Op glas gebaseerde apparaten om druppels en emulsies te genereren

Summary

Hier wordt een protocol gepresenteerd voor de productie van op glas gebaseerde microfluïdische apparaten die worden gebruikt voor het genereren van zeer monodisperse emulsies met gecontroleerde druppelgrootte.

Abstract

In dit manuscript worden drie verschillende stapsgewijze protocollen beschreven om zeer monodisperse emulsiedruppels te genereren met behulp van op glas gebaseerde microfluïdica. Het eerste apparaat is gebouwd voor het genereren van eenvoudige druppels aangedreven door de zwaartekracht. Het tweede apparaat is ontworpen om emulsiedruppels te genereren in een coflowing-schema. Het derde apparaat is een uitbreiding van het coflowing-apparaat met de toevoeging van een derde vloeistof die fungeert als een elektrische massa, waardoor de vorming van geëlektrificeerde druppels mogelijk is die vervolgens ontladen. In deze opstelling hebben twee van de drie vloeistoffen een merkbare elektrische geleidbaarheid. De derde vloeistof bemiddelt tussen deze twee en is een diëlektricum. Een spanningsverschil toegepast tussen de twee geleidende vloeistoffen creëert een elektrisch veld dat koppelt aan hydrodynamische spanningen van de coflowing vloeistoffen, waardoor het jet- en druppelvormingsproces wordt beïnvloed. De toevoeging van het elektrische veld biedt een pad om kleinere druppels te genereren dan in eenvoudige coflow-apparaten en voor het genereren van deeltjes en vezels met een breed scala aan maten.

Introduction

Gecontroleerde generatie van druppels in de micron- en nanoschaal met een smalle grootteverdeling is een uitdagende taak. Deze druppels zijn van belang voor de engineering van zachte materialen met vele toepassingen in wetenschap en technologie 1,2,3,4,5,6.

De meest voorkomende apparaten voor de hoge productiesnelheid van druppels zijn mixers⁷ en ultrasone emulgatoren⁸. Deze methoden zijn eenvoudig en goedkoop, maar ze resulteren meestal in polydisperse druppels met een breed scala aan maten. Daarom zijn extra stappen nodig om monodisperse monsters te produceren. Microfluïdische apparaten kunnen anders worden ontworpen om een efficiënte manier te bieden om formatie te laten vallen. Bovendien zorgen de meestal lage debieten (d.w.z. een laag Reynolds-getal) voor een grote controle over de vloeistofstroom.

Terwijl microfluïdische apparaten vaak worden gemaakt met behulp van lithografische technieken met poly (dimethyl) siloxaan (PDMS), richt dit manuscript zich op op glas gebaseerde capillaire apparaten. PDMS-apparaten worden meestal gekozen vanwege hun vermogen om complexe kanaalpatronen te ontwerpen en vanwege hun schaalbaarheid. Glazen apparaten daarentegen zijn stijf en hebben een grotere oplosmiddelbestendigheid dan hun PDMS-tegenhangers. Bovendien kan glas worden aangepast om de bevochtigbaarheid te veranderen, waardoor het genereren van complexe emulsies kan worden gecontroleerd. In staat zijn om de nozzle- en kanaalwanden onafhankelijk te behandelen, maakt de vorming van druppels op een gecontroleerde en reproduceerbare manier mogelijk, terwijl de stabiliteit van de resulterende emulsies wordt gewaarborgd als de druppels de wanden zouden raken⁹; anders kunnen de druppels samensmelten en zich ophopen aan de muur. Een ander verschil tussen deze twee soorten apparaten is dat in op glas gebaseerde apparaten de stroom driedimensionaal is, terwijl deze vlak is in conventionele PDMS-apparaten. Dit feit minimaliseert het druppelcontact met de kanaalwanden, zodat de invloed van contactlijnen kan worden verwaarloosd¹⁰, waardoor de stabiliteit van meerdere emulsiedruppels wordt beschermd.

Figuur 1: Verschillende microfluïdische apparaatconfiguraties. Schetsen van (A) een T-junctie, (B) een coflowing-apparaat en (C) een flow-focusing device. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Er worden drie hoofdgeometrieën gebruikt, namelijk T-junctie¹¹, flowfocus ^12,13 en coflow¹⁴. In de T-junctiegeometrie snijdt de gedispergeerde fase in het kanaal loodrecht het hoofdkanaal dat de continue fase herbergt. De schuifspanning die wordt uitgeoefend door de continue fase breekt de binnenkomende gedispergeerde vloeistof, wat resulteert in druppels. De gegenereerde druppels worden in lagere grootte beperkt door de afmetingen van het hoofdkanaal¹¹. In de flow-focusing geometrie worden de twee vloeistoffen door een kleine opening geperst die zich voor de injectiebuis bevindt. Het resultaat is de vorming van een jet, die veel kleiner is dan de injectiebuis^12,13. Ten slotte heeft de coflowgeometrie een configuratie die wordt gekenmerkt door de coaxiale stroom van twee onmengbare vloeistoffen¹⁴. Over het algemeen kunnen druppelen en jetting worden waargenomen, afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden. Het druppelregime treedt op bij lage stroomsnelheden en de resulterende druppels zijn zeer monodisperse en hebben een diameter die evenredig is met de tipgrootte. Het nadeel is de lage productiefrequentie. Het straalregime treedt op bij hogere stroomsnelheden in vergelijking met het druppelregime. In dit geval is de valdiameter recht evenredig met de diameter van de straal die onder de juiste omstandigheden veel kleiner kan zijn dan de diameter van de punt.

