Принципы построения микроаналитических систем
3.2 Принципы построения микроаналитических систем
Наиболее интересным аспектом миниатюризации аналитической системы является масштабирование. Поскольку миниатюрные гибридно-интегральные и в большей степени интегральные аналитические системы являются сложными объектами, они обладают мультифрактальными свойствами, то есть могут содержать два подмножества и более со своими
собственными фрактальными размерностями, которые описывают распределения двух свойств и более, присущих мультифрактальному объекту.Такие объекты могут не быть самоподобными (свойство множества точек,которое инвариантно относительно параллельного переноса и изменения масштаба). Фрактальные множества как геометрические, так и энергетические, механические, оптические, химические, являясь характеристиками одного и того же объекта, могут иметь каждое свою характерную фрактальную размерность пространственного распределения на объекте.
Например, в хроматографии упакованная сферическим сорбентом
колонка является геометрически самоподобным относительно масшта-
бирования объектом. Если рассмотреть изменение перколяционных
свойств при миниатюризации хроматографической колонки
(то есть рассмотреть ее как перколяционный фрактал) и связанные с
ними изменения свойств межфазного массообмена вещества, то обна-
руживаются самостоятельные фрактальные характеристики, завися-
щие от реального размера самоподобного геометрического объекта.
Рассмотрим некоторые физико-химические величины, для кото-
рых важен эффект масштабирования при миниатюризации аналити-
ческой системы (табл. 3.2).
Из таблицы 2 видно, что при уменьшении размеров объектов выхо-
дят на первый план поверхностные явления - влияние кривизны по-
верхности на давление насыщенных паров, капиллярные эффекты,
капсулирование за счет когезии. Эти эффекты участвуют и составляют
основу функционирования микроаналитической системы.
Таблица 3.2. Эффекты масштабирования при миниатюризации
аналитической системы
Рекомендуемые материалы
Из формулы размерности β = αm видно, что фактору простра-
нственного масштабирования соответствует степенное представление,
то есть формула размерности должна быть степенного вида относитель-
но всех основных физических величин. Основные размерные параметры масштабирования трехмерной аналитической системы — это размер
L, площадь поверхности L2 и объем L3. К поверхностным эффектам
(~L2) в аналитической системе относятся прежде всего межфазное рас-
пределение, химическое и биологическое распознавание, то есть имен-
но те явления, которые определяют селективность аналитической сис-
темы. С другой стороны, масса реагента или ресурс работы, количество
теплоты, энергии соответствуют L3 Зависимость отношения этих вели-
чин L-1 от линейного размера системы L, не является линейной величи-
ной, что проявляется в возрастании роли поверхностных явлений при
миниатюризации. На рисунке 2 приведены зависимости некоторых ве-
личин, характеризующих проявление поверхностных сил при умень-
шении масштаба. Зависимости иллюстрируют, что при уменьшении
размеров для достаточно малых объектов поверхностные и объемные
силы становятся сопоставимыми.
Рис. 3.2. Представление зависимостей величин, характеризующих проявление поверхностных сил от характерного размера системы L
При масштабировании планарных объектов, считая их бесконечно
тонкими, то есть практически двумерными (мембраны, слои проводников
и диэлектриков, пленки поверхностно-активных веществ) могут иметь место случаи, когда размерным фактором является отношение длины к
площади, то есть L-1. Примером могут служить поверхностное натяже-
ние, электрическое поле бесконечного планарного проводника (слоя
металлизации в микроаналитических системах).
В случае линейных (одномерных) объектов отношение площади и
объема стремится к единице и размерных (физико-химических) эффек-
тов нет, до тех пор пока не появляется второе измерение.
Проявление новых свойств системы при ее миниатюризации - это
повышение скорости функционирования без дополнительных затрат
интенсивных факторов — энергии, вещества. При этом существенными
факторами, влияющим на процессы, становятся такие фрактальные
подмножества, как скорость адсорбции на искривленной поверхности,
геометрическая комплементарность объектов, системы двойных
электрических слоев и многие другие.
Можно сформулировать основные задачи построения микроана-
литических систем следующим образом.
Информация в лекции "17 Характеристика адсорбента" поможет Вам.
1. Изучение новых физико-химических закономерностей при ма-
нипулировании системой в области малых и сверхмалых размеров, пе-
ремещений, чисел Рейнольдса, энергий и т. д.
2. Разработка новых принципов организации, архитектуры и функ-
ционирования аналитических микросистем на основе принципов мо-
дульности, комплементарное™, заменяемости и возможности моди-
фикации с целью создания гибкости и оперативности в отношении
разнообразия решаемых аналитических задач.
3. Освоение новых принципов конструирования аналитических
микросистем с учетом эффектов масштабирования технологических
процессов и аналитических модулей, физических процессов, таких как
явления тепло-, массопереноса и массообмена, межфазного
распределения.
4. Освоение новых материалов с повышенной устойчивостью к
внешним воздействиям при создании функциональных подсистем, ра-
ботающих в условиях высокой концентрации энергии при контакте с
химически и биологически активной средой.
5. Разработка инженерных методов микромеханики и микрогид-
равлики для манипулирования, препарирования и адресной доставки,
например, к распознающему элементу объектов анализа, вплоть до
единичных клеток и молекул.
6. Использование принципов и элементной базы микроэлектрони-
ки, оптоэлектроники, интегральной и градиентной микрооптики.
