反相共流微流控毛细管装置制备高粘度水滴的方法

Summary

本文展示了一种反相共流装置, 以产生单分散高粘度在 1 Pas 以上的液滴, 在液滴微流体中难以实现。

Abstract

高粘度的单分散液滴的产生一直是液滴微流体的挑战。在这里, 我们演示了一个相逆共流装置, 以产生均匀的高粘度液滴在低粘度流体。微流控毛细管装置有一个共同的共流结构, 其出口连接到一个更宽的管。低粘度流体的细长滴液首先由高粘度流体在共流结构中封装。当细长的低粘度水滴流过出口时, 被低粘度流体所润湿, 然后通过低粘度水滴与出口尖端的粘附来诱导相反转, 从而导致随后的反高粘度流体的封装。通过将低粘度流体的流速比转化为高粘度流体, 可以调节产生的高粘度水滴的大小。我们展示了几个典型的例子, 产生高粘度的水滴, 粘度高达 11.9 Pas, 如甘油, 蜂蜜, 淀粉和聚合物溶液。该方法提供了一种简单而直接的方法来生成单分散高粘度滴, 可用于各种液滴的应用, 如材料合成, 药物输送, 细胞化验, 生物工程和食品工程。

Introduction

水滴的产生正在成为各种应用的关键技术, 如药物输送, 材料合成, 3D 生物打印, 细胞化验, 食品工程 1, 2, 3, 4^,5,6. 带 T 形连接^7、8、co 流^1、9或流聚焦¹⁰、¹¹结构的微流控设备广泛用于生成单分散单乳液滴。选择一个更粘性的连续相将有助于形成水滴¹², 并且连续和分散的流体的粘度通常低于 0.1 Pas 在液滴微流体 13.然而, 在许多应用中, 分散相的粘度可能比水高几倍, 例如甘油¹⁴、含有纳米粒子¹⁵、蛋白质¹⁶或聚合物¹⁷的溶液。^,18,19, 而在微流控设备中, 很难直接从稳定的滴水状态¹¹中的高粘度流体中实现单分散液滴, 特别是对于具有η > 1 Pa·s¹⁴的粘度的流体.^,17,18,19。此外, 还报告了^13、18 , 认为液滴形成的典型微流控方法要求流体具有相对较低的粘度和适度的界面张力, 形成稳定滴水中的均匀水滴。政权。

对于具有稍大于 0.1 Pas 的粘度的分散相位, 有几种可能的方法可以通过典型的 T 连接、共流或流聚焦微流控装置来促进液滴的形成: (1) 降低分散的粘度在挥发性溶剂^11,20中稀释它的相位;(2) 通过增加连续相位^1,11的粘度, 减少分散到连续的粘度比;(3) 将分散相的流速降低到极低的值, 同时保持高连续到分散的流量比率^14,19。但是, 这些方法对于粘度高得多的流体来说是不切实际的, 因为它们会显著降低生产速率, 同时显著提高挥发性溶剂或连续相的消耗。在百货商店, 据报道, 一些高粘度聚合物溶液与η > 1 Pa·s 仍然没有分解成水滴与上述方法^17,19。

还有几种改进的微流控装置的设计, 将第三阶段的流体引入到系统中, 从而促进了高粘度滴的产生。创新包括: 引入气泡将喷射螺纹切割成水滴²¹, 一种具有中等粘度的不溶做伴流体, 引入 dipsersed 相和连续相¹⁸之间的中间相, 并微反应器介绍了从两个低粘度前体生成高粘度的小水滴 21, 22, 23.然而, 随着这个过程中的一个流体越来越多, 这个系统变得更加复杂, 而这些装置通常在比生成单乳液滴的典型装置更窄的流动机制中工作。

为了直接从高粘度流体中产生单分散液滴与η > 1 Pa·s, 研究了表面控相反演方法的²⁴。由于低黏度水滴的产生比高粘度水滴容易得多¹², 高粘度连续相的细长低黏度水滴首先使用典型的共流结构产生, 然后被分解为在共流结构的下游表面润湿性的变化。释放的低粘度流体将下游高粘度流体封装成水滴, 从而完成了相位反演。根据相变机理, 单分散高粘度液滴可根据典型的共流装置产生, 而该共流装置的出口被处理为由低粘度流体润湿, 然后连接到更宽的管^{24 ,25}。

