Способ разделения частиц методом диэлектрофореза

Изобретение относится к физике селективного воздействия с помощью неоднородных электрических полей на наномолекулы и наночастицы и их селективного перемещения при диэлектрофорезе. Технический результат изобретения: обеспечение перемещения и сортировки наночастиц и наномолекул. Сущность: раствор для диэлектрофореза с селектируемыми молекулами и/или частицами (вплоть до нанометровых размеров) берут в виде жидкой пленки толщиной 5 нм-10 мкм. Требуемые для диэлектрофореза неоднородности электромагнитного поля создают у окончаний поверхностно-активных молекул, находящихся в поверхностных мономолекулярных слоях такой пленки, путем введения в пленку сбоку или сверху под скользящим углом меньше 20 градусов лазерного излучения для воздействия на молекулы и частицы селективным образом, контролируемым по образованию в пленке характерных узких и длинных световых каналов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к физике, а именно к физике селективного воздействия с помощью неоднородных электрических полей на молекулы и частицы и их селективного перемещения при диэлектрофорезе.

Улучшение методов воздействия и разделения малых частиц и молекул имеет фундаментальное значение для дальнейшего развития физики, химии и биологии. Диэлектрофорез, как и все опробованные методы селекции, использует для селективного воздействия различия в свойствах разделяемых частиц.

Используемое для этих целей явление диэлектрофореза (движения частиц в электрическом поле) возникает тогда, когда в постоянном или переменном электрическом поле имеется его неоднородность, градиент. Само явление известно уже более 2500 лет [1] и наглядно проявляется в притяжении кусочков бумаги к наэлектризованной палочке. Неоднородность электрического поля создает силу, воздействующую на любые поляризуемые объекты, заряженные и незаряженные. С учетом воздействия неоднородного поля на разные концы частицы и на среду, в которой она находится, можно показать, что частицы с более высокой поляризуемостью, чем у среды, втягиваются в область сильного поля (положительный диэлектрофорез), а при меньшей - они выталкиваются в область более слабого поля (отрицательный диэлектрофорез). Сила воздействия определяется градиентом квадратично усредненного по времени поля и от направления поля не зависит.

При диэлектрофорезе частицы демонстрируют взаимное притяжение с образованием линейных цепочек типа “жемчужных бус” и цепочек из железных опилок у магнита. Есть основания считать, что такая совокупность частиц обладает более высокой поляризуемостью и стойкостью к температурным воздействиям [2-4]. В отличие от постоянного напряжения, которое в растворе вызывает нежелательный электролиз с образованием пузырей и сильное электрогидродинамическое движение раствора, использование для диэлектрофореза переменного напряжения с частотами до 10 МГц (и выше) позволяет прикладывать к электродам значительно более высокое напряжение.

Подробное описание физики явления и обзор последних разработок по применению диэлектрофореза для разделения частиц приведены, например, в [1]. Электрическое поле наряду с перемещением вызывает вращение и ориентацию полярных объектов по полю. Сила воздействия уменьшается с объемом частицы (при переходе от частиц размером в 1 мкм к 10 нм частицам эта сила уменьшается в миллион раз), чем и обусловлены трудности реализации диэлектрофореза наночастиц и молекул меньше 10 нм в жидкостях при комнатных температурах.

В растворах частицы постоянно подвергаются тепловому воздействию соседних молекул, находящихся в хаотическом броуновском движении, и для проявления диэлектрофореза необходимо, чтобы сила его воздействия превышала эффективную силу теплового влияния F_thermal, возникающую вследствие соударения с окружающими частицами. F_thermal~k_вT/2r_particle, где k_в - константа Больцмана, Т - температура и r_partkle - радиус частицы. Чем меньше частица, тем больше сила такого теплового воздействия.

