Summary
Her presenteres en protokoll for produksjon av glassbaserte mikrofluidiske enheter som brukes til å generere svært monodisperse emulsjoner med kontrollert fallstørrelse.
Abstract
I dette manuskriptet beskrives tre forskjellige trinnvise protokoller for å generere svært monodisperse emulsjonsdråper ved hjelp av glassbasert mikrofluidikk. Den første enheten er bygget for generering av enkle dråper drevet av tyngdekraften. Den andre enheten er designet for å generere emulsjonsdråper i en koflowing-ordning. Den tredje enheten er en forlengelse av koflowing-enheten med tilsetning av en tredje væske som fungerer som en elektrisk bakke, slik at dannelsen av elektrifiserte dråper som senere slippes ut. I dette oppsettet har to av de tre væskene en merkbar elektrisk ledningsevne. Den tredje væsken medierer mellom disse to og er en dielektrisk. En spenningsforskjell mellom de to ledende væskene skaper et elektrisk felt som parer seg med hydrodynamiske påkjenninger av koflowingvæskene, som påvirker jet- og dråpedannelsesprosessen. Tilsetningen av det elektriske feltet gir en vei for å generere mindre dråper enn i enkle koflow-enheter og for å generere partikler og fibre med et bredt spekter av størrelser.
Introduction
Kontrollert generering av dråper i mikron og nanoskala med en smal størrelsesfordeling er en utfordrende oppgave. Disse dråpene er av interesse for prosjektering av myke materialer med mange anvendelser innen vitenskap og teknologi 1,2,3,4,5,6.
De vanligste enhetene for den høye produksjonshastigheten av dråper erblandere 7 og ultralydemulgatorer8. Disse metodene er enkle og lave kostnader, men de resulterer vanligvis i polydisperse dråper med et bredt spekter av størrelser. Derfor er det nødvendig med flere trinn for å produsere monodisperse prøver. Mikrofluidiske enheter kan utformes annerledes for å gi en effektiv måte å slippe formasjon på. I tillegg gir de vanligvis lave strømningshastighetene som er involvert (dvs. lavt Reynolds-nummer) stor kontroll over væskestrømmen.
Mens mikrofluidiske enheter ofte gjøres ved hjelp av litografiske teknikker med poly (dimetyl) siloksan (PDMS), fokuserer dette manuskriptet på glassbaserte kapillære enheter. PDMS-enheter velges vanligvis for deres evne til å designe komplekse kanalmønstre og på grunn av skalerbarheten. Glassenheter er tvert imot stive og har større løsningsmiddelmotstand enn sine PDMS-kolleger. I tillegg kan glass endres for å endre fuktigheten, noe som gjør det mulig å kontrollere genereringen av komplekse emulsjoner. Å kunne selvstendig behandle dysen og kanalveggene muliggjør dannelse av dråper på en kontrollert og reproduserbar måte, samtidig som stabiliteten til de resulterende emulsjonene sikres hvis dråpene skulle berøre veggene9; Ellers kan dråpene samle seg og samle seg ved veggen. En annen forskjell mellom disse to typene enheter er at i glassbaserte enheter er strømmen tredimensjonal, mens den er planar i konvensjonelle PDMS-enheter. Dette faktum minimerer dråpekontakten med kanalveggene slik at påvirkningen av kontaktlinjer kan overses10, og dermed beskytte stabiliteten til flere emulsjonsdråper.
Figur 1: Ulike mikrofluidiske enhetskonfigurasjoner. Skisser av (A) et T-kryss, (B) en koflowingenhet og (C) en strømningsfokuserende enhet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Det brukes tre hovedgeometrier, nemlig T-veikryss11, flyt med fokuspå 12,13 og koflow14. I T-kryssgeometrien krysser den dispergerte fasen i kanalen vinkelrett hovedkanalen som huser den kontinuerlige fasen. Skjærspenningen som utøves av den kontinuerlige fasen, bryter den innkommende dispergerte væsken som resulterer i dråper. De genererte dråpene er begrenset i lavere størrelse av dimensjonene til hovedkanalen11. I strømningsfokuseringsgeometrien tvinges de to væskene gjennom en liten åpning som ligger foran injeksjonsrøret. Resultatet er dannelsen av en stråle, som er mye mindre enn injeksjonsrøret12,13. Til slutt har koflytgeometrien en konfigurasjon preget av koaksialstrømmen til to ugjennomtrengelige væsker14. Generelt kan drypp og jetting observeres avhengig av driftsforholdene. Dryppregimet oppstår ved lave strømningshastigheter, og de resulterende dråpene er veldig monodisperse og har en diameter proporsjonal med spissstørrelsen. Ulempen er den lave produksjonsfrekvensen. Jetting regimet skjer ved høyere strømningshastigheter sammenlignet med drypperegimet. I dette tilfellet er dråpediameteren direkte proporsjonal med strålens diameter som kan være mye mindre enn spissens diameter under de riktige forholdene.
