Methodenartikel

Op glas gebaseerde apparaten om druppels en emulsies te genereren

2.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/63376

⸱

5 april 2022

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Chemistry and Physics, Augusta University, 2Department of Condensed Matter Physics, University of Barcelona, 3Agrobío S.L., 4ICREA - Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats, 5Institute of Complex Systems (UBICS), University of Barcelona

In dit artikel

Samenvatting

Hier wordt een protocol gepresenteerd voor de productie van op glas gebaseerde microfluïdische apparaten die worden gebruikt voor het genereren van zeer monodisperse emulsies met gecontroleerde druppelgrootte.

Samenvatting

In dit manuscript worden drie verschillende stapsgewijze protocollen beschreven om zeer monodisperse emulsiedruppels te genereren met behulp van op glas gebaseerde microfluïdica. Het eerste apparaat is gebouwd voor het genereren van eenvoudige druppels aangedreven door de zwaartekracht. Het tweede apparaat is ontworpen om emulsiedruppels te genereren in een coflowing-schema. Het derde apparaat is een uitbreiding van het coflowing-apparaat met de toevoeging van een derde vloeistof die fungeert als een elektrische massa, waardoor de vorming van geëlektrificeerde druppels mogelijk is die vervolgens ontladen. In deze opstelling hebben twee van de drie vloeistoffen een merkbare elektrische geleidbaarheid. De derde vloeistof bemiddelt tussen deze twee en is een diëlektricum. Een spanningsverschil toegepast tussen de twee geleidende vloeistoffen creëert een elektrisch veld dat koppelt aan hydrodynamische spanningen van de coflowing vloeistoffen, waardoor het jet- en druppelvormingsproces wordt beïnvloed. De toevoeging van het elektrische veld biedt een pad om kleinere druppels te genereren dan in eenvoudige coflow-apparaten en voor het genereren van deeltjes en vezels met een breed scala aan maten.

Inleiding

Gecontroleerde generatie van druppels in de micron- en nanoschaal met een smalle grootteverdeling is een uitdagende taak. Deze druppels zijn van belang voor de engineering van zachte materialen met vele toepassingen in wetenschap en technologie 1,2,3,4,5,6.

De meest voorkomende apparaten voor de hoge productiesnelheid van druppels zijn mixers7 en ultrasone emulgatoren8. Deze methoden zijn eenvoudig en goedkoop, maar ze resulteren meestal in polydisperse druppels met een breed scala aan maten. Daarom zijn extra stappen nodig om monodisperse monsters te produceren. Microfluïdische apparaten kunnen anders worden ontworpen om een efficiënte manier te bieden om formatie te laten vallen. Bovendien zorgen de meestal lage debieten (d.w.z. een laag Reynolds-getal) voor een grote controle over de vloeistofstroom.

Terwijl microfluïdische apparaten vaak worden gemaakt met behulp van lithografische technieken met poly (dimethyl) siloxaan (PDMS), richt dit manuscript zich op op glas gebaseerde capillaire apparaten. PDMS-apparaten worden meestal gekozen vanwege hun vermogen om complexe kanaalpatronen te ontwerpen en vanwege hun schaalbaarheid. Glazen apparaten daarentegen zijn stijf en hebben een grotere oplosmiddelbestendigheid dan hun PDMS-tegenhangers. Bovendien kan glas worden aangepast om de bevochtigbaarheid te veranderen, waardoor het genereren van complexe emulsies kan worden gecontroleerd. In staat zijn om de nozzle- en kanaalwanden onafhankelijk te behandelen, maakt de vorming van druppels op een gecontroleerde en reproduceerbare manier mogelijk, terwijl de stabiliteit van de resulterende emulsies wordt gewaarborgd als de druppels de wanden zouden raken9; anders kunnen de druppels samensmelten en zich ophopen aan de muur. Een ander verschil tussen deze twee soorten apparaten is dat in op glas gebaseerde apparaten de stroom driedimensionaal is, terwijl deze vlak is in conventionele PDMS-apparaten. Dit feit minimaliseert het druppelcontact met de kanaalwanden, zodat de invloed van contactlijnen kan worden verwaarloosd10, waardoor de stabiliteit van meerdere emulsiedruppels wordt beschermd.

