방울과 에멀젼을 생성하는 유리 기반 장치
Summary
여기서, 제어된 방울 크기를 갖는 고도로 단분산 에멀젼을 생성하기 위해 사용되는 유리 기반 미세유체 장치를 제조하기 위한 프로토콜이 제시된다.
Abstract
이 원고에서는 유리 기반 미세 유체학을 사용하여 고도로 단분산 된 에멀젼 방울을 생성하기위한 세 가지 단계별 프로토콜이 설명되어 있습니다. 첫 번째 장치는 중력에 의해 구동되는 간단한 방울의 생성을 위해 제작되었습니다. 두 번째 장치는 동시 흐름 방식으로 에멀젼 방울을 생성하도록 설계되었습니다. 세 번째 장치는 전기 접지 역할을하는 세 번째 액체를 첨가하여 연속적으로 배출되는 전기 방울을 형성 할 수있는 동시 연결 장치의 확장입니다. 이 설정에서 세 액체 중 두 개는 상당한 전기 전도성을 가지고 있습니다. 세 번째 액체는이 두 가지 사이를 매개하며 유전체입니다. 두 전도성 액체 사이에 가해지는 전압 차이는 흐르는 액체의 유체역학적 응력과 결합되는 전기장을 생성하여 제트 및 드롭 형성 공정에 영향을 미칩니다. 전기장의 추가는 단순한 코플로우 장치에서보다 작은 방울을 생성하고 광범위한 크기의 입자 및 섬유를 생성하는 경로를 제공합니다.
Introduction
좁은 크기 분포를 가진 미크론과 나노 스케일의 방울 생성을 제어하는 것은 어려운 작업입니다. 이 방울은 과학 기술 1,2,3,4,5,6에 많은 응용 프로그램을 가진 부드러운 재료의 엔지니어링에 관심이 있습니다.
방울의 높은 생산 속도를위한 가장 일반적인 장치는 믹서7 및 초음파 유화기8입니다. 이러한 방법은 간단하고 비용이 저렴하지만 일반적으로 다양한 크기의 다분산 방울을 초래합니다. 따라서 단분산 샘플을 생산하려면 추가 단계가 필요합니다. 미세유체 장치는 낙하 형성을 위한 효율적인 방법을 제공하기 위해 다르게 설계될 수 있다. 추가적으로, 관련된 보통 낮은 유량(즉, 낮은 레이놀즈 수)은 유체 유동에 대한 큰 제어를 허용한다.
미세 유체 장치는 일반적으로 폴리 (디메틸) 실록산 (PDMS)을 사용한 리소그래피 기술을 사용하여 제조되지만,이 원고는 유리 기반 모세관 장치에 중점을 둡니다. PDMS 장치는 일반적으로 복잡한 채널 패턴을 설계할 수 있는 능력과 확장성 때문에 선택됩니다. 반대로 유리 장치는 단단하며 PDMS 장치보다 용매 저항성이 큽니다. 또한, 유리는 복잡한 에멀젼의 생성을 제어 할 수있는 젖음성을 변경하도록 변형 될 수 있습니다. 노즐 및 채널 벽을 독립적으로 처리 할 수 있다는 것은 제어되고 재현 가능한 방식으로 방울의 형성을 가능하게하는 한편, 방울이 벽에 닿을 경우 결과 에멀젼의 안정성을 보장합니다9; 그렇지 않으면 방울이 합쳐져 벽에 축적 될 수 있습니다. 이 두 가지 유형의 장치 간의 또 다른 차이점은 유리 기반 장치에서는 흐름이 입체적이지만 기존 PDMS 장치에서는 평면적이라는 것입니다. 이러한 사실은 접촉 라인의 영향을 무시할 수 있도록 채널 벽과의 낙하 접촉을 최소화하여(10), 다수의 에멀젼 방울의 안정성을 보호한다.