Protocol

1. 生产一种相反转的共流毛细管装置, 用于观察含直径为500微米的高粘度水滴的生成过程。

注: 此处使用的方形外管用于拍摄高粘度水滴的生成过程的图像。如果不需要拍摄图像, 则可以根据协议步骤2对设备进行简化版本。

1. 为毛细管装置的组装准备三个不同尺寸的玻璃管。
   1. 取一个方形的玻璃管, 内部尺寸为1.05 毫米, 并切割一条管子的长度为4厘米。这将是设备的外管。
   2. 取一圆玻璃管, 内径为580微米, 外径 (外径) 为1毫米, 并切割一条管子的长度为3厘米。这将是设备的中间管。
   3. 取一圆玻璃管与身份证 = 200 微米和外径 = 330 微米, 并且切开管子的片断 ~ 2 cm 长度。这将是设备的内管。
2. 修改中间管一端的表面润湿性为疏水性。
   1. 取一个1毫升的玻璃瓶, 并添加0.3 毫升的氯 () 硅烷 (升) 到玻璃瓶。
   2. 把中间管与身份证 = 580 微米准备在协议步骤 1.1.2, 并把它的一端浸入玻璃瓶中的十年代。
   3. 取出中间管, 用氮气从未处理的末端冲洗管子。
3. 为毛细管装置的入口准备针头。
   1. 采取一个20G 钝尖配药针, 并削减一个插槽与0.5 毫米 x 0.5 毫米的边缘, 塑料鲁尔轮毂与刀片。
      注: 此针可作为低粘度油相的入口。
   2. 再拿一个20G 钝尖配药针, 在塑料鲁尔中心的边缘切两个插槽。将两个插槽与通过鲁尔集线器直径的直线对齐。
      注: 一个插槽的尺寸为0.5 毫米 x 0.5 毫米, 而另一个插槽的尺寸为1.0 毫米 x 1.0 毫米。该针可作为高粘度水相的入口。
   3. 再拿一个20G 钝尖配药针, 在塑料鲁尔中心的边缘切两个插槽。将两个插槽与通过鲁尔集线器直径的直线对齐。
      注: 一个插槽的尺寸为1.5 毫米 x 1.5 毫米;而另一个插槽的尺寸为1.0 毫米 x 1.0 毫米。此针可作为清洗用的入口。
4. 按下装配玻璃管图 1A。
   1. 以常规的7.62 厘米 x 2.54 厘米的玻璃幻灯片作为毛细管装置的基板。
   2. 把外管与 id = 1.05 毫米, 准备在协议步骤 1.1.1, 在玻璃幻灯片与〜1厘米挤出玻璃滑动的短边缘。
   3. 带 id 为580微米的中间管, 在协议步骤1.2 中制备, 并将中间管的疏水端插入玻璃滑动端的外管, 并将中间管的1厘米保持在外管外。
   4. 取内径为200微米的内管, 在协议步骤1.1.3 中制备, 并将内管一端插入中间管, 并将内管的1厘米保持在中间管外。
   5. 使用环氧树脂胶固定在玻璃滑块中心位置的三管。然后等待 ~ 5 分钟或更长的胶水完全凝固。
5. 在毛细管装置上装配入口。
   1. 采取在协议步骤1.3.1 中制备的低粘度油相的入口针, 并让鲁尔集线器覆盖基体上的内管末端, 然后使用环氧树脂胶固定基板上的鲁尔轮毂。
   2. 采用进口针为高粘度水相, 在协议步骤1.3.2 中制备, 并让鲁尔集线器覆盖内管和中间管之间的连接, 然后用环氧树脂胶将鲁尔轮毂固定到基体上。
   3. 取入口针, 准备在协议步骤 1.3.3, 并为清洗, 让鲁尔枢纽覆盖中间管和外管之间的连接, 然后使用环氧树脂胶固定在基板上的鲁尔集线器。
   4. 等待 ~ 5 分钟或更长的胶水完全凝固。
   5. 使用环氧树脂胶封在基板上的针鲁尔集线器。
6. 等待 ~ 30 分钟或更长的胶水完全凝固, 然后设备准备使用。