Et alternativ til disse hydrodynamiske tilnærmingene er avhengig av ytterligere bruk av elektriske krefter. Elektrospray er en kjent og mye brukt teknikk for å generere dråper. Det er basert på prinsippet om at en væske med begrenset elektrisk ledningsevne vil deformere i nærvær av et sterkt elektrisk felt. Væsken vil etter hvert ta i bruk en konisk form som følge av balansen mellom elektrisk og overflatespenningsspenning15. Prosessen starter med at det elektriske feltet induserer en elektrisk strøm i væsken som får ladninger til å samle seg på overflaten. Tilstedeværelsen av det elektriske feltet resulterer i en elektrisk kraft på disse ladningene, som drar væsken langs, forlenger menisken i retning av feltet. Under forskjellige forhold kan menisken enten kaste de ladede dråpene eller kan avgi en eller flere jetfly som deretter bryter inn i dråper15. Selv om disse elektrisk assisterte mikrofluidiske metodene naturlig tillater generering av små dråper, lider de av mangel på en steady-state-operasjon som kompromitterer emulsjonsmonodispersiteten. De resulterende ladede dråpene har en tendens til å slippe ut på de begrensende veggene og / eller hvor som helst i enheten der det elektriske potensialet er lavere enn den pålagte eksterne spenningen. Dermed blir det elektrifiserte menisken ustabilt, og til slutt avgir dråper på en kaotisk måte og forårsaker deres ukontrollerte produksjon og tap av monodispersitet.
Ved elektrokotilstrømning kobles de elektriske og hydrodynamiske belastningene i en kostrømmikrofluidisk enhet16 lik den som brukes til å generere doble emulsjoner12. To hovedtrekk gjør at elektrokostrømmen kan lykkes i å nå et steady-state utslippsregime: (i) den dispergerte fasen kastes ut i en annen koflowing viskøs væske, og (ii) bruk av en flytende motelektrode eller jord. Å ha en flytende ytre væske har vist seg å endre de geometriske egenskapene til dråpeutslippsprosessen17. Den flytende motelektroden tillater utslipp og utvinning av de resulterende dråpene, og forsikrer steady-state-generasjonen av dråper. I tillegg, ved å utnytte balansen mellom elektriske og hydrodynamiske krefter, kan de resulterende fallstørrelsene potensielt variere innenfor et bredere spekter enn størrelsene som kan dekkes av noen av de tidligere nevnte teknikkene.
Denne detaljerte videoprotokollen er ment å hjelpe nye utøvere i bruk og fabrikasjon av glassbasert mikrofluidikk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Å lage enkle dråper
- For å lage enkle dråper, bruk en glassbase laget med et mikroskopsklie (76,2 mm x 25,4 mm) for å bygge enheten. Dette gir enkel transport og visualisering av væskene gjennom glasset.
- Bruk en rund glasskapillær til spissen. For denne protokollen, bruk 1 mm diameter runde kapillærer (lett tilgjengelig i et bredt spekter av størrelser).
- For å lage et tips med ønsket diameter, trekk kapillæren ved hjelp av en mikropipettetrekkemaskin til to halve kapillærer med en veldig liten spiss (~ 1 μm) er oppnådd.
- Bruk en mikroforside til å kutte spissen til ønsket diameter (2-80 μm). For større diametre (> 80 μm), bruk en keramisk flis hvis mikroforgen ikke kutter disse størrelsene.
MERK: Avhengig av ønsket væske må glasset behandles, slik at væsken ikke klatrer langs utsiden av spissen.
- For vannbaserte væsker, gjør utsiden av spissen hydrofob. For oljebaserte væsker, når utsiden av spissen er i kontakt med vann, gjør utsiden av spissen hydrofil. Se trinn 2.3 for glassbehandling.
- Bruk en sprøytenål (20 G) for å lette innføringen av væsken i kapillæren. Skjær et hull - av størrelsen på kapillærens ytre diameter - ved foten av nålen ved hjelp av et barberblad eller en skalpell.
- Skyll nålen med vann for å fjerne støv og fibre fra kutting. Lufttørk dem.
- Lim den runde kapillæren til mikroskopet for å montere ved hjelp av hurtigtørkende epoksy. Plasser spissen av kapillæren 1-2 cm utenfor enden av mikroskopet. Bruk bare en dab av epoksy i midten av kapillæren. På denne måten vil det ikke forstyrre synsfeltet eller sprøytenålen.
- Lim sprøytenålen på en slik måte at enden av kapillæren sitter i midten av nålen. Først legger du en liten mengde nesten herdet epoksy rundt kanten på bunnen av nålen. Plasser nålen slik at enden av kapillæren er i midten av basen.
