RU2583928C2 - Method of manipulating and sorting objects of various nature, micron and submicron scale in microfluid systems by means of gradients of concentration of paramagnetic nanoparticles - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medicine and biology and can be used for contactless manipulation, concentration and sorting of bacterial cells of E.coli and/or diamagnetic microparticles in microfluid systems. For this purpose directed diffusion is created by the application of the effect of object displacement from a gradient of concentration of paramagnetic nanoparticles CoFe₂O₄.

EFFECT: invention provides contactless manipulation, concentration and sorting of viable bacteria of E/coli without flagella.

11 dwg, 1 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.

Изобретение относится к области микрофлюидных технологий и аналитической сепарации биологических объектов (клеток, биофункциональных микрочастиц), может быть использовано для лабораторных и медицинских исследований и касается способов создания направленной диффузии бесконтактными методами. The invention relates to the field of microfluidic technologies and analytical separation of biological objects (cells, biofunctional microparticles), can be used for laboratory and medical research and relates to methods for creating directional diffusion by non-contact methods.

Уровень техники.The level of technology.

На протяжении последних лет во всем мире отмечается значительный рост количества работ, посвященных созданию микрофлюидных систем. Точный контроль ламинарных потоков в микрофлюидных каналах позволяет манипулировать крайне малыми объемами биологических и химических образцов [1].Over the past years, there has been a significant increase in the number of works devoted to the creation of microfluidic systems worldwide. Exact control of laminar flows in microfluidic channels allows you to manipulate extremely small volumes of biological and chemical samples [1].

В связи с этим ставятся задачи по разработке новых методов создания локальных потоков и направленной диффузии различных объектов в системах каналов с характерным масштабом порядка нескольких десятков микрон. Один из способов основан на магнитных эффектах. Несомненными преимуществами магнитных полей перед другими физическими воздействиями является то, что биологические ткани и клетки в значительной степени проницаемы и слабо чувствительны к воздействию магнитного поля. Однако по этим же причинам применение магнитных методов манипулирования осложняется из-за необходимости добавления в систему компонентов, обладающих достаточной магнитной восприимчивостью, но не влияющих на другие процессы, происходящие с исследуемыми объектами.In this regard, the tasks are posed to develop new methods for creating local flows and directed diffusion of various objects in channel systems with a characteristic scale of the order of several tens of microns. One way is based on magnetic effects. The undoubted advantages of magnetic fields over other physical influences is that biological tissues and cells are largely permeable and weakly sensitive to the effects of a magnetic field. However, for the same reasons, the use of magnetic manipulation methods is complicated due to the need to add components with sufficient magnetic susceptibility to the system, but not affecting other processes occurring with the studied objects.

До настоящего времени для осуществления манипулирования объектами в микрофлюидных системах при помощи магнитных полей применялись контактные методы, связанные с присоединением к целевым объектам парамагнитных наночастиц [2].Until now, contact methods associated with the attachment of paramagnetic nanoparticles to target objects have been used to manipulate objects in microfluidic systems using magnetic fields [2].

В разработке Yellen В.В. et al. [3] (ближайший аналог) был предложен бесконтактный способ магнитного манипулирования, основанный на вытеснении диамагнитных объектов, помещенных в среду с постоянной положительной магнитной восприимчивостью, из градиента магнитного поля. Для создания такой непрерывной среды использовалась феррофлюидная жидкость, содержащая парамагнитные наночастицы диаметром порядка 10 нм. В качестве объектов манипулирования использовались различные полимерные частицы размером от 90 нм до 5 мкм. Использование такой системы для манипулирования живыми клетками не исследовалось и не представляется возможным из-за свойств феррофлюида.In development Yellen V.V. et al. [3] (the closest analogue) a non-contact method of magnetic manipulation was proposed, based on the displacement of diamagnetic objects placed in a medium with constant positive magnetic susceptibility from the magnetic field gradient. To create such a continuous medium, a ferrofluidic liquid containing paramagnetic nanoparticles with a diameter of about 10 nm was used. Various polymer particles with sizes ranging from 90 nm to 5 μm were used as objects of manipulation. The use of such a system for manipulating living cells has not been investigated and is not possible due to the properties of ferrofluid.

Техническим результатом заявленного способа является бесконтактное манипулирование, концентрирование или аналитическая сепарация биологических объектов (в том числе биофункциональных микрочастиц, клеток) при помощи магнитных полей.The technical result of the claimed method is non-contact manipulation, concentration or analytical separation of biological objects (including biofunctional microparticles, cells) using magnetic fields.