2. 制作一种相反转、共流毛细管装置, 用于制造直径为500微米的水性高粘度水滴。

注意: 此处所做的设备是协议步骤1中设备的简化版本。

1. 为毛细管装置的组装准备两个不同尺寸的玻璃管。
   1. 取一圆玻璃管与身份证 = 580 微米和外径 = 1 毫米, 并且切开一条管子与 3 cm 长度。这将是设备的中间管。
   2. 取一圆玻璃管与身份证 = 200 微米和外径 = 330 微米, 并且切开一条管子与 2 cm 长度。这将是设备的内管。
2. 修改中间管一端的表面润湿性为疏水性。
   1. 在1毫升的玻璃瓶中加入0.3 毫升的培养基。
   2. 用 id 为580微米的中间管, 在协议步骤2.1.1 中准备, 并将它的一端浸入玻璃瓶中的 "十年代"。
   3. 取出中间管, 然后用氮气从未处理的末端冲洗管子。
3. 为毛细管装置的入口准备针头。
   1. 准备一个20G 钝尖配药针, 这将成为低粘油阶段的入口。然后, 用刀片在塑料鲁尔集线器的边缘切割一个0.5 毫米 x 0.5 毫米的插槽。
   2. 再拿一个20G 钝尖配药针, 在塑料鲁尔中心的边缘切两个插槽。将两个插槽与通过鲁尔集线器直径的直线对齐。
      注: 一个插槽的尺寸为0.5 毫米 x 0.5 毫米, 而另一个插槽的尺寸为1.0 毫米 x 1.0 毫米。第二针将作为高粘度水相的入口。
4. 按下装配玻璃管图 1A.
   1. 以常规的7.62 厘米 x 2.54 厘米的玻璃幻灯片作为毛细管装置的基板。
   2. 将中间管与 id = 580 微米, 准备在协议步骤 2.2, 在玻璃滑动与疏水性端挤出 ~ 1 厘米在玻璃滑梯的短边缘。
   3. 取内径为200微米的内管, 在协议步骤2.1.2 中进行制备, 并将内管的一端插入到中间管中, 从玻璃滑块上未处理的端部, 并在中间管外保持1厘米的内管。
   4. 使用环氧树脂胶固定在玻璃滑块中心位置的两个管。
   5. 等待5分钟或更长的胶水完全凝固。
5. 在毛细管装置上装配入口。
   1. 采取在协议步骤2.3.1 中制备的低粘度油相的入口针, 并让鲁尔集线器覆盖基体上的内管末端, 然后使用环氧树脂胶固定基板上的鲁尔轮毂。
   2. 采用进口针为高粘度水相, 在协议步骤2.3.2 中制备, 并让鲁尔轮毂覆盖内管和中间管之间的连接, 然后使用环氧树脂胶固定在基板上的鲁尔轮毂。
      注: 中间管的另一端是装置的出口。
   3. 等待 ~ 5 分钟或更长的胶水完全凝固。
   4. 使用环氧树脂胶封在基板上的针鲁尔集线器。
6. 等待 ~ 30 分钟或更长的胶水完全凝固。
7. 将中间管的自由端与出口油管连接, i. e., 带 id 的聚乙烯油管长度为0.86 毫米和 ~ 20 毫米。
   注意: 外部油管的轻微变形将确保连接的密封, 因此这里不需要胶水。出口油管作为一个更广泛的外管的相反转。此时, 设备可以使用。