- Etter noen minutter, legg et andre lag med fersk epoksy, som dekker nålens base, unngå hullet. Til slutt, dekk hullet med nesten herdet epoksy for å forhindre at epoksyet strømmer inne i nålene. Følg epoksyprodusentens retningslinjer for herding og herdetider.
- Fest et rørstykke (I.D. x O.D. 0,86 mm x 1,32 mm) til kanylen. Rengjør røret før du fester det. Skyll avionisert vann manuelt ved hjelp av en sprøyte for å fjerne rester som produseres når slangen ble kuttet.
MERK: Rørmaterialet skal være kompatibelt med væsken som brukes i forsøkene. Slangen skal være lang nok til å kunne koble til enheten og pumpesystemet. - For å teste enheten, pump deionisert vann gjennom nålen og observere om det er noen lekkasjer. Bruk en sprøyte og den tilsvarende kanylen til å pumpe vannet manuelt. I tilfelle en lekkasje blir funnet, tørk enheten grundig. Påfør epoksy og vent i minst 1 time før du tester igjen.
- For å generere dråper, bruk en klemme, plasser enheten i vertikal stilling slik at spissen vender ned som i en kjøkkenkran. Bruk en sprøytepumpe eller et trykkdrevet oppsett for å pumpe væsken inn i enheten.
- Samle dråper ved å plassere spissen inne i et beger eller et hetteglass med en væske med riktig mengde overflateaktivt middel. For eksempel, for 10cSt silikonolje som indre væske, bruk en kontinuerlig fase på 16 mM natrium dodecylsulfat (SDS) i vann.
- For oljedråper i vann, for å øke stabiliteten til dråpene, legg til et lag med viskøs olje på toppen av oppsamlingsbadet før du lager emulsjonen. For vanndråper i olje, bruk et ikke-ionisk overflateaktivt middel i oljen for å stabilisere dråpene.
Figur 2: Utskåret nål. Nål med et hull skåret i basen for å passe til en rund kapillær. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Enhet for generering av enkle dråper. Skjematisk for en enhet for å generere enkle dråper. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Innsamling av enkle dråper. (A) Skisse over hvordan du samler dråper i et beger. (B) Sett ovenifra på et beger der 10cSt silikonoljedråper ble samlet inn i 16 mM SDS i vannløsning, produsert med en 580 μm spiss. Fallstørrelsen er (3,29 ± 0,08) mm. (C) Sett ovenifra på et beger der 10cSt Silikonoljedråper ble samlet inn i 16 mM SDS i vannløsning , produsert med en 86 μm spiss. Fallstørrelsen er (1,75 ± 0,04) mm Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
2. Lage emulsjonsdråper ved hjelp av en koflowing-ordning
MERK: Enheten er bygget på samme måte som enheten som er beskrevet i trinn 1.
- Bygg enheten på en glassbase laget med et mikroskopsklie (76,2 mm x 25,4 mm). Dette gir enkel transport og visualisering av væskene gjennom glasset.
- Bruk en kapillær med firkantet seksjon (firkantet kapillær) for den ytre væsken (kontinuerlig fase av emulsjonen) med en lengde på ca 5 cm. For denne protokollen, bruk 1 mm diameter runde kapillærer (lett tilgjengelig i et bredt spekter av størrelser).
- For glassbehandling, avhengig av valgt indre væske (dispergert fase), gjør den indre siden av den firkantede kapillæren hydrofob eller hydrofil. Behandlingen vil bidra til å unngå å ha dråper fast i glasset og forstyrre dannelsen av nye dråper.
- For å lage glasshydrofobisk, rengjør kapillærene ved å sette dem i et hetteglass med aceton i ultralydbadet i 10-15 min. Skyll dem med aceton eller etanol (aldri vann). Tørk dem.
- Forbered et rent og tørt (beintørr) hetteglass som inneholder en 10 ml toluen (eller heksan) + 20 μL trimetoksy (oktyl)silanoppløsning. Hold kapillærene i løsningen i 2 timer. Skyll kapillærene med samme løsningsmiddel som brukes til løsningen.
- Skyll igjen med aceton. Tørk med luft. Stek dem i ovnen i 30 min ved ca. 70 °C.
MERK: Denne prosessen er vanskelig å implementere for enhetstipsene uten å bryte dem. - For å behandle enhetsspissene, dypp dem i løsningen av toluen og trimetoksy (oktyl)silanoppløsning i noen sekunder. Fjern eventuell overflødig løsning. La det lufttørke.
- For å lage glasshydrofilt tilfelle, gjenta de samme trinnene (2,3,1-2,3,4) som i det hydrofobe tilfellet, men med en løsning på 10 ml aceton + 20 μL 2-[metoksy (polyetylenoksy)6-9propyl] trimetoksysilane.
