Name: Glasbasierte Geräte zur Erzeugung von Tropfen und Emulsionen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-04-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 45 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung von Glas-Mikrofluidik-Geräten zur Erzeugung stabiler Emulsionen mit kontrollierten Tropfengrößen. Diese Methode eignet sich auch für Anfänger ohne Vorerfahrung.

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Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Das Protokoll zur Herstellung von drei verschiedenen glasbasierten Geräten wurde oben beschrieben. Im Falle der Vorrichtung zur Erzeugung einfacher Tropfen sind die Durchflussrate und die flüssigen Eigenschaften entscheidend, um Tropfen kontrolliert zu erzeugen. Tropfen bilden sich an der Spitze im Tropfregime oder am Ende des Jets im Jetting-Regime. Der Übergang vom Tropfen zum Jetting wird durch die dimensionslose Weber-Nummer We23 parametrisiert. Diese Zahl stellt das Verhältnis zwischen Träghe...

Die kontrollierte Erzeugung von Tropfen im Mikro- und Nanobereich mit einer engen Größenverteilung ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Diese Tropfen sind von Interesse für die Entwicklung weicher Materialien mit vielen Anwendungen in Wissenschaft und Technologie 1,2,3,4,5,6.
Die gebräuchlichsten Geräte für die hohe Produktionsrate von Tropfen sind Mischpulte7 und Ultraschallemulsifikatoren8. Diese Methoden sind einfach und kostengünstig, führen jedoch typischerweise zu polydispersen Tropfen mit einer Vielzahl von Größen. Daher sind zusätzliche Schritte erforderlich, um monodisperse Proben herzustellen. Mikrofluidische Geräte können unterschiedlich konstruiert werden, um eine effiziente Möglichkeit zur Drop-Formation zu bieten. Darüber hinaus ermöglichen die normalerweise niedrigen Durchflussraten (d. H. Niedrige Reynolds-Zahl) eine gute Kontrolle über den Flüssigkeitsfluss.
Während mikrofluidische Bauelemente üblicherweise mit lithographischen Techniken mit Poly(dimethyl)siloxan (PDMS) hergestellt werden, konzentriert sich dieses Manuskript auf glasbasierte Kapillarbauelemente. PDMS-Geräte werden in der Regel aufgrund ihrer Fähigkeit, komplexe Kanalmuster zu entwerfen, und aufgrund ihrer Skalierbarkeit ausgewählt. Glasgeräte hingegen sind starr und haben eine höhere Lösungsmittelbeständigkeit als ihre PDMS-Gegenstücke. Darüber hinaus kann Glas modifiziert werden, um seine Benetzbarkeit zu ändern, was die Kontrolle der Erzeugung komplexer Emulsionen ermöglicht. Die Fähigkeit, die Düsen- und Kanalwände unabhängig voneinander zu behandeln, ermöglicht die Bildung von Tropfen auf kontrollierte und reproduzierbare Weise und gewährleistet gleichzeitig die Stabilität der resultierenden Emulsionen, wenn die Tropfen die Wände berühren9; Andernfalls können die Tropfen zusammenwachsen und sich an der Wand ansammeln. Ein weiterer Unterschied zwischen diesen beiden Arten von Geräten besteht darin, dass bei glasbasierten Geräten der Fluss dreidimensional ist, während er bei herkömmlichen PDMS-Geräten planar ist. Diese Tatsache minimiert den Tropfenkontakt mit den Kanalwänden, so dass der Einfluss von Kontaktlinien vernachlässigt werden kann10, wodurch die Stabilität mehrerer Emulsionstropfen geschützt wird.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63376/63376fig01.jpg"> Abbildung 1: Verschiedene mikrofluidische Gerätekonfigurationen. Skizzen von (A) einem T-Übergang, (B) einem Coflow-Gerät und (C) einem Flow-Fokussiergerät. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63376/63376fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Es werden drei Hauptgeometrien verwendet, nämlich T-Übergang11, Strömungsfokussierung 12,13 und Coflow14. In der T-Sperrschichtgeometrie schneidet die im Kanal enthaltene disperse Phase senkrecht den Hauptkanal, der die kontinuierliche Phase beherbergt. Die von der kontinuierlichen Phase ausgeübte Schubspannung unterbricht die einströmende dispergierte Flüssigkeit, was zu Tropfen führt. Die erzeugten Tropfen sind in geringerer Größe durch die Abmessungen des Hauptkanals11 begrenzt. In der Strömungsfokussierungsgeometrie werden die beiden Flüssigkeiten durch eine kleine Öffnung gedrückt, die sich vor dem Einspritzrohr befindet. Das Ergebnis ist die Bildung eines Strahls, der viel kleiner ist als das Einspritzrohr12,13. Schließlich hat die Coflow-Geometrie eine Konfiguration, die durch die koaxiale Strömung von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten14 gekennzeichnet ist. Generell kann je nach Betriebsbedingungen Tropfen und Jetting beobachtet werden. Das Tropfregime tritt bei niedrigen Durchflussraten auf und die resultierenden Tröpfchen sind sehr monodispers und haben einen Durchmesser, der proportional zur Spitzengröße ist. Der Nachteil ist die geringe Produktionsfrequenz. Das Jetting-Regime tritt bei höheren Durchflussraten im Vergleich zum Tropfregime auf. In diesem Fall ist der Falldurchmesser direkt proportional zum Durchmesser des Strahls, der unter den richtigen Bedingungen viel kleiner sein kann als der Durchmesser der Spitze.
Eine Alternative zu diesen hydrodynamischen Ansätzen beruht auf der zusätzlichen Nutzung elektrischer Kräfte. Elektrospray ist eine bekannte und weit verbreitete Technik zur Erzeugung von Tröpfchen. Es basiert auf dem Prinzip, dass sich eine Flüssigkeit mit einer endlichen elektrischen Leitfähigkeit in Gegenwart eines starken elektrischen Feldes verformt. Die Flüssigkeit nimmt schließlich eine konische Form an, die sich aus dem Gleichgewicht zwischen elektrischen und Oberflächenspannungsspannungen15 ergibt. Der Prozess beginnt mit dem elektrischen Feld, das einen elektrischen Strom in der Flüssigkeit induziert, der dazu führt, dass sich an der Oberfläche Ladungen ansammeln. Das Vorhandensein des elektrischen Feldes führt zu einer elektrischen Kraft auf diese Ladungen, die die Flüssigkeit mitzieht und den Meniskus in Richtung des Feldes verlängert. Unter verschiedenen Bedingungen kann der Meniskus entweder die geladenen Tropfen abwerfen oder einen oder mehrere Jets emittieren, die dann in Tropfen15 zerbrechen. Obwohl diese elektrisch unterstützten mikrofluidischen Methoden auf natürliche Weise die Erzeugung kleiner Tropfen ermöglichen, leiden sie unter einem Mangel an einem stationären Betrieb, der die Emulsionsmonodispersität beeinträchtigt. Die resultierenden geladenen Tropfen neigen dazu, sich an den einschließenden Wänden und / oder überall im Gerät zu entladen, wo das elektrische Potential niedriger ist als die auferlegte externe Spannung. So wird der elektrifizierte Meniskus instabil, emittiert schließlich auf chaotische Weise Tropfen und verursacht ihre unkontrollierte Produktion und den Verlust der Monodispersität.
Im Elektro-Coflow werden die elektrischen und hydrodynamischen Spannungen in einer coflow-Mikrofluidikvorrichtung16 gekoppelt, ähnlich der, die zur Erzeugung von Doppelemulsionen12 verwendet wird. Zwei Hauptmerkmale ermöglichen es, dass der Elektro-Coflow erfolgreich ein stationäres Emissionsregime erreicht: (i) die dispergierte Phase wird in eine andere coflowende viskose Flüssigkeit ausgestoßen und (ii) die Verwendung einer flüssigen Gegenelektrode oder eines Mahlguts. Eine fließende äußere Flüssigkeit hat nachweislich die geometrischen Eigenschaften des Tropfenemissionsprozessesverändert 17. Die flüssige Gegenelektrode ermöglicht die Entladung und Extraktion der resultierenden Tropfen, wodurch die stationäre Erzeugung von Tropfen sichergestellt wird. Darüber hinaus können die resultierenden Tropfengrößen durch die Ausnutzung des Gleichgewichts elektrischer und hydrodynamischer Kräfte möglicherweise in einem breiteren Bereich variieren als die Größen, die von einer der zuvor genannten Techniken abgedeckt werden können.
Dieses detaillierte Videoprotokoll soll neuen Praktikern bei der Verwendung und Herstellung von glasbasierter Mikrofluidik helfen.