figure-introduction-1
Figuur 1: Verschillende microfluïdische apparaatconfiguraties. Schetsen van (A) een T-junctie, (B) een coflowing-apparaat en (C) een flow-focusing device. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Er worden drie hoofdgeometrieën gebruikt, namelijk T-junctie11, flowfocus 12,13 en coflow14. In de T-junctiegeometrie snijdt de gedispergeerde fase in het kanaal loodrecht het hoofdkanaal dat de continue fase herbergt. De schuifspanning die wordt uitgeoefend door de continue fase breekt de binnenkomende gedispergeerde vloeistof, wat resulteert in druppels. De gegenereerde druppels worden in lagere grootte beperkt door de afmetingen van het hoofdkanaal11. In de flow-focusing geometrie worden de twee vloeistoffen door een kleine opening geperst die zich voor de injectiebuis bevindt. Het resultaat is de vorming van een jet, die veel kleiner is dan de injectiebuis12,13. Ten slotte heeft de coflowgeometrie een configuratie die wordt gekenmerkt door de coaxiale stroom van twee onmengbare vloeistoffen14. Over het algemeen kunnen druppelen en jetting worden waargenomen, afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden. Het druppelregime treedt op bij lage stroomsnelheden en de resulterende druppels zijn zeer monodisperse en hebben een diameter die evenredig is met de tipgrootte. Het nadeel is de lage productiefrequentie. Het straalregime treedt op bij hogere stroomsnelheden in vergelijking met het druppelregime. In dit geval is de valdiameter recht evenredig met de diameter van de straal die onder de juiste omstandigheden veel kleiner kan zijn dan de diameter van de punt.

Een alternatief voor deze hydrodynamische benaderingen is gebaseerd op het extra gebruik van elektrische krachten. Electrospray is een bekende en veel gebruikte techniek voor het genereren van druppels. Het is gebaseerd op het principe dat een vloeistof met een eindige elektrische geleidbaarheid zal vervormen in de aanwezigheid van een sterk elektrisch veld. De vloeistof zal uiteindelijk een conische vorm aannemen als gevolg van de balans tussen elektrische en oppervlaktespanningsspanningen15. Het proces begint met het elektrische veld dat een elektrische stroom in de vloeistof induceert die ervoor zorgt dat ladingen zich aan het oppervlak ophopen. De aanwezigheid van het elektrische veld resulteert in een elektrische kracht op deze ladingen, die de vloeistof voortsleept en de meniscus in de richting van het veld verlengt. Onder verschillende omstandigheden kan de meniscus de geladen druppels afwerpen of een of meerdere jets uitzenden die vervolgens indruppels 15 breken. Hoewel deze elektrisch ondersteunde microfluïdische methoden van nature het genereren van kleine druppels mogelijk maken, lijden ze aan een gebrek aan een steady-state operatie die de emulsie monodispersiteit in gevaar brengt. De resulterende geladen druppels hebben de neiging om te ontladen op de scheidingswanden en / of ergens in het apparaat waar de elektrische potentiaal lager is dan de opgelegde externe spanning. Zo wordt de geëlektrificeerde meniscus onstabiel, waardoor uiteindelijk druppels op een chaotische manier worden uitgestoten en hun ongecontroleerde productie en verlies van monodispersiteit wordt veroorzaakt.

In elektro-coflow worden de elektrische en hydrodynamische spanningen gekoppeld in een coflow microfluïdisch apparaat16 vergelijkbaar met het apparaat dat wordt gebruikt voor het genereren van dubbele emulsies12. Twee belangrijke kenmerken zorgen ervoor dat elektro-coflow succesvol kan zijn in het bereiken van een steady-state emissieregime: (i) de gedispergeerde fase wordt uitgestoten in een andere costromende viskeuze vloeistof, en (ii) het gebruik van een vloeibare tegenelektrode of aarde. Het hebben van een stromende buitenste vloeistof heeft bewezen de geometrische eigenschappen van het druppelemissieproces te veranderen17. De vloeibare tegenelektrode maakt de ontlading en extractie van de resulterende druppels mogelijk, waardoor de steady-state generatie van druppels wordt verzekerd. Bovendien, door gebruik te maken van de balans tussen elektrische en hydrodynamische krachten, kunnen de resulterende druppelgroottes mogelijk variëren binnen een breder bereik dan de maten die kunnen worden gedekt door een van de eerder genoemde technieken.

Dit gedetailleerde videoprotocol is bedoeld om nieuwe beoefenaars te helpen bij het gebruik en de fabricage van op glas gebaseerde microfluïdica.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Eenvoudige druppels maken

