Name: Urządzenia na bazie szkła do generowania kropli i emulsji (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-04-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 45 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania szklanych urządzeń mikrofluidycznych do generowania stabilnych emulsji o kontrolowanej wielkości kropli. Protokół jest dostępny dla osób bez doświadczenia i znajduje zastosowanie w rolnictwie oraz przemyśle kosmetycznym i spożywczym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Jesteśmy wdzięczni ACS PRF (grant 60302-UR9), Agrobio S.L. (umowa #311325), oraz MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE (grant No. PID2021-122369NB-I00).

<ol><li>Basaran, O. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Small-scale+free+surface+flows+with+break-up%3A+drop+formation+and+emerging+applications%5BTitle%5D)+AND+%22American+Institute+of+Chemical+Engineers%22%5BJournal%5D)">Small-scale free surface flows with break-up: drop formation and emerging applications.</a> American Institute of Chemical Engineers. 48 (9), 1842-1848 (2004).</li>
<li>Squires, T. M., Quake, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidics%3A+Fluid+physics+at+the+nanoliter+scale%5BTitle%5D)+AND+%22Reviews+of+Modern+Physics%22%5BJournal%5D)">Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale.</a> Reviews of Modern Physics. 77 (3), 977-1026 (2005).</li>
<li>Stone, H. A., Stroock, A. D., Adjari, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+Flows+in+Small+Devices%3A+Microfluidics+Toward+a+Lab-on-a-Chip%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Engineering Flows in Small Devices: Microfluidics Toward a Lab-on-a-Chip.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 36 (1), 381-411 (2004).</li>
<li>Gunther, A., Jensen, K. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphase+microfluidics%3A+from+flow+characteristics+to+chemical+and+materials+synthesis%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Multiphase microfluidics: from flow characteristics to chemical and materials synthesis.</a> Lab on a Chip. 6, 1487-1503 (2006).</li>
<li>Barrero, A., Loscertales, I. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-+and+Nanoparticles+via+Capillary+Flows%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Micro- and Nanoparticles via Capillary Flows.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 39, 89-106 (2007).</li>
<li>Clift, R., Grace, J. R., Weber, M. E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aClift%2C+R+%22Bubbles%2C+Drops%2C+and+Particles%22">Bubbles, Drops, and Particles</a>. , Dover Pubs. USA. (2005).</li>
<li>Othmer, K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aOthmer%2C+K+%22Encyclopedia+of+Chemical+Technology.+4th+edition%22">Encyclopedia of Chemical Technology. 4th edition</a>. 9, John Wiley and sons. (1994).</li>
<li>Kentish, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+use+of+ultrasonics+for+nanoemulsion+preparation%5BTitle%5D)+AND+%22Innovative+Food+Science+%26+Emerging+Technologies%22%5BJournal%5D)">The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation.</a> Innovative Food Science & Emerging Technologies. 9 (2), 170-175 (2008).</li>
<li>Kumar, A., Li, S., Cheng, C. M., Lee, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow-induced+phase+inversion+of+emulsions+in+tapered+microchannels%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Flow-induced phase inversion of emulsions in tapered microchannels.</a> Lab on a Chip. 16 (21), 4173-4180 (2016).</li>
<li>Atencia, J., Beebe, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+microfluidic+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Controlled microfluidic interfaces.</a> Nature. 437, 648-655 (2005).</li>
<li>Garstecki, P., Fuerstman, M. J., Stone, H. A., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+droplets+and+bubbles+in+a+microfluidic+T-junctions+scaling+and+mechanism+of+break-up%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Formation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junctions scaling and mechanism of break-up.</a> Lab on a Chip. 6 (3), 437-446 (2006).</li>
