位相反転共同フロー構造を有するマイクロ流体デバイスをキャピラリーを用いた加工の高粘度液滴

この手順の全体的な目標は、単純なコフローマイクロ流体デバイスでの位相反転により、粘度が1パスカル秒を超える単分散高粘度液滴と低粘度の連続相を生成することです。この方法は、高グリセロールポリマー溶液やナノ粒子懸濁液などの本質的に高粘度の流体の操作に関する液滴マイクロ流体分野の重要な問題を解決できます。この技術の主な利点は、最初に低粘度の液滴を生成することであり、これは高粘度の液滴よりも形成と制御が容易です。

高粘度の液滴を生成するための後続の段階的なバージョンは、低粘度の液滴がコフロー構造の出口から流れるときに誘導されます。その手順を実演するのは、清華大学の大学院生であるZhongnan Li氏です。デバイスの準備を開始するには、タングステンカーバイバーを使用して、内径と外径がそれぞれ580マイクロメートルと1ミリメートルの丸いガラス管の長さ3センチメートルを切断します。

これにより、デバイスの中央のチューブが形成されます。デバイスのインナーチューブを作成するには、内径が200マイクロメートルと330マイクロメートルの丸いガラスチューブを2センチメートルの長さにカットします。1.5ミリリットルの遠心分離管に1ミリリットルのODTSを入れます。

中央のチューブの一方の端をODTSに10秒間浸します。次に、チューブが乾くまで、未処理の端から窒素ガスでチューブを洗い流します。次に、刃物を使って0.5mm×0.5mmの切り込み

20ゲージハーフインチの鈍い針のプラスチック製ルアーハブの端で、0.5ミリメートル×0.5ミリメートルのノッチと1ミリメートル×1ミリメートルのノッチを2本目の針のハブで互いに真向かいにカットします。次に、標準的なガラス顕微鏡スライドに中央のチューブを縦に置き、疎水性ODDSコーティングされた端がスライドの狭い方の端を約1cm通過させます。インナーチューブをミドルチューブの未処理の端に挿入し、インナーチューブの約1センチメートルをミドルチューブの外側に残します。

エポキシを使用して、スライドの中心線に沿ってチューブを所定の位置に固定します。パフォーマンスを向上させるには、インナーチューブの位置を調整して、中央のチューブにほぼ集中するようにします。エポキシ樹脂が固まったら、チューブがノッチに収まるように、単品のノッチ付き針をインナーチューブの端に置きます。

ニードルをエポキシ樹脂で固定し、低粘度のオイルインレットを形成します。次に、内側と中央のチューブの間の接合部に二重ノッチ付き針を固定して、高粘度の水溶液入口を形成します。エポキシを使用して、チューブの周囲とガラス基板の両方にニードルハブをシールします。

高粘度のインレットニードルが基板にしっかりと収まるように、中央のチューブを大きなノッチに、インナーチューブを小さなノッチに取り付けます。エポキシが乾燥したら、中央チューブの疎水性端に内径0.86mmの20mm長のポリエチレンチューブを取り付けて、デバイスを完成させます。プロセスを開始するには、青色の染料で着色した0.8ミリリットルのグリセロールを1ミリリットルの注射器に引き込みます。

0.8ミリリットルの軽いパラフィンオイルを2番目の1ミリリットルの注射器に引き込みます。グリセロールシリンジを、内径0.86mmのポリエチレンチューブを介してデバイスの高粘度水溶液入口に接続します。流動パラフィンシリンジを低粘度オイルインレットに接続します。

両方のシリンジをシリンジポンプに取り付けます。次に、2本指クランプとラボスタンドを使用して、デバイスを35mmのペトリ皿の上に垂直に固定します。アウトレットチューブの端がディッシュの底から約2mm上になるように、デバイスの位置を調整します。

デバイスの出口を浸すのに十分な量の液体パラフィンをペトリ皿に注ぎます。同量の流動パラフィンを2番目の35ミリメートルシャーレに加えます。グリセロールシリンジポンプの流量を毎分2マイクロリットルに設定します。

流動パラフィンシリンジポンプの流量を毎分6マイクロリットルに設定します。両方のポンプを運転して、グリセロール液滴の生成を開始します。必要に応じて、カメラで液滴の発生を監視します。

グリセロールと流動パラフィンの流れが十分に安定して均一なグリセロール液滴が形成されるまで約1分待ちます。次に、デバイス出口の下のペトリ皿を2番目の流動パラフィン充填皿と交換して、均一な液滴を収集します。単分散グリセロール液滴は、直径が200または500マイクロメートルの中間チューブを備えた相反転コフローデバイスによって生成されました。

単分散液滴は、蜂蜜、デンプン溶液、ポリビニルアルコール溶液などの他の高粘度流体からも生成されました。500マイクロメートルの装置によって生成されたグリセロール液滴は、油の流量が毎分30マイクロリットルと10マイクロリットル/分で、平均直径は521マイクロメートルでした。同じ流量で200マイクロメートルのデバイスによって生成されたグリセロール液滴の平均直径は212マイクロメートルでした。

グリセロール液滴のサイズは、グリセロール流量に対する油流量の比率の変動によって変化することがわかりました。グリセロールの流量を一定に保ちながら油の流量を増やすと、粒子径が小さくなりました。このビデオを見れば、位相反転コフローデバイスを使用して単分散高粘度液滴を作成する方法を十分に理解できるはずです。

一般的なコフローデバイスとは対照的に、位相反転コフローデバイスを作るために、内側のガラスキャピラリーを鋭い先端にテーパする必要はありません。位相反転コフローデバイスを使用して、最大12パスカル秒の動的粘度の高粘度液滴を生成できます。このテクニックを習得すると、適切に実行すれば30分で完了します。