  1. Gebruik voor het maken van eenvoudige druppels een glazen basis gemaakt met een microscoopglaasje (76,2 mm x 25,4 mm) om het apparaat te bouwen. Dit zorgt voor eenvoudig transport en visualisatie van de vloeistoffen door het glas.
  2. Gebruik een ronde glazen capillair voor de punt. Gebruik voor dit protocol ronde haarvaten met een diameter van 1 mm (direct verkrijgbaar in een breed scala aan maten).
    1. Om een tip met de gewenste diameter te maken, trekt u het capillair met behulp van een micropipette-trekmachine totdat twee halve haarvaten met een zeer kleine punt (~ 1 μm) zijn verkregen.
    2. Gebruik een microforge om de punt tot de gewenste diameter (2-80 μm) te snijden. Gebruik voor grotere diameters (> 80 μm) een keramische tegel als de microvorge die maten niet snijdt.
      OPMERKING: Afhankelijk van de gewenste vloeistof moet het glas worden behandeld, zodat de vloeistof niet langs de buitenkant van de punt klimt.
  3. Voor vloeistoffen op waterbasis maakt u de buitenkant van de tip hydrofoob. Voor vloeistoffen op oliebasis, wanneer de buitenkant van de tip in contact komt met water, maakt u de buitenkant van de tip hydrofiel. Zie stap 2.3 voor glasbehandeling.
  4. Gebruik een naald van de spuit (20 G) om het inbrengen van de vloeistof in het capillair te vergemakkelijken. Snijd een gat - ter grootte van de buitendiameter van het capillair - aan de basis van de naald met behulp van een scheermesje of een scalpel.
  5. Spoel de naald met water om stof en vezels van het snijden te verwijderen. Droog ze aan de lucht.
  6. Om te monteren, lijmt u het ronde capillair op het microscoopglaasje met behulp van sneldrogende epoxy. Plaats de punt van het capillair 1-2 cm buiten het uiteinde van de microscoopglaasjes. Gebruik slechts een klodder epoxy in het midden van het capillair. Op deze manier zal het niet interfereren met het gezichtsveld of met de naald van de spuit.
    1. Lijm de naald van de spuit zodanig dat het uiteinde van het capillair in het midden van de naald zit. Plaats eerst een kleine hoeveelheid bijna geharde epoxy rond de rand aan de onderkant van de naald. Plaats de naald zo dat het uiteinde van het capillair zich in het midden van de basis bevindt.
    2. Plaats na een paar minuten een tweede laag verse epoxy, bedek de basis van de naald en vermijd het gat. Bedek ten slotte het gat met bijna geharde epoxy om te voorkomen dat de epoxy in de naalden stroomt. Volg de richtlijnen van de epoxyfabrikant voor uithardings- en uithardingstijden.
  7. Bevestig een stuk slang (I.D. x O.D. 0,86 mm x 1,32 mm) aan de naald. Maak de buis schoon voordat je hem bevestigt. Spoel gedeïoniseerd water handmatig met behulp van een spuit om eventuele resten te verwijderen die zijn ontstaan wanneer de slang werd doorgesneden.
    OPMERKING: Het buismateriaal moet compatibel zijn met de vloeistof die in de experimenten wordt gebruikt. De slang moet lang genoeg zijn om het apparaat en het pompsysteem te kunnen aansluiten.
  8. Voor het testen van het apparaat, pomp gedeïoniseerd water door de naald en observeer of er lekken zijn. Gebruik een spuit en de bijbehorende naald om het water handmatig te pompen. In het geval dat er een lek wordt gevonden, droog het apparaat dan grondig. Breng epoxy aan en wacht minstens 1 uur voordat u opnieuw test.
  9. Voor het genereren van druppels, met behulp van een klem, plaatst u het apparaat in een verticale positie, zodat de punt naar beneden is gericht zoals in een keukenkraan. Gebruik een spuitpomp of een drukgestuurde opstelling om de vloeistof in het apparaat te pompen.
  10. Verzamel druppels door de punt in een bekerglas of een injectieflacon met een vloeistof met de juiste hoeveelheid oppervlakteactieve stof te plaatsen. Gebruik bijvoorbeeld voor 10cSt siliconenolie als binnenvloeistof een continue fase van 16 mM natriumdodecylsulfaat (SDS) in water.
    1. Voor oliedruppels in water, om de stabiliteit van de druppels te vergroten, voegt u een laag viskeuze olie toe aan het opvangbad voordat u de emulsie maakt. Gebruik voor waterdruppels in olie een niet-ionische oppervlakteactieve stof in de olie om de druppels te stabiliseren.

figure-protocol-1
Figuur 2: Gesneden naald. Naald met een gat gesneden in de basis om een rond capillair te passen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-2
Figuur 3: Apparaat voor het genereren van eenvoudige druppels. Schema van een apparaat voor het genereren van eenvoudige druppels. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-3
Figuur 4: Eenvoudige druppels verzamelen. (A) Schets van het verzamelen van druppels in een bekerglas. (B) Bovenaanzicht van een bekerglas waar 10cSt siliconenoliedruppels werden verzameld in 16 mM SDS in wateroplossing, geproduceerd met een tip van 580 μm. De druppelgrootte is (3,29 ± 0,08) mm. (C) Bovenaanzicht van een bekerglas waar 10cSt Siliconen oliedruppels werden verzameld in 16 mM SDS in wateroplossing, geproduceerd met een tip van 86 μm. De druppelgrootte is (1,75 ± 0,04) mm Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

2. Emulsiedruppels maken met behulp van een coflowing-schema

OPMERKING: Het apparaat is vergelijkbaar gebouwd met het apparaat dat wordt beschreven in stap 1.

