Aquí, presentamos un protocolo para ilustrar los procesos de fabricación y verificar los experimentos de un semi-three-dimensional (semi-3D) enfoque flujo microfluídicos chip para la formación de gotas.
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Artículo de método
Generación de tamaño controlado poli (etilenglicol) Diacrylate gotas vía Semi 3-Dimensional del flujo centrándose dispositivos microfluídicos
En este artículo
Resumen
Resumen
Gotitas de diacrylate (PEGDA) uniforme y tamaño controlables poly (glicol de etileno) podrían ser producidas por el flujo que centra el proceso en un dispositivo de microfluidos. Este trabajo propone un semi-three-dimensional (semi-3D) enfoque flujo microfluídicos chip para la formación de gotas. El chip de polidimetilsiloxano (PDMS) se fabricó utilizando el método de litografía blanda en múltiples capas. Hexadecano que contiene surfactante se utilizó como fase continua, y PEGDA con el ultravioleta (UV) foto iniciador fue la fase dispersa. Tensioactivos permitieron la tensión de superficie local a y forman una punta más lobulada que se rompe en pequeñas gotitas de micro. Como constante la presión de la fase dispersa, el tamaño de las gotas se convirtieron en más pequeño con la creciente presión de la fase continua antes de la fase dispersa flujo fue interrumpido. Como resultado, gotas con variación de tamaño de 1 μm a 80 μm de diámetro podrían lograrse selectivamente cambiando el cociente de la presión en dos canales de entrada, y se estimó el coeficiente promedio de variación por debajo de 7%. Además, las gotas podrían convertirse en micro cuentas por la exposición Ultravioleta para foto polimerización. Conjugación de biomoléculas en tal superficie micro cuentas tienen muchas aplicaciones potenciales en los campos de la biología y la química.
Introducción
Sistemas microfluídicos basada en gotas tienen la capacidad de producir altamente monodispersa gotitas de nanómetros a micrómetro de diámetro rango1 y gran potencial en el alto rendimiento drogas discovery2, síntesis de biomoléculas3 ,4y el diagnóstico de pruebas5. Debido a las ventajas únicas de gotitas más pequeñas, como la mayor área superficial al cociente del volumen y las aplicaciones a gran escala con el consumo de unos pocos microlitros de muestra, la tecnología ha atraído interés extenso en una amplia gama de campos. La emulsificación de dos líquidos inmiscibles es uno de los métodos más típicos para generar gota. En informes anteriores en el campo, los investigadores han desarrollado una variedad de geometrías de la formación de gotas diferentes, incluyendo cruce, enfoque flujo y flujo Co geometrías. En la geometría del cruce, la fase dispersa se entrega a través de un canal de la perpendicular en el canal principal, en la que la fase continua fluye6,7. En la típica bidimensional (2D) enfoque flujo8,9 geometría, el flujo de la fase dispersa es esquilado de la lateral; y para el co que fluye geometría10,11, por el contrario, un capilar introducción el flujo de la fase dispersa se coloca co-axialmente dentro de un tubo capilar más grande para la geometría que fluye conjuntamente, para que el flujo de la fase dispersa es esquilado de todas las direcciones.
El tamaño de la gota se controla ajustando la proporción de la tasa del flujo y tamaño del canal, y el tamaño mínimo producido por el co que fluye o cruce se limita a decenas de micrómetros. Para flujo de enfoque sistema de formación de gotas, tres modos de desintegración de la gota forman ajustando la relación de presión de dos fases y la concentración de surfactante, incluyendo el goteo régimen, régimen que echa en chorro y streaming de punta15. Modo de transmisión punta también se llama formación del hilo de rosca y la aparición de un fino hilo sacar desde la punta del cono de flujo de la fase dispersa se observará. Estudios anteriores han demostrado gotas menos se podrían generar unos pocos micrómetros aunque streaming punta proceso en 2D o semi-3D enfoque flujo dispositivo8,12. Sin embargo, como una solución acuosa que contiene una concentración muy baja de PEGDA fue utilizada como la fase dispersa, el cociente de la contracción de las partículas PEGDA fue alrededor del 60% de las gotas originales de diámetro después de foto-polimerización, mientras PEGDA sin dilución como el fase dispersa condujo a inestable flujo punta modo12. Tensión interfacial es un parámetro importante del proceso de emulsión y disminuirá debido a la adición de tensioactivo en el líquido de fase continua, conduce a disminución en el tamaño de las gotas, mayor frecuencia de generación13, punta muy curvada, y prevención de la inestabilidad14. Además, cuando la concentración de surfactante a granel es mucho mayor que la concentración micelar crítica, la tensión interfacial es aproximadamente invariable en el estado saturado13 y el modo de transmisión punta puede ocurrir15.
