Физики разработали новый метод сортировки магнитных частиц в микрофлюидных чипах, основанный на совмещении магнитного поля и гидродинамических эффектов. В работе, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи показали, что такой метод можно использовать для разделения по размерам эллиптических частиц размером более двух микрон.

Микрофлюидные устройства, состоящие из каналов микронного размера, позволяют проводить химический синтез и анализ в системах ограниченного объема. Благодаря развитию методов мониторинга сейчас с помощью таких систем можно синтезировать и исследовать довольно большое количество разных веществ, уместив при этом на одном небольшом чипе размером с монетку функции целой лаборатории, которая проводит последовательно несколько стадий: синтез нужных частиц, их разделение и необходимые методы анализа. Одним из важных компонентов такой «лаборатории на чипе» является элемент, который позволяет сортировать частицы, движущиеся по микроканалам, в зависимости от свойств — размера, формы, заряда или упругих свойств. 

D. Matsunaga / University of Oxford

Группа физиков из Оксфордского университета под руководством Джулии Йоманс (Julia M. Yeomans) предложила способ разделения в микроканалах магнитных частиц эллиптической формы. В основе метода лежит совместное действие на такие частицы постоянного магнитного поля и жидкости, имеющей в микроканале параболический профиль.

Схема рассматриваемой задачи: плоский канал с параболическим профилем текущей жидкости, в которой движется эллиптическая частица с магнитным моментом m. D. Matsunaga et al./ Physical Review Letters, 2017

Постоянное магнитное поле в предложенном подходе используется для того, чтобы зафиксировать в потоке нужную ориентацию частицы. Из-за того, в параболическом потоке в каждой точке свой наклон профиля скорости, в зависимости от ориентации для частицы наиболее выгодным может оказаться движение на различном расстоянии от стенки. 

При этом для возможности разделения частиц по размеру, важно, что под влиянием потока изначальная ориентация частиц в результате действия магнитного поля немного изменяется. Поскольку частицы разного размера имеют различный магнитный момент и на них с разной силой действует закручивающее течение, то конечная равновесная ориентация у них будет отличаться. Соответственно, отличаться будет и их конечное положение внутри канала, что, собственно, и позволяет отсортировать частицы по размеру.

Показав с помощью теоретических выкладок, что предложенный подход может работать, ученые проверили его с помощью компьютерного моделирования и проследили за непосредственным движением частиц в канале. Оказалось, что даже при наличии дополнительных эффектов, связанных с возможными тепловыми флуктуациями, такой метод позволяет отделять друг от друга частицы разного размера и формы. Минимальный размер частиц, которые могут быть отсортированы таким образом, составляет около двух микрон.

Основным преимуществом данного метода является то, что с помощью магнитного поля можно не только сортировать частицы в микроканале по размеру, но и изменять высоту, на которой они фокусироваться. То есть изменяя магнитное поле, можно управлять положением частиц в микроканале прямо по ходу эксперимента.

Для сортировки частиц по размерам чаще используют не магнитное поле, а электростатическое. Такие методы основаны на методах электроосмоса и электрофореза и могут использоваться для разделения по размерам молекул ДНК или незаряженных коллоидных частиц.

Автор: Александр Дубов