그림 1: 다양한 미세유체 장치 구성. (A) T-접합부, (B) 동시 연결 장치, 및 (C) 흐름 집속 장치의 스케치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
사용되는 세 가지 주요 형상, 즉 T-접합 11, 흐름 초점12,13 및 코플로우14가 사용됩니다. T-접합 지오메트리에서, 채널에 포함된 분산상은 연속상을 수용하는 메인 채널과 수직으로 교차한다. 연속상에 의해 가해지는 전단 응력은 유입되는 분산된 액체를 파괴하여 방울을 발생시킨다. 생성된 방울들은 메인 채널(11)의 치수에 의해 더 낮은 크기로 제한된다. 흐름 초점 지오메트리에서 두 유체는 주입 튜브 앞쪽에있는 작은 오리피스를 통해 강제됩니다. 결과는 주입 튜브(12,13)보다 훨씬 작은 제트의 형성이다. 마지막으로, 코플로우 지오메트리는 두 개의 비혼화성 유체(14)의 동축 유동을 특징으로 하는 구성을 갖는다. 일반적으로, 점적 및 분사는 작동 조건에 따라 관찰될 수 있다. 물방울 정권은 낮은 유속에서 발생하며 결과 물방울은 매우 단분산되어 있으며 팁 크기에 비례하는 직경을 갖습니다. 단점은 낮은 생산 주파수입니다. 분사 정권은 물방울 정권에 비해 더 높은 유속으로 발생합니다. 이 경우, 낙하 직경은 제트의 직경에 직접적으로 비례하며, 이는 적절한 조건 하에서 팁의 직경보다 훨씬 작을 수 있다.
이러한 유체 역학적 접근법에 대한 대안은 전기력의 추가 사용에 의존합니다. 전기 스프레이는 물방울을 생성하는 데 잘 알려져 있고 널리 사용되는 기술입니다. 그것은 유한 전기 전도성을 가진 액체가 강한 전기장이있는 상태에서 변형된다는 원칙에 근거합니다. 액체는 결국 전기 장력 응력(15)과 표면 장력 사이의 균형으로부터 기인하는 원뿔형 형상을 채택할 것이다. 이 과정은 액체에 전류를 유도하여 표면에 전하가 축적되는 전기장으로 시작됩니다. 전기장의 존재는 이러한 전하에 전기력을 발생시켜 액체를 끌어 당겨 메니스커스를 필드 방향으로 길게합니다. 상이한 조건하에서, 메니스커스는 충전된 방울을 흘릴 수 있거나, 하나 또는 여러 개의 제트기를 방출할 수 있고, 그 후 방울(15)로 침입할 수 있다. 이러한 전기적으로 보조되는 미세 유체 방법은 자연적으로 작은 방울의 생성을 허용하지만, 유제 단분산도를 손상시키는 정상 상태 작동의 부족으로 고통받습니다. 결과적으로 충전 된 강하량은 제한된 벽 및 / 또는 전기 전위가 부과 된 외부 전압보다 낮은 장치의 어느 곳에서나 방전되는 경향이 있습니다. 따라서, 전기화 된 메니스커스는 불안정 해지고, 궁극적으로 혼란스러운 방식으로 방울을 방출하고 통제되지 않은 생산과 단분산의 손실을 초래합니다.
전기 코플로우에서, 전기 및 유체역학적 응력은 이중 에멀젼(12)을 생성하는데 사용되는 것과 유사한 코플로우 미세유체 장치(16)에 결합된다. 두 가지 주요 특징은 전기 코플로우가 정상 상태 방출 체제에 도달하는 데 성공할 수 있게 한다: (i) 분산된 상은 다른 유동적인 점성 액체로 분출되고, (ii) 액체 상대전극 또는 접지의 사용. 유동하는 외부 액체를 갖는 것은 낙하 방출 공정(17)의 기하학적 특성을 변화시키는 것으로 입증되었다. 액체 상대 전극은 결과 방울의 방전 및 추출을 허용하여 방울의 정상 상태 생성을 보장합니다. 또한, 전기적 힘과 유체역학적 힘의 균형을 이용함으로써, 결과적인 낙하 크기는 잠재적으로 앞서 언급한 기술들 중 어느 것에 의해 커버될 수 있는 크기보다 더 넓은 범위 내에서 변할 수 있다.