Технический результат достигается способом, основанным на эффекте вытеснения объектов из градиента концентрации парамагнитных наночастиц. При этом исследуемый образец смешивают с коллоидным раствором парамагнитных наночастиц и помещают во внешнее магнитное поле. Под действием магнитной силы наночастицы движутся по направлению градиента поля (к источнику поля), за счет чего возникает градиент концентрации. Объекты манипулирования вытесняются из созданного таким образом градиента, при этом возникает их направленная диффузия от источника магнитного поля (против градиента магнитного поля).The technical result is achieved by a method based on the effect of displacing objects from a concentration gradient of paramagnetic nanoparticles. In this case, the test sample is mixed with a colloidal solution of paramagnetic nanoparticles and placed in an external magnetic field. Under the action of magnetic force, the nanoparticles move in the direction of the field gradient (towards the field source), due to which a concentration gradient arises. The objects of manipulation are forced out of the gradient created in this way, while their directed diffusion from the source of the magnetic field (against the gradient of the magnetic field) occurs.

Суть предложенного способа - использование коллоидных растворов парамагнитных наночастиц для создания в них градиентов концентрации, вызывающих направленную диффузию объектов манипуляций.The essence of the proposed method is the use of colloidal solutions of paramagnetic nanoparticles to create concentration gradients in them, which cause directional diffusion of manipulation objects.

В данном изобретении мы использовали парамагнитные наночастицы CoFe₂O₄ [4,5]. Выделенная из исходной смеси фракция диаметром ~16 нм обладает достаточной магнитной восприимчивостью, чтобы в магнитных полях порядка 0,5 Тл противостоять тепловому броуновскому движению. На фигуре 1 приведены снимки и характеризация данных наночастиц с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ). Кроме того, так как предполагается использование наночастиц CoFe₂O₄ для манипулирования бактериальными клетками, с помощью серии разведений, проводилась оценка количества жизнеспособных колоний в зависимости от присутствия наночастиц в суспензии клеток. Трансформированные клетки E.coli, штамм BL21 DE3, несущие плазмиду pET-22min-GFP-l, растили в минимальной жидкой среде с добавлением Изопропил-β-D-1-тиогалактопиранозид (IPTG) концентрацией 1 mM и антибиотиков до оптической плотности плотности OD (600nm)=0,6. Затем клетки смешивали с наночастицами, после чего была приготовлена серия разведений от 1:10² до 1:10¹² для каждого типа соответственно: клетки без наночастиц в качестве контроля, смесь, содержащая наночастицы. Полученные разведения были высажены на чашки Петри с минимальной средой и оставлены в термостате на 24 часа при 37°C до получения видимых колоний.In this invention, we used paramagnetic CoFe ₂ O ₄ nanoparticles [4,5]. A fraction with a diameter of ~ 16 nm isolated from the initial mixture has sufficient magnetic susceptibility to withstand magnetic Brownian motion in magnetic fields of the order of 0.5 T. The figure 1 shows the pictures and characterization of these nanoparticles using transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM). In addition, since it is assumed that CoFe ₂ O ₄ nanoparticles are used to manipulate bacterial cells, a series of dilutions was used to estimate the number of viable colonies depending on the presence of nanoparticles in the cell suspension. Transformed E. coli cells, strain BL21 DE3, carrying the plasmid pET-22min-GFP-l, were grown in minimal liquid medium with the addition of Isopropyl-β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) at a concentration of 1 mM and antibiotics to an optical density of OD density ( 600nm) = 0.6. Then the cells were mixed with nanoparticles, after which a series of dilutions from 1:10 ² to 1:10 ¹² was prepared for each type, respectively: cells without nanoparticles as a control, a mixture containing nanoparticles. The resulting dilutions were plated on Petri dishes with minimal medium and left in an incubator for 24 hours at 37 ° C until visible colonies were obtained.

В результате подсчета колоний были получены следующие данные:As a result of colony counting, the following data were obtained:

- в случае суспензии без наночастиц число жизнеспособных клеток составило 2,57·10⁹КОЕ/мл;- in the case of a suspension without nanoparticles, the number of viable cells was 2.57 · 10 ⁹ CFU / ml;

- в случае суспензии, содержащей наночастицы, число жизнеспособных клеток составило 2·10⁹КОЕ/мл.- in the case of a suspension containing nanoparticles, the number of viable cells was 2 · 10 ⁹ CFU / ml.

