ОДНОЧАСТИЧНАЯ И КОЛЛЕКТИВНАЯ МОДЫ МАГНИТНОЙ СЕПАРАЦИИ ЭРИТРОЦИТОВ

Abstract

An experimental microfluidic model is proposed for studying magnetophoretic separation of submagnetic microparticles from liquid that ensures simple deterministic experimental conditions, the possibility of measuring the relevant physical properties of microparticles, their spatio-temporal distribution in diluted samples, and the process visualization in concentrated samples. Magnetic separation of red blood cells from deoxygenated diluted blood is studied. A phenomenon is discovered of the magnetophoretic granular Rayleigh–Taylor type instability that destroys the single-particle separation mode at cell volume concentration of about 0.002. The cell concentration growth is accompanied by enhancing the suspension vortex motion, but however this does not influence the time and the purity of the magnetic separation of red blood cells. From our observations, we have come to the conclusion that the hydrodynamic magnetophoretic instability should be related with mesoscopic swirls caused by the cell concentration dispersion. The concept of the magneto-gravitational analogy is formulated allowing one to consider the collective magnetophoresis of submagnetic microparticles as sedimentation in predetermined force fields. Our experimental model and the results obtained are of interest for the emerging technology of microfluidic analytical systems and for mechanics of suspensions as a whole.Предложена микрожидкостная экспериментальная модель для изучения магнитофоретической сепарации слабомагнитных микрочастиц из жидкости, обеспечивающая простые и хорошо детерминированные условия осуществления эксперимента, измерение определяющих процесс физических свойств частиц и в сильно разбавленных суспензиях регистрацию пространственно-временных характеристик их распределения, а также визуализацию процесса в суспензиях с увеличенной (до нескольких процентов) объемной концентрацией. Изучен процесс магнитной сепарации эритроцитов из разбавленной деоксигенированной цельной крови. Обнаружено явление магнитофоретической гранулярной неустойчивости типа неустойчивости Релея–Тейлора, нарушающее одночастичную моду сепарации при объемной концентрации клеток около 0,002. Увеличение концентрации сопровождается интенсификацией вихревого движения суспензии, что, однако, не оказывает в изученном диапазоне объемных концентраций до с = 0,023 заметного влияния на время и чистоту сепарации эритроцитов. На основе визуализации индивидуального поведения клеток сделан вывод о связи гидродинамической неустойчивости суспензии при магнитной сепарации с мезоскопическими вихревыми структурами, обусловленными пространственной дисперсией концентрации клеток. Сформулирована концепция магнито-гравитационной аналогии, позволяющая рассматривать коллективный магнитофорез как коллективную седиментацию в заданном силовом поле. Разработанный метод и полученные результаты представляют интерес для технологии микрожидкостных диагностических систем, для механики суспензий в целом