<table><tbody><tr><td>2-[Methoxy(polyethylenoxy)6-9propyl]trimethoxysilan.</td><td>Gelest</td><td>SIM6492.7</td><td></td></tr><tr><td>Keramikfliese</td><td>Sutter</td><td>CTS</td><td></td></tr><tr><td>Ethylenglykol</td><td>Fisher</td><td>BP230</td><td>Diese finden Sie bei anderen Unternehmen wie Sigma-Aldrich</td></tr><tr><td>Hexan</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>34859</td><td>Erhältlich bei anderen Anbietern</td></tr><tr><td>ITW Polymers Adhesives Devcon 5 Minute Epoxy Adhesive 25 mL Dev-Tube</td><td>Ellsworth Klebstoffe</td><td>470740</td><td></td></tr><tr><td>Microforge</td><td>Narishige</td><td>MF 830</td><td></td></tr><tr><td>Mikropipettenabzieher</td><td>Sutter</td><td>P97</td><td></td></tr><tr><td>Objektträger</td><td>Fisher</td><td>12-544-1</td><td>Erhältlich bei anderen Anbietern</td></tr><tr><td>Nadel 20 Gauge, .0255" ID, .0355" OD, 1/2" Long</td><td>McMaster</td><td>75165A677</td><td></td></tr><tr><td>SDS</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>428015</td><td></td></tr><tr><td>Tensid Silikon Öl</td><td>Clearco</td><td>PSF-10cSt</td><td>Die Katalognummer entspricht dem Öl mit einer Viskosität von 10cSt. Verschiedene Viskositätsöle sind bei dieser Firma erhältlich</td></tr><tr><td>Span 80</td><td>Fisher</td><td>S0060500G</td><td>nichtionisches Tensid</td></tr><tr><td>Quadratische Glaskapillare 2mm ID (Borosillat 300 oder 600 mm lang)</td><td>VitroCom</td><td>S 102</td><td></td></tr><tr><td>Standard Glaskapillaren, 6 in., 2 / 1.12 OD/ID</td><td>Welt Präzisionsinstrumente</td><td>1B200-6</td><td>Diese finden Sie bei anderen Firmen wie Sutter oder Vitrocom</td></tr><tr><td>Spritzenpumpe</td><td>Chemyx</td><td>FUSION 100-X</td><td>Dieses Modell hat ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis</td></tr><tr><td>Spritzen (es hängt von der Verträglichkeit mit den Flüssigkeiten ab)</td><td>Fisher</td><td></td><td>Die Katalognummer hängt von der Größe</td></tr><tr><td>ab Trimethoxy(octyl)silan</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>376221</td><td>Erhältlich bei anderen Anbietern</td></tr><tr><td>Schläuche (es hängt von der Verträglichkeit mit den Flüssigkeiten ab)Wissenschaftliche</td> <td>Gebrauchsgegenstände</td><td>BB3165-PE/5</td><td>Diese Referenz gilt für Mikroschläuche aus Polyethylen. Die Größe passt zu der hier aufgeführten Nadelstärke</td></tr></tbody></table>

glasbasierte geräte zur erzeugung von tropfen und emulsionen

Glass-Based Devices to Generate Drops and Emulsions

In diesem Manuskript werden drei verschiedene Schritt-für-Schritt-Protokolle zur Erzeugung hochmonodisperser Emulsionstropfen mittels glasbasierter Mikrofluidik beschrieben. Das erste Gerät ist für die Erzeugung von einfachen Tropfen gebaut, die durch die Schwerkraft angetrieben werden. Die zweite Vorrichtung ist so konzipiert, dass Emulsionstropfen in einem Coflow-Schema erzeugt werden. Die dritte Vorrichtung ist eine Erweiterung der Coflowing-Vorrichtung mit dem Zusatz einer dritten Flüssigkeit, die als elektrischer Boden fungiert und die Bildung von elektrifizierten Tropfen ermöglicht, die sich anschließend entladen. In diesem Aufbau haben zwei der drei Flüssigkeiten eine nennenswerte elektrische Leitfähigkeit. Die dritte Flüssigkeit vermittelt zwischen diesen beiden und ist ein Dielektrikum. Eine angelegte Spannungsdifferenz zwischen den beiden leitenden Flüssigkeiten erzeugt ein elektrisches Feld, das mit hydrodynamischen Spannungen der koströmenden Flüssigkeiten koppelt und den Strahl- und Tropfenbildungsprozess beeinflusst. Die Zugabe des elektrischen Feldes bietet einen Weg zur Erzeugung kleinerer Tropfen als in einfachen Coflow-Geräten und zur Erzeugung von Partikeln und Fasern mit einem breiten Größenbereich.

