Damla ve Emülsiyon Üretmek için Cam Bazlı Cihazlar
Summary
Burada, kontrollü damla boyutuna sahip yüksek monodispers emülsiyonlar üretmek için kullanılan cam bazlı mikroakışkan cihazların üretilmesine yönelik bir protokol sunulmaktadır.
Abstract
Bu makalede, cam bazlı mikroakışkanlar kullanılarak yüksek monodisperse emülsiyon damlaları üretmek için üç farklı adım adım protokol açıklanmaktadır. İlk cihaz, yerçekimi tarafından tahrik edilen basit damlaların üretilmesi için üretilmiştir. İkinci cihaz, birlikte akan bir şemada emülsiyon damlaları üretmek için tasarlanmıştır. Üçüncü cihaz, elektrik toprağı görevi gören üçüncü bir sıvının eklenmesiyle birlikte akan cihazın bir uzantısıdır ve daha sonra boşalan elektrikli damlaların oluşumuna izin verir. Bu kurulumda, üç sıvıdan ikisi kayda değer bir elektriksel iletkenliğe sahiptir. Üçüncü sıvı bu ikisi arasında aracılık eder ve bir dielektriktir. İki iletken sıvı arasında uygulanan voltaj farkı, birlikte akan sıvıların hidrodinamik gerilmeleriyle birleşen ve jet ve damla oluşum sürecini etkileyen bir elektrik alanı yaratır. Elektrik alanın eklenmesi, basit coflow cihazlarından daha küçük damlalar üretmek ve çok çeşitli boyutlarda parçacıklar ve lifler üretmek için bir yol sağlar.
Introduction
Dar boyut dağılımına sahip mikron ve nano ölçekte kontrollü damla üretimi zorlu bir iştir. Bu düşüşler, bilim ve teknolojide birçok uygulaması olan yumuşak malzemelerin mühendisliği için ilgi çekicidir 1,2,3,4,5,6.
Yüksek damla üretim hızı için en yaygın cihazlar karıştırıcılar7 ve ultrason emülifikatörleri8’dir. Bu yöntemler basit ve düşük maliyetlidir, ancak tipik olarak çok çeşitli boyutlarda polidispers damlalara neden olurlar. Bu nedenle, monodispers numuneler üretmek için ek adımlar gereklidir. Mikroakışkan cihazlar, oluşumu düşürmek için etkili bir yol sağlamak için farklı şekilde tasarlanabilir. Ek olarak, genellikle düşük akış hızları (yani, düşük Reynolds sayısı), sıvı akışı üzerinde büyük kontrol sağlar.
Mikroakışkan cihazlar genellikle poli(dimetil) siloksan (PDMS) ile litografik teknikler kullanılarak yapılırken, bu makale cam bazlı kılcal cihazlara odaklanmaktadır. PDMS cihazları genellikle karmaşık kanal desenleri tasarlama yetenekleri ve ölçeklenebilirlikleri nedeniyle seçilir. Cam cihazlar, aksine, serttir ve PDMS muadillerinden daha fazla çözücü direncine sahiptir. Ek olarak, cam, karmaşık emülsiyonların oluşumunu kontrol etmeyi sağlayan ıslanabilirliğini değiştirmek için değiştirilebilir. Nozul ve kanal duvarlarını bağımsız olarak işleyebilmek, damlaların kontrollü ve tekrarlanabilir bir şekilde oluşumunu sağlarken, damlaların duvarlara temas etmesi durumunda ortaya çıkan emülsiyonların stabilitesini sağlar9; aksi takdirde damlalar birleşebilir ve duvarda birikebilir. Bu iki cihaz türü arasındaki bir diğer fark, cam bazlı cihazlarda, akışın üç boyutlu olması, geleneksel PDMS cihazlarında ise düzlemsel olmasıdır. Bu gerçek, kanal duvarlarıyla damla temasını en aza indirir, böylece temas hatlarının etkisi10 ihmal edilebilir, böylece çoklu emülsiyon damlalarının stabilitesini korur.