<li>Utada, A. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monodisperse+Double+Emulsions+Generated+from+a+Microcapillary+Device%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Monodisperse Double Emulsions Generated from a Microcapillary Device.</a> Science. 308 (5721), 537-541 (2005).</li>
<li>Gañan-Calvo, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+Steady+Liquid+Microthreads+and+Micron-Sized+Monodisperse+Sprays+in+Gas+Streams%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Generation of Steady Liquid Microthreads and Micron-Sized Monodisperse Sprays in Gas Streams.</a> Physical Review Letters. 80 (2), 285-288 (1998).</li>
<li>Shah, R. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Designer+emulsions+using+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%22%5BJournal%5D)">Designer emulsions using microfluidics.</a> Materials Today. 11 (4), 18-27 (2008).</li>
<li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Disintegration+of+water+drops+in+an+electric+field%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Royal+Society+A%2C+Mathematical%2C+Physical+and+Engineering+Sciences%22%5BJournal%5D)">Disintegration of water drops in an electric field.</a> Proceedings of the Royal Society A, Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 280 (1382), (1964).</li>
<li>Gundabala, V. R., Vilanova, N., Fernández-Nieves, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current-voltage+characteristic+of+electrospray+processes+in+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Current-voltage characteristic of electrospray processes in microfluidics.</a> Physical Review Letters. 105 (15), 154503(2010).</li>
<li>Guerrero, J., Rivero, J., Gundabala, V. R., Perez-Saborid, M., Fernández-Nieves, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whipping+of+electrified+liquid+jets%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Whipping of electrified liquid jets.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (38), 13763-13767 (2014).</li>
<li>Vilanova, N., Gundabala, V. R., Fernandez-Nieves, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop+size+control+in+electro-coflow%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Drop size control in electro-coflow.</a> Applied Physics Letters. 99 (2), 021910(2011).</li>
<li>Cloupeau, M., Prunet-Foch, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrostatic+spraying+of+liquids%3A+Main+functioning+modes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Electrostatics%22%5BJournal%5D)">Electrostatic spraying of liquids: Main functioning modes.</a> Journal of Electrostatics. 25 (2), 165-184 (1990).</li>
<li>Jaworek, A., Krupa, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Main+modes+of+electrohydrodynamic+spraying+of+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Third+International+Conference+on+Multiphase+Flow+ICMF%22%5BJournal%5D)">Main modes of electrohydrodynamic spraying of liquids.</a> Third International Conference on Multiphase Flow ICMF. , (1998).</li>
<li>Juraschek, R., Röllgen, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pulsation+phenomena+during+electrospray+ionization%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Pulsation phenomena during electrospray ionization.</a> International Journal of Mass Spectrometry. 177 (1), 1-15 (1998).</li>
<li>Guerrero, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emission+modes+in+electro+co-flow%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Emission modes in electro co-flow.</a> Physics of Fluids. 31 (8), 082009(2019).</li>
<li>Utada, A. S., Fernández-Nieves, A., Stone, H. A., Weitz, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dripping+to+jetting+transitions+in+coflowing+liquid+streams%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Dripping to jetting transitions in coflowing liquid streams.</a> Physical Review Letters. 99 (9), 094502(2007).</li>
<li>Castro-Hernández, E., Gundabala, V., Fernández-Nieves, A., Gordillo, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scaling+the+drop+size+in+coflow+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22New+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Scaling the drop size in coflow experiments.</a> New Journal of Physics. 11, 075021(2009).</li>
<li>Godfray, H. C. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Food+Security%3A+the+challenge+of+feeding+9+billion+people%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Food Security: the challenge of feeding 9 billion people.</a> Science. 327 (5967), New York, N.Y. 812-818 (2010).</li>