In diesem Manuskript wurden drei verschiedene Geräte entwickelt, um Tropfen zu erzeugen. Wir haben Tropfen mit einer Größe von (3,29 ± 0,08) mm (Abbildung 4B) und (1,75 ± 0,04) mm (Abbildung 4C) mit dem in Schritt 1 beschriebenen Gerät erzeugt. Die Emulsionstropfen können mit den Coflow- und den Elektro-Coflow-Geräten erzeugt werden. Für letzteres zeigen wir das Tropfen in Abbildung 9, während die Kegelstrahl- und Peitschenmodi in A...

Hier wird ein Protokoll zur Herstellung von glasbasierten mikrofluidischen Geräten vorgestellt, die zur Erzeugung von hochmonodispersen Emulsionen mit kontrollierter Tropfengröße verwendet werden.

Glasbasierte Geräte zur Erzeugung von Tropfen und Emulsionen

In this manuscript, three different step-by-step protocols to generate highly monodisperse emulsion drops using glass-based microfluidics are described. ...

Dieses Protokoll beschreibt, wie glasbasierte mikrofluidische Geräte im Detail hergestellt werden. Das Befolgen dieses Protokolls ermöglicht es jedem, der keine Erfahrung hat, diese Geräte zu erstellen und zu verwenden. Mit Glas können wir Oberflächen leicht hydrophob oder hydrophil machen, wodurch glasbasierte Geräte für die Erzeugung stabiler Emulsionstropfen attraktiv werden.Es gibt mehrere Anwendungen für Tropfen und Emulsionen in so unterschiedlichen Bereichen wie Kosmetik, Lebensmittelindustrie und Arzneimittelabgabe. In diesem Manuskript betonen wir etwas mehr auf ihre Verwendung in der intensiven Landwirtschaft. Wir empfehlen, bei jedem Schritt geduldig zu sein.Überprüfen Sie auch, ob die Spitze sauber und nicht gebrochen ist. Warten Sie nicht, bis das Gerät fertig ist, um diese zu überprüfen. Verwenden Sie für die Herstellung einfacher Tropfen eine Glasbasis mit einem Objektträger, um das Gerät zu bauen.Verwenden Sie für die Spitze runde Glaskapillaren mit einem Millimeterdurchmesser. Als nächstes verwenden Sie eine 20-Gauge-Spritzennadel, um das Einbringen der Flüssigkeit in die Kapillare zu erleichtern. Schnitzen Sie mit einer Rasierklinge oder einem Skalpell ein Loch, d

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

Droplet-based mikrofluidischen Plattformen sind vielversprechende Kandidaten für einen hohen Durchsatz Experimente, da sie in der Lage, Picoliter, Selbst-compartmentalized Schiffe kostengünstig erzeugen bei kHz Preise sind. Durch die Integration mit schnellen, empfindlichen und hoch aufgelöste Fluoreszenz-spektroskopischen Methoden kann die große Mengen von Informationen in diesen Systemen erzeugt effizient extrahiert werden können, genutzt und verwertet werden.

Fluoreszenz-Nachweisverfahren für Mikrofluidik-Tropfen-Plattformen

Tropfenaufprall der nicht-Newtonschen Flüssigkeiten ist ein komplexer Prozess, da verschiedene physikalische Parameter beeinflussen die Dynamik in sehr kurzer Zeit (weniger als ein Zehntel einer Millisekunde). Eine schnelle Bildgebungsverfahren wird, um die Auswirkungen von verschiedenen Verhaltensweisen nicht-Newtonschen Flüssigkeiten zu charakterisieren eingeführt.

Schnelle Bildtechnik Tropfen Schlag Dynamik der Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten Studieren

Die Erzeugung von Mikrofluidik-Doppelemulsionen umfasst typischerweise Geräte mit strukturierter Benetzbarkeit oder speziell angefertigte Glaskomponenten. Hier beschreiben wir die Herstellung und Prüfung eines Doppelemulsionsgenerators aus Polydimethylsiloxan (PDMS), der keine Oberflächenbehandlung oder komplizierte Herstellungsprozesse erfordert und in der Lage ist, Doppelemulsionen bis zu 14 μm herzustellen.