При этом было показано, что клетки флуоресцируют в ультрафиолете. Таким образом, можно сделать вывод, что присутствие наночастиц в клеточной суспензии не влияет на жизнеспособность культуры.It was shown that cells fluoresce in ultraviolet light. Thus, we can conclude that the presence of nanoparticles in the cell suspension does not affect the viability of the culture.

Теоретическое описание эффекта вытеснения диамагнитных объектов из градиента концентрации парамагнитных наночастиц находит объяснение в терминах общей и теоретической физики. Все формулы приведены в размерности СИ. Сила, действующая на наночастицу с магнитным моментом $${\overrightarrow{m}}_p$$

во внешнем поле $$\overrightarrow{H}$$

, задается уравнением (1) [6]:A theoretical description of the effect of displacing diamagnetic objects from the concentration gradient of paramagnetic nanoparticles is explained in terms of general and theoretical physics. All formulas are given in SI dimension. The force acting on a nanoparticle with a magnetic moment $${\overrightarrow{m}}_p$$

in an external field $$\overrightarrow{H}$$

is defined by equation (1) [6]:

Для теоретических оценок внешнего поля (поля постоянного магнита или катушки) используется дипольное приближение (2):For theoretical estimates of the external field (field of a permanent magnet or coil), the dipole approximation is used (2):

где $${\overrightarrow{m}}_0$$

- магнитный момент источника поля. Так как частицы являются парамагнетиками, их магнитный момент связан с внешним полем по линейному закону. Кроме того, следует учесть, что частицы находятся в жидкости, которая также имеет коэффициент магнитной восприимчивости, отличный от нуля. Таким образом, магнитная энергия парамагнитной частицы, находящейся в жидкости, задается соотношением (3):Where $${\overrightarrow{m}}_0$$

is the magnetic moment of the field source. Since particles are paramagnets, their magnetic moment is connected with an external field according to a linear law. In addition, it should be noted that the particles are in a liquid, which also has a coefficient of magnetic susceptibility other than zero. Thus, the magnetic energy of a paramagnetic particle located in a liquid is given by relation (3):

где $$$$

χ_ƒ, χ_p - магнитная восприимчивость жидкости и магнитная восприимчивость наночатицы соответственно, отнесенные к единице объема. Здесь выполнен переход для расчета движения частицы в одномерном случае - по направлению дипольного момента источника поля. Подставляя (2) в (3) и дифференцируя все по R, получаем окончательное выражение для силы, действующей на парамагнитную наночастицу в жидкости (4):Where $$$$

χ _ƒ , χ _p are the magnetic susceptibility of the liquid and the magnetic susceptibility of the nanoparticle, respectively, referred to the unit volume. Here, a transition has been made to calculate the particle motion in the one-dimensional case — in the direction of the dipole moment of the field source. Substituting (2) into (3) and differentiating everything with respect to R, we obtain the final expression for the force acting on a paramagnetic nanoparticle in a liquid (4):

Решим теперь уравнение диффузии для парамагнитных наночастиц во внешнем поле [7]. Кроме силы со стороны магнитного поля F_m (4) на частицу действует сила вязкого трения Стокса F_c (5) в приближении, что частица имеет сферическую форму:We now solve the diffusion equation for paramagnetic nanoparticles in an external field [7]. In addition to the force from the side of the magnetic field F _m (4), the Stokes viscous friction force F _c (5) acts on the particle in the approximation that the particle has a spherical shape:

где η - динамическая вязкость жидкости, r_p - радиус частицы, v - скорость частицы. В стационарных условиях силы F_c и F_m уравновешиваются, отсюда, приравняв (4) и (5), найдем скорость частицы (6):where η is the dynamic viscosity of the fluid, r _p is the particle radius, v is the particle velocity. Under stationary conditions, the forces F _c and F _{m are} balanced, hence, equating (4) and (5), we find the particle velocity (6):

Таким образом, частицы образуют поток j_m (7), обусловленный действием магнитной силы, равный числу частиц, пересекающих в единицу времени единичную площадку, расположенную перпендикулярно вектору силы:Thus, the particles form a flux j _m (7), due to the action of magnetic force, equal to the number of particles crossing a unit area perpendicular to the force vector per unit time:

где n - концентрация частиц. В результате такого движения частиц из-за ограниченности канала (наличия стенок) возникает градиент концентрации, приводящий в свою очередь к возникновению диффузионного потока частиц j_d, описываемого законом Фика (8):where n is the concentration of particles. As a result of such particle motion, due to the limited channel (the presence of walls), a concentration gradient arises, which in turn leads to the appearance of a diffusion particle flux j _d described by Fick's law (8):

где D - коэффициент диффузии частиц. Для сферических частиц коэффициент диффузии D можно оценить по формуле Стокса - Эйнштейна (9):where D is the particle diffusion coefficient. For spherical particles, the diffusion coefficient D can be estimated by the Stokes - Einstein formula (9):

В равновесном состоянии потоки (7) и (8) должны уравновешивать друг друга, откуда следует (10):In the equilibrium state, flows (7) and (8) must balance each other, whence (10) follows:

здесь для сокращения записи введено обозначение (11):here to shorten the notation introduced the notation (11):

Интегрируя (10) по длине (или ширине - в зависимости от расположения магнита) канала с некоторыми граничными условиями, получаем соотношение для зависимости концентрации парамагнитных наночастиц от расстояния до источника поля (12):Integrating (10) along the length (or width, depending on the location of the magnet) of the channel with some boundary conditions, we obtain the relationship for the dependence of the concentration of paramagnetic nanoparticles on the distance to the field source (12):

здесь R₀ - расстояние от источника поля до ближайшей к нему стенки канала, n₀-концентрация у этой стенки в равновесии. Граничное условие n₀ может быть найдено из условия постоянства полного числа частиц в закрытом (изолированном) канале (13):here R ₀ is the distance from the source of the field to the channel wall nearest to it, n _{0 is the} concentration at this wall in equilibrium. The boundary condition n ₀ can be found from the condition of constancy of the total number of particles in the closed (isolated) channel (13):

где N_t и V_t - полное число частиц в канале и общий объем канала соответственно. Полученная зависимость изображена на фигуре 2. Решим теперь уравнение для диффузии микрообъектов в градиенте концентрации парамагнитных наночастиц. Приведем выкладки для оценки силы, действующей на цилиндр, ось которого расположена по направлению градиента концентрации наночастиц. Цилиндр является приближением формы бактерии E.coli. На фигуре 3 приведена поясняющая иллюстрация. Здесь выполнен переход к плотности ρ=n·m_p суспензии парамагнитных наночастиц, где m_p - масса одной наночастицы, и давлению Р частиц на торцы цилиндра. Тогда давления P₁ и P₂ будут задаваться выражениями (14):where N _t and V _t are the total number of particles in the channel and the total volume of the channel, respectively. The obtained dependence is depicted in figure 2. Now we solve the equation for the diffusion of microobjects in the concentration gradient of paramagnetic nanoparticles. We give calculations for evaluating the force acting on a cylinder whose axis is located in the direction of the concentration gradient of nanoparticles. The cylinder is an approximation of the shape of the bacterium E.coli. Figure 3 is an explanatory illustration. Here, the transition to the density ρ = n · m _{p of the} suspension of paramagnetic nanoparticles, where m _p is the mass of one nanoparticle, and the pressure P of the particles at the ends of the cylinder, is made. Then the pressure P ₁ and P ₂ will be given by the expressions (14):

здесь

Подставляя в (14) выражения для концентрации наночастиц и магнитной силы (12) и (4) и вычитая Р₁-Р₂, получим выражение для оценки силы, действующей на бактерию (15):here

Substituting in (14) the expressions for the concentration of nanoparticles and magnetic force (12) and (4) and subtracting P ₁ -P ₂ , we obtain the expression for evaluating the force acting on the bacterium (15):

где Δh - длина бактерии. Приравняв эту силу к силе вязкого трения (также, как и в случае с наночастицами) можно найти стационарную скорость вытеснения бактерии из градиента концентрации парамагнитных наночастиц. Кроме того, при больших концентрациях всплывающих объектов нужно учитывать диффузионный поток по закону Фика, также как это было проделано для парамагнитных наночастиц.where Δh is the length of the bacterium. Equating this force to the force of viscous friction (as well as in the case of nanoparticles), we can find the stationary rate of displacement of bacteria from the concentration gradient of paramagnetic nanoparticles. In addition, at high concentrations of pop-up objects, it is necessary to take into account the diffusion flux according to Fick's law, just as was done for paramagnetic nanoparticles.