<li>Labbé, R., Gagnier, D., Kostic, A., Shipp, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+function+of+supplemental+foods+for+improved+crop+establishment+of+generalist+predators+Orius+insidiosus+and+Dicyphus+hesperus%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">The function of supplemental foods for improved crop establishment of generalist predators Orius insidiosus and Dicyphus hesperus.</a> Scientific Reports. 8 (1), 17790(2018).</li>
<li>Pilkington, L. J., Messelink, G., van Lenteren, J. C., Le Mottee, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((34%3BProtected+Biological+Control%26%2334%3B+-+Biological+pest+management+in+the+greenhouse+industry%5BTitle%5D)+AND+%22Biological+Control%22%5BJournal%5D)">34;Protected Biological Control&#34; - Biological pest management in the greenhouse industry.</a> Biological Control. 52 (3), 216-220 (2010).</li>
<li>Benson, C. M., Labbe, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exploring+the+Role+of+Supplemental+Foods+for+Improved+Greenhouse+Biological+Control%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+the+Entomological+Society+of+America%22%5BJournal%5D)">Exploring the Role of Supplemental Foods for Improved Greenhouse Biological Control.</a> Annals of the Entomological Society of America. 114 (3), 302-321 (2021).</li>
<li>Temiz, U., Öztürk, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Encapsulation+methods+and+use+in+animal+nutrition%5BTitle%5D)+AND+%22Selcuk+Journal+of+Agricultural+and+Food+Sciences%22%5BJournal%5D)">Encapsulation methods and use in animal nutrition.</a> Selcuk Journal of Agricultural and Food Sciences. 32 (3), 624-631 (2018).</li>
<li>Messelink, G. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Approaches+to+conserving+natural+enemy+populations+in+greenhouse+crops%3A+current+methods+and+future+prospects%5BTitle%5D)+AND+%22BioControl%22%5BJournal%5D)">Approaches to conserving natural enemy populations in greenhouse crops: current methods and future prospects.</a> BioControl. 59, 377-393 (2014).</li>
<li>Muñoz-Cárdenas, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generalist+red+velvet+mite+predator+%28Balaustium+sp.%29+performs+better+on+a+mixed+diet%5BTitle%5D)+AND+%22Experimental+%26+Applied+Acarology%22%5BJournal%5D)">Generalist red velvet mite predator (Balaustium sp.) performs better on a mixed diet.</a> Experimental & Applied Acarology. 62 (1), 19-32 (2014).</li>
<li>van Lenteren, J. C., Bolckmans, K., Köhl, J., Ravensberg, W. J., Urbaneja, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biological+control+using+invertebrates+and+microorganisms%3A+plenty+of+new+opportunities%5BTitle%5D)+AND+%22BioControl%22%5BJournal%5D)">Biological control using invertebrates and microorganisms: plenty of new opportunities.</a> BioControl. 63, 39-59 (2018).</li>
<li>Urbaneja-Bernat, P., Alonso, M., Tena, A., Bolckmans, K., Urbaneja, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sugar+as+nutritional+supplement+for+the+zoophytophagous+predator+Nesidiocoris+tenuis%5BTitle%5D)+AND+%22BioControl%22%5BJournal%5D)">Sugar as nutritional supplement for the zoophytophagous predator Nesidiocoris tenuis.</a> BioControl. 58 (1), 57-64 (2013).</li>
<li>Vila, E., Cabello, T. Biosystems Engineering Applied to Greenhouse Pest Control. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVila%2C+E+%22Biosystems+Engineering%3A+Biofactories+for+Food+Production+in+the+Century+XXI%22">Biosystems Engineering: Biofactories for Food Production in the Century XXI</a>. Guevara-Gonzalez, R., Torres-Pacheco, I. , Springer International Publishing. Switzerland, Cham. (2014).</li>
<li>Riudavets, J., Moerman, E., Vila, E. Implementation of Integrated Pest and Disease Management in Greenhouses: From Research to the Consumer. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRiudavets%2C+J+%22Integrated+Pest+and+Disease+Management+in+Greenhouse+Crops.+Plant+Pathology+in+the+21st+Century%22">Integrated Pest and Disease Management in Greenhouse Crops. Plant Pathology in the 21st Century</a>. LodovicaGullino, M., Albajes, R. C., Nicot, P. , Springer International Publishing. Switzerland, Cham. (2020).</li>