이 상세한 비디오 프로토콜은 유리 기반 미세 유체 공학의 사용 및 제조에 새로운 실무자를 돕기위한 것입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
세 가지 다른 유리 기반 장치를 제작하는 프로토콜은 위에서 설명되었습니다. 간단한 방울을 생성하는 장치의 경우, 유량 및 액체 특성은 제어 된 방식으로 방울을 생성하는 데 중요합니다. 방울은 물방울 정권의 끝이나 제트기 정권의 제트기 끝에서 형성 될 것입니다. 물방울에서 분사로의 전환은 무차원 웨버 번호 인 We23에 의해 매개 변수화됩니다. 이 숫자는 관성 및 표면 장?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ACS PRF (그랜트 60302-UR9), Agrobio S.L. (계약 # 311325) 및 MCIN / AEI / 10.13039 / 501100011033 / FEDER, UE (보조금 번호. PID2021-122369NB-I00).
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 |
References
- Basaran, O. A. Small-scale free surface flows with break-up: drop formation and emerging applications. American Institute of Chemical Engineers. 48 (9), 1842-1848 (2004).
- Squires, T. M., Quake, S. R. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Reviews of Modern Physics. 77 (3), 977-1026 (2005).
- Stone, H. A., Stroock, A. D., Adjari, A. Engineering Flows in Small Devices: Microfluidics Toward a Lab-on-a-Chip. Annual Review of Fluid Mechanics. 36 (1), 381-411 (2004).
- Gunther, A., Jensen, K. F. Multiphase microfluidics: from flow characteristics to chemical and materials synthesis. Lab on a Chip. 6, 1487-1503 (2006).
- Barrero, A., Loscertales, I. G. Micro- and Nanoparticles via Capillary Flows. Annual Review of Fluid Mechanics. 39, 89-106 (2007).
- Clift, R., Grace, J. R., Weber, M. E. . Bubbles, Drops, and Particles. , (2005).
- Othmer, K. . Encyclopedia of Chemical Technology. 4th edition. 9, (1994).
- Kentish, S., et al. The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 9 (2), 170-175 (2008).
- Kumar, A., Li, S., Cheng, C. M., Lee, D. Flow-induced phase inversion of emulsions in tapered microchannels. Lab on a Chip. 16 (21), 4173-4180 (2016).
- Atencia, J., Beebe, D. J. Controlled microfluidic interfaces. Nature. 437, 648-655 (2005).
- Garstecki, P., Fuerstman, M. J., Stone, H. A., Whitesides, G. M. Formation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junctions scaling and mechanism of break-up. Lab on a Chip. 6 (3), 437-446 (2006).
- Utada, A. S., et al. Monodisperse Double Emulsions Generated from a Microcapillary Device. Science. 308 (5721), 537-541 (2005).
- Gañan-Calvo, A. M. Generation of Steady Liquid Microthreads and Micron-Sized Monodisperse Sprays in Gas Streams. Physical Review Letters. 80 (2), 285-288 (1998).
- Shah, R. K., et al. Designer emulsions using microfluidics. Materials Today. 11 (4), 18-27 (2008).
- Taylor, G. I. Disintegration of water drops in an electric field. Proceedings of the Royal Society A, Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 280 (1382), (1964).
- Gundabala, V. R., Vilanova, N., Fernández-Nieves, A. Current-voltage characteristic of electrospray processes in microfluidics. Physical Review Letters. 105 (15), 154503 (2010).
- Guerrero, J., Rivero, J., Gundabala, V. R., Perez-Saborid, M., Fernández-Nieves, A. Whipping of electrified liquid jets. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (38), 13763-13767 (2014).
- Vilanova, N., Gundabala, V. R., Fernandez-Nieves, A. Drop size control in electro-coflow. Applied Physics Letters. 99 (2), 021910 (2011).
- Cloupeau, M., Prunet-Foch, B. Electrostatic spraying of liquids: Main functioning modes. Journal of Electrostatics. 25 (2), 165-184 (1990).