Basado en las observaciones anteriores, en este trabajo, desarrollamos un enfoque simplista para la generación de gotitas PEGDA utilizando un semi-3D enfoque flujo microfluídicos dispositivo, fabricado por el método de litografía blanda en múltiples capas. Diferente del típico enfoque flujo dispositivo 2D, el dispositivo de enfoque de flujo de semi-3D tiene un canal poco profundo fase dispersa y un canal de fase profunda continua, para que la fase dispersa puede ser esquilada de arriba y abajo al lado lateral. Esto proporciona mayor rango de ajuste para modo de enfoque de flujo reduciendo la energía y la presión necesaria para la ruptura de la gota. A diferencia de la anterior informe12, la fase dispersa es puro PEGDAcontaining foto iniciador, asegurándose de que el cociente de la contracción de las partículas PEGDA es menor que 10%16; y la fase continua es la mezcla de hexadecano disolución con una concentración de alto bulto del surfactante no iónico a base de silicona. Gotas de tamaño controlable y uniformes fueron producidas por ajustar la relación de presión de dos fases. El diámetro de las gotitas cambia de 80 μm a 1 μm como la ruptura de la gota procesos de cambios de modo que echa en chorro a modo streaming de punta. Además, la partícula PEGDA fue sintetizada a través de proceso de foto polimerización bajo la exposición Ultravioleta. El sistema de microfluidos de generación de gotas con facilidad de la fabricación ofrecerá más posibilidades para aplicaciones biológicas.
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Protocolo
1. fabricación del molde
- Diseño de dos patrones utilizando un software de dibujo. Describir el esquema de la estructura de la MCP y use dos capas separadas, 1 y 2 en el mismo archivo de dibujo de la máscara, así que asegurar todas las conexiones entre diferentes canales. Imprimir diferentes capas independientemente para cromo placa de vidrio por un proveedor con una resolución de 1 μm. Asegúrese de que los patrones son oscuras con estructuras de diseño transparentes, como una polaridad negativa.
Nota: La máscara 1 contiene el canal de entrada de fase dispersa y un orificio. La máscara 2 contiene el canal de entrada de fase continua, el filtro y la salida. - En el laboratorio de Fotolitografía señalado, limpie la oblea de silicio de un diámetro de 3 pulgadas. Colocar la oblea en un recubridor spin, girar en el vacío para fijar la oblea para el mandril de giro. Spin-capa 2-3 mL de photoresist negativo SU-8 2025 sobre la oblea para 10 s a 1.000 rpm, después de 30 s a 3.000 rpm, proporcionando el primer grueso de la capa de 20 μm.
- Suave cuece al horno en una placa de 95 ° C durante 6 minutos. Después de la oblea cubierta se enfríe a temperatura ambiente (RT), exponerlo a través de la máscara 1 bajo una colimación 15 mW/cm2, 365 nm de UV de 18 s. posterior a la exposición, cueza al horno en una placa de 95 ° C durante 6 min., a continuación, permita que la oblea se enfríe a RT.
- Repita el proceso de spin-coating. Aplicar 2-3 mL de SU-8 2100 photoresist negativo sobre la oblea para 10 s a 1.000 rpm, después de 30 s a 2.000 rpm, proporcionando el grueso de la segunda capa de 130 μm. Después de suave cuece al horno en una placa de 95 ° C durante 35 minutos, coloque la máscara 2 en la segunda capa fotoresistencia para exponer durante 30 s, que fue alineada con la capa de canal de fase dispersa de un alineador de rayos UV. Posterior a la exposición, cueza al horno en una placa de 95 ° C por 7 min.
