CC BY
10
ПИСЬМО В РЕДАКЦИЮ
SOFT MATTER REACTION-DIFFUSION AND FERROFLUID PATTERNS AS DYNAMIC MICROCHANNELS FOR OPTOELECTRONIC LAB-ON-A-CHIP WITH THE FIELD-CONTROLLED GEOMETRY / TOPOLOGY1
Gradov Oleg V., research fellow, Photobionics Laboratory (0412), Department of Dynamics of Biological and Chemical Processes, N.N. Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, senior researcher / senior research fellow, Laboratory of Biological Effects of Nanostructures (005), V.L. Talrose Institute for Energy Problems of Chemical Physics (Russian Academy of Sciences). Moscow, Russia. E-mail: gradov@chph.ras.ru; gradov@center. chph.ras.ru
Gradova Margaret A., senior researcher / senior research fellow, Photobionics Laboratory (0412), Department of Dynamics of Chemical and Biological Processes, N.N. Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. E-mail: gradova@chph.ras.ru
Abstract. Well known microfluidic or optofluidic devices based on CMOS and CCD sensors, which can be used for measuring the optical characteristics of the liquid samples in solid (either plastic or glass) micro-channels, are strongly predetermined geometrical systems (topologies), which can not be reconfigured after fabrication (a fortiori - in situ). We propose a novel approach to the design of the lab-on-a-chip with the real-time controlled topology based on the field-driven soft matter constructions on the CMOS surface. The above approach to the formation, tracing and rearrangement of the channels and the multi-channel topologies is a superimposition of the soft-matter electronics, flexible electronics, electrostatic-driven polymer physics, stretchable electronics, including biomimetic one, and also of ferrohydrodynamics and magnetic particle assisted microhydrodynamics. This work was financially supported by RFBR grant 16-32-00914.
Key words: soft matter, ferrofluids, ferrofluidics, ferrohydrodynamics, labyrinth instability, photoswitchable media, photoactivated media, reaction diffusion, chip, Belousov-Zhabotinsky reaction, image processing by a discrete reaction-diffusion system.
УПРАВЛЯЕМЫЕ ВНЕШНИМ ПОЛЕМ АВТОВОЛНОВЫЕ РЕАКЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫЕ СТРУКТУРЫ В ЧАСТИЧНО УПОРЯДОЧЕННЫХ АКТИВНЫХ СРЕДАХ И ПАТТЕРНЫ ЛАБИРИНТНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ КАК ДИНАМИЧЕСКИЕ БОРОЗДКИ ДЛЯ ОТКРЫТЫХ ФЛЮИДНЫХ ЧИПОВ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ
Градов Олег Валерьевич, научный сотрудник, лаборатория фотобионики (0412), отдел динамики химических и биологических процессов, Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской Академии наук, старший научный сотрудник, лаборатория биологического воздействия наноструктур (005), Институт энергетических проблем химической физики Российской Академии наук им. В.Л. Тальрозе. Москва, Россия. E-mail: gradov@chph.ras.ru; gradov@center.chph.ras.ru
Градова Маргарита Алексеевна, старший научный сотрудник, лаборатория фотобионики (0412), отдел динамики химических и биологических процессов, Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской Академии наук. Москва, Россия. E-mail: gradova@chph.ras.ru
1 This work previously was submitted on the International School and Conference «Saint Petersburg OPEN» (School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures).
SOFT MATTER REACTION-DIFFUSION AND FERROFLUID PATTERNS AS DYNAMIC MICROCHANNELS FOR OPTOELECTRONIC LAB-ON-A-CHIP WITH THE FIELD-CONTROLLED GEOMETRY/ TOPOLOGY
Gradov O.V., Gradova M.A.
Аннотация. Предлагается использовать управляемые внешними полями автоволновые реакционно-диффузионные паттерны в частично упорядоченных активных средах и паттерны лабиринтной неустойчивости ферромагнитных жидкостей в роли динамических бороздок для открытых флюидных чипов с изменяемой геометрией. Модуляция автоволн и колебательных фронтов в активной среде может осуществляться оптически, аналогично тому, как это имеет место для реакции Белоусова-Жаботинского в модификации Кунерта (или аналогичной управляемой модификации Ванага, работающей в обращённой эмульсии как элементе мембраномиметической компартментализации) или в реакционно-диффузионном процессоре Адамацкого, на той же химическом базисе. Если речь идет о частично упорядоченных микрогетерогенных системах с высокой магнитной восприимчивостью (таких, как ферромагнитные жидкости, иногда называемых «жидкими суперпарамагнетиками» или «суперпарамагнитными коллоидами»), то очевидно, что управление морфологией бороздок в них при отсутствии дополнительных сенсибилизаторов возможно практически только с помощью магнитного поля (возможно комбинирование неустойчивостей с различной пространственной локализацией, достижимой за счёт позиционно-чувствительного детектирования средой магнитного поля от комбинируемых источников, в том числе мультипольных; например, комбинирование форм с планарно-тон-кослойной локализацией, типа лабиринтной неустойчивости, и неустойчивости Розенцвейга или неустойчивости в нормально направленном поле, что тождественно, в открытом объёме). Однако возможно использовать собственные фотохимические свойства некоторых компонент феррофлюида, если в бороздках происходит реакция с диффузией компонент феррофлюида на стенках формированных им бороздок, приводящая к фазовым переходам с изменением оптических и магнитных свойств одновременно (как в моделях с использованием железосодержащих частиц Граника и аналогичных), а также - использование методов фотосенсибилизации, то есть введения в жидкость, стабилизирующую ферромагнитные или ферримагнитные частицы, внешнего светочувствительного компонента (или же прививание его к последним). При этом автоматически происходит переход феррогидродинамики Розенцвейга / феррофлюидики (как способа управления жидкостью с помощью магнитного поля) к фотоферрогидродинамике / фотоферрофлюидике (где управление без использования внешнего оптического сигнала не приводит к морфогенезу, к которому приводит управление с использованием реакционно-диффузионной системы оптически управляемых процессов, эмерджентно колокализованной с магнитоуправляемой средой).