Несмотря на то, что диэлектрофорез нашел широкое применение для сортировки, перемещения крупных (микронных) частиц и клеток, использование электрических полей для воздействия на отдельные наномолекулы и наночастицы еще совсем не отработано. Для малых частиц получение сил, превосходящих броуновское воздействие, требует больших, пока не реализованных градиентов поля, поэтому в работающих схемах с электрическими и оптическими полями (в устройствах типа лазерного пинцета) пока не удается удерживать или отделить частицы меньше 100 нм. Экспериментаторы вполне успешно работают с частицами микронных размеров, и по теоретическим оценкам [1] имеется надежда у острия из нанотрубки с радиусом кривизны около 1 нм при напряжении 50 мВ получить для частицы размером в 1 нм на расстоянии 100 нм такие силы диэлектрофореза, которые превзойдут тепловое влияние, что позволит их удерживать и сортировать. По этим же оценкам, вблизи наноострия силы диэлектрофореза могут оказаться настолько большими, что не только позволят воздействовать на отдельные молекулы, растягивать их, но смогут даже превзойти прочность химических связей в молекулах и привести к их разрыву, открывая тем самым путь к новым химическим реакциям.

Таким образом, для нанодиэлектрофореза и решения отмеченных проблем по воздействию на наночастицы необходимы высокие градиенты полей, т.е. необходим набор очень тонких электродов (нанометровых размеров по диаметру) с нанометровыми расстояниями между соседними выступами. Опробованные и отработанные методы литографии или использования для электродов нановолокон пока не позволили преодолеть эти трудности и создать рабочие схемы для нанодиэлектрофореза [1]. Известна, например, работающая установка с микронными электродами для диэлектрофореза микронных клеток в растворе, описанная в патенте US 5814200 [3], которая из-за больших размеров электродов для

наночастиц не применима, как и другие, описанные в [1] рабочие схемы.

Оценки величин электрических полей, необходимых для удержания малых частиц с электродами разных радиусов приведены в [2] (прототип). Как показано ([2], фиг.1), для преодоления теплового влияния на частицу, находящуюся у поверхности электрода, минимальное требуемое электрическое напряжение уменьшается с его радиусом. Однако возможность селективного воздействия на отдельные наномолекулы при диэлектрофорезе в схеме с наноэлектродами еще не реализована из-за значительных трудностей в сборке таких схем.

Задачей изобретения является получение требуемых для нанодиэлектрофореза градиентов электрических полей и обеспечение перемещения и сортировки наночастиц и наномолекул.

Для решения поставленной задачи предлагается создавать в равновесном окружении, т.е. в атмосфере насыщенных паров и газов, свободные жидкие пленки со специально подобранными и совместимыми в пленке (позволяющими создавать пленку) наночастицами и/или наномолекулами для их диэлектрофореза. В предлагаемом способе в качестве заостренных зубчатых электродов используют поверхности этих пленок, а точнее, концы длинных полярных молекул (например, молекулы мыла или других поверхностно-активных веществ - ПАВ), находящихся в пленке на поверхности раствора, выстроенных и ориентированных перпендикулярно к этой поверхности в мономолекулярном слое типа Ленгмюра-Блоджетт, автоматически возникающем на ограничивающих поверхностях, например, с двух сторон любой свободной мыльной пленки при ее образовании. Показатель преломления мыльного раствора в воде близок к 1.33, а для монослоя молекул мыла на поверхностях - к 1.45. (Если найдутся подложки, на поверхности которых структура свободных мыльных пленок не нарушится, то можно будет использовать мыльные пленки и на подложках, но пока такие подложки автору не известны).