- Bruk en rund glasskapillær til spissen. Match den ytre diameteren på kapillæren med den indre størrelsen på firkantkapillæren. Dette sikrer at begge kapillærene er koaksialt justert. Forsikre deg om at lengden på den runde kapillæren er flere centimeter lengre enn den firkantede kapillæren.
- Avhengig av dispergert væske, behandle glasset, slik at væsken ikke klatrer langs utsiden av spissen.
- Monter ved å lime den firkantede kapillæren til mikroskopet med hurtigtørkende epoksy. Plasser spissen på kapillæren 1-2 cm utenfor enden av mikroskopet (se figur 6A).
- Bruk en dab epoksy i midten av kapillæren, slik at den ikke forstyrrer synsfeltet eller sprøytenålen. Vent til det kurerer helt. Vær oppmerksom på at selv for rask tørr epoksy anbefaler produsenten 24 timer for materialet å helbrede helt.
- Introduser den runde kapillæren i firkanten slik at enden forblir noen få centimeter utenfor enden av firkantkapillæren.
- Plasser den andre enden (utsiden av mikroskopet) inne i firkantkapillæren på en avstand som omtrent sammenfaller med enden av firkantkapillæren (se figur 6B).
- Lim kapillæren ved hjelp av en dab epoksy i mellomavstand mellom enden av kapillæren og begynnelsen av den firkantede. Vent til det kurerer helt.
- Gjør følgende modifikasjoner i de to nålene som kreves for å introdusere væsken.
- For å huse kapillæren i nålens base, skjær et hull i bunnen av den runde hetten som er av størrelsen på kapillærens ytre diameter (se figur 2). For å passe den andre nålen på slutten av den firkantede kapillæren, skjærer du runde og firkantede hull ved nålens base for å imøtekomme skjøten.
- Påse at begge hullene er justert slik at de runde og firkantede kapillærene kan monteres inne i nålen. Skyll nålene med vann for å fjerne støv og fibre fra kutting. Lufttørk dem. Lim nålene og følg protokollen som allerede er beskrevet i 1.5.2 (se figur 6C).
- Koble slangen (kontrolldiameter og kompatibelt materiale) til hver av nålene. Skyll slangen etter å ha kuttet dem slik at eventuelle rusk og fibre fjernes. Bruk en sprøyte og en kanyle manuelt til å pumpe vannet. Test enheten for lekkasjer som beskrevet nedenfor.
- Lukk en av nålene ved å bøye et stykke rør og bruke en bindemiddelklemme for effektivt å lukke den fra væskestrøm. Pump deionisert vann gjennom den andre nålen. Hvis det ikke blir observert noen lekkasjer, pumper du gjennom den andre kanylen.
- Hvis det blir funnet en lekkasje, tørker du enheten grundig, påfører epoksy og venter i minst 1 time før du tester igjen.
- For å generere dråper, som beskrevet i trinn 1.8, bruk en av de to måtene å drive væskene på: feste strømningshastighetene ved hjelp av sprøytepumper, eller fikse trykket ved hjelp av trykkbeholdere.
Figur 5: Effekter av hydrofob behandling. (A) og (C) Kapillær uten væske inni. Den røde linjen angir slutten på kapillæren. (B) Ubehandlet kapillær. Væsken fukter kapillæren da den har klatret over den røde linjen. (D) Behandlet kapillær med vann. Vann våter ikke kapillæren i dette tilfellet. Væsken holder seg under den røde linjen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Koflowing device. (A) Plasser firkantkapillæren på mikroskopet. (B) Plasser den runde kapillæren inne i firkanten. (C) Hele enheten med sprøytenålene. (D) Fotografi av hele enheten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
3. Lage en elektro-koflow-enhet
- For å bygge den mikrofluidiske enheten, bruk en glassbase laget med mikroskopsklier (76,2 mm x 25,4 mm). På grunn av lengden, for lang til å passe på en enkelt standard mikroskop lysbilde, bruk 1 1/2 eller to mikroskop lysbilder.
- Klipp to små deler av et lysbilde (ca. 1 cm) for å holde lysbildene samlet, som vist i figur 7A. Bruk epoksy til å lime glasset. Vent til det kurerer.
- Juster to kapillærer coaxially. For å unngå den ekstra kostnaden ved å justere to runde kapillærer med forskjellige diametre, bruk en firkantet kapillær med en indre side som samsvarer med den ytre diameteren på den runde kapillæren. For elektro-koflow eksperimenter, bruk en 2 mm side kapillær.
MERK: Sidekapillæren på 2 mm får elektrokotilstrømningseksperimentene til å fungere bedre ettersom tippavstanden er mindre (eller lik) enn avstanden mellom spissen og veggen på firkantkapillæren. Når du bruker 1 mm sidekapillær, er kapillærveggen nærmere bakken, og væsken har ofte en tendens til å slippe ut der, noe som fører til ikke-reproduserbare resultater.- Bruk en diamantspiss eller et annet tilgjengelig verktøy for å kutte den firkantede kapillæren til en lengde på ca 4 cm. Skyll det med vann for å fjerne glasspartikler. La det lufttørke. Gjør det hydrofobisk hvis den dispergerte fasen er en vannbasert væske, ellers hydrofil.
