चरण-उलटा सह-प्रवाह संरचना के साथ Microfluidic केशिका डिवाइस का उपयोग कर उच्च चिपचिपापन बूंदों बनाना
Summary
एक चरण-उलटा सह प्रवाह डिवाइस 1 क़दम, जो छोटी बूंद microfluidics में एहसास करने के लिए मुश्किल है ऊपर monodisperse उच्च चिपचिपापन बूंदें उत्पन्न करने के लिए प्रदर्शन किया है ।
Abstract
उच्च चिपचिपापन के साथ monodisperse बूंदों की पीढ़ी हमेशा छोटी बूंद microfluidics में एक चुनौती रही है । यहाँ, हम एक कम चिपचिपापन तरल पदार्थ में वर्दी उच्च चिपचिपापन बूंदों उत्पन्न करने के लिए एक चरण-उलटा सह प्रवाह डिवाइस का प्रदर्शन । microfluidic केशिका डिवाइस एक व्यापक ट्यूब को जोड़ने से बाहर निकलने के साथ एक आम सह प्रवाह संरचना है । कम चिपचिपापन तरल पदार्थ की लंबी बूंदों पहले सह प्रवाह संरचना में उच्च चिपचिपापन तरल पदार्थ द्वारा समझाया जाता है । के रूप में लंबी कम चिपचिपापन बूंदों बाहर निकलें के माध्यम से प्रवाह, जो कम चिपचिपापन द्रव द्वारा गीला हो इलाज किया जाता है, चरण उलटा तो बाहर निकलने की नोक, जो बाद व्युत्क्रम में परिणाम के लिए कम चिपचिपापन बूंदों के आसंजन द्वारा प्रेरित है उच्च चिपचिपापन तरल पदार्थ का encapsulation । परिणामी उच्च चिपचिपापन बूंदों का आकार कम चिपचिपापन तरल पदार्थ के प्रवाह की दर अनुपात उच्च चिपचिपापन द्रव को बदलने के द्वारा समायोजित किया जा सकता है । हम इस तरह के ग्लिसरॉल, शहद, स्टार्च, और बहुलक समाधान के रूप में ११.९ क़दम, के लिए एक चिपचिपापन के साथ उच्च चिपचिपापन बूंदों की पीढ़ी के कई विशिष्ट उदाहरण प्रदर्शित करता है । विधि monodisperse उच्च चिपचिपापन बूंदें उत्पंन करने के लिए एक सरल और सीधा दृष्टिकोण प्रदान करता है, जो छोटी बूंद-आधारित अनुप्रयोगों की एक किस्म में इस्तेमाल किया जा सकता है, जैसे सामग्री संश्लेषण, दवा वितरण, सेल परख, इंजीनियरिंग, और खाद्य इंजीनियरिंग.
Introduction
बूंदों की पीढ़ी के कई अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण तकनीक बन रहा है, जैसे दवा वितरण, सामग्री संश्लेषण, 3 डी प्रिंटिंग, सेल परख, और खाद्य अभियांत्रिकी1,2,3,4 , 5 , 6. Microfluidic उपकरणों के साथ टी-जंक्शन7,8, सह-प्रवाह1,9, या प्रवाह ध्यान केंद्रित10,11 संरचनाओं व्यापक रूप से उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जाता है monodisperse एकल इमल्शन बूंदें । एक अधिक चिपचिपा सतत चरण का चयन12बूंदों के गठन की सुविधा होगी, और दोनों निरंतर और फैलाया तरल पदार्थ के viscosities आमतौर पर छोटी बूंद microfluidics13में ०.१ क़दम नीचे हैं । हालांकि, कई अनुप्रयोगों में, फैलाया चरण एक चिपचिपापन कई सौ बार पानी की तुलना में अधिक है, इस तरह के रूप में ग्लिसरॉल14, समाधान नैनोकणों15, प्रोटीन16, या पॉलिमर17 युक्त हो सकता है , 18 , 19, जबकि यह microfluidic उपकरणों में एक स्थिर टपकता शासन11 में उच्च चिपचिपापन तरल पदार्थ से सीधे monodisperse बूंदें प्राप्त करने के लिए मुश्किल है, विशेष रूप से तरल पदार्थ के लिए η की चिपचिपापन के साथ > 1 Pa · s14 ,17,18,19. इसके अलावा, यह13रिपोर्ट किया गया है,18 कि छोटी बूंद गठन के लिए ठेठ microfluidic तरीकों एक अपेक्षाकृत कम चिपचिपापन और उदारवादी चेहरे तनाव के साथ तरल पदार्थ की आवश्यकता के लिए एक स्थिर टपकाव में वर्दी बूंदें फार्म शासन.