  1. Bouw het apparaat op een glazen basis gemaakt met een microscoopglaasje (76,2 mm x 25,4 mm). Dit zorgt voor eenvoudig transport en visualisatie van de vloeistoffen door het glas.
  2. Gebruik een capillair met vierkante sectie (vierkant capillair) voor de buitenste vloeistof (continue fase van de emulsie) met een lengte van ongeveer 5 cm. Gebruik voor dit protocol ronde haarvaten met een diameter van 1 mm (direct verkrijgbaar in een breed scala aan maten).
  3. Voor glasbehandeling, afhankelijk van de gekozen binnenvloeistof (gedispergeerde fase), maakt u de binnenkant van het vierkante capillair hydrofoob of hydrofiel. De behandeling zal helpen voorkomen dat druppels vastzitten in het glas en interfereren met de vorming van nieuwe druppels.
    1. Voor het hydrofoob maken van glas, reinigt u de haarvaten door ze gedurende 10-15 minuten in een injectieflacon met aceton in het ultrasone bad te doen. Spoel ze af met aceton of ethanol (nooit water). Droog ze af.
    2. Bereid een schone en droge (kurkdroge) injectieflacon met een tolueen (of hexaan) van 10 ml + 20 μl trimethoxy(octyl)silaanoplossing. Houd de haarvaten gedurende 2 uur in de oplossing. Spoel de haarvaten af met hetzelfde oplosmiddel dat voor de oplossing is gebruikt.
    3. Spoel opnieuw af met aceton. Droog met lucht. Bak ze 30 min in de oven op ongeveer 70 °C.
      OPMERKING: Dit proces is moeilijk te implementeren voor de apparaattips zonder ze te breken.
    4. Om de uiteinden van het apparaat te behandelen, dompelt u ze gedurende enkele seconden in de oplossing van tolueen en trimethoxy (octyl) silaanoplossing. Verwijder overtollige oplossing. Laat aan de lucht drogen.
    5. Voor het hydrofiel maken van glas, herhaal dezelfde stappen (2.3.1-2.3.4) als in het hydrofobe geval, maar met een oplossing van 10 ml aceton + 20 μL 2-[methoxy(polyethyleenoxy)6-9propyl] trimethoxysilaan.
  4. Gebruik een ronde glazen capillair voor de punt. Stem de buitendiameter van het capillair af op de binnenmaat van het vierkante capillair. Dit zorgt ervoor dat beide haarvaten coaxiaal zijn uitgelijnd. Zorg ervoor dat de lengte van het ronde capillair enkele centimeters langer is dan het vierkante capillair.
  5. Afhankelijk van de gedispergeerde vloeistof, behandel het glas, zodat de vloeistof niet langs de buitenkant van de punt klimt.
  6. Monteer door het vierkante capillair met sneldrogende epoxy op het microscoopglaasje te lijmen. Plaats de punt van het capillair 1-2 cm buiten het uiteinde van het microscoopglaasje (zie figuur 6A).
  7. Gebruik een klodder epoxy in het midden van het capillair, zodat het niet interfereert in het gezichtsveld of met de naald van de spuit. Wacht tot het volledig uithardt. Merk op dat zelfs voor sneldrogende epoxy, de fabrikant 24 uur aanbeveelt om het materiaal volledig uit te harden.
  8. Breng het ronde capillair in het vierkante capillair zodat het uiteinde een paar centimeter buiten het uiteinde van het vierkante capillair blijft.
  9. Plaats het andere uiteinde (buiten het microscoopglaasje) in het vierkante capillair op een afstand die ongeveer samenvalt met het uiteinde van het vierkante capillair (zie figuur 6B).
  10. Lijm het capillair met een klodder epoxy op middellange afstand tussen het uiteinde van het capillair en het begin van het vierkante. Wacht tot het volledig uithardt.
  11. Breng de volgende wijzigingen aan in de twee naalden die nodig zijn om de vloeistof in te brengen.
  12. Om het capillair in de basis van de naald te huisvesten, snijdt u een gat in de basis van de ronde dop dat de grootte heeft van de buitendiameter van het capillair (zie figuur 2). Om de andere naald aan het einde van het vierkante capillair te passen, snijdt u ronde en vierkante gaten aan de basis van de naald om het gewricht te huisvesten.
  13. Zorg ervoor dat beide gaten zijn uitgelijnd, zodat de ronde en vierkante haarvaten in de naald kunnen worden geplaatst. Spoel de naalden met water om stof en vezels van het snijden te verwijderen. Droog ze aan de lucht. Lijm de naalden en volg het protocol dat al in 1.5.2 is beschreven (zie figuur 6C).
  14. Sluit de slang (controleer diameter en compatibel materiaal) aan op elk van de naalden. Spoel de slang na het snijden af, zodat vuil en vezels worden verwijderd. Gebruik handmatig een spuit en een naald om het water op te pompen. Test het apparaat op lekken zoals hieronder beschreven.
    1. Sluit een van de naalden door een stuk slang te buigen en een bindmiddelclip te gebruiken om het effectief te sluiten van vloeistofstroom. Pomp gedeïoniseerd water door de andere naald. Als er geen lekken worden waargenomen, pomp dan door de andere naald.
    2. Als er een lek wordt gevonden, droog het apparaat dan grondig, breng epoxy aan en wacht minstens 1 uur voordat u opnieuw test.
  15. Gebruik voor het genereren van druppels, zoals beschreven in stap 1.8, een van de twee manieren om de vloeistoffen aan te drijven: het fixeren van hun debieten met spuitpompen of het fixeren van hun druk met behulp van onder druk staande bussen.