3. 制作相逆共流毛细管装置, 观察直径为200微米的高粘度水滴的生成过程。

注意: 此处所做的设备是协议步骤1的设备的较小版本, 可以制作更小的水滴。

1. 为毛细管装置的组装准备三个不同尺寸的玻璃管。
   1. 取一个方形的玻璃管与身份证 = 400 微米, 并且切开管子的片断〜 4 cm 长度, 将是设备的外在管子。
   2. 取一圆玻璃管与身份证 = 200 微米和外径 = 330 微米, 并且切开管子的片断 ~ 3 cm 长度, 将是设备的中间管子。
   3. 取一圆玻璃管与身份证 = 100 微米和外径 = 170 微米, 并且切开管子的片断 ~ 2 cm 长度, 将是设备的内管。
2. 修改中间管一端的表面润湿性为疏水性。
   1. 拿一个1毫升的玻璃瓶, 并添加0.3 毫升的增加到玻璃瓶。
   2. 用 id 为200微米的中间管, 在协议步骤3.1.2 中准备, 并将它的一端浸入玻璃瓶中的 "十年代"。
   3. 取出中间管, 然后用氮气从未处理的末端冲洗管子。
3. 为毛细管装置的入口准备针头。
   1. 准备一个20G 钝尖配药针, 这将成为低粘油阶段的入口。然后, 用刀片, 切一个插槽〜0.2 毫米 x 0.2 毫米的边缘的塑料鲁尔枢纽。
   2. 准备另一20G 钝尖配药针, 并削减两个插槽的边缘塑料鲁尔枢纽。将两个插槽与通过鲁尔集线器直径的直线对齐。
      注: 一个插槽的尺寸为0.2 毫米 x 0.2 毫米, 而另一个插槽的尺寸为0.4 毫米 x 0.4 毫米。第二针将作为高粘度水相的入口。
   3. 再拿一个20G 钝尖配药针, 在塑料鲁尔中心的边缘切两个插槽。两个插槽在通过鲁尔中心直径的线对齐。
      注: 一个插槽的尺寸为0.8 毫米 x 0.8 毫米, 而另一个插槽的尺寸为0.4 毫米 x 0.4 毫米。这第三针将作为一个入口为清洁目的。
4. 按照协议步骤 1.4-1.6 完成该设备, 使用在协议步骤3.1 中编写的玻璃管, 而不是在协议步骤1.1 中编写的, 使用在协议步骤3.3 中编写的针, 而不是在协议步骤1.3 中编写的。

4. 观察液体石蜡中甘油滴的产生

注: 为拍摄图1B 中显示的图像, 请使用在协议步骤1中编写的设备;要拍摄图 3中显示的图像, 请使用在协议步骤3中准备的设备。

1. 准备在实验中使用的解决方案。
   1. 以甘油为高粘度水相, 并加0.5 的甲苯胺蓝 O 染成蓝色。
   2. 采用液体石蜡作为低粘度油相, 并在其上加入1% 的 80, 作为表面活性剂。
2. 准备三1毫升注射器和三注射器泵。
   注: 三在议定书步骤4.1 中制备的液体用注射器: 一种用于注射在协议步骤4.1.1 中制备的高粘度甘油, 另两种用于注射低黏度液体石蜡, 分别在协议步骤4.1.2 中制备。
   1. 将含有甘油的注射器连接到中间管。
   2. 将含有液体石蜡的注射器连接到内胎的入口, 同时将其连接到入口以进行清洗。
3. 将在1号协议步骤中准备的设备放置在倒置显微镜下, 并将一块 Kimwipe 置于外管的出口处, 以吸收泄漏的液体。
   注意: 不要让流体在 Kimwipe 区域外泄漏。
4. 设置注射器泵的流速。
   注: 当中间管出口周围有陷泡或水滴时, 使用与外管连接的注射器泵进行清洗。否则, 就把水泵停了。
   1. 将甘油的流速设置为Q_w = 10 ul/分钟的中间管。
   2. 设置向Q_o = 30 ul/分钟内管注入液体石蜡的流速。
   3. 运行两个泵产生甘油滴。
5. 等待0.5 分钟, 直到流量稳定, 甘油滴在中间管出口均匀生成。然后, 拍下水滴生成过程的视频或图像。
   注意: 图1B 中的图像可以使用在协议步骤1中编写的设备, 而图 3A中的图像可以使用在协议步骤3中编写的设备进行。一旦拍摄完视频或图像, 立即停止所有的水泵, 立即将设备从显微镜上取出。
6. 准备收集高粘度的水滴。
   1. 将设备放在垂直平面上, 并将插座指向下方, 并将培养皿放在插座下。使用胶带修复设备与出口〜2毫米以上的培养皿底部。
   2. 将在协议步骤4.1.2 中制备的液体石蜡倒入培养皿中, 然后浸入装置的出口。
7. 再次运行两个注射器泵在Q_w = 10 ul/分钟和Q_o = 30 ul/分钟, 并收集在培养皿中的甘油滴。
   注: 等待 ~ 1 分钟, 直到流量稳定, 甘油滴在外管出口均匀生成, 可以采取培养皿中的水滴的图像, 如图 1D中所示的协议1中编写的设备, 或者是在协议步骤3中准备的设备的图 3B 。