- Jaworek, A., Krupa, A. Main modes of electrohydrodynamic spraying of liquids. Third International Conference on Multiphase Flow ICMF. , (1998).
- Juraschek, R., Röllgen, F. W. Pulsation phenomena during electrospray ionization. International Journal of Mass Spectrometry. 177 (1), 1-15 (1998).
- Guerrero, J., et al. Emission modes in electro co-flow. Physics of Fluids. 31 (8), 082009 (2019).
- Utada, A. S., Fernández-Nieves, A., Stone, H. A., Weitz, D. A. Dripping to jetting transitions in coflowing liquid streams. Physical Review Letters. 99 (9), 094502 (2007).
- Castro-Hernández, E., Gundabala, V., Fernández-Nieves, A., Gordillo, J. M. Scaling the drop size in coflow experiments. New Journal of Physics. 11, 075021 (2009).
- Godfray, H. C. J., et al. Food Security: the challenge of feeding 9 billion people. Science. 327 (5967), 812-818 (2010).
- Labbé, R., Gagnier, D., Kostic, A., Shipp, L. The function of supplemental foods for improved crop establishment of generalist predators Orius insidiosus and Dicyphus hesperus. Scientific Reports. 8 (1), 17790 (2018).
- Pilkington, L. J., Messelink, G., van Lenteren, J. C., Le Mottee, K. 34;Protected Biological Control" – Biological pest management in the greenhouse industry. Biological Control. 52 (3), 216-220 (2010).
- Benson, C. M., Labbe, R. M. Exploring the Role of Supplemental Foods for Improved Greenhouse Biological Control. Annals of the Entomological Society of America. 114 (3), 302-321 (2021).
- Temiz, U., Öztürk, E. Encapsulation methods and use in animal nutrition. Selcuk Journal of Agricultural and Food Sciences. 32 (3), 624-631 (2018).
- Messelink, G. J., et al. Approaches to conserving natural enemy populations in greenhouse crops: current methods and future prospects. BioControl. 59, 377-393 (2014).
- Muñoz-Cárdenas, K., et al. Generalist red velvet mite predator (Balaustium sp.) performs better on a mixed diet. Experimental & Applied Acarology. 62 (1), 19-32 (2014).
- van Lenteren, J. C., Bolckmans, K., Köhl, J., Ravensberg, W. J., Urbaneja, A. Biological control using invertebrates and microorganisms: plenty of new opportunities. BioControl. 63, 39-59 (2018).
- Urbaneja-Bernat, P., Alonso, M., Tena, A., Bolckmans, K., Urbaneja, A. Sugar as nutritional supplement for the zoophytophagous predator Nesidiocoris tenuis. BioControl. 58 (1), 57-64 (2013).
- Vila, E., Cabello, T., Guevara-Gonzalez, R., Torres-Pacheco, I. Biosystems Engineering Applied to Greenhouse Pest Control. Biosystems Engineering: Biofactories for Food Production in the Century XXI. , (2014).
- Riudavets, J., Moerman, E., Vila, E., LodovicaGullino, M., Albajes, R. C., Nicot, P. Implementation of Integrated Pest and Disease Management in Greenhouses: From Research to the Consumer. Integrated Pest and Disease Management in Greenhouse Crops. Plant Pathology in the 21st Century. , (2020).
- Cohen, A. C. . Insect diets: Science and technology. Second edition. , (2015).
- Sullivan, M. T., Stone, H. A. The role of feedback in microfluidic flow-focusing devices. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. 366 (1873), 2131-2143 (2008).
- Shang, L., Cheng, Y., Zhao, Y. Emerging droplet microfluidics. Chemical Reviews. 117 (12), 7964-8040 (2017).
- Christopher, G. F., Anna, S. L. Microfluidic methods for generating continuous droplet streams. Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (19), 319 (2007).
- Nunes, J. K., Tsai, S. S., Wan, J., Stone, H. A. Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis. Journal of Physics D: Applied Physics. 46 (11), 114002 (2013).