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

Одно из применений эффекта вытеснения диамагнитных объектов из градиента концентрации парамагнитных наночастиц в микрофлюидных устройствах может заключаться в повышении локальной концентрации объектов у той или иной стенки микрофлюидного канала, например, для контакта с модифицированными участками поверхности. Для этого раствор с целевыми объектами смешивают с суспензией парамагнитных наночастиц в соотношении 10⁴÷10⁶ наночастиц CoFe₂O₄ на один объект манипуляций. Далее смесь вводят в микрофлюидную систему. При поднесении к системе магнита возникает локальное повышение концентрации целевых объектов у противоположной от магнита стенки канала (фигура 4).One of the applications of the effect of displacing diamagnetic objects from the concentration gradient of paramagnetic nanoparticles in microfluidic devices can be to increase the local concentration of objects at a particular wall of the microfluidic channel, for example, for contact with modified surface areas. For this, the solution with the target objects is mixed with a suspension of paramagnetic nanoparticles in a ratio of 10 ⁴ ÷ 10 ⁶ CoFe ₂ O ₄ nanoparticles per manipulation object. Next, the mixture is introduced into the microfluidic system. When a magnet is brought to the system, a local increase in the concentration of target objects occurs at the channel wall opposite from the magnet (figure 4).

Устройство на фигуре 5 предназначено для сортировки исходной смеси по размерам входящих в нее компонентов. Вначале в микрофлюидную систему вводят суспензию парамагнитных наночастиц. С помощью магнита создается и удерживается градиент их концентрации. Затем в систему вводят смесь, требующую сортировки. С помощью какого-либо внешнего устройства через канал создают поток жидкости в направлении, перпендикулярном градиенту концентрации парамагнитных наночастиц. Объекты разного размера выходят из основного потока на разном расстоянии от точки введения за счет различной скорости их вытеснения из градиента концентрации парамагнитных наночастиц. Таким образом осуществляется сепарация.The device in figure 5 is intended for sorting the initial mixture by the size of its constituent components. First, a suspension of paramagnetic nanoparticles is introduced into the microfluidic system. With the help of a magnet, a gradient of their concentration is created and held. Then, a mixture requiring sorting is introduced into the system. Using some external device through the channel create a fluid flow in the direction perpendicular to the concentration gradient of paramagnetic nanoparticles. Objects of different sizes exit the main stream at different distances from the injection point due to different rates of their displacement from the concentration gradient of paramagnetic nanoparticles. Thus, separation is carried out.

Устройство на фигуре 6 предназначено для сортировки объектов исходной смеси по их магнитной восприимчивости. В этой микрофлюидной системе также создается и удерживается градиент концентрации парамагнитных наночастиц. Затем в систему вводят смесь, требующую сортировки. С помощью какого-либо внешнего устройства через канал создают поток жидкости в направлении, перпендикулярном градиенту концентрации парамагнитных наночастиц. Объекты с большей магнитной восприимчивостью (на фигуре обозначены зеленым цветом) глубже погружаются в градиент концентрации наночастиц, уравновешивая силу, притягивающую их к магниту с силой, выталкивающей их из градиента. Объекты же с меньшей магнитной восприимчивостью (на фигуре черного цвета), соответственно погружаются в градиент на меньшую глубину. Таким образом происходит «фокусировка» и сепарация объектов с различной магнитной восприимчивостью на выходе из канала.The device in figure 6 is designed to sort the objects of the initial mixture according to their magnetic susceptibility. A concentration gradient of paramagnetic nanoparticles is also created and maintained in this microfluidic system. Then, a mixture requiring sorting is introduced into the system. Using some external device through the channel create a fluid flow in the direction perpendicular to the concentration gradient of paramagnetic nanoparticles. Objects with greater magnetic susceptibility (indicated in green in the figure) are deeper immersed in the concentration gradient of nanoparticles, balancing the force attracting them to the magnet with the force pushing them out of the gradient. Objects with a lower magnetic susceptibility (black in the figure), respectively, are immersed in the gradient to a shallower depth. Thus, “focusing” and separation of objects with different magnetic susceptibilities at the channel exit occurs.

Пример реализации изобретения.An example implementation of the invention.