- Trekk en rund kapillær med en pipettetrekkermaskin til du får to halve kapillærer med en liten spiss.
- Bruk en mikroforside til å kutte spissen av en av de halve kapillærene til ønsket diameter (20-80 μm). For større diametre kan du bruke en keramisk flis. For vann i oljeemulsjoner, gjør utsiden av spissen hydrofob.
- Bruk den andre halvkapillæren som samlerkapillær. For å gjøre dette, kutt den trukket spissen slik at de originale flate endene gjenopprettes.
- Klipp de to runde kapillærene for å være rundt 4-5 cm lange (hold dem kortere enn lysbildet). Rengjør dem for å fjerne eventuelle rester som genereres under skjæreprosessen. Skyll dem med deionisert vann ved hjelp av en sprøyte. Lufttørk dem.
- Fest den firkantede kapillæren til lysbildene (se figur 7B). Ikke midtstill den i forhold til lysbildene. Fellesne på lysbildene bør ikke være i visningsområdet. Sett en dab (for å forhindre spredning) av nesten herdet epoksy på endene.
- Plasser spissen og samlerkapillæren inne i firkantkapillæren. Plasser begge ender - spiss og den ene enden av oppsamleren - på samme lysbilde, for å unngå skjøten mellom lysbildene (se figur 7C). Avstanden mellom spissen og oppsamleren er rundt 2 mm. Bruk et mikroskop til å måle denne avstanden.
MERK: Denne avstanden vil avhenge av teknikken du bruker til å pumpe væskene. Det endelige målet er å ha en avstand på ca 1 mm mellom spissen og den flytende motelektroden. - Når kapillærene er i riktig avstand, lim dem til lysbildet ved hjelp av en dab av epoksy. Vær forsiktig så du ikke dekker regionen av interesse med epoksy, da det ville gjøre visualiseringen i mikroskopet vanskelig.
- For å fremstille forbindelser til de åpne endene av kapillærene, plasser nåler som dekker disse endene. Fire nåler per enhet er nødvendig.
- Bruk et barberblad eller en skalpell for å kutte bunnen av nålene slik at de passer over kapillærene. Lag et rundt hull ved foten av nålen for å passe til en nål på slutten av de runde kapillærene.
- For å passe den på enden av den firkantede kapillæren, lag runde og firkantede hull ved nålens base for å imøtekomme denne skjøten. Pass på at begge hullene er justert slik at runde og firkantede kapillærer kan monteres inne i nålen.
- Skyll nålene med vann for å fjerne støv og fibre fra kutting. Lufttørk dem.
- Lim nålene. Følg trinnene i 1.5.2. La epoksyet kurere over natten før du tester enheten for lekkasjer.
- Følg trinnene nedenfor for å teste enheten for lekkasjer.
- Lukk to av nålene ved å bruke et bøyd rørstykke som holdes av en bindemiddelklemme. Pump deionisert vann gjennom en av nålene og bruk den siste som utgang. Bruk en sprøyte og den tilsvarende kanylen til å pumpe vann inn i enheten manuelt.
- Hvis det ikke blir observert noen lekkasjer, pump gjennom neste nål. Gjenta prosessen til vannet er gjennom alle fire nåler. I tilfelle en lekkasje blir funnet, tørk enheten grundig, påfør epoksy og vent i minst 1 time før du tester igjen.
- Fyll enheten som beskrevet nedenfor og fjern luftbobler, da de kan introdusere uønskede svingninger i systemet. For å fjerne bobler, bruk to halvfylte sprøyter med deionisert vann. Skyv og trekk sprøytene for å lede luften som er fanget inne i nålene og kapillærene ut av enheten.
- Forbered sprøyter med væskene som skal brukes i forsøket. Fjern eventuelle bobler fra sprøytene som beskrevet ovenfor. Koble et rør til sprøytenålen og fyll den med væsken som fjerner all luften.
- For å koble slangen til enheten, fjern slangen som brukes til testing fra en av enhetens nåler og pumpe vann ved hjelp av en av de tilkoblede vannsprøytene, slik at nålen drypper vann.
- Samtidig får du slangen til å dryppe med ønsket væske. Fordi begge ender drypper, når de er tilkoblet, blir det ikke introdusert luft. Gjenta denne prosessen med de to andre sprøytene, slik at den eneste frie nålen i enheten er utgangen.
- Koble den indre væsken (dispergert fase) sprøyten til nål 1, den ytre væsken (kontinuerlig fase) til nål 2, og oppsamlingsvæsken (motelektroden) til nål 4. Nål 3 er utgangen (se figur 8).