figure-protocol-4
Figuur 5: Effecten van de hydrofobe behandeling. (A) en (C) Capillair zonder vloeistof erin. De rode lijn geeft het einde van het capillair aan. (B) Onbehandeld capillair. De vloeistof bevochtigt het capillair omdat het boven de rode lijn is geklommen. (D) Behandeld capillair met water. Water maakt het capillair in dit geval niet nat. Vloeistof blijft onder de rode lijn. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-5
Figuur 6: Coflowing device. (A) Plaats het vierkante capillair op het microscoopglaasje. (B) Plaats het ronde capillair in het vierkante. (C) Het volledige apparaat met de naalden van de spuit. (D) Foto van het volledige apparaat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Een elektro-coflow-apparaat maken

  1. Gebruik voor het bouwen van het microfluïdische apparaat een glazen basis gemaakt met microscoopglaasjes (76,2 mm x 25,4 mm). Vanwege hun lengte, te lang om op een enkele standaard microscoopglaasje te passen, gebruik 1 1/2 of twee microscoopglaasjes.
    1. Knip twee kleine stukjes van een dia (ongeveer 1 cm) om de dia's bij elkaar te houden zoals weergegeven in figuur 7A. Gebruik epoxy om het glas te lijmen. Wacht tot het uithardt.
  2. Lijn twee haarvaten coaxiaal uit. Om de extra kosten van het uitlijnen van twee ronde haarvaten van verschillende diameters te voorkomen, gebruikt u een vierkant capillair met een binnenzijde die overeenkomt met de buitendiameter van het ronde capillair. Gebruik voor elektro-coflow-experimenten een zijcapillair van 2 mm.
    OPMERKING: Het 2 mm zijcapillair zorgt ervoor dat de elektro-coflow-experimenten beter werken omdat de tip-ground afstand kleiner (of vergelijkbaar) is dan de afstand tussen de punt en de wand van het vierkante capillair. Bij gebruik van het 1 mm zijcapillair is de capillaire wand dichter dan de grond en heeft de vloeistof vaak de neiging om daar af te voeren, wat leidt tot niet-reproduceerbare resultaten.
    1. Gebruik een diamantscribent of een ander beschikbaar gereedschap om het vierkante capillair tot een lengte van ongeveer 4 cm te snijden. Spoel het af met water om eventuele glasdeeltjes te verwijderen. Laat aan de lucht drogen. Maak het hydrofoob als de gedispergeerde fase een vloeistof op waterbasis is, anders hydrofiel.
    2. Trek een rond capillair met een pipettrekmachine totdat je met een kleine punt twee halve haarvaten krijgt.
    3. Gebruik een microvorge om de punt van een van de halve haarvaten tot de gewenste diameter (20-80 μm) te snijden. Voor grotere diameters kunt u een keramische tegel gebruiken. Voor water in olie-emulsies, maak de buitenkant van de tip hydrofoob.
    4. Gebruik de andere helft capillair als collector capillair. Om dit te doen, knipt u de getrokken punt zodat de oorspronkelijke platte uiteinden worden hersteld.
    5. Knip de twee ronde haarvaten af tot ongeveer 4-5 cm lang (houd ze korter dan de dia). Reinig ze om eventuele resten die tijdens het snijproces ontstaan te verwijderen. Spoel ze met gedeïoniseerd water met een spuit. Droog ze aan de lucht.
    6. Lijm het vierkante capillair op de dia's (zie figuur 7B). Centreer het niet ten opzichte van de dia's; de verbinding van de dia's mag zich niet in het weergavegebied bevinden. Leg een schar (om verspreiding te voorkomen) van bijna uitgeharde epoxy op de uiteinden.
    7. Plaats de punt en de collectorcapillairen in het vierkante capillair. Plaats beide uiteinden - punt en één uiteinde van de collector - op dezelfde dia om de verbinding tussen de dia's te vermijden (zie figuur 7C). De afstand tussen de punt en de collector is ongeveer 2 mm. Gebruik een microscoop om deze afstand te meten.
      OPMERKING: Deze afstand is afhankelijk van de techniek die u gebruikt om de vloeistoffen te verpompen. Het uiteindelijke doel is om een afstand van ongeveer 1 mm te hebben tussen de punt en de vloeistof tegenelektrode.