Een alternatief voor deze hydrodynamische benaderingen is gebaseerd op het extra gebruik van elektrische krachten. Electrospray is een bekende en veel gebruikte techniek voor het genereren van druppels. Het is gebaseerd op het principe dat een vloeistof met een eindige elektrische geleidbaarheid zal vervormen in de aanwezigheid van een sterk elektrisch veld. De vloeistof zal uiteindelijk een conische vorm aannemen als gevolg van de balans tussen elektrische en oppervlaktespanningsspanningen¹⁵. Het proces begint met het elektrische veld dat een elektrische stroom in de vloeistof induceert die ervoor zorgt dat ladingen zich aan het oppervlak ophopen. De aanwezigheid van het elektrische veld resulteert in een elektrische kracht op deze ladingen, die de vloeistof voortsleept en de meniscus in de richting van het veld verlengt. Onder verschillende omstandigheden kan de meniscus de geladen druppels afwerpen of een of meerdere jets uitzenden die vervolgens in^{druppels 15} breken. Hoewel deze elektrisch ondersteunde microfluïdische methoden van nature het genereren van kleine druppels mogelijk maken, lijden ze aan een gebrek aan een steady-state operatie die de emulsie monodispersiteit in gevaar brengt. De resulterende geladen druppels hebben de neiging om te ontladen op de scheidingswanden en / of ergens in het apparaat waar de elektrische potentiaal lager is dan de opgelegde externe spanning. Zo wordt de geëlektrificeerde meniscus onstabiel, waardoor uiteindelijk druppels op een chaotische manier worden uitgestoten en hun ongecontroleerde productie en verlies van monodispersiteit wordt veroorzaakt.

In elektro-coflow worden de elektrische en hydrodynamische spanningen gekoppeld in een coflow microfluïdisch apparaat¹⁶ vergelijkbaar met het apparaat dat wordt gebruikt voor het genereren van dubbele emulsies¹². Twee belangrijke kenmerken zorgen ervoor dat elektro-coflow succesvol kan zijn in het bereiken van een steady-state emissieregime: (i) de gedispergeerde fase wordt uitgestoten in een andere costromende viskeuze vloeistof, en (ii) het gebruik van een vloeibare tegenelektrode of aarde. Het hebben van een stromende buitenste vloeistof heeft bewezen de geometrische eigenschappen van het druppelemissieproces te veranderen¹⁷. De vloeibare tegenelektrode maakt de ontlading en extractie van de resulterende druppels mogelijk, waardoor de steady-state generatie van druppels wordt verzekerd. Bovendien, door gebruik te maken van de balans tussen elektrische en hydrodynamische krachten, kunnen de resulterende druppelgroottes mogelijk variëren binnen een breder bereik dan de maten die kunnen worden gedekt door een van de eerder genoemde technieken.

Dit gedetailleerde videoprotocol is bedoeld om nieuwe beoefenaars te helpen bij het gebruik en de fabricage van op glas gebaseerde microfluïdica.

Protocol

1. Eenvoudige druppels maken Gebruik voor het maken van eenvoudige druppels een glazen basis gemaakt met een microscoopglaasje (76,2 mm x 25,4 mm) om het apparaat te bouwen. Dit zorgt voor eenvoudig transport en visualisatie van de vloeistoffen door het glas. Gebruik een ronde glazen capillair voor de punt. Gebruik voor dit protocol ronde haarvaten met een diameter van 1 mm (direct verkrijgbaar in een breed scala aan maten). Om een tip met de gewenste diameter te maken, trekt …

Representative Results

In dit manuscript zijn drie verschillende apparaten ontworpen om druppels te genereren. We hebben druppels gegenereerd met een grootte van (3,29 ± 0,08) mm (figuur 4B) en (1,75 ± 0,04) mm (figuur 4C) met behulp van het apparaat dat wordt beschreven in stap 1. De emulsiedruppels kunnen worden gegenereerd met behulp van de coflow- en de elektro-coflow-apparaten. Voor de laatste tonen we druppelen in figuur 9, terwijl kegelstraal- en…

Discussion

Het protocol om drie verschillende op glas gebaseerde apparaten te fabriceren is hierboven beschreven. In het geval van het apparaat om eenvoudige druppels te genereren, zijn het debiet en de vloeistofeigenschappen cruciaal om druppels op een gecontroleerde manier te genereren. Druppels vormen zich aan de punt in het druipregime of aan het einde van de straal in het straalregime. De overgang van druipen naar jetting wordt geparametriseerd door het dimensieloze Weber-getal, We²³. Dit getal vertegen…

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