В качестве модельных объектов для демонстрации возможностей метода бесконтактного манипулирования на основе эффекта вытеснения из градиента концентрации парамагнитных наночастиц используют лабораторный штамм E.coli без жгутиков. АСМ снимки и характеризация этих образцов приведены на фигуре 7. Микрофлюидную систему собирают при помощи технологии быстрого прототипирования в клеящейся пленке (3М, США). Для детекции движения объектов используют инвертированный иммерсионный микроскоп (ЛОМО, Россия). Схема и фотография установки представлены на фигуре 8. В качестве источника поля используют электромагнит. В микрофлюидную систему вводят смесь парамагнитных наночастиц CoFe₂O₄ и бактерий в объеме 14 мкл в соотношении ~10⁵ наночастиц на одну бактерию. Далее при помощи цифровой камеры с микроскопа записывают видео, раскадровка которого представлена на фигуре 9. Электромагнит находится справа, размер кадра ~90 мкм. В промежуток времени 0 с-4 с бактерии находятся в свободном броуновском движении; на 4 с включается магнит, что вызывает слабое течение по направлению к магниту из-за активного дрейфа магнитных наночастиц в эту зону; на 13 с выстроившегося градиента наночастиц оказывается достаточно для того, чтобы начать "вытеснять" бактерии от магнита, что и наблюдается начиная с 14 с. Скорость движения бактерий при их вытеснении из градиента концентрации магнитных наночастиц составляет ~15 мкм/с и увеличивается со временем.A laboratory strain of E. coli without flagella is used as model objects to demonstrate the capabilities of the non-contact manipulation method based on the effect of displacement from the concentration gradient of paramagnetic nanoparticles. AFM images and characterization of these samples are shown in Figure 7. The microfluidic system is assembled using rapid prototyping technology in an adhesive film (3M, USA). An inverted immersion microscope (LOMO, Russia) is used to detect the movement of objects. A diagram and photograph of the installation are shown in Figure 8. An electromagnet is used as the field source. A mixture of paramagnetic CoFe ₂ O ₄ nanoparticles and bacteria in a volume of 14 μl in the ratio of ~ 10 ⁵ nanoparticles per bacterium is introduced into the microfluidic system. Then, using a digital camera, a video is recorded using a microscope, the storyboard of which is shown in Figure 9. The electromagnet is on the right, the frame size is ~ 90 μm. Between 0 s-4 s, bacteria are in free Brownian motion; the magnet turns on for 4 s, which causes a weak flow towards the magnet due to the active drift of magnetic nanoparticles into this zone; for 13 s, the built-up gradient of nanoparticles is enough to begin to “displace” bacteria from the magnet, which is observed starting from 14 s. The speed of movement of bacteria during their displacement from the concentration gradient of magnetic nanoparticles is ~ 15 μm / s and increases with time.

