частотой 200 килогерц. Высокочастотный низковольтный сигнал позволяет определить текущее местоположение капли жидкости, используя тот же самый принцип, который используется в сенсорных дисплеях. А низкочастотный высоковольтный сигнал как раз и заставляет перемещаться капельки жидкости.
Если капелька не перемещается с заданной скоростью, система автоматически повышает напряжение высоковольтного низкочастотного сигнала. Помимо этого, на основе данных о положении капельки, скорости ее движения и величине прикладываемого потенциала система может вычислить объем и массу содержащейся в ней жидкости.
Сигналами, подаваемыми на электроды печатной платы, управляет компьютер. Это позволяет управлять тысячами капелек одновременно, которые будут перемещаться, смешиваться и внутри которых будут идти определенные химические реакции. Все это делается полностью автоматически в соответствии с заложенной в компьютер программой.
"Оператору необходимо только задать последовательность операций высокого уровня типа, реактив А должен смешаться с реактивом Б в определенной пропорции, и через заданное время смешаться с определенным количеством реактива С" - пишут исследователи, - "Все остальное, включая расчет траекторий перемещений капелек реактивов, система сделает автоматически в режиме реального времени".
Внедрение новой технологии, считают исследователи, позволит существенно сократить расходы на проведение сложных химических и биологических исследований. Фармацевтические компании, к примеру, смогут испытывать воздействие на один вид болезнетворных микроорганизмов сразу нескольких видов или вариантов лекарственных препаратов. Более того, проводить подобные исследования смогут специальные роботы, которые будут действовать по единой программе, частью которой будет являться программа управления движением капелек исследуемых реагентов.
источники
https://phys.org/news/2018-01-electric-fields-droplets-surface-enable.html