Laboratorium w kropli: nowy mechanizm odkryty w układach mikroprzepływowych

Tak jak udało się zminiaturyzować komputery, tak niebawem całe laboratoria analityczne pomieszczą się w niewielkich urządzeniach. Wszystko dzięki tzw. technikom mikroprzepływowym i zjawisku tworzenia się kropel. Nowy mechanizm w takich układach odkryli dr hab. Piotr Korczyk z Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN i prof. dr hab. Piotr Garstecki z Instytutu Chemii Fizycznej PAN. Wyniki badań opublikował prestiżowy magazyn „Nature Communications”, a projekt powstał w ramach grantu Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej.

Wynaleźli panowie mechanizm tworzenia mikroskopijnych kropel w układach mikroprzepływowych. Na czym polega jego innowacyjność?

Dr hab. Piotr Korczyk, Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN: W ramach projektu badaliśmy powstawanie kropli w krzyżowaniu kanałów mikroprzepływowych. Krople tworzą się w takiej geometrii spontanicznie, jeśli kanałami płyną dwie niemieszające się ciecze. Zjawisko to jest powszechnie stosowane w układach mikroprzepływowych i było przedmiotem licznych badań. Nas zaintrygowała jednak niezgodność naszych obserwacji z dotychczasową wiedzą. Aby to wyjaśnić stworzyliśmy nowy model matematyczny uwzględniający dodatkowe zmienne, takie jak przepływ wokół kropel. Pozwoliło nam to zauważyć nowy reżim tworzenia kropel.  

Do czego służą układy mikroprzepływowe?

Układy mikroprzepływowe to systemy zbudowane z cienkich kanałów – o szerokości mniejszej od jednego milimetra. Kanały mogą tworzyć skomplikowane sieci składające się z licznych rozgałęzień i połączeń. W takich układach możemy obserwować ciekawe zjawiska. Poprzez odpowiednią konstrukcję układu, wykorzystując fizyczne właściwości przepływów, możemy w nich precyzyjnie operować na niewielkich objętościach i mieszać ze sobą różne ciecze w określonych proporcjach tworząc roztwory o pożądanym stężeniu. Pozwala to na wykonywanie w takich układach procedur, które przeprowadzane są między innymi w diagnostyce medycznej. Możliwości oferowane przez technologie mikroprzepływowe są wykorzystywane do tworzenia niewielkich urządzeń zastępujących prace laboratoriów analitycznych. A te z kolei pozwalają na zwiększenie dostępności diagnostyki medycznej. 

 Korczyk Garstecki.jpg

Na zdjęciu Piotr Korczyk i Piotr Garstecki

Dlaczego jeszcze bada się krople?

Jeśli użyjemy niemieszających się płynów jak woda i olej, to w układach mikroprzepływowych zaczną one tworzyć krople. Okazuje się, że w odpowiednich warunkach takie mikrokrople mogą być tworzone z dużą precyzją. Układy mikroprzepływowe pozwalają na łączenie i dzielenie takich kropel, co daje możliwość wręcz nieograniczonej kontroli nad ich zawartością. Każdą z nich można potraktować jak oddzielny inkubator, w którym możemy hodować bakterie, komórki lub przeprowadzać reakcje chemiczne. Użycie kropel w mikroprzepływach pozwala na podzielenie próbki na wiele kropelek, odizolowanie ich i przeprowadzanie kolejnych operacji osobno na każdym takim mikro-inkubatorze.

Układy mikroprzepływowe pozwalają na operowanie dużymi liczbami podziałów próbki przy jednoczesnym zmniejszeniu ich objętości, co otwiera nowe perspektywy dla rozwoju analityki biologicznej i medycznej.

Jak będzie można wykorzystać to odkrycie?

Badania nad mechanizmami rządzącymi światem mikro-kropel są wciąż potrzebne. W szczególności krytycznym problemem dla precyzji jest tworzenie kropel o zadanej objętości. Mimo rozwoju technologii mikroprzepływowych nie wszystkie aspekty tworzenia kropel są dobrze poznane. Nasza praca rzuca nowe światło na to zagadnienie.  Dokładna kontrola nad tworzeniem niewielkich kropel o pożądanej wielkości jest niezwykle istotna dla rozwoju technik mikroprzepływowych, wykorzystywanych w analityce biochemicznej między innymi do sekwencjonowania pojedynczych komórek czy do badania lekooporności bakterii.

Publikacja w „Nature Communications”„Nature Communications”

Źródło informacji: Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN

Zdjęcia: archiwum prywatne dr. hab. Piotra Korczyka i prof. dr. hab. Piotra Garsteckiego