- Koble strømforsyningen til kanylene som mater de indre væskene og oppsamlingsvæskene (nåler 1 og 4 i figur 8) for å angi en potensiell forskjell mellom spissen og oppsamlervæsken.
MERK: Fordi nålen er metallisk, og i kontakt med disse ledende væskene, fungerer de som flytende ledninger som setter den potensielle forskjellen mellom spissen og samleren menisk. For de nevnte enhetsdimensjonene vil den potensielle forskjellen variere mellom 0 og 2,5 kV. - Pump væskene på en av de to mulige måtene, avhengig av laboratorieutstyret: Bruk høytrykks sprøytepumper som vil fikse væskens strømningshastighet eller bruke trykkbeholdere som vil fikse væskens trykk.
- Når en av disse metodene er valgt, fest de ytre og indre strømningshastighetene til de ønskede verdiene og juster strømningshastigheten (eller trykket) til væskesamleren for å holde avstanden, L, konstant (se figur 9).
Figur 7: Slik plasserer du kapillærene på en elektrokoflytenhet trinn for trinn. (A) Bygge glassbasen for enheten som blir med i to mikroskopsklier. De fargede delene er de kuttede glassstykkene som etter å ha blitt limt, holder sammen de to mikroskopsklier. (B) Den optimale posisjonen til den firkantede kapillæren på to monterte mikroskopsklier. (C) Plassering av rund kapillærene for elektrokotilstrømningsforsøk. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: Elektro-koflow-enhet. (A) Fotografi av en elektro-koflow-enhet. (B) Skisse av en elektro-koflow-enhet. Tallene indikerer inngangen til (1) den indre væsken, (2) den ytre væsken, (3) utgangen av enheten og (4) væskesamleren/bakken. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: Bilde av spissen og væsketellerelektroden under et elektrokotilstrømningseksperiment. Spisssamleravstanden, L, er merket. Skalastangen tilsvarer 100 μm. Mikroskopforstørrelse er 4x. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
4. Rengjøringsprosedyrer
- Hold kapillærene og mikroskopet i aceton for å fjerne alt støv og olje. Enhver oljepartikkel eller støv kan tette mikronstørrelsesspissene. Kontroller tipsene for tresko etter hvert trinn under fabrikasjonen med et 4x til 20x forstørrelsesmikroskop for spissstørrelser mellom 10 og 100 μm.
- Pumpen avioniserte vann gjennom slangen før bruk. Bruk en sprøyte og en nål og pump vannet manuelt for å forhindre at uønsket partikkel beveger seg fra innsiden av røret inn i enheten og tetter spissen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I dette manuskriptet er tre forskjellige enheter designet for å generere dråper. Vi har generert dråper med en størrelse på (3,29 ± 0,08) mm (figur 4B) og (1,75 ± 0,04) mm (figur 4C) ved hjelp av enheten som er beskrevet i trinn 1. Emulsjonsdråpene kan genereres ved hjelp av kostrømmen og elektro-koflow-enhetene. For sistnevnte viser vi drypp i figur 9, mens kjeglestråle- og piskmodus vises i henholdsvis figur 10 og figur 11. I figur 9 viser vi resultater med samme væske som indre væsker og oppsamlervæsker. Hvis målet med forsøkene er å samle disse dråpene, bør en annen ledende væske brukes som samler (se 18 for flere detaljer), da ellers vil dråpene fusjonere med samleren når de berører.
Kjeglestråle- og piskmodusene er de mest studerte for sine flere praktiske applikasjoner; de er to av de mange andre modusene som vises i elektro-coflow 19,20,21,22. For en mer systematisk oversikt over effekten av de eksperimentelle parametrene (strømningshastigheter og anvendt spenning), se diskusjonsseksjonen og 22. Disse modusene er stabile i tid når de genereres i enhetene som er beskrevet i manuskriptet. Steadiness av disse modusene tillater karakterisering ved hjelp av høyhastighets bildebehandling med et mikroskop og relatert bildebehandling.
Figur 10: Cone-jet-modus. Indre og samlervæske: etylenglykol; ytre væske: 0,65 cSt silikonolje; indre strømningshastighet er 16 μL / t; ytre strømningshastighet er 30 ml / t; spenning er 750 V. Skalastangen tilsvarer 100 μm. Mikroskopforstørrelse er 20x. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 11: Piskingsmodus. Indre og samlervæske: etylenglykol; ytre væske: 10 cSt silikonolje; indre strømningshastighet er 240 μL / t; ytre strømningshastighet er 20 ml / t; spenning er 1200 V. Skalastangen tilsvarer 100 μm. Mikroskopforstørrelse er 20x. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollen for å fremstille tre forskjellige glassbaserte enheter er beskrevet ovenfor. Når det gjelder enheten for å generere enkle dråper, er strømningshastigheten og væskeegenskapene avgjørende for å generere dråper på en kontrollert måte. Dråper vil dannes på spissen i drypperegimet, eller på slutten av strålen i jettingregimet. Overgangen fra drypping til jetting er parametrisert av det dimensjonsløse Weber-nummeret, We23. Dette tallet representerer forholdet mellom inertial og overflatespenningskrefter, 
), hvor ρ er væskens tetthet, γ er den interfaciale spenningen, Q er strømningshastigheten ogd-spissen er spissens diameter. Når vi < 1, oppstår drypping. For Vi > 1, inertia krefter overvinne overflatespenning krefter holder dråpen på spissen, og en jet former. Til slutt vil jetflyet bryte inn i dråper på grunn av Rayleigh-Plateau ustabilitet. For et fast væske- og eksperimentelt oppsett er strømningshastigheten dermed parameteren som styrer overgangen fra drypping til jetting. Drypperegimet er preget av å resultere i nesten monodisperse dråper, så det er ønskelig for dråpegenerering, selv om produksjonsfrekvensen er høyere når dråper genereres i jettingregimet.
For koflow-enheten brukes en firkant og en rund kapillær for å få de to væskene til å strømme på en enkel og rimelig måte. Legg merke til at spissstørrelsen er mye mindre enn størrelsen på den firkantede kapillæren. Virkemåten i koflow er rikere enn den som ble observert i forsøkene beskrevet i trinn 1. En detaljert diskusjon om drypping og jetting i koflow finnes i23. Flere detaljer om drop size-kontroll finner du i24.
Å tilsette en tredje væske til koflowing-ordningen ville føre til det vi kalte elektrokotilstrømning. Å koble en strømforsyning til de metalliske delene av nålene som brukes til de indre og samlervæskene gjør det mulig å skape et elektrisk felt i regionen mellom dem. Fordi nålene er i kontakt med ledende væsker (indre og samlervæsker), fungerer disse som flytende ledninger som setter den potensielle forskjellen mellom spissen og samleren menisk. Endring av egenskapene til den ytre væsken, som viskositeten eller strømningshastigheten, øker rikdommen og egenskapene til modusene i forhold til det som observeres i standard elektrospray22. Figur 11 viser for eksempel at piskingsmodusen har en sortert struktur under visse eksperimentelle forhold17. Dette gjør det mulig å studere sine geometriske egenskaper, som vanligvis ikke er mulig i elektrospray.
Elektrokotilstrømningsteknikken er i stand til å overvinne de fleste problemene som gjør andre elektrisk assisterte teknikker ustabile. Et av problemene som presenteres i elektrisk assisterte teknikker er at de utsendte ladede dråpene har en tendens til å slippe ut hvor som helst der det elektriske potensialet er lavere enn det som brukes på spissen før de når motelektroden. Dette er grunnen til at 2 mm kapillærer foreslås for vårt oppsett. Den hydrofobe behandlingen av den firkantede kapillæren unngår at dråper setter seg fast på veggene slik at de kan reise uforstyrret til de når væskesamleren, hvor de slippes ut. Ved hjelp av en flytende motelektrode (se figur 9) i stedet for de mer typiske metalliske elektrodene, eliminerer ladeakkumulering og betydelige forvrengninger i det elektriske feltet som til slutt vil påvirke dropproduksjonsprosessen og sterkt påvirke emulsjonsmonoperaliteten.
En viktig praktisk detalj knyttet til fabrikasjonen av enhetene er tiden det tar å bygge dem. I alle tilfeller tar prosessen noen timer (enda mindre, hvis glassbehandlingen er gjort på forhånd), men dessverre trenger epoksyen ca 10 timer for å kurere. Det er derfor tilrådelig å vente til neste dag for å teste og bruke enhetene.
Et av de kritiske trinnene for produksjon av disse tre enhetene og sikre reproduserbarhet er glassbehandlingen. Glass skal gjengis hydrofobt eller hydrofilt avhengig av væskene som brukes. Unngå fukting langs utsiden av spissen bidrar til å oppnå steady-state produksjon av dråper.
Et viktig spørsmål for alle tre enhetene gjelder hvordan du pumper væskene: om en sprøytepumpe (fast strømningshastighet) eller et trykkdrevet oppsett (fast trykkforskjell) skal brukes. En sprøytepumpe vil tillate strømningshastighetskontroll av væskene. En ulempe for sprøytepumpene er innføringen av vibrasjoner i systemet som kommer fra pumpemotorens trinnstørrelse. For trykksystemet er ulempen de ukjente strømningshastighetene til væskene. Kalibreringen av systemet er et alternativ, og måler volumet av den oppsamlede væsken i en gitt tid for forskjellige trykk. Noen ulemper med denne metoden er at slangens dimensjoner skal forbli konstante hver gang de endres, og metningen av filtrene i linjene (hvis de brukes) kan endre kalibreringen. Et alternativ er å beregne strømningshastigheten til den indre væsken ved å måle fallproduksjonsraten; måling av størrelsen på de avgitte dråpene under dryppingsmodus og utslippsfrekvensen vil gi strømningshastigheten. For strømningshastigheten til den ytre væsken kan volumet av væske som samles inn i løpet av eksperimentets tid måles. En ulempe med å gjøre dette er at disse strømningshastighetene er kjent som en posteriori, og ikke under utførelsen av forsøkene.