Для демонстрации возможностей метода при работе с диамагнитными микрочастицами в качестве модельных объектов используют флуоресцентные латексные микросферы (Life Technologies, FluoSpheres, США). Размер частиц - 200 нм, краситель - флуоресцеинизотиоцианат (FITC). Микрофлюидную систему собирают при помощи технологии быстрого прототипирования в клеящейся пленке (ЗМ, США). Схема микрофлюидной системы представлена на фигуре 10. Для детекции движения объектов используют инвертированный флуоресцентный микроскоп (Nikon, Япония). В качестве источника поля используют постоянный неодимовый магнит (Стандарт Магнит, N42, Россия). В микрофлюидную систему вводят смесь парамагнитных наночастиц CoFe₂O₄ и флуоресцентных латексных микросфер в объеме 14 мкл в соотношении ~10⁵ наночастиц на одну микросферу. Для создания основного потока используют гидростатический перепад давлений ~2 см. Далее при помощи цифровой камеры микроскопа записывают микрофотографии движения флуоресцентных микросфер в канале, которые представлены на фигуре 11, размер кадра ~500 мкм. На первой микрофотографии заснято движение флуоресцентных микросфер под действием основного потока, созданного гидростатическим перепадом давлений, в отсутствии магнитного поля. На второй микрофотографии заснято движение частиц в основном потоке при наложении магнитного поля. Стрелками показаны направления движения микросфер. Магнит находится справа внизу. Из микрофотографий видно, что диамагнитные микрочастицы латекса вытесняются из градиента концентрации парамагнитных наночастиц. О наличии градиента концентраций парамагнитных наночастиц свидетельствует изменение направления и скорости движения латексных флуоресцентных микрочастиц по мере удаления от магнита.To demonstrate the capabilities of the method when working with diamagnetic microparticles, fluorescent latex microspheres (Life Technologies, FluoSpheres, USA) are used as model objects. Particle size - 200 nm, dye - fluorescein isothiocyanate (FITC). The microfluidic system is assembled using rapid prototyping technology in an adhesive film (ZM, USA). The microfluidic system diagram is shown in Figure 10. An inverted fluorescence microscope (Nikon, Japan) is used to detect the movement of objects. A permanent neodymium magnet is used as the field source (Standard Magnet, N42, Russia). A mixture of paramagnetic CoFe ₂ O ₄ nanoparticles and fluorescence latex microspheres in a volume of 14 μl in a ratio of ~ 10 ⁵ nanoparticles per microsphere is introduced into the microfluidic system. To create the main flow, a hydrostatic pressure drop of ~ 2 cm is used. Next, using a digital microscope camera, micrographs of the movement of the fluorescent microspheres in the channel, which are presented in figure 11, are recorded, the frame size is ~ 500 μm. The first micrograph shows the movement of fluorescent microspheres under the influence of the main stream created by the hydrostatic differential pressure in the absence of a magnetic field. In the second photomicrograph, the motion of particles in the main stream is recorded when a magnetic field is applied. Arrows indicate the direction of movement of the microspheres. The magnet is located at the bottom right. From microphotographs it is seen that the diamagnetic microparticles of latex are displaced from the concentration gradient of paramagnetic nanoparticles. The presence of a concentration gradient of paramagnetic nanoparticles is evidenced by a change in the direction and speed of movement of latex fluorescent microparticles as they move away from the magnet.

ЛитератураLiterature

[1] Whitesides G. М. // Nature. 2006. V. 442. Р. 368- 373.[1] Whitesides G. M. // Nature. 2006. V. 442.R. 368-373.

[2] Bhagat A.A. S., Bow Н., Hou Н.W., Tan S.J., Han J., Lim С.Т. // Med. Biol. Eng. Comput. 2010. V. 48. P. 999-1014.[2] Bhagat A.A. S., Bow N., Hou N.W., Tan S.J., Han J., Lim S.T. // Med. Biol. Eng. Comput. 2010. V. 48. P. 999-1014.

[3] Yellen В.В., Hovorka O., Friedman G. // PNAS. 2005. V. 102. P. 8860-8864.[3] Yellen V.V., Hovorka O., Friedman G. // PNAS. 2005. V. 102. P. 8860-8864.

[4] Stan C., Cristescu C.P., Balasoiu M., Duginov V. N., Mamedov T.N. // Prepr. The Joint Inst. for nucl. res. 2012. V. 14. P. 103.[4] Stan C., Cristescu C.P., Balasoiu M., Duginov V. N., Mamedov T.N. // Prepr. The Joint Inst. for nucl. res. 2012. V. 14. P. 103.

[5] Bica D. // Rom. Rep. Phys. 1995. V. 47. P. 265-272.[5] Bica D. // Rom. Rep. Phys. 1995. V. 47. P. 265-272.

[6] Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. // Теоретическая физика. Том 2. Теория поля. // М. ФИЗМАТЛИТ. 2003. Р. 138-153.[6] Landau L.D., Lifshitz E.M. // Theoretical physics. Volume 2. Field Theory. // M. FIZMATLIT. 2003.P. 138-153.

[7] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. // Теоретическая физика. Том 6. Гидродинамика. // М. ФИЗМАТЛИТ. 2001. Р. 319-332.[7] Landau L.D., Lifshits E.M. // Theoretical physics. Volume 6. Hydrodynamics. // M. FIZMATLIT. 2001.P. 319-332.

Claims (1)

Бесконтактный способ манипулирования, концентрирования и сортировки бактериальных клеток E.coli и/или диамагнитных микрочастиц в микрофлюидных системах, отличающийся тем, что для создания направленной диффузии используется эффект вытеснения объектов из градиента концентрации парамагнитных наночастиц CoFe₂O₄. A non-contact method for manipulating, concentrating and sorting bacterial cells of E. coli and / or diamagnetic microparticles in microfluidic systems, characterized in that the effect of displacing objects from the concentration gradient of paramagnetic CoFe ₂ O ₄ nanoparticles is used to create directional diffusion.

Images