थोड़ा ०.१ से बड़ा चिपचिपापन के साथ एक फैलाया चरण के लिए, वहां कई संभव दृष्टिकोण ठेठ टी जंक्शन, सह प्रवाह, या प्रवाह ध्यान केंद्रित microfluidic उपकरणों के साथ छोटी बूंद गठन की सुविधा के लिए कर रहे हैं: (1) फैलाया की चिपचिपाहट घटाएं यह एक अस्थिर विलायक11,20में कमजोर द्वारा चरण; (2) निरंतर चरण1,11की चिपचिपाहट बढ़ाने के द्वारा फैलाया-to-सतत चिपचिपापन अनुपात घटाएं; (3) एक उच्च निरंतर करने के लिए फैलाया प्रवाह दर अनुपात 14,19रखते हुए, एक अत्यंत कम मूल्य के लिए बिखरे हुए चरण के प्रवाह की दर में कमी । हालांकि, इन तरीकों बहुत उच्च चिपचिपापन के साथ तरल पदार्थ के लिए व्यावहारिक नहीं हैं, क्योंकि वे काफी उत्पादन दर कम होगा, जबकि नाटकीय रूप से अस्थिर विलायक या सतत चरण के उपभोग की स्थापना । addtion में, यह बताया गया है कि कुछ उच्च η के साथ चिपचिपापन बहुलक समाधान > 1 Pa · s अभी भी बूंदों में ऊपर17,19उपर्युक्त दृष्टिकोण के साथ नहीं तोड़ा था ।
वहाँ भी microfluidic उपकरणों के कई बेहतर डिजाइन जो उच्च चिपचिपापन बूंदों की पीढ़ी की सुविधा है, जो प्रणाली में तरल पदार्थ का एक तीसरा चरण शुरू करने के लिए कर रहे हैं । नवाचारों में शामिल हैं:21बूंदों, मध्यम चिपचिपाहट के साथ एक immiscible chaperoning द्रव, dipsersed चरण और सतत चरण18के बीच मध्य चरण के रूप में शुरू में एक jetting धागे में कटौती शुरू की और microreactors दो कम चिपचिपापन के अग्रदूत21,22,23से उच्च चिपचिपापन बूंदें उत्पंन करने के लिए शुरू की । हालांकि, एक और तरल पदार्थ के रूप में इस प्रक्रिया में शामिल है, प्रणाली और अधिक जटिल हो जाता है, और उपकरणों आमतौर पर एक पायस बूंदों की पीढ़ी के लिए विशिष्ट उपकरणों की तुलना में एक बहुत संकरा प्रवाह शासन में काम करते हैं ।
monodisperse बूंदें सीधे एक उच्च चिपचिपापन द्रव से उत्पंन करने के लिए के साथ η > 1 Pa · s, सतह नियंत्रित चरण-उलटा तरीकों की जांच की गई है24। के रूप में कम चिपचिपापन बूंदों की पीढ़ी के उच्च चिपचिपापन बूंदों की तुलना में बहुत आसान है12, एक उच्च चिपचिपापन सतत चरण में लंबी कम चिपचिपापन बूंदों पहले एक ठेठ सह प्रवाह संरचना का उपयोग कर उत्पंन कर रहे हैं, और फिर टूट रहे है कारण सह प्रवाह संरचना की सतह गीला बहाव के परिवर्तन के लिए । जारी कम चिपचिपापन द्रव व्युत्क्रम बूंदों में बहाव उच्च चिपचिपापन द्रव encapsulates ताकि चरण उलटा पूरा हो गया है । सह प्रवाह डिवाइस के बाहर निकलने के लिए कम चिपचिपापन द्रव द्वारा गीला किया जा करने के लिए माना जाता है, जबकि चरण उलटा तंत्र के अनुसार, monodisperse उच्च चिपचिपापन बूंदों एक ठेठ सह प्रवाह डिवाइस के आधार पर उत्पन्न किया जा सकता है, और फिर एक व्यापक ट्यूब से जुड़ा24 ,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
चरण-उलटा सह-प्रवाह डिवाइस monodisperse उच्च चिपचिपापन बूंदों उत्पन्न करने के लिए एक सरल और सीधे आगे विधि प्रदान करता है । इस उपकरण के लिए आम सह प्रवाह उपकरणों के लिए एक समान संरचना है, के रूप में बुनियादी सह प्रव…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम चीन की राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (५१४२०१०५००६ और ५१३२२५०१) द्वारा समर्थित किया गया था । हम उच्च चिपचिपापन विचारों पर अपने उपयोगी चर्चा के लिए डैनियल धंयवाद ।
Materials
| VitroTubes Glass Tubing | VitroCom | 8240 | Square – Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.4mm, OD=0.8mm |
| VitroTubes Glass Tubing | VitroCom | CV2033 | Round – Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.2mm, O.D.=0.33mm |
| VitroTubes Glass Tubing | VitroCom | CV1017 | Round – Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.1mm, O.D.=0.17mm |
| VitroTubes Glass Tubing | VitroCom | Q14606 | Square – Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=1.05mm+0.1/-0, OD=1.5mm |
| Standard Glass Capillaries | WPI | 1B100-6 | Round – Glass Tubing, I.D.=0.58mm, O.D.=1.00mm |
| Glycerol | Sinopharm Chemical Reagent Beijing | 10010618 | |
| Paraffin Liquid | Sinopharm Chemical Reagent Beijing | 30139828 | |
| Poly(vinyl alcohol), PVA-124 | Sinopharm Chemical Reagent Beijing | 30153084 | |
| Span 80 | Sigma-Aldrich | 85548 | |
| Starch | Sigma-Aldrich | S9765 | |
| Trichloro(octadecyl)silane | Sigma-Aldrich | 104817 | |
| Toluidine Blue O | Sigma-Aldrich | T3260 | |
| Honey | Chaste tree honey, common food product purchased from supermarket | ||
| DEVCON 5 Minute Epoxy | ITW | Epoxy glue | |
| Blunt Tip Stainless Steel Dispensing Needles (Luer Lock) | Suzhou Lanbo Needle, China | LTA820050 | 20G x 1/2" |
| Tungsten/Carbide Scriber | Ullman | 1830 | For cutting glass tubing |
| Microscope Slides | Sail Brand | 7101 | 76.2 mm x 25.4 mm, Thickness 1 – 1.2 mm |
| Polyethylene Tubing | Scientific Commodities | BB31695-PE/5 | I.D. = 0.86 mm, O.D. = 1.32 mm |
| Syringe Pumps | Longer Pump, China | LSP01-1A | 3 pumps needed for the experiments |
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