    8. Zodra de haarvaten op de juiste afstand zijn, lijmt u ze met een klodder epoxy op de glijbaan. Pas op dat u het interessegebied niet bedekt met epoxy, omdat dit de visualisatie in de microscoop moeilijk zou maken.
  3. Om verbindingen met de open uiteinden van de haarvaten te fabriceren, plaatst u naalden die deze uiteinden bedekken. Vier naalden per apparaat zijn vereist.
    1. Gebruik een scheermesje of een scalpel om de basis van de naalden te snijden zodat ze over de haarvaten passen. Maak een rond gat aan de basis van de naald om een naald aan het einde van de ronde haarvaten te passen.
    2. Om het aan het einde van het vierkante capillair te passen, maakt u ronde en vierkante gaten aan de basis van de naald om dit gewricht te huisvesten. Zorg ervoor dat beide gaten zijn uitgelijnd, zodat ronde en vierkante haarvaten in de naald kunnen worden aangebracht.
    3. Spoel de naalden met water om stof en vezels van het snijden te verwijderen. Droog ze aan de lucht.
  4. Lijm de naalden. Volg de stappen in 1.5.2. Laat de epoxy een nacht uitharden voordat u het apparaat op lekken test.
  5. Volg de onderstaande stappen om het apparaat op lekken te testen.
    1. Sluit twee van de naalden met behulp van een gebogen stuk buis dat wordt vastgehouden door een bindmiddelclip. Pomp gedeïoniseerd water door een van de naalden en gebruik de laatste als uitgang. Gebruik een spuit en de bijbehorende naald om handmatig water in het apparaat te pompen.
    2. Als er geen lekken worden waargenomen, pomp dan door de volgende naald. Herhaal het proces totdat het water door alle vier de naalden is. Als er een lek wordt gevonden, droogt u het apparaat grondig af, brengt u epoxy aan en wacht u ten minste 1 uur voordat u opnieuw test.
  6. Vul het apparaat zoals hieronder beschreven en verwijder luchtbellen omdat deze ongewenste oscillaties in het systeem kunnen veroorzaken. Gebruik twee half gevulde spuiten met gedeïoniseerd water om bubbels te verwijderen. Duw en trek aan de spuiten om de lucht die in de naalden en haarvaten gevangen zit uit het apparaat te leiden.
    1. Bereid spuiten voor met de vloeistoffen die in het experiment moeten worden gebruikt. Verwijder eventuele bubbels uit de spuiten zoals hierboven beschreven. Sluit een stuk slang aan op de naald van de spuit en vul deze met de vloeistof die alle lucht verwijdert.
    2. Om de slang op het apparaat aan te sluiten, verwijdert u de slang die wordt gebruikt voor het testen van een van de naalden van het apparaat en pompt u water met behulp van een van de aangesloten waterspuiten, zodat de naald water druppelt.
    3. Laat tegelijkertijd de slang druppelen met de gewenste vloeistof. Omdat beide uiteinden druipen, wordt er bij aansluiting geen lucht ingebracht. Herhaal dit proces met de andere twee spuiten, zodat de enige vrije naald in het apparaat de uitgang is.
  7. Sluit de binnenste vloeistofspuit (gedispergeerde fase) aan op naald 1, de buitenste vloeistof (continue fase) op naald 2 en de collectorvloeistof (tegenelektrode) op naald 4. Naald 3 is de uitgang (zie figuur 8).
  8. Sluit de voeding aan op de naalden die de binnenste en collectorvloeistoffen voeden (naalden 1 en 4 in figuur 8) om een potentiaalverschil tussen de punt en de collectorvloeistof in te stellen.
    OPMERKING: Omdat de naald metallisch is en in contact komt met deze geleidende vloeistoffen, fungeren ze als vloeistofdraden die het potentiaalverschil tussen de punt en de collectormeniscus bepalen. Voor de genoemde apparaatafmetingen zal het potentiaalverschil variëren tussen 0 en 2,5 kV.
  9. Pomp de vloeistoffen op een van de twee mogelijke manieren, afhankelijk van de laboratoriumapparatuur: gebruik hogedrukspuitpompen die het debiet van de vloeistoffen fixeren of gebruik drukbussen die de druk van de vloeistoffen fixeren.
  10. Zodra een van deze methoden is gekozen, bevestigt u de buitenste en binnenste stroomsnelheden op de gewenste waarden en past u het debiet (of de druk) van de vloeistofcollector aan om de afstand, L, constant te houden (zie figuur 9).