- Desarrollar la oblea por inmersión en un baño agitado de 50 mL de acetato de propilenglicol metil Eter hasta características llegan a estar claras en la oblea, luego lavan con alcohol etílico. Por último, colocar la oblea en la plataforma termostática para hornear durante 2 horas.
2. semi-3D enfoque de flujo de fabricación de Chip de microfluidos
- Monómero de PDMS de mezcla y su agente endurecedor en una proporción ligeramente diferentes para la parte superior y las capas de fondo, típicamente 10:1 para la capa superior y 8:1 para la capa inferior, utilizando agitador automático ungüento durante 4 minutos.
Nota: Las losas superior e inferior PDMS son preparadas en una proporción ligeramente diferente (10:1 y 8:1 respectivamente) de base PDMS para agente de curado, mejorando la fuerza de Unión. Proporción 5:1 es elegido para la capa inferior, la losa PDMS inferior más rígida dificulta la alineación y reduce la fuerza de adhesión debido a la falta de flexibilidad. Además, el espesor de la losa inferior PDMS es aproximadamente de 1 mm para adaptar la distancia de trabajo de microscopio. El chip se deforma fácilmente bajo alta presión cuando se elige la proporción 15:1. - Vierta la mezcla en el molde de silicona terminado en un plato de petri de 90 mm y proporcionan un grueso de 2 ~ 3 m m. colocarlo en una cámara de vacío y desgasificación hasta que desaparezcan todas las burbujas de aire. La curación a 80 ° C por 1 h en un horno.
- Permita que el PDMS enfriar RT. uso de un bisturí para cortar el dispositivo al menos 3 mm de las características y lentamente retire la capa PDMS de la oblea de silicio. Perfore la entrada de la fase dispersa, la entrada de la fase continua y la salida de la capa superior de PDMS con un punzón de diámetro 0,75 mm.
- Limpie el PDMS con cinta adhesiva para quitar las partículas de polvo. Plasma tratar capas PDMS de la parte superior e inferior simultáneamente durante 2 min en un plasma W 300 limpiador. Coloque la capa superior sobre la superficie de capa inferior y deslice las superficies relativamente hasta características están alineadas viendo a través de un microscopio estéreo.
- Curar el dispositivo en un horno a 120 ° C durante un día para mejorar la fuerza y completa la vinculación.
3. preparación de reactivos
- Preparar la solución de la fase continua: hexadecano disolviendo 18 vol % silicón-basado agente tensioactivo no iónico.
- Preparar la solución de la fase dispersa: diacrylate hidrofílico poly (glicol de etileno) (PEGDA, 255 MW,) que contiene 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (98%, 224 MW) a una concentración de 5 mg/mL como el foto iniciador, rodamina B ( 95%, 479.01 MW) a una concentración de 1 mmol/L como los tintes fluorescentes.
- Se llenan los embalses 1 mL de regulador de presión neumática de la fase continua. Llenan la punta de carga de gel de 200 μL de la fase dispersa.
4. sistema preparación
- Coloque el dispositivo de microfluidos semi-3D en el escenario de un microscopio óptico invertido, con una cámara de alta velocidad.
- Conecte el tubo de fluorado etileno propileno (FEP) en el agujero perforado de la fase continua colocando un tubo de acero inoxidable corto, luego inserte el extremo de una punta de carga de gel en el agujero perforado de la fase dispersa. Introduzca una longitud de 20 cm de tubo de FEP en la salida del dispositivo y coloque el extremo de un tubo de centrífuga de 15 mL.
Nota: La configuración del sistema se ilustra en la figura 1.
5. formación de gotas
- Coloque el dispositivo sobre la mesa de trabajo de un microscopio invertido y asegúrese de que el cruce de canales está situado aproximadamente en la posición de la fuente de luz del microscopio. Enfocar el microscopio invertido en una región que contiene la intersección de dos fases, la región del orificio y el canal aguas abajo.
- Ajustar las presiones de dos fases con controlador de presión neumática para entregar el líquido lentamente a la región de intersección, con 15 mbar para la fase dispersa y de 30 mbar para la fase continua. Esperar 3 minutos para la estabilización y equilibrado hasta el estable flujo no llevando burbujas y residuo PDMS.