<li>Cohen, A. C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCohen%2C+AC+%22Insect+diets%3A+Science+and+technology.+Second+edition%22">Insect diets: Science and technology. Second edition</a>. , Taylor & Francis Group, CRC Press. (2015).</li>
<li>Sullivan, M. T., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+feedback+in+microfluidic+flow-focusing+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Transactions+of+the+Royal+Society+A%3A+Mathematical%2C+Physical%2C+and+Engineering+Sciences%22%5BJournal%5D)">The role of feedback in microfluidic flow-focusing devices.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. 366 (1873), 2131-2143 (2008).</li>
<li>Shang, L., Cheng, Y., Zhao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emerging+droplet+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Reviews%22%5BJournal%5D)">Emerging droplet microfluidics.</a> Chemical Reviews. 117 (12), 7964-8040 (2017).</li>
<li>Christopher, G. F., Anna, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+methods+for+generating+continuous+droplet+streams%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physics+D%3A+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Microfluidic methods for generating continuous droplet streams.</a> Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (19), 319(2007).</li>
<li>Nunes, J. K., Tsai, S. S., Wan, J., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dripping+and+jetting+in+microfluidic+multiphase+flows+applied+to+particle+and+fiber+synthesis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physics+D%3A+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis.</a> Journal of Physics D: Applied Physics. 46 (11), 114002(2013).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Powyżej opisano protokół wytwarzania trzech różnych urządzeń szklanych. W przypadku urządzenia do generowania prostych kropli kluczowe dla kontrolowanego procesu ich tworzenia są szybkość przepływu oraz właściwości cieczy. Krople będą tworzyć się na końcówce w reżimie kapania lub na końcu strumienia w reżimie strumieniowania. Przejście z kapania do strumieniowania jest parametryzowane przez bezwymiarową liczbę Webera, We23. Liczba ta reprezentuje stosunek sił bezwładności do sił napięcia powierzch...

Kontrolowane generowanie kropli w skali mikro i nanometrów z wąskim rozkładem wielkości jest trudnym zadaniem. Krople te są istotne dla inżynierii materiałów miękkich, znajdujących wiele zastosowań w nauce i technice1,2,3,4,5,6.
Najpowszechniejszymi urządzeniami do wysokowydajnej produkcji kropel są mieszalniki7 oraz emulsyfikatory ultradźwiękowe8. Metody te są proste i tanie, jednak zazwyczaj prowadzą do powstania kropel polidyspersyjnych o szerokim zakresie rozmiarów. W związku z tym, w celu otrzymania próbek monodyspersyjnych, wymagane są dodatkowe etapy. Urządzenia mikrofluidyczne mogą być projektowane w różny sposób, aby zapewnić efektywny sposób formowania kropel. Ponadto zazwyczaj niskie natężenia przepływu (tj. niska liczba Reynoldsa) pozwalają na doskonałą kontrolę nad przepływem cieczy.
Podczas gdy urządzenia mikrofluidyczne są powszechnie wytwarzane za pomocą technik litograficznych z polidimetylosiloksanu (PDMS), niniejsza praca koncentruje się na kapilarnych urządzeniach szklanych. Urządzenia z PDMS są zazwyczaj wybierane ze względu na możliwość projektowania złożonych wzorów kanałów oraz ich skalowalność. Urządzenia szklane są natomiast sztywne i wykazują większą odporność na rozpuszczalniki niż ich odpowiedniki z PDMS. Dodatkowo szkło można modyfikować w celu zmiany jego zwilżalności, co pozwala na kontrolowanie generowania złożonych emulsji. Możliwość niezależnego traktowania dyszy oraz ścianek kanału umożliwia tworzenie kropli w sposób kontrolowany i powtarzalny, zapewniając jednocześnie stabilność otrzymanych emulsji w przypadku kontaktu kropli ze ściankami9; w przeciwnym razie krople mogą koalescować i gromadzić się przy ściance. Inną różnicą między tymi dwoma typami urządzeń jest to, że w urządzeniach szklanych przepływ jest trójwymiarowy, podczas gdy w konwencjonalnych urządzeniach z PDMS jest on płaski. Fakt ten minimalizuje kontakt kropli ze ściankami kanału, dzięki czemu wpływ linii kontaktu można pominąć10, co chroni stabilność wielu kropli emulsji.