Ключевые слова: частично упорядоченные среды, ферромагнитная жидкость, жидкий суперпарамагнетик, суперпарамагнитный коллоид, феррофлюидика, феррогидродинамика, лабиринтная неустойчивость, фотопереключаемые и фотовозбудимые среды, автоволновые процессы, реакция с диффузией, чипы, реакция Белоусова-Жаботинского, реакционно-диффузионные процессоры.
1. Introduction
Well known microfluidic analytical devices based on CMOS and CCD sensors, which can be used for measuring the optical characteristics of the liquid samples in solid (either plastic or glass) micro-channels, are strongly predetermined geometrical systems (topologies), which can not be reconfigured after fabrication (a fortiori - in situ) [1, 2]. A limited number of the chip topologies (and, consequently, of the algorithmic charts of the analytic procedures), a low adaptability of these hard constructions (which can not be released and functionally refreshed without a repeated start of the technical process) and a necessity of a full redesign of the analytical scheme for each new analytical problem (consequently, the inability of a handmade in situ reprogramming of the flow streams on a chip on demand) are the principal difficulties and the general problems of the microfluidic device design, which is inherently associated with the mechanical rigidity and inflexibility of the microchannels, and with the impossibility of the real time (in situ) control and reprogramming of the standard optoelectronic lab-on-a-chip. Wherein creating of a commutative network (with splitters, throttles, vent channels, drain passages, branch ducts, wyes and bypasses) is strongly inexpedient, because such a complicated machinery makes the idea of a simple (relative to the known methods and devices) chip senseless.
2. Novel approach
We propose a novel approach to the design of the lab-on-a-chip with the real-time controlled topology based on the field-driven soft matter constructions on the CMOS surface. The above approach to the formation, tracing and rearrangement of the channels and the multi-channel topo-
logies is a superimposition of the soft-matter electronics [3], flexible electronics [4], electrostatic-driven polymer physics [5], stretchable electronics, including biomimetic one [6 7], and also of ferrohydrodynamics and magnetic particle assisted microhydrodynamics [8]. The colloid or polymer-based microchannels on the chip surface which are immiscible with the analyte, and hence allow to direct its flow, can be easily controlled by the external field generated at the local areas of the chip.
3. Results
Using the principles of the multistage conversion of the non-optical signal of the sample to the optical one, registered by the CMOS transforming it to the electric signal transferred to the ADC data station, it is possible to monitor the microchannel localization and adaptive guiding and commutation of the analyte flows in real time with the correspondence to the positional-sensitive measurement data. Moreover, the microchannel wall material (either a ferrofluid or a reverse emulsion containing a specific field-sensitive component) becomes a sub-detector, apart from its actuator function, changing and modulating the flow direction, and hence, providing the feedback. This makes the physical control of the active medium adaptive.
If the medium possesses an active response and is capable of the signal generation in the range correlating with the excitation range, it is possible to use the excitation field signal as a baseline, a background signal or a kind of the "carrier wave" for the signal detecting.
4. Acknowledgements
This work was financially supported by RFBR grant 16-32-00914.
References
1. Datta-Chaudhuri T, Abshire P., Smela E. Packaging commercial CMOS chips for lab on a chip integration // Lab Chip. 2014. Vol. 4. Issue 10. Pp. 1753-1766.
2. Huang Y., Mason A.J. Lab-on-CMOS integration of microfluidics and electrochemical sensors // Lab Chip. 2013. Vol. 13. Issue 19. Pp. 3929-3934.
3. Gozen B.A., Tabatabai A., Ozdoganlar O.B., Majidi C. High-density soft-matter electronics with micron-scale line width // Adv. Mater. 2014. Vol. 26. Issue 30. Pp. 5211-5216.
4. BauerS. Flexible electronics: Sophisticated skin // Nat. Mater. 2013. Vol. 12. Issue 10. Pp. 871-872.
5. Chang M.P., Maharbiz M.M. Electrostatically-driven elastomer components for user-reconfigurable high density microfluidics // Lab Chip. 2009. Vol. 9. Pp. 1274-1281.
6. Dickey M. Phased New Approaches for Soft, Stretchable, and Bio-mimetic Electronics // University of Georgia, Franklin College, Department of Chemistry, Analyt. Sem. Apr. 27, 2012. [URL: http:// www.chem.uga.edu/seminars/5037-new-approaches-soft-stretch-able-and-biomimetic-electronics].
7. Stoyanov H., Kollosche M., Risse S., Wache R., Kofod G. Soft conductive elastomer materials for stretchable electronics and voltage controlled artificial muscles // Adv. Mater. 2013. Vol. 25. Issue 4. Pp. 578-583.
8. Zhu T., Cheng R., Sheppard G.R., Locklin J., Mao L. Magnetic-Field-Assisted Fabrication and Manipulation of Nonspherical Polymer Particles in Ferrofluid-Based Droplet Microfluidics // Langmuir. 2015. Vol. 31. Issue 31. Pp. 8531-8534.