- Los parámetros en la interfaz de usuario del software de control de entrada. Ajuste la presión de la fase dispersa como la presión a nivel de base del sistema a una constante, por ejemplo, mantener a 45 mbar. Aumento de la presión de la fase continua hasta el modo de desintegración de la emulsión cambia del chorro en el modo de transmisión punta, espere 5 minutos para la estabilización.
- Coloque el extremo del tubo de FEP el orificio de salida de conexión para el tubo de la centrífuga para recoger las gotas.
6. PEGDA partículas colección y caracterización
- Fijar el tubo de centrífuga oblicuamente en la luminaria. Obtener las partículas PEGDA a través de la solidificación rápida por la exposición Ultravioleta cuando el flujo de la fase líquida en el tubo.
- Al terminar el proceso de recogida, de la muestra y observar las partículas PEGDA a través del microscopio de fluorescencia con 20 X y 60 X objetos respectivamente.
Nota. Se analizan las imágenes fluorescentes digitales captadas por la cámara por una rutina de software a medida. La imagen es primer deconvolución basado en el algoritmo de L R17 para eliminar el efecto difuminado de la luz fuera de enfoque y la esfera se extraen los objetos de la imagen basado en el método de detección Canny del borde; por último, se puede calcular el diámetro de cada objeto de la esfera usando Hough transformación18. Como resultado, se pueden calcular media y desviación estándar de los diámetros de los objetos de la esfera en cada imagen.
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Resultados
El chip de microfluidos enfoque flujo semi-3D fue fabricado mediante técnicas de litografía blanda en múltiples capas como se describió anteriormente. El proceso de fabricación y los resultados para el molde principal en protocolare que se muestra en la figura 2. La primera capa, que proporciona un canal de ancho de 65 μm para la introducción de la fase dispersa y una 50 μm ancho del orificio (figura 2a), es de 2...
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Discusión
La generación de gotitas en el modo de enfoque de flujo utilizando dispositivo microfluídico semi-3D y 2D se ha desarrollado previamente en una variedad de informes8,9,15,19,20, 21. En estos sistemas, el líquido acuoso que no puede ser solidificado fue elegido como la fase dispersa, como agua desionizada8
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Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Este trabajo fue apoyado por la investigación fundamental de Shenzhen financiación (subvención no. JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 y JCYJ20160317152359560). Los autores desean agradecer Prof. Y. Chen en el Shenzhen institutos de tecnología de avanzada, Academia China de Ciencias para las ayudas.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Oblea de silicio | Huashi Co., Ltd | ||
| SU-8 2025, 2100 | Microchem Co. | ||
| desarrollador del SU-8 | Microchem Co. | ||
| Mascarilla de cromo | Qingyi Precision Mask Making Co., Ltd | ||
| polidimetilsiloxano (PDMS) | Dow Corning | Sylgard 184 | |
| poli(etilenglicol) diacrilato (PEGDA) | Sigma | 26570-48-9 | |
| 2-hidroxi-40-(2-hidroxietoxi)-2-metilpropiofenona | TCI | H1361-5G | fotoiniciador |
| Hexadecana | Sigma | 544-76- 3 | |
| ABIL EM 90 | CHT | 144243-53-8 | tensioactivos |
| Rhodamine B | Aladdin | 81-88-9 | tinte fluorescente |
| Spin Coater | |||
| Máquina | |||
| Agitador automático de ungüento | Horno Thinky | ARV-310 | |
| BluePard | |||
| Microscopio óptico | OLYMPUS | IX71 | |
| Cámara de alta velocidad | Hamamatsu, Japón | ORCA-flash | |
| MAESFLO Sistema de control de fluidos microfluídicos | FLUIGENT | MFCS-EZ | |
| Lámpara UV | FUTANSI | 365 nm luz UV, 8000 MW/CM2 |
Referencias
- Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab on a chip. 8, 198-220 (2008).
- Xiao, Q., et al. Novel multifunctional NaYF4:Er3+,Yb3+/PEGDA hybrid microspheres: NIR-light-activated photopolymerization and drug delivery. Chemical communications. 49, 1527-1529 (2013).