<img alt="Schemat dynamiki przepływu cieczy: interakcje cieczy wewnętrznych/zewnętrznych, przepływ wielofazowy, mechanika płynów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63376/63376fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Różne konfiguracje urządzeń mikroprzepływowych. Schematy (A) złącza w kształcie litery T, (B) urządzenia do współpływu oraz (C) urządzenia do ogniskowania przepływu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63376/63376fig01large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Stosuje się trzy główne geometrie: połączenie w kształcie litery T (T-junction)11, ogniskowanie przepływu (flow focusing)12,13 oraz współprąd (coflow)14. W geometrii T-junction faza rozproszona znajdująca się w kanale przecina się prostopadle z kanałem głównym, w którym znajduje się faza ciągła. Naprężenie ścinające wywierane przez fazę ciągłą rozrywa dopływającą ciecz rozproszoną, co prowadzi do powstania kropli. Minimalny rozmiar generowanych kropli jest ograniczony wymiarami kanału głównego11. W geometrii ogniskowania przepływu dwie ciecze są tłoczone przez mały otwór znajdujący się przed rurką wtryskową. Wynikiem jest utworzenie struga, który jest znacznie mniejszy od rurki wtryskowej12,13. Wreszcie geometria współprądu charakteryzuje się konfiguracją opartą na współosiowym przepływie dwóch niemieszalnych cieczy14. Ogólnie, w zależności od warunków pracy, można zaobserwować reżim kroplowania (dripping) oraz reżim strugania (jetting). Reżim kroplowania występuje przy niskich natężeniach przepływu; powstające krople są bardzo monodyspersyjne i mają średnicę proporcjonalną do rozmiaru końcówki. Wadą jest niska częstotliwość produkcji. Reżim strugania występuje przy wyższych natężeniach przepływu w porównaniu do reżimu kroplowania. W tym przypadku średnica kropli jest bezpośrednio proporcjonalna do średnicy struga, która w odpowiednich warunkach może być znacznie mniejsza od średnicy końcówki.
Alternatywą dla tych podejść hydrodynamicznych jest dodatkowe wykorzystanie sił elektrycznych. Elektrospray jest dobrze znaną i powszechnie stosowaną techniką generowania kropel. Opiera się ona na zasadzie, że ciecz o skończonej przewodności elektrycznej ulegnie deformacji w obecności silnego pola elektrycznego. Ciecz ostatecznie przyjmie kształt stożka, co wynika z równowagi między naprężeniami elektrycznymi a napięciem powierzchniowym15. Proces rozpoczyna się od indukowania przez pole elektryczne prądu w cieczy, co powoduje gromadzenie się ładunków na powierzchni. Obecność pola elektrycznego wywołuje siłę elektryczną działającą na te ładunki, która wlecze ciecz za sobą, wydłużając menisk w kierunku pola. W zależności od warunków, menisk może albo odrywać naładowane krople, albo emitować jeden lub kilka strumieni, które następnie rozpadają się na krople15. Choć te wspomagane elektrycznie metody mikroprzepływowe naturalnie pozwalają na generowanie małych kropel, cierpią one z powodu braku pracy w stanie stacjonarnym, co pogarsza monodyspersyjność emulsji. Powstałe naładowane krople mają tendencję do rozładowywania się na ściankach ograniczających i/lub w dowolnym miejscu urządzenia, gdzie potencjał elektryczny jest niższy niż przyłożone napięcie zewnętrzne. W konsekwencji naelektryzowany menisk staje się niestabilny, emitując ostatecznie krople w sposób chaotyczny, co prowadzi do ich niekontrolowanej produkcji i utraty monodyspersyjności.
W metodzie electro-coflow naprężenia elektryczne i hydrodynamiczne są sprzężone w mikrofluidycznym urządzeniu do współprzepływu16, podobnym do tego, które stosuje się do generowania podwójnych emulsji12. Dwie główne cechy pozwalają metodzie electro-coflow skutecznie osiągnąć reżim stacjonarnej emisji: (i) faza rozproszona jest wtryskiwana do innej, współprzepływającej lepkej cieczy oraz (ii) zastosowanie ciekłej przeciwelektrody lub uziemienia. Wykazano, że obecność przepływającej cieczy zewnętrznej zmienia właściwości geometryczne procesu emisji kropli17. Ciekła przeciwelektroda umożliwia rozładowanie i ekstrakcję powstałych kropli, zapewniając ich stacjonarną generację. Ponadto, dzięki wykorzystaniu równowagi sił elektrycznych i hydrodynamicznych, rozmiary powstałych kropli mogą potencjalnie zmieniać się w szerszym zakresie niż w przypadku jakiejkolwiek z wcześniej wspomnianych technik.