Doppelemulsion Erstellung Mit einem Polydimethylsiloxan (PDMS) Co-Axial Flow Fokus Geräte-

Hier demonstrieren wir eine einfache Produktionsmethode für größensteuerbare, monodisperse Wasser-in-Öl (W/O) Mikrotröpfchen unter Verwendung eines kapillarbasierten zentrifugalen mikrofluidischen Geräts. Diese Methode benötigt nur ein geringes Probenvolumen und ermöglicht eine Produktion mit hoher Ausbeute. Wir gehen davon aus, dass diese Methode für schnelle biochemische und zelluläre Analysen nützlich sein wird.

Kapillar-basierten Kreisel Mikrofluidik-Vorrichtung zur Größe steuerbare Bildung von monodispersen Mikrotröpfchen

Der Aufbau und die Positionierung der mitotischen Spindel hängen von den kombinierten Kräften ab, die durch die Dynamik der Mikrotubuli, Motorproteine und Vernetzer erzeugt werden. Im Folgenden stellen wir unsere neu entwickelten Methoden vor, bei denen der geometrische Einschluss von sphärischen Emulsionströpfchen für die Bottom-up-Rekonstitution basischer mitotischer Spindeln genutzt wird.

Rekonstitution von Grund Mitosespindeln in Sphärische Emulsionströpfchen

Labor-in-a-Drop Reaktionssysteme erlauben die vielseitige Implementierung von komplexen Reaktionen in mikrofluidischen Maßstab. Eine automatisierte Betätigung-Plattform, bestehend aus einem 3 x 3-Matrix von elektromagnetischen Spulen wurde entwickelt und erfolgreich eingesetzt, um verschmelzen zwei 10 µL Mikroreaktoren und dadurch eine enzymatische Reaktion in die resultierenden flüssige Murmeln zu initiieren.

Wässrige Tröpfchen als enzymatische Mikroreaktoren und deren elektromagnetischen Betätigung

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll um die Fertigungsprozesse und Überprüfung Experimente eines semi-three-dimensional (halb-3D) Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Chips für Tropfenbildung zu veranschaulichen.

Größe-gesteuerte Poly (Ethylenglycol) Diacrylate Tröpfchen über Semi-3-dimensionale fließen mit Schwerpunkt mikrofluidischen Geräte-Generation

Eine Phase-Inversion-Co-Flow-Gerät zeigt um Monodisperse hochviskose Tröpfchen über 1 Pas zu erzeugen, die schwierig, in Tröpfchen Mikrofluidik zu verwirklichen ist.

Herstellung von hoher Viskosität Tröpfchen mit mikrofluidischen Kapillare Gerät mit Phase-Inversion Co-Flow Struktur

Das übergeordnete Ziel des Protokolls ist es, über eine Million geordnete, einheitliche, stabile und biokompatible Femtolitertröpfchen auf einem 1 cm2 planaren Substrat herzustellen, das für die zellfreie Proteinsynthese verwendet werden kann.

Ein Femtoliter Droplet Array für massive parallele Proteinsynthese aus einzelnen DNA-Molekülen

Wasser-in-Öl-Tröpfchen-Assays sind nützlich für die analytische Chemie, die Enzymevolution und die Einzelzellanalyse, erfordern jedoch typischerweise Mikrofluidik, um die Tröpfchen zu bilden. Hier beschreiben wir die Partikel-Template-Emulgierung, einen mikrofluidikfreien Ansatz zur Durchführung von Tröpfchenassays.

Partikel-Template-Emulgierung ermöglicht mikrofluidsäurefreie Tröpfchen-Assays

Dieser Artikel beschreibt Protokolle für die Herstellung von Gelatine-Methacryloyl-Mikrogelen mit hohem Durchsatz unter Verwendung mikrofluidischer Geräte, die Umwandlung von Mikrogelen in resuspendierbares Pulver (Mikroaerogele), die chemische Anordnung von Mikrogelen zu körnigen Hydrogelgerüsten und die Entwicklung von körnigen Hydrogel-Biotinten mit erhaltener Mikroporosität für den 3D-Biodruck.

Gelatine-Methacryloyl-Hydrogel-Gerüste: Hochdurchsatz-Mikrogelherstellung, Gefriertrocknung, chemische Assemblierung und 3D-Bioprinting

Erfahren Sie die Herstellung von Glas-Mikrofluidik-Geräten zur Erzeugung stabiler Emulsionen mit kontrollierten Tropfengrößen. Diese Methode eignet sich auch für Anfänger ohne Vorerfahrung.

Glasbasierte Geräte zur Erzeugung von Tropfen und Emulsionen

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