Разработка микрофлюидных устройств для синтеза супрамолекулярных систем на основе полимеров и ПАВ
Конференция: XXIX Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Секция: Химическая технология
XXIX Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Разработка микрофлюидных устройств для синтеза супрамолекулярных систем на основе полимеров и ПАВ
DEVELOPMENT OF MICROFLUIDIC DEVICES FOR SYNTHESIS OF SUPRAMOLECULAR SYSTEMS BASED ON POLYMERS AND SURFACTANTS
Artem Bezrukov
Candidate of chemical sciences, associate professor, Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan
Аннотация. В настоящей работе рассмотрена методика проектирования микрофлюидных устройств для синтеза супрамолекулярных систем на основе полимеров и поверхностно-активных веществ и их изготовления методом литографии. Разработаны и изготовлены устройства с ψ-образным расположением каналов, осуществлено тестирование устройств на предмет возможности получения комплексов полимер-ПАВ. Показаны возможности регулирования процессов фазообразования в среде микроканала при ламинарном течении потоков взаимодействующих частиц.
Abstract. This paper demonstrates a method of design of microfluidic devices for synthesis of supramolecular systems based on polymers and surfactants and their fabrication by lithography. Microfluidic devices with Y- and ψ-shaped channels were developed and fabricated; these devices were tested to synthesize polymer-surfactant complexes. The opportunities of control of phase formation processes were revealed for a microchannel environment with laminar flows of interacting particles.
Ключевые слова: микрофлюидика; литография; ассоциация; фазообразование.
Keywords: microfluidics; lithography; association; phase formation.
Введение. Микрофлюидные устройства являются перспективными системами для синтеза супрамолекулярных структур [1,2]. Упорядоченные ламинарные потоки компонентов в микроканалах позволяют создавать условия для направленного регулирования процесса ассоциации различных соединений и свойств образующихся комплексов [3,4].
По сравнению с традиционными способами получения супрамолекулярных систем, микрофлюидика предлагает дополнительные возможности управления процессом синтеза и регулирования свойств комплексов, такие как конструктивные особенности и режим работы микрофлюидного микроустройства. В настоящей работе рассмотрен процесс создания и тестирования микрофлюидных устройств для реализации процесса взаимодействия полимеров и ПАВ.
Экспериментальная часть. Печать фотошаблонов для изготовления микрофлюидных чипов осуществлялась в компании CAD/Art Services, США, разрешение печати составляло 20 000 точек на квадратный дюйм. Матрицы для микрофлюидных устройств изготовлялись путем нанесения негативного фоторезиста SU-8 (компания MicroChem, США). В качестве материала для изготовления микрофлюидных устройств использовался полидиметилсилоксан. Процесс фазообразования изучали на микроскопе Levenhuk D320 с видеокамерой Levenhuk M1400 Plus. В качестве полимера использовалась полиакриловая кислота (Polysciences, Inc., США), со средневесовой молекулярной массой Mw = 90 000. В качестве ПАВ использовался цетилтриметиламмоний бромид (98%, BDH Limited, Великобритания).
Результаты и их обсуждение. Процесс комплексообразования в параллельных ламинарных потоках полимеров и ПАВ можно описать уравнениями конвективной диффузии с реакционным компонентом в качестве источникового члена [5]:
(1)
Где А+В = С – реакция комплексообразования между мономерными звеньями макромолекулы полимера и ионами ПАВ, U – скорость потока в микроканале (м/с), D – коэффициент диффузии, l и w – длина и ширина микроканала, м, СA и CB – концентрации реагентов.
Без учета реакции уравнение (1) имеет аналитическое решение вида:
(2)
где erf – функция ошибок, С0 – начальная концентрация.
Для ψ-образного микроканала с боковым расположением потоков реагирующих компонентов и центральным расположением буфера (растворителя) смешение реагирующих веществ будет происходить за счет диффузии макромолекул полимера и молекул поверхностно-активных веществ в центральную часть канала. Не решая уравнение (1) численными методами, можно, тем не менее, оценить расстояние от точки смешения, на котором концентрация компонентов составит некоторое заданное значение:
(3)
где erfinv – обратная функция ошибок.
Так, для канала шириной 200 мкм и общего расхода 30 мкл/мин концентрация полимера в центре микроканала составит 5% от исходной (в соответствии с уравнением 3) на расстоянии ~ 14 мм от точки смешения потоков. Можно предположить, что при такой концентрации полимера можно будет наблюдать интенсивный процесс комплексообразования в центре микроканала. Данный подход был использован при проектировании микрофлюидных устройств для изучения процесса ассоциации полимеров и ПАВ (рис. 1). Длина каналов составляла 10-100 мм при ширине 100-300 мкм. Для каждого устройства был подобран соответствующий расход компонентов по уравнению (3) в диапазоне 10-40 мкл/мин.
Решениями уравнений типа (1) для каждого из реагирующих компонентов и продукта реакции будут функции вида С(r,l), которые будут характеризовать концентрационное распределение исходных веществ и продуктов реакции по длине и ширине микроканала. При этом соотношение компонентов Z = CA/CB может характеризовать условия, приводящие к формированию нерастворимых комплексов и образованию осадка [6,7]. Так, в «макрообъемных» растворах изученных реагентов при Z<1 наблюдалось образование нерастворимых комплексов и выпадение осадка.
Регулирование расхода компонентов и, соответственно, скорости потоков в микроканале позволяет подбирать условия, соответствующие макрофазному разделению в системе (рис. 2) или осуществлять процесс смешения компонентов без фазообразования.
Рисунок 1. Пример фотошаблона для изготовления микрофлюидных устройств (слева) и микрофлюидные устройства с различным расположением микроканалов (справа)
Рисунок 2. Микрофлюидный чип с ψ-образным расположением каналов. Образование осадка (слева) и отсутствие макрофазного разделения (справа) при расходе реагентов менее и более 30 мкл/мин, соответственно
Заключение. Приближенные решения уравнений конвективной диффузии позволяет подбирать параметры для проектирования микрофлюидных устройств для реализации определенного процесса получения супрамолекулярных систем. Аналогичным образом возможно подбирать параметры работы микрофлюидных устройств для регулирования процесса фазообразования внутри микроканала.