Niniejszy szczegółowy protokół wideo ma na celu pomóc nowym praktykom w stosowaniu i wytwarzaniu mikroprzepływów opartych na szkle.

<table><tbody><tr><td>2-[metoksy(polietylenooksy)6-9propylo]trimetoksysilan.</td><td>Gelest</td><td>SIM6492.7</td><td></td></tr><tr><td>Płytka ceramiczna</td><td>Sutter</td><td>CTS</td><td></td></tr><tr><td>Glikol etylenowy</td><td>Fisher</td><td>BP230</td><td>Można je znaleźć w innych firmach, takich jak Sigma-Aldrich</td></tr><tr><td>Hexane</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>34859</td><td>Dostępne u innych dostawców</td></tr><tr><td>ITW Polymers Kleje Devcon 5 minut Klej epoksydowy 25 ml Dev-Tube</td><td>Kleje Ellsworth</td><td>470740</td><td></td></tr><tr><td>Microforge</td><td>Narishige</td><td>MF 830</td><td></td></tr><tr><td>Ściągacz do mikropipet</td><td>Sutter</td><td>P97</td><td></td></tr><tr><td>Szkiełka mikroskopowe</td><td>Fisher</td><td>12-544-1</td><td>Dostępne u innych dostawców</td></tr><tr><td>Igła o rozmiarze 20, .0255" ID, .0355" OD, 1/2" Long</td><td>McMaster</td><td>75165A677</td><td></td></tr><tr><td>SDS</td><td>Sigma-aldrich</td><td>428015</td><td>Silikon powierzchniowo czynny</td></tr><tr><td> olej</td><td>Clearco</td><td>PSF-10cSt</td><td>Numer katalogowy odpowiada olejowi o lepkości 10cSt. W tej firmie można znaleźć oleje o różnej lepkości</td></tr><tr><td>Span 80</td><td>Fisher</td><td>S0060500G</td><td>niejonowy środek powierzchniowo czynny</td></tr><tr><td>Kapilara szklana kwadratowa 2 mm ID (borokrzemian o długości 300 lub 600 mm)</td><td>VitroCom</td><td>S 102</td><td></td></tr><tr><td>Standardowe kapilary szklane, 6 cali, 2 / 1,12 OD/ID</td><td>Świat Instrumenty precyzyjne</td><td>1B200-6</td><td>Można je znaleźć w innych firmach, takich jak Sutter lub Vitrocom</td></tr><tr><td>Pompa</td> <td>strzykawkowaChemyx</td><td>FUSION 100-X</td><td>Ten model ma dobry stosunek jakości do ceny</td></tr><tr><td>Strzykawki (zależy to od kompatybilności z płynami)</td><td>Fisher</td><td></td><td>Numer katalogowy będzie zależał od rozmiaru</td></tr><tr><td>Trimethoxy(oktylo)silan</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>376221</td><td>Dostępne u innych dostawców</td></tr><tr><td>Rurki (będzie to zależeć od kompatybilności z płynami)</td><td>Towary naukowe</td><td>BB3165-PE/5</td><td>To odniesienie dotyczy mikrorurek z polietylenu. Rozmiar pasuje do podanego tutaj rozmiaru igły</td></tr></tbody></table>

urządzenia na bazie szkła do generowania kropli i emulsji

Glass-Based Devices to Generate Drops and Emulsions

W tym manuskrypcie opisane są trzy różne protokoły krok po kroku do generowania wysoce monodyspersyjnych kropli emulsyjnych przy użyciu mikrofluidyki na bazie szkła. Pierwsze urządzenie zbudowane jest do generowania prostych kropli napędzanych grawitacją. Drugie urządzenie przeznaczone jest do generowania kropli emulsji w schemacie współpłynącym. Trzecie urządzenie jest rozszerzeniem urządzenia współprzepływającego z dodatkiem trzeciej cieczy, która działa jak uziemienie elektryczne, umożliwiając tworzenie naelektryzowanych kropli, które następnie rozładowują. W tej konfiguracji dwie z trzech cieczy mają znaczną przewodność elektryczną. Trzecia ciecz pośredniczy między tymi dwoma i jest dielektrykiem. Różnica napięcia przyłożona między dwiema cieczami przewodzącymi tworzy pole elektryczne, które łączy się z naprężeniami hydrodynamicznymi współpłynących cieczy, wpływając na proces tworzenia strumieni i kropli. Dodanie pola elektrycznego zapewnia drogę do generowania mniejszych kropel niż w prostych urządzeniach współprzepływowych oraz do generowania cząstek i włókien o szerokim zakresie rozmiarów.