5. 用步骤2中制备的简化装置在液体石蜡中生成和收集甘油滴。

注: 这是为了拍摄在不同流速比的Q_o/Q_w生成的甘油水滴的图像, 并测量图 2中数据点的相应大小变化。

1. 按照协议步骤 4.1, 准备在实验中使用的解决方案。
2. 准备两个1毫升注射器和两个注射器泵。
   注: 在协议步骤4.1 中制备的液体用两个注射器: 一种注射高粘度甘油, 在协议步骤4.1.1 中制备, 另一种用于注射低黏度液体石蜡, 分别在协议步骤4.1.2 中制备。
   1. 将含有0.8 毫升甘油的注射器连接到中间管的入口。
   2. 将含有0.8 毫升液体石蜡的注射器连接到内胎的入口。
3. 准备收集高粘度的水滴。
   1. 将设备放在垂直平面上, 并将插座指向下方, 并将35毫米的培养皿放在插座下。使用胶带修复设备与出口〜2毫米以上的培养皿底部。
   2. 将在协议步骤4.1.2 中制备的液体石蜡倒入培养皿中, 然后浸入装置的出口。
4. 设置注射器泵的流速。
   注: 对于图 2中的每个流量比率, 请固定甘油q_w = 2 ul/分钟的流量, 同时根据所需的 q 的流速比率增加液体石蜡Q_o到不同值的流量. _o/Q_w。对于每个流速比, 等待 ~ 1 分钟, 直到流稳定和均匀甘油滴在培养皿中收集, 然后采取水滴的图像。
   1. 设置在Q_w = 2 ul/分钟的中间管中注入的甘油的流速。
   2. 设置在Q_o = 6 ul/分钟内管中注入的液体石蜡的流速。
   3. 运行两个泵产生甘油滴。
      注: 水滴的产生过程可以用手机相机直接观察到, 或者是安装在三脚架上的数码相机。
5. 等待 ~ 1 分钟, 直到流量稳定, 并改变一个新的培养皿收集均匀甘油滴。

6. 采用相倒置共流装置, 在液体石蜡中产生其它高粘度滴。

注意: 这是为图 4中的图像提供的。实验中使用的低粘度油相与协议步骤4.1.2 中所用的方法相同。

1. 使用纯蜂蜜作为图 4A的高粘度水相。
2. 为图 4B准备 6% 的淀粉溶液。
   注意: 使用适当的高温玻璃介质瓶和高温帽。佩戴耐热手套。
   1. 在100毫升的玻璃介质瓶中添加47克水, 并在瓶子里放一个搅拌棒。
   2. 把瓶子放在水浴中, 把温度设置为100摄氏度。
   3. 水浴达到100摄氏度后, 将3克淀粉粉加入热水中。
   4. 盖子的瓶盖, 并保持搅拌4小时, 直到解决方案是明确的。
   5. 等到溶液冷却到室温, 然后再使用。
3. 为图 4C准备 10 PVA-124% 的解决方案。
   注意: 使用适当的高温玻璃介质瓶和高温帽。佩戴耐热手套。
   1. 在100毫升的玻璃介质瓶中添加45克水, 并在瓶子里放一个搅拌棒。
   2. 把瓶子放在水浴中, 把温度设置为70摄氏度。
   3. 在水浴达到70摄氏度后, 在瓶子中加入5克 PVA-124 粉。
   4. 盖子的瓶盖, 并保持搅拌1小时, 直到解决方案是明确的。
   5. 等到溶液冷却到室温, 然后再使用。
4. 在液体石蜡中产生高粘度滴。
   1. 使用步骤 6.1-6.3 中准备的高粘度流体, 而不是在协议步骤5中的甘油, 遵循协议步骤5。
   2. 使用Q_w = 1 ul/分钟的流速设置, Q_o = 5 ul/分钟图 4。