Resim 1: Farklı mikroakışkan cihaz konfigürasyonları. (A) bir T-bağlantısının, (B) bir birlikte akan cihazın ve (C) bir akış odaklama cihazının çizimleri. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Kullanılan üç ana geometri vardır: T-kavşağı 11, akış odaklama12,13 ve koakış14. T-kavşak geometrisinde, kanalda bulunan dağınık faz, sürekli fazı barındıran ana kanalla dik olarak kesişir. Sürekli faz tarafından uygulanan kesme gerilmesi, gelen dağınık sıvıyı kırarak düşmelere neden olur. Üretilen damlalar, ana kanal11’in boyutlarıyla daha düşük boyutta sınırlıdır. Akış odaklı geometride, iki akışkan enjeksiyon tüpünün önünde bulunan küçük bir delikten geçirilir. Sonuç, enjeksiyon tüpü 12,13’ten çok daha küçük olan bir jetin oluşumudur. Son olarak, koflow geometrisi, iki karışmaz akışkanın koaksiyel akışı ile karakterize edilen bir konfigürasyona sahiptir14. Genel olarak, çalışma koşullarına bağlı olarak damlama ve püskürtme gözlenebilir. Damlama rejimi düşük akış hızlarında gerçekleşir ve ortaya çıkan damlacıklar çok monodispers ve uç boyutuyla orantılı bir çapa sahiptir. Dezavantajı, düşük üretim sıklığıdır. Jetleme rejimi, damlama rejimine kıyasla daha yüksek akış hızlarında gerçekleşir. Bu durumda, damla çapı, doğru koşullar altında ucun çapından çok daha küçük olabilen jetin çapı ile doğru orantılıdır.
Bu hidrodinamik yaklaşımlara bir alternatif, elektrik kuvvetlerinin ek kullanımına dayanır. Elektrosprey, damlacık üretmek için iyi bilinen ve yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Sonlu bir elektrik iletkenliğine sahip bir sıvının, güçlü bir elektrik alanının varlığında deforme olacağı ilkesine dayanır. Sıvı sonunda elektrik ve yüzey gerilimi gerilimleri arasındaki dengeden kaynaklanan konik bir şekil alacaktır15. İşlem, elektrik alanının sıvıda yüklerin yüzeyde birikmesine neden olan bir elektrik akımı indüklemesiyle başlar. Elektrik alanın varlığı, bu yükler üzerinde, sıvıyı sürükleyen ve menisküsü alan yönünde uzatan bir elektrik kuvveti ile sonuçlanır. Farklı koşullar altında, menisküs yüklü damlaları dökebilir veya daha sonra15 damlasına ayrılan bir veya birkaç jet yayabilir. Bu elektrik destekli mikroakışkan yöntemler doğal olarak küçük damlaların üretilmesine izin vermesine rağmen, emülsiyon monodispersitesini tehlikeye atan kararlı bir durum operasyonunun eksikliğinden muzdariptirler. Ortaya çıkan yüklü düşüşler, sınırlama duvarlarında ve / veya cihazın herhangi bir yerinde, elektrik potansiyelinin uygulanan harici voltajdan daha düşük olduğu herhangi bir yerde boşalma eğilimindedir. Böylece, elektriklendirilmiş menisküs dengesiz hale gelir, sonuçta kaotik bir şekilde damlalar yayar ve kontrolsüz üretimlerine ve monodispersite kaybına neden olur.
Elektro-koakışta, elektriksel ve hidrodinamik gerilmeler, çift emülsiyon üretmek için kullanılana benzer bir koflow mikroakışkan cihaz16’da birleştirilir12. İki ana özellik, elektro-koflow’un kararlı hal emisyon rejimine ulaşmada başarılı olmasını sağlar: (i) dağılmış faz başka bir birlikte akan viskoz sıvıya atılır ve (ii) bir sıvı karşı elektrot veya topraklama kullanılması. Akan bir dış sıvıya sahip olmanın, damla emisyon prosesinin geometrik özelliklerini değiştirdiği kanıtlanmıştır17. Sıvı karşı elektrot, ortaya çıkan damlaların boşaltılmasına ve ekstraksiyonuna izin vererek, damlaların kararlı durum oluşumunu garanti eder. Ek olarak, elektriksel ve hidrodinamik kuvvetlerin dengesinden yararlanarak, ortaya çıkan damla boyutları, daha önce bahsedilen tekniklerden herhangi biri tarafından kapsanabilecek boyutlardan daha geniş bir aralıkta potansiyel olarak değişebilir.
Bu ayrıntılı video protokolü, cam bazlı mikroakışkanların kullanımı ve üretiminde yeni uygulayıcılara yardımcı olmayı amaçlamaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Üç farklı cam bazlı cihaz üretme protokolü yukarıda açıklanmıştır. Cihazın basit damlalar üretmesi durumunda, akış hızı ve sıvı özellikleri, kontrollü bir şekilde damlalar üretmek için çok önemlidir. Damlama rejiminde uçta veya jetleme rejiminde jetin sonunda damlalar oluşacaktır. Damlamadan püskürtmeye geçiş, boyutsuz Weber sayısı We23 tarafından parametrize edilir. Bu sayı, atalet ve yüzey gerilim kuvvetleri arasındaki oranı temsil eder), burada ρ sıvı…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ACS PRF (hibe 60302-UR9), Agrobio S.L. (sözleşme No. 311325) ve MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE (hibe No. 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).
