Glasbaserede enheder til generering af dråber og emulsioner

Summary

Her præsenteres en protokol til fremstilling af glasbaserede mikrofluidiske enheder, der anvendes til generering af stærkt monodisperse emulsioner med kontrolleret dråbestørrelse.

Abstract

I dette manuskript beskrives tre forskellige trinvise protokoller til generering af stærkt monodispergerede emulsionsdråber ved hjælp af glasbaserede mikrofluidik. Den første enhed er bygget til generering af enkle dråber drevet af tyngdekraften. Den anden enhed er designet til at generere emulsionsdråber i et coflowing-skema. Den tredje enhed er en forlængelse af coflowing-anordningen med tilsætning af en tredje væske, der fungerer som en elektrisk jord, hvilket muliggør dannelse af elektrificerede dråber, der efterfølgende aflades. I denne opsætning har to af de tre væsker en mærkbar elektrisk ledningsevne. Den tredje væske medierer mellem disse to og er et dielektrisk. En spændingsforskel, der påføres mellem de to ledende væsker, skaber et elektrisk felt, der parres med hydrodynamiske belastninger af de sammenstrømmende væsker, hvilket påvirker stråle- og dråbedannelsesprocessen. Tilsætningen af det elektriske felt giver en vej til at generere mindre dråber end i enkle coflow-enheder og til generering af partikler og fibre med en bred vifte af størrelser.

Introduction

Kontrolleret generering af dråber i mikron og nanoskala med en smal størrelsesfordeling er en udfordrende opgave. Disse dråber er af interesse for konstruktion af bløde materialer med mange anvendelser inden for videnskab og teknologi 1,2,3,4,5,6.

De mest almindelige enheder til den høje produktionshastighed for dråber er blandere⁷ og ultralydemulgatorer⁸. Disse metoder er enkle og billige, men de resulterer typisk i polydisperse dråber med en bred vifte af størrelser. Derfor kræves yderligere trin for at producere monodisperse prøver. Mikrofluidiske enheder kan designes forskelligt for at give en effektiv måde at falde dannelse på. Derudover giver de normalt lave strømningshastigheder, der er involveret (dvs. lavt Reynolds-tal), mulighed for stor kontrol over væskestrømmen.

Mens mikrofluidiske enheder almindeligvis fremstilles ved hjælp af litografiske teknikker med poly (dimethyl) siloxan (PDMS), fokuserer dette manuskript på glasbaserede kapillæranordninger. PDMS-enheder vælges normalt for deres evne til at designe komplekse kanalmønstre og på grund af deres skalerbarhed. Glasindretninger er tværtimod stive og har større opløsningsmiddelbestandighed end deres PDMS-modstykker. Derudover kan glas modificeres for at ændre dets befugtningsevne, hvilket gør det muligt at kontrollere dannelsen af komplekse emulsioner. At være i stand til uafhængigt at behandle dyse- og kanalvæggene muliggør dannelse af dråber på en kontrolleret og reproducerbar måde, samtidig med at stabiliteten af de resulterende emulsioner sikres, hvis dråberne skulle røre væggene⁹; ellers kan dråberne samle sig og akkumulere ved væggen. En anden forskel mellem disse to typer enheder er, at i glasbaserede enheder er strømmen tredimensionel, mens den er plan i konventionelle PDMS-enheder. Denne kendsgerning minimerer dråbekontakten med kanalvæggene, så indflydelsen af kontaktlinjer kan overses¹⁰ og derved beskytte stabiliteten af flere emulsionsdråber.

Figur 1: Forskellige mikrofluidiske enhedskonfigurationer. Skitser af (A) et T-kryds, (B) en coflowing-enhed og (C) en flowfokuserende enhed. Klik her for at se en større version af denne figur.

Der anvendes tre hovedgeometrier, nemlig T-kryds¹¹, flowfokus ^12,13 og coflow¹⁴. I T-krydsgeometrien skærer den dispergerede fase indeholdt i kanalen vinkelret hovedkanalen, der huser den kontinuerlige fase. Forskydningsspændingen, der udøves af den kontinuerlige fase, bryder den indkommende dispergerede væske, hvilket resulterer i dråber. De genererede dråber er begrænset i lavere størrelse af dimensionerne på hovedkanalen¹¹. I den flowfokuserende geometri tvinges de to væsker gennem en lille åbning, der er placeret foran injektionsrøret. Resultatet er dannelsen af en stråle, som er meget mindre end injektionsrøret^12,13. Endelig har coflowgeometrien en konfiguration, der er kendetegnet ved den koaksiale strøm af to utilgængelige væsker¹⁴. Generelt kan dryp og jetting observeres afhængigt af driftsforholdene. Drypperegimet forekommer ved lave strømningshastigheder, og de resulterende dråber er meget monodisperse og har en diameter, der er proportional med spidsstørrelsen. Ulempen er dens lave produktionsfrekvens. Jettingregimet forekommer ved højere strømningshastigheder sammenlignet med drypregimet. I dette tilfælde er dråbediameteren direkte proportional med strålens diameter, som kan være meget mindre end spidsens diameter under de rigtige forhold.