figure-protocol-6
Figuur 7: Hoe de haarvaten stap voor stap op een elektro-coflow-apparaat te plaatsen. (A) Het bouwen van de glazen basis voor het apparaat dat twee microscoopglaasjes verbindt. De gekleurde delen zijn de gesneden stukjes glas die na het lijmen de twee microscoopglaasjes bij elkaar houden. (B) De optimale positie van het vierkante capillair op twee geassembleerde microscoopglaasjes. (C) Positionering van de ronde haarvaten voor elektro-coflow-experimenten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-7
Figuur 8: Elektro-coflow-apparaat. (A) Foto van een elektro-coflow-apparaat. (B) Schets van een elektro-coflow-apparaat. De nummers geven de ingang aan voor (1) de binnenste vloeistof, (2) de buitenste vloeistof, (3) de uitgang van het apparaat en (4) de vloeistofcollector/grond. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-8
Figuur 9: Afbeelding van de tip en vloeistof tegenelektrode tijdens een elektro-coflow-experiment. De tip-collector afstand, L, is gemarkeerd. De schaalbalk komt overeen met 100 μm. Microscoopvergroting is 4x. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

4. Reinigingsprocedures

  1. Bewaar de haarvaten en microscoopglijden in aceton om al het stof en de olie te verwijderen. Elk oliedeeltje of stof kan de uiteinden ter grootte van een micron verstoppen. Controleer de tips voor klompen na elke stap tijdens de fabricage met een 4x tot 20x vergrotingsmicroscoop voor tipmaten tussen 10 en 100 μm.
  2. Pomp gedeïoniseerd water voor gebruik door de slang. Gebruik een spuit en een naald en pomp het water handmatig om te voorkomen dat ongewenste deeltjes van binnenuit de buis in het apparaat terechtkomen en de punt verstoppen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

In dit manuscript zijn drie verschillende apparaten ontworpen om druppels te genereren. We hebben druppels gegenereerd met een grootte van (3,29 ± 0,08) mm (figuur 4B) en (1,75 ± 0,04) mm (figuur 4C) met behulp van het apparaat dat wordt beschreven in stap 1. De emulsiedruppels kunnen worden gegenereerd met behulp van de coflow- en de elektro-coflow-apparaten. Voor de laatste tonen we druppelen in figuur 9, terwijl kegelstraal- en z...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Het protocol om drie verschillende op glas gebaseerde apparaten te fabriceren is hierboven beschreven. In het geval van het apparaat om eenvoudige druppels te genereren, zijn het debiet en de vloeistofeigenschappen cruciaal om druppels op een gecontroleerde manier te genereren. Druppels vormen zich aan de punt in het druipregime of aan het einde van de straal in het straalregime. De overgang van druipen naar jetting wordt geparametriseerd door het dimensieloze Weber-getal, We23. Dit getal vertegen...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

We zijn dankbaar voor de ACS PRF (subsidie 60302-UR9), Agrobio S.L. (contract #311325) en MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE (subsidienr. PID2021-122369NB-I00).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
2-[methoxy(polyethyleneoxy)6-9propyl] trimethoxysilane.GelestSIM6492.7
KeramtegelSutterCTS
EthyleenglycolFisherBP230Deze zijn te vinden bij andere bedrijven zoals Sigma-Aldrich
HexaanSigma- Aldrich34859Beschikbaar bij andere leveranciers
ITW Polymers Adhesives Devcon 5 Minute Epoxy Adhesive 25 mL Dev-TubeEllsworth lijmsoorten470740
MicroforgeNarishigeMF 830
Micropipet aantrekkerSutterP97
MicroscoopglaasjesFisher12-544-1Beschikbaar bij andere leveranciers
Naald 20 Gauge,.0255" ID,.0355" OD, 1/2" LangMcMaster75165A677
SDSSigma-aldrich428015Tensioactieve stof
Silicone olieClearcoPSF-10cStHet catalogusnummer komt overeen met de olie met een viscositeit van 10cSt. Verschillende viscositeitsoliën zijn te vinden bij dit bedrijf
Span 80FisherS0060500Gniet-ionogene oppervlakteactieve stof
Vierkante glazen capillair 2 mm ID (borosiliclaat 300 of 600 mm lang)VitroComS 102
Standaard glazen capillairen, 6 inch, 2 / 1.12 OD/IDWorld Precision instruments1B200-6Deze zijn te vinden bij andere bedrijven zoals Sutter of Vitrocom
SpuitpompChemyxFUSION 100-XDit model heeft een goede prijs/kwaliteit verhouding
Spuiten (het zal afhangen van de compatibiliteit met de vloeistoffen)FisherHet catalogusnummer hangt af van de maat
Trimethoxy(octyl)silaanSigma- Aldrich376221Beschikbaar bij andere leveranciers
Buis (het zal afhangen van de compatibiliteit met de vloeistoffen)Scientific commoditiesBB3165-PE/5Deze referentie is voor polyethyleen microbuisjes. De maat past bij de hier vermelde naaldmaat