Длина молекул мыла обычно составляет 2-5 нм, расстояния между вершинами (находящимися в растворе пленки) выстроенных соседних молекул зависят от их химической структуры и могут составлять 0.3-3 нм, а толщина пленки (расстояние между противоположными системами заостренных вершин) плавно меняется от 10 мкм до 5 нм при дренаже из нее раствора. Электрическое поле в пленке между плоскостями с выступающими вершинами полярных молекул создают световым электромагнитным полем на прозрачных для раствора частотах с помощью непрерывного или импульсного лазерного излучения средней мощности I=10 мкВт-10 Вт (опробован спектральный диапазон лазеров - 440-950 нм, но судя по предполагаемому механизму воздействия, он ограничивается только спектральной полосой прозрачности используемых растворов), которое для увеличения интенсивности фокусируют и вводят в пленку сбоку через ребро или сверху под скользящим углом меньше 20 градусов. В пленку обычно входит 1-10% падающего излучения, и при фокусировке таких лазерных потоков в пятно с площадью около 10^-5 см² используемые потоки дают напряжение электрического поля, оцениваемое по формуле Е(В/см)=27[1(Вт/см²)]^0.5, равное 30-30000 В/см.

Хорошо известно, что такие поля на много порядков меньше необходимых для получения нелинейных эффектов или оказания ориентационного или селективного воздействия на молекулы в конденсированных средах, в объемах растворов, поэтому лазерные лучи такой интенсивности проходят через мыльный раствор, как через прозрачную среду, без заметного воздействия и из зоны фокусировки расходятся широким пучком. Но в тонких пленках (5 нм-10 мкм) из этого же мыльного раствора ситуация резко меняется. Градиенты напряжения электрического поля у острых (ангстремных) концов молекул, плотно выстроенных на ограничивающих пленку поверхностях, создают вблизи своих окончаний требуемые неоднородности поля. Суммарная разность напряжений между поверхностями пленки определяется интенсивностью лазерного излучения, но напряжение у поверхности острия радиуса r при этом нарастает как 1/r², и при малых от него расстояниях высокий градиент напряжения создает силы, используемые для нанодиэлектрофореза находящихся рядом молекул и частиц в растворе между поверхностями пленки. Теория расчета структур электрических полей между зубчатыми электродами разной конфигурации подробно рассмотрена, например, в [3].

В пленке, как и в ранее использовавшихся установках для диэлектрофореза, в зависимости от характеризующих их факторов Клаузиуса-Моссотти [1, 3] частицы и молекулы с более высокой, чем у раствора, диэлектрической проницаемостью полем поворачиваются, втягиваются в максимумы электрического поля, выстраиваются в цепочки, а частицы с меньшей проницаемостью выталкиваются в минимумы поля. Эти перестройки и перемещения меняют оптические свойства раствора и изменяют взаимодействие поля с поляризованными частицами. Вызванное полем при диэлектрофорезе увеличение показателя преломления раствора на несколько процентов визуально проявляется в образовании узких волноводных каналов с характерным, ранее не отмечавшимся в растворах, разбиением введенного в пленку лазерного излучения на длинные, микронные и субмикронные по ширине, нерасходящиеся световые каналы, треки [5-8], которые при таких же лазерных потоках в объеме раствора не возникают. Форма и длина светового канала в пленке зависят от состава раствора, длины волны лазерного возбуждения, толщины пленки, как показано в Примерах. Лазерным излучением частицы и молекулы раствора таким образом ориентируются, собираются в этих световых каналах, селектируются и направленным потоком жидкости вдоль световых каналов могут быть выведены из пленки.

Новым в данном изобретении является:

1. Использование в качестве заостренных концов для создания высоких неоднородностей электрического поля окончаний частиц, ориентированных, жестко выстроенных на поверхностях и фиксированных в одной плоскости пленки полярных молекул.

2. Электрическое поле для диэлектрофореза в слое раствора между противоположными структурами заостренных окончаний молекул создается не за счет подвода напряжения к электродам, а путем введения в слой электромагнитной энергии на световых частотах.

3. Поле в пленке при указанных интенсивностях действует на молекулы, сортирует, уплотняет их, но есть и обратное действие - сориентированные, отсортированные молекулы, собирающиеся в максимумах поля, меняют показатель преломления среды, структуру поля между поверхностями, тем самым вызывают рождение оптических волноводов, концентрируют излучение в этих узких каналах и увеличивают его интенсивность.