W niniejszej pracy zaprojektowano trzy różne urządzenia do generowania kropel. Przy użyciu urządzenia opisanego w kroku 1 wygenerowano krople o rozmiarach (3,29 ± 0,08) mm (Rysunek 4B) oraz (1,75 ± 0,04) mm (Rysunek 4C). Krople emulsji można generować przy użyciu urządzeń do współprzepływu (coflow) oraz elektro-współprzepływu (electro-coflow). W przypadku tego drugiego, na Rysunku 9 przedstawiono kropelkowanie (dripping), natomiast ...

Tutaj przedstawiono protokół produkcji urządzeń mikroprzepływowych na bazie szkła, używanych do generowania wysoce monodyspersyjnych emulsji o kontrolowanej wielkości kropli.

Urządzenia na bazie szkła do generowania kropli i emulsji

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

Protokół ten szczegółowo opisuje, jak wytwarzać urządzenia mikroprzepływowe na bazie szkła. Przestrzeganie tego protokołu pozwoli każdemu, kto nie ma doświadczenia, na zbudowanie i używanie tych urządzeń. Za pomocą szkła możemy łatwo przekształcić powierzchnie w hydrofobowe lub hydrofilowe, co sprawia, że urządzenia na bazie szkła są atrakcyjne do generowania stabilnych kropli emulsji.Krople i emulsje mają wiele zastosowań w tak różnych dziedzinach, jak kosmetyka, przemysł spożywczy i dostarczanie leków. W niniejszym manuskrypcie kładziemy nieco większy nacisk na ich zastosowanie w intensywnym rolnictwie. Zalecamy cierpliwość na każdym kroku.Sprawdź również, czy końcówka jest czysta i nie jest złamana. Nie czekaj, aż urządzenie zostanie ukończone, aby je sprawdzić. Do robienia prostych kropli użyj szklanej podstawy wykonanej ze szkiełkiem mikroskopowym, aby zbudować urządzenie.Do końcówki użyj okrągłych szklanych kapilar o średnicy jednego milimetra. Następnie użyj igły strzykawkowej o rozmiarze 20, aby ułatwić wprowadzenie płynu do kapilary. Za pomocą żyletki lub skalpela wytnij otwór równy wielkości zewnętrznej średnicy naczynia włosowatego u podstawy igły.Opłucz igłę wodą, aby usunąć kurz i włókna z cięcia i pozostaw igłę do wyschnięcia na powietrzu. Aby zmontować urządzenie, przyklej okrągłą kapilę do szkiełka mikroskopowego, umieszczając końcówkę kapilary od jednego do dwóch centymetrów poza końcem szkiełka mikroskopowego i dodając odrobinę żywicy epoksydowej na środku kapilary, tak aby nie kolidowała z polem widzenia ani igłą strzykawki. Następnie umieść igłę strzykawki tak, aby koniec kapilary znajdował się na środku igły i umieść niewielką ilość utwardzonej żywicy epoksydowej wokół krawędzi na dole igły.Po kilku minutach nałóż drugą warstwę świeżej żywicy epoksydowej, zakrywając podstawę igły i omijając otwór. Następnie przykryj otwór utwardzoną żywicą epoksydową, aby zapobiec przedostawaniu się żywicy epoksydowej do wnętrza igieł. Aby generować krople, umieść urządzenie w pozycji pionowej za pomocą zacisku tak, aby końcówka była skierowana w dół jak bateria kuchenna.Użyj pompy strzykawkowej lub zestawu napędzanego ciśnieniem, aby wpompować płyn do urządzenia. Do sporządzania kropli emulsji użyj kwadratowej kapilary o długości pięciu centymetrów dla zewnętrznej cieczy i okrągłej kapilary o średnicy jednego milimetra. Upewnij się, że długość okrągłej kapilary jest o kilka centymetrów dłuższa