Results

采用相反转、共流结构的微流控毛细管装置, 设计成单分散水性高粘度水滴, 如图 1A所示。在图 1中, 高粘度水相是甘油, 其黏度为η_w = 1.4 Pas;低粘度油相为液体石蜡, 其粘度为η_o = 0.029 Pas;两个阶段之间的表面张力为γ = 27.7 锰/米。在中间管, 拉长的油滴可以由甘油封装在一个良好控制的滴水模式^9,13, 因为甘油的黏度远远高于液体石蜡, 和毛细管数, Ca, 两个阶段的低至 10^-4-10^-2, 其中Ca = ηU/γ, u = Q/

Discussion

反相共流装置提供了一种简单、直接的方法, 能产生单分散高粘度水滴。该装置与普通共流装置具有相似的结构, 因为基本的共流结构由插入在中间管中的内管组成, 其出口与出口油管相连。然而, 相逆共流装置与普通共流装置之间存在两个主要区别, 即产生粘度为η > 1 Pa·s 的高粘度水滴。

首先, 在常用的共流装置中, 采用锥形尖端的内管, 而直内管可用于相倒置的共流装置。圆锥尖通常有 id = 20 微米和外径 = 30 微米^1,8, 因此, 通常需要一个吸管拉拔器, 使锥形尖端。在相倒置的共流装置中, 具有 100-200 微米的圆形玻璃管可以直接使用而不被锥形。

二是在常用的共流装置中, 将高粘度流体注入管内, 由低粘度流体封装;在反相共流装置中, 将低粘度流体注入管内, 由高粘度流体封装, 易于实现。例如, 当我们使用一个共同的共流装置在液体石蜡中产生甘油滴时, 流速比Q

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
VitroTubes 玻璃管	VitroCom	8240	方形 - 微型中空玻璃管，内径=0.4mm，外径=0.8mm
VitroTubes 玻璃管	VitroCom	CV2033	圆形 - 微型中空玻璃管，内径=0.2mm，外径=0.33mm
VitroTubes 玻璃管	VitroCom	CV1017	圆形 - 微型中空玻璃管，内径=0.1mm，外径=0.17mm
VitroTubes 玻璃管	VitroCom	Q14606	方形 - 微型中空玻璃管， 内径=1.05mm+0.1/-0， 外径=1.5mm
标准玻璃毛细管	WPI	1B100-6	圆形 - 玻璃管， 内径=0.58mm， 外径=1.00mm
甘油	国药化学试剂 北京	10010618
蜡液	国药化学试剂 北京	30139828
聚（乙烯醇），PVA-124	国药化学试剂 北京	30153084
跨度 80	Sigma-Aldrich	85548
淀粉	Sigma-Aldrich	S9765
三氯（十八烷基）硅烷	Sigma-Aldrich	104817
苯胺蓝 O	Sigma-Aldrich	T3260
蜂蜜			贞洁树蜂蜜，常见从超市购买的食品
DEVCON 5 分钟环氧树脂	ITW		环氧胶
钝尖不锈钢点胶针（鲁尔锁）	苏州蓝波针，中国	LTA820050	20G x 1/2"
钨/硬质合金划线器	Ullman	1830	用于切割玻璃管
显微镜载玻片	帆品牌	7101	76.2 毫米 x 25.4 毫米，厚度 1 - 1.2 毫米
聚乙烯管	科学商品	BB31695-PE/5	内径 = 0.86 毫米，外径 = 1.32 毫米
注射泵	更长的泵，中国	LSP01-1A	实验需要 3 个泵