4. Резкие градиенты поля у окончаний молекул позволяют использовать для нанодиэлектрофореза как непрерывные, так импульсно периодические лазерные потоки видимого и ИК-диапазонов (проверено для 440-950 нм) с импульсами длительностью 70 фс (при частоте повторения 85 МГц) и 10 нс со средней мощностью 10 мкВт-10 Вт. При одиночных лазерных импульсах длительностью 10 нс (532 нм) световые каналы в пленках зафиксированы при энергии в импульсе 0.2 мДж [7, 8].

Селективность отклика молекул и частиц на воздействие лазерного поля определяется их диэлектрическими свойствами на частоте лазерного излучения, составом раствора, его проводимостью, температурой, толщиной пленки и возможностью изменять диэлектрические свойства находящихся и селектируемых в растворе частиц и молекул с помощью заранее подобранных и присоединенных к ним химических добавок [1].

Направляя в пленку набор лазерных излучений одновременно на разных частотах, можно параллельно в разных лазерных световых каналах проводить селекцию разных по своим свойствам молекул. Отметим [5-8], что раствор может быть мутным или иметь для лазерного излучения небольшое (0.5-1 см^-1) поглощение, что не мешает проявлению эффекта воздействия и образованию в пленках тонких каналов при всех опробованных комнатных температурах (0-30°С).

Поверхностные световые волны, идущие по прямой или изогнутой пленке узкими нерасходящимися треками на десятки сантиметров (см. например, Фиг.5), связаны с перестройкой и изменением поляризационных свойств среды, поэтому по своей природе они представляют особую совокупность электромагнитной и поляризационной энергии, т.е. особый вид поверхностных поляритонов, описанных в [5] без детализирования механизма образования. Предлагаемое изобретение по использованию для нанодиэлектрофореза эффекта светового воздействия на пленки является оригинальным и никак не следует из ранее отработанных схем диэлектрофореза, известных свойств мыльных пленок и лазеров.

Описанный способ без потери общности может быть применен для сортировки частиц и молекул меньшего (ангстремного) размера при использовании пленок повышенной прочности и световых потоков с более высокой интенсивностью (более 10 Вт).

Используя обычное ребро между тремя тонкими мыльными пленками [6] и подавая сбоку на ребро или в торец ребра поляризованный лазерный луч с медленно вращающимся направлением поляризации, можно в ребре заставить вместе с лучом вращаться несимметричную частицу, как в схеме, рассмотренной в [2], и таким образом с помощью лазерного диэлектрофорезного вращения реализовать рабочую схему мини-мотора на отдельной наночастице.

Пример 1: В объеме с прозрачными стенками (в бутылке диаметром 65 мм) встряхиванием или надуванием создают поперечную плоскую или слегка вогнутую мыльную пленку из раствора поверхностно-активного вещества (ПАВ) Тритон X100 (0.03-1%) в воде. Через прозрачную стенку в пленку через ее утолщение (ребро) на стенке вводят сфокусированное линзой с F=10 см излучение непрерывного красного He-Ne лазера 632.8 нм или полупроводникового лазера 670 нм со средней мощностью 10 мкВт-10 мВт. Наличие селективного воздействия лазерного света на молекулы раствора фиксируют сразу же по образованию в пленке хорошо видимых, идущих от зоны фокусировки узких лазерных световых каналов красного цвета длиной иногда в десятки сантиметров. Таким образом можно собрать в лазерном световом канале находящиеся в растворе свободные молекулы ПАВ Тритон X1 00 длиной 2.5 нм. Фиг.1.