Et alternativ til disse hydrodynamiske tilgange er afhængig af den ekstra anvendelse af elektriske kræfter. Electrospray er en velkendt og meget udbredt teknik til generering af dråber. Det er baseret på princippet om, at en væske med en endelig elektrisk ledningsevne vil deformere i nærvær af et stærkt elektrisk felt. Væsken vil i sidste ende antage en konisk form som følge af balancen mellem elektriske og overfladespændingsspændinger¹⁵. Processen starter med, at det elektriske felt inducerer en elektrisk strøm i væsken, der får ladninger til at akkumulere ved overfladen. Tilstedeværelsen af det elektriske felt resulterer i en elektrisk kraft på disse ladninger, som trækker væsken sammen og forlænger menisken i retning af feltet. Under forskellige forhold kan menisken enten kaste de ladede dråber eller udsende en eller flere stråler, som derefter bryder ind i dråber¹⁵. Selvom disse elektrisk assisterede mikrofluidiske metoder naturligt tillader generering af små dråber, lider de af mangel på en steady-state-operation, der kompromitterer emulsionsmonodispersiteten. De resulterende ladede dråber har tendens til at aflade på de begrænsende vægge og / eller hvor som helst i enheden, hvor det elektriske potentiale er lavere end den pålagte eksterne spænding. Således bliver den elektrificerede menisk ustabil, hvilket i sidste ende udsender dråber på en kaotisk måde og forårsager deres ukontrollerede produktion og tab af monodispersitet.

I elektro-coflow kobles de elektriske og hydrodynamiske spændinger i en coflowmikrofluidisk^{enhed 16} svarende til den, der anvendes til generering af dobbeltemulsioner¹². To hovedtræk gør det muligt for elektro-coflow at opnå et steady-state-emissionsregime: i) den dispergerede fase skubbes ud i en anden coflowende viskøs væske, og ii) anvendelsen af en flydende modelektrode eller jord. At have en flydende ydre væske har vist sig at ændre de geometriske egenskaber ved dråbeemissionsprocessen¹⁷. Den flydende modelektrode tillader udledning og ekstraktion af de resulterende dråber, hvilket sikrer steady-state generering af dråber. Ved at udnytte balancen mellem elektriske og hydrodynamiske kræfter kan de resulterende faldstørrelser desuden potentielt variere inden for et bredere område end de størrelser, der kan dækkes af en af de tidligere nævnte teknikker.

Denne detaljerede videoprotokol er beregnet til at hjælpe nye praktiserende læger med brug og fremstilling af glasbaseret mikrofluidik.

Protocol

1. Gør enkle dråber For at lave enkle dråber skal du bruge en glasbase lavet med et mikroskop dias (76,2 mm x 25,4 mm) til at bygge enheden. Dette giver mulighed for nem transport og visualisering af væskerne gennem glasset. Brug en rund glaskapillær til spidsen. Til denne protokol skal du bruge runde kapillærer med en diameter på 1 mm (let tilgængelige i en lang række størrelser). For at lave en spids med den ønskede diameter skal du trække kapillæren ved hjælp …

Representative Results

I dette manuskript er tre forskellige enheder designet til at generere dråber. Vi har genereret dråber med en størrelse på (3,29 ± 0,08) mm (figur 4B) og (1,75 ± 0,04) mm (figur 4C) ved hjælp af enheden beskrevet i trin 1. Emulsionsdråberne kan genereres ved hjælp af coflow og elektro-coflow-enhederne. For sidstnævnte viser vi dryp i figur 9, mens keglestråle- og pisketilstande er vist i henholdsvis f…

Discussion

Protokollen til fremstilling af tre forskellige glasbaserede enheder er beskrevet ovenfor. I tilfælde af at enheden genererer enkle dråber, er strømningshastigheden og væskeegenskaberne afgørende for at generere dråber på en kontrolleret måde. Dråber dannes ved spidsen i drypperegimet eller i slutningen af strålen i jettingregimet. Overgangen fra dryp til jetting parametriseres af det dimensionsløse Weber-nummer, We²³. Dette tal repræsenterer forholdet mellem inerti- og overfladespænd…

Materials

2-[methoxy(polyethyleneoxy)6-9propyl] trimethoxysilane.	Gelest	SIM6492.7
Ceramic tile	Sutter	CTS
Ethylene glycol	Fisher	BP230	These can be found at other companies like Sigma-Aldrich
Hexane	Sigma- Aldrich	34859	Available in other vendors
ITW Polymers Adhesives Devcon 5 Minute Epoxy Adhesive 25 mL Dev-Tube	Ellsworth adhesives	470740
Microforge	Narishige	MF 830
Micropipette puller	Sutter	P97
Microscope slides	Fisher	12-544-1	Available in other vendors
Needle 20 Gauge, .0255" ID, .0355" OD, 1/2" Long	McMaster	75165A677
SDS	Sigma-aldrich	428015	Surfactant
Silicone oil	Clearco	PSF-10cSt	The catalog number correspond to the 10cSt viscosity oil. Different viscosity oils can be found at this company
Span 80	Fisher	S0060500G	non-ionic surfactant
Square glass capillary 2mm ID (borosillicate 300 or 600 mm long)	VitroCom	S 102
Standard Glass Capillaries, 6 in., 2 / 1.12 OD/ID	World Precision instruments	1B200-6	These can be found at other companies like Sutter or Vitrocom
Syringe pump	Chemyx	FUSION 100-X	This model has a good quality/price ratio
Syringes (it will depend on the compatibility with the liquids)	Fisher		Catalog number will depend on the size
Trimethoxy(octyl)silane	Sigma- Aldrich	376221	Available in other vendors
Tubing ( it will depend on the compatibility with the liquids)	Scientific commodities	BB3165-PE/5	This reference is for polyethylene micro tubing. The size fits the needle size listed here