- Pan, M., Kim, M., Blauch, L., Tang, S. K. Y. Surface-functionalizable amphiphilic nanoparticles for pickering emulsions with designer fluid-fluid interfaces. RSC Adv. 6, 39926-39932 (2016).
- Zhang, L., et al. Microfluidic synthesis of rigid nanovesicles for hydrophilic reagents delivery. Angewandte Chemie. 54, 3952-3956 (2015).
- Shembekar, N., Chaipan, C., Utharala, R., Merten, C. A. Droplet-based microfluidics in drug discovery, transcriptomics and high-throughput molecular genetics. Lab on a chip. 16, 1314-1331 (2016).
- Soh, G. Y., Yeoh, G. H., Timchenko, V. Numerical investigation on the velocity fields during droplet formation in a microfluidic T-junction. Chemical Engineering Science. 139, 99-108 (2016).
- Chiarello, E., Derzsi, L., Pierno, M., Mistura, G., Piccin, E. Generation of Oil Droplets in a Non-Newtonian Liquid Using a Microfluidic T-Junction. Micromachines. 6, 1825-1835 (2015).
- Moyle, T. M., Walker, L. M., Anna, S. L. Controlling thread formation during tipstreaming through an active feedback control loop. Lab on a chip. 13, 4534-4541 (2013).
- Moon, B. U., Abbasi, N., Jones, S. G., Hwang, D. K., Tsai, S. S. Water-in-Water Droplets by Passive Microfluidic Flow Focusing. Analytical chemistry. 88, 3982-3989 (2016).
- Zhu, P., Tang, X., Wang, L. Droplet generation in co-flow microfluidic channels with vibration. Microfluidics and Nanofluidics. , 20(2016).
- Kim, S. H., Kim, B. Controlled formation of double-emulsion drops in sudden expansion channels. Journal of colloid and interface science. 415, 26-31 (2014).
- Jeong, W. C., et al. Controlled generation of submicron emulsion droplets via highly stable tip-streaming mode in microfluidic devices. Lab on a chip. 12, 1446-1453 (2012).
- Peng, L., Yang, M., Guo, S. S., Liu, W., Zhao, X. Z. The effect of interfacial tension on droplet formation in flow-focusing microfluidic device. Biomedical microdevices. 13, 559-564 (2011).
- Nunes, J. K., Tsai, S. S., Wan, J., Stone, H. A. Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis. J Phys D Appl Phys. , 46(2013).
- Anna, S. L., Mayer, H. C. Microscale tipstreaming in a microfluidic flow focusing device. Physics of Fluids. 18, 121512(2006).
- Liu, H., et al. Microfluidic synthesis of QD-encoded PEGDA microspheres for suspension assay. J. Mater. Chem. B. 4, 482-488 (2016).
- Richardson, W. H. Bayesian-based iterative method of image restoration. Journal of the Optical Society of America. 62, 55-59 (1972).
- Mukhopadhyay, P., Chaudhuri, B. B. A survey of Hough Transform. Pattern Recognition. 48, 993-1010 (2015).
- Ward, T., Faivre, M., Stone, H. A. Drop production and tip-streaming phenomenon in a microfluidic flow-focusing device via an interfacial chemical reaction. Langmuir: the ACS journal of surfaces and colloids. 26, 9233-9239 (2010).
- Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels. Applied Physics Letters. 82, 364(2003).
- Kim, H., et al. Controlled production of emulsion drops using an electric field in a flow-focusing microfluidic device. Applied Physics Letters. 91, 133106(2007).
- Dangla, R., Gallaire, F., Baroud, C. N. Microchannel deformations due to solvent-induced PDMS swelling. Lab on a chip. 10, 2972-2978 (2010).
- Chiu, Y. J., et al. Universally applicable three-dimensional hydrodynamic microfluidic flow focusing. Lab on a chip. 13, 1803-1809 (2013).
- Oh, K. W., Lee, K., Ahn, B., Furlani, E. P. Design of pressure-driven microfluidic networks using electric circuit analogy. Lab on a chip. 12, 515-545 (2012).
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Reimpresiones y permisos