Пример 2: В объеме с прозрачными стенками диаметром 65 мм встряхиванием или надуванием создают поперечную плоскую или слегка вогнутую мыльную пленку из раствора жидкости для мытья посуды "Бинго" (0.3-1%) в воде. Через прозрачную стенку в пленку через ее утолщение (ребро) на стенке вводят сфокусированное линзой с F=10 см излучение непрерывного синего He-Cd лазера 441.7 нм со средней мощностью 1-5 мВт. Наличие селективного воздействия лазерного света на молекулы раствора сразу фиксируют по образованию в пленке хорошо видимых, идущих от зоны фокусировки узких лазерных световых каналов, треков синего цвета. Таким образом можно собрать в лазерном световом канале находящиеся в растворе свободные молекулы мыла "Бинго" длиной 2.5 нм. Фиг.2.

Пример 3: В объеме с прозрачными стенками диаметром 65 мм встряхиванием или надуванием создают поперечную плоскую или слегка вогнутую мыльную пленку из раствора жидкости для мытья посуды "Бинго" (0.3-1%) в воде. Через прозрачную стенку в пленку через ее утолщение (ребро) на стенке вводят сфокусированное линзой с F=10 см излучение импульсно-периодического синего лазера 475 нм (или инфракрасного лазера 950 нм) с длительностью импульсов 70 фс, идущих с частотой 85 МГц, со средней мощностью 1-10 мВт (для 950 нм-150 мВт). Наличие селективного воздействия лазерного света на молекулы раствора фиксируют сразу же по образованию в пленке хорошо видимых, идущих от зоны фокусировки узких лазерных световых каналов, треков синего цвета (в ИК-диапазоне каналы фиксируют приборами ночного виденья). Таким образом можно собрать в лазерном световом канале находящиеся в растворе свободные молекулы мыла "Бинго" длиной 2.5 нм. Фиг.3.

Пример 4: В объеме с прозрачными стенками диаметром 65 мм встряхиванием или надуванием создают поперечную плоскую или слегка вогнутую мыльную пленку из раствора жидкости для мытья посуды "Бинго" (0.3-1%) в воде. Через прозрачную стенку в пленку через ее утолщение (ребро) на стенке вводят сфокусированное линзой с F=10 см излучение импульсно-периодического зеленого лазера 532 нм с длительностью импульсов 10 не со средней мощностью 1-10 мВт или непрерывного зеленого лазера 532 нм со средней мощностью 10 Вт. Наличие селективного воздействия лазерного света на молекулы раствора фиксируют сразу же по образованию в пленке хорошо видимых, идущих от зоны фокусировки узких лазерных световых каналов зеленого цвета. Таким образом можно собрать в лазерном световом канале находящиеся в растворе свободные молекулы мыла "Бинго" длиной 2.5 нм. Фиг.4.

Пример 5: В объеме с прозрачными стенками диаметром 65 мм встряхиванием или надуванием создают поперечную слегка вогнутую мыльную пленку из раствора поверхностно-активного вещества для прочных пленок (9, название вещества не указано) (5-10%) в воде. Через прозрачную стенку в пленку под скользящим углом 5 градусов к ее поверхности вводят сфокусированное линзой с F=5-10 см излучение непрерывного красного полупроводникового лазера 670 нм со средней мощностью 5 мВт. Наличие селективного воздействия лазерного света на молекулы раствора фиксируют сразу же по образованию в пленке хорошо видимого, идущего от зоны фокусировки узкого лазерного светового канала, трека красного цвета длиной иногда в десятки сантиметров. Таким образом можно собрать в лазерном треке находящиеся в растворе свободные молекулы мыла длиной 2.5 нм. Фиг.5.