niż kwadratowa kapilara.Dopasuj zewnętrzną średnicę okrągłej kapilary do wewnętrznego rozmiaru kwadratowej kapilary, aby upewnić się, że obie kapilary są wyrównane współosiowo. Następnie, aby zmontować urządzenie, przyklej kwadratową kapilę do szkiełka mikroskopowego, umieszczając końcówkę kapilary od jednego do dwóch centymetrów poza końcem szkiełka mikroskopowego i nakładając odrobinę żywicy epoksydowej na środek kapilary. Poczekaj, aż żywica epoksydowa całkowicie się utwardzi.Następnie wprowadź okrągłą kapilę do kwadratowej kapilary tak, aby koniec okrągłej kapilary na szkiełku znajdował się kilka centymetrów od końca kwadratowej kapilary. Drugi koniec okrągłej kapilary, która znajduje się wewnątrz kwadratowej kapilary, powinien znajdować się w odległości w przybliżeniu równej średnicy okrągłej kapilary od końca kwadratowej kapilary. Przyklej okrągłą kapilę za pomocą odrobiny żywicy epoksydowej w połowie odległości między końcem okrągłej kapilary a początkiem kwadratowej kapilary i poczekaj, aż żywica epoksydowa całkowicie się utwardzi.Aby umieścić kapilarę w podstawie igły, wytnij otwór u podstawy okrągłej nasadki, który jest wielkości zewnętrznej średnicy kapilary. Następnie, aby dopasować drugą igłę do końca kwadratowej kapilary, wytnij okrągły i kwadratowy otwór u podstawy igły, aby pomieścić staw. Po ścięciu opłucz igły wodą i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu.Następnie przyklej je, jak pokazano wcześniej. Aby zbudować urządzenie mikroprzepływowe, wytnij dwa małe kawałki szkiełka i za pomocą żywicy epoksydowej przyklej je do dwóch szkiełek mikroskopowych, aby utrzymać szkiełka razem. Poczekaj, aż żywica epoksydowa całkowicie się utwardzi.Za pomocą rysika diamentowego przytnij kwadratową kapilarnę na długość około czterech centymetrów. Użyj kwadratowej kapilary z wewnętrzną stroną pasującą do zewnętrznej średnicy okrągłej kapilary, aby wyrównać kapilary współosiowo. W tym protokole użyj dwumilimetrowej kapilary bocznej.Następnie za pomocą maszyny do ciągnięcia pipet pociągnij okrągłą kapilę, aby uzyskać dwie połówki naczyń włosowatych z cienką końcówką. Następnie za pomocą mikro kuźni przytnij końcówkę jednej z połówek kapilar do żądanej średnicy. Aby użyć drugiej połowy jako kapilary kolektora, odetnij wyciągniętą końcówkę, aby odzyskać oryginalne płaskie końce.Przyklej kwadratową kapilarnę do szkiełek. Nie umieszczaj kapilary na środku szkiełek, ponieważ połączenia szkiełek nie powinny znajdować się w viewobszar. Następnie umieść końcówkę i kapilarnę kolektora wewnątrz kwadratowej kapilary w odległości około dwóch milimetrów od siebie.Aby uniknąć połączenia, umieść końce zarówno końcówki, jak i kapilar kolektora po tej samej stronie. Aby wykonać połączenia z otwartymi końcami naczyń włosowatych, umieść cztery igły zakrywające te końce i przyklej igły, jak pokazano wcześniej. Aby przetestować urządzenie pod kątem wycieków, zamknij dwie igły za pomocą wygiętego kawałka rurki przytrzymywanego przez klips do segregatora.Następnie za pomocą strzykawki ręcznie pompuj dejonizowaną wodę do urządzenia przez jedną z igieł, używając ostatniej igły jako wyjścia. Jeśli nie zaobserwuje się żadnych wycieków