Det er mange applikasjoner 38,39,40 av teknologiene presentert her i felt som kosmetikk, næringsmiddelindustri og narkotika levering blant mange andre, som bruk av resulterende emulsjoner som maler for geler anvendt i intensivt landbruk. En oppsving i anvendelsen av mikrofluidisk-relaterte teknologier er utviklingen av innovative fôringssystemer for gunstige leddyr som vil bidra til å utvikle alternativt regenerativt landbruk. I dag står globale matproduksjonssystemer overfor utfordringen med å tilfredsstille kravene til økt produktivitet samtidig som de opprettholder sin miljømessige og økonomiske bærekraft25. Utgivelsen av masseoppdratde naturlige fiender, rovdyr og parasitoider av på avlinger har vist seg å være et gjennomførbart og ønsket alternativ til bruk av plantevernmidler fra et miljømessig og økonomisk perspektiv. Store prestasjoner er oppnådd i drivhus som introduserer polyfagiske rovdyr 13,27,34. Anvendelsen av supplerende matvarer i avlinger fremmer tidlig og langsiktig etablering av disse rovdyrene når naturlige byttedyr er knappe 26,28,30, noe som forbedrer deres motstandskraft mot forskjellige stressfaktorer. Dette regnes som en verdifull biologisk kontrollstøttende strategi som vil optimalisere og utvide biokontrollprogrammer, både i beskyttede og åpne feltavlinger.
Bioprodusenter av disse rovdyrene har raskt flyttet fra en håndverksmessig til en profesjonell industri32, og den nylige anvendelsen av avanserte analytiske teknikker med en helhetlig tilnærming vil tillate oss å bedre forstå rovdyrenes ernæringsmessige krav36. Selv om pendling mellom ulike matkilder for noen arter kan være gunstig31, er de fleste diettene som for tiden brukes fortsatt basert på et enkelt factitious byttedyr. Komplementære kunstige flytende dietter bør vurderes for å sikre et balansert kosthold. Flytende dietter må innkapsles for presentasjonen. Denne strategien gir flere fordeler som beskyttelse av bioaktive ingredienser fra abiotiske faktorer i miljøet (fuktighet, temperatur, lys, luft, etc.), forebygging av oksidasjon og fordampningstap, forbedring av stabilitet og økning av biotilgjengelighet, blant annet29,33. Noen patenter basert på innkapslede kunstige dietter for fôringsformål av gunstige entomophagous insekter har blitt rapportert (US Patent Nos. 5,799,607 og 6,129,935), men den kommersielle oppskaleringen av disse applikasjonene må vokse parallelt med den fremvoksende kunnskapen om ernæringsmessige sammensetninger av matvarer og rovdyrkrav, sammen med mikrofluidiske teknologier justert for disse i feltforhold.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Vi er takknemlige overfor ACS PRF (tilskudd 60302-UR9), Agrobio S.L. (kontrakt #311325) og MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE (grant No. PID2021-122369NB-I00).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. , Dover Pubs. USA. (2005).
- Othmer, K. Encyclopedia of Chemical Technology. 4th edition. 9, John Wiley and sons. (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.
- 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.
- 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.
- Vilanova, N., Gundabala, V. R., Fernandez-Nieves, A.
- Cloupeau, M., Prunet-Foch, B. Electrostatic spraying of liquids: Main functioning modes. Journal of Electrostatics. 25 (2), 165-184 (1990).
- Jaworek, A., Krupa, A.
- Juraschek, R., Röllgen, F. W. Pulsation phenomena during electrospray ionization. International Journal of Mass Spectrometry. 177 (1), 1-15 (1998).
- Guerrero, J., et al.
- 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), New York, N.Y. 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. Biosystems Engineering Applied to Greenhouse Pest Control. Biosystems Engineering: Biofactories for Food Production in the Century XXI. Guevara-Gonzalez, R., Torres-Pacheco, I. , Springer International Publishing. Switzerland, Cham. (2014).
- Riudavets, J., Moerman, E., Vila, E. 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. LodovicaGullino, M., Albajes, R. C., Nicot, P. , Springer International Publishing. Switzerland, Cham. (2020).
- Cohen, A. C. Insect diets: Science and technology. Second edition. , Taylor & Francis Group, CRC Press. (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.
- 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).