Пример 6: В объеме с прозрачными стенками диаметром 65 мм встряхиванием или надуванием создают поперечную плоскую или слегка вогнутую мыльную пленку из раствора жидкости для мытья посуды "Бинго" (0.3-1%) в воде. Через прозрачную стенку в пленку через ее утолщение (ребро) на стенке вводят сфокусированное линзой с F=10 см излучение непрерывного синего He-Cd лазера 441.7 нм со средней мощностью 1-5 мВт и одновременно в пленку вводят сфокусированное линзой с F=10 см излучение непрерывного красного He-Ne лазера 632.8 нм. Наличие селективного воздействия обоих пучков лазерного света на молекулы раствора сразу фиксируют по образованию в пленке хорошо видимых, идущих от двух зон фокусировки узких лазерных световых каналов, треков синего и красного цветов. Таким образом можно собрать в двух действующих одновременно лазерных световых каналах находящиеся в растворе свободные молекулы мыла "Бинго" длиной 2.5 нм. Фиг.6.

Возможные применения

Предложенный способ разделения наномолекул и наночастиц может быть использован для воздействия и разделения малых частиц и молекул в физике, химии, биологии и многих других областях.

Литература

1. P.J.Burke, "Nano-dielectrophoresis: Electronic nano-tweezers," 2003, book chapter in Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, ed. by H.S.Nalwa, American Scientific. http://nano.ece.uci.edu/papers/NanoDEPproof.pdf

2. L. Zheng, S. Li, Peter J. Burke, James P. Brody, "Towards Single Molecule Manipulation with Dielectrophoresis Using Nanoelectrodes" Proceedings of the 3rd IЕEЕ Conference on Nanotechnology, 1, 437-440 (2003), http://nano.ece.uci.edu/papers/singlemolecule.pdf.

3. Pethig, et al. United States Patent 5814200, “Apparatus for separating by dielectrophoresis” September 29, 1998. http://164.195.100.11/netacgi/nph-Parser?Sect 1-PTO 1 &Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1 &u=/netahtml/src hnum.htm&r=1&f=G&1=50&s1=5814200. WKU.&OS=PN/5814200 &RS-PN/5814200.

4. К.D.Hermanson, S.О.Lumsdon, J.P.Williams, E.W.Kaler and O.Velev, "Dielectrophoretic Assembly of Electrically Functonal Microwires from Nanoparticle Suspensions", Science, 294, 1082 (2001). http://crystaI.che.ncsu.edu/pdfs/Sciencemicrowires.pdf http://www.kalergroup.che.udel.edu/index.htm.

5. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. Способ получения поверхностных электромагнитных волн (поверхностных поляритонов), заявка на патент №20022132754 от 5 дек. 2002 года.

6. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. Препринт ФИАН №2 (2003) “Рецепт чуда: лазерный луч в мыльной пленке” (см. http://eilphi.lebedev.ru/2/Stoilov.pdf с приложенным кинофильмом о поведении усов).

7. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. Чудо с лазерным лучом в мыльной пленке. Квантовая электроника, 33, 380 (2003). http://www. turpion. org/php/paper. рhtml?jouirnalid=qе&рареrid=2422.

8. Старцев А.В., Стойлов Ю.Ю. Препринт ФИАН №22 (2003) “О природе лазерных поляритонных треков в мыльной пленке” (см. http://ellphi.lebedev.ru/4/Stoilovl.pdf).

9. soap bubbles. http://pubs.acs.org/cen/whatstuff/stufF/8117sci3.html.

1. Способ разделения частиц методом диэлектрофореза, отличающийся тем, что раствор для диэлектрофореза с селектируемыми молекулами и/или частицами (вплоть до нанометровых размеров) берут в виде жидкой пленки толщиной 5 нм-10 мкм, а требуемые для диэлектрофореза неоднородности электрического поля создают у окончаний поверхностно-активных молекул, находящихся в поверхностных мономолекулярных слоях такой пленки, путем введения в пленку сбоку или сверху под скользящим углом меньше 20° непрерывного или импульсного лазерного излучения, достаточного по спектральному составу и мощности для воздействия на молекулы и частицы селективным образом, контролируемым по образованию в пленке характерных узких и длинных световых каналов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что селекцию разных по своим свойствам молекул или частиц проводят в разных световых каналах путем введения в пленку лазерного излучения одновременно на разных частотах.