Referenties

  1. 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).
  2. Squires, T. M., Quake, S. R. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Reviews of Modern Physics. 77 (3), 977-1026 (2005).
  3. 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).
  4. Gunther, A., Jensen, K. F. Multiphase microfluidics: from flow characteristics to chemical and materials synthesis. Lab on a Chip. 6, 1487-1503 (2006).
  5. Barrero, A., Loscertales, I. G. Micro- and Nanoparticles via Capillary Flows. Annual Review of Fluid Mechanics. 39, 89-106 (2007).
  6. Clift, R., Grace, J. R., Weber, M. E. Bubbles, Drops, and Particles. , Dover Pubs. USA. (2005).
  7. Othmer, K. Encyclopedia of Chemical Technology. 4th edition. 9, John Wiley and sons. (1994).
  8. Kentish, S., et al. The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 9 (2), 170-175 (2008).
  9. 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).
  10. Atencia, J., Beebe, D. J. Controlled microfluidic interfaces. Nature. 437, 648-655 (2005).
  11. 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).
  12. Utada, A. S., et al. Monodisperse Double Emulsions Generated from a Microcapillary Device. Science. 308 (5721), 537-541 (2005).
  13. 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).
  14. Shah, R. K., et al. Designer emulsions using microfluidics. Materials Today. 11 (4), 18-27 (2008).
  15. 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).
  16. Gundabala, V. R., Vilanova, N., Fernández-Nieves, A. Current-voltage characteristic of electrospray processes in microfluidics. Physical Review Letters. 105 (15), 154503(2010).
  17. Guerrero, J., Rivero, J., Gundabala, V. R., Perez-Saborid, M., Fernández-Nieves, A. Whipping of electrified liquid jets. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (38), 13763-13767 (2014).
  18. Vilanova, N., Gundabala, V. R., Fernandez-Nieves, A. Drop size control in electro-coflow. Applied Physics Letters. 99 (2), 021910(2011).
  19. Cloupeau, M., Prunet-Foch, B. Electrostatic spraying of liquids: Main functioning modes. Journal of Electrostatics. 25 (2), 165-184 (1990).
  20. Jaworek, A., Krupa, A. Main modes of electrohydrodynamic spraying of liquids. Third International Conference on Multiphase Flow ICMF. , (1998).
  21. Juraschek, R., Röllgen, F. W. Pulsation phenomena during electrospray ionization. International Journal of Mass Spectrometry. 177 (1), 1-15 (1998).
  22. Guerrero, J., et al. Emission modes in electro co-flow. Physics of Fluids. 31 (8), 082009(2019).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Temiz, U., Öztürk, E. Encapsulation methods and use in animal nutrition. Selcuk Journal of Agricultural and Food Sciences. 32 (3), 624-631 (2018).
  30. Messelink, G. J., et al. Approaches to conserving natural enemy populations in greenhouse crops: current methods and future prospects. BioControl. 59, 377-393 (2014).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Cohen, A. C. Insect diets: Science and technology. Second edition. , Taylor & Francis Group, CRC Press. (2015).
  37. 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).
  38. Shang, L., Cheng, Y., Zhao, Y. Emerging droplet microfluidics. Chemical Reviews. 117 (12), 7964-8040 (2017).
  39. Christopher, G. F., Anna, S. L. Microfluidic methods for generating continuous droplet streams. Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (19), 319(2007).
  40. 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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Glazen microfluidicaemulsiedruppelsdruppelgeneratiecoflow apparaatelektro coflowhydrofobe oppervlakkenspuitenpompcapillaire uitlijningflow focusingmonodisperse emulsies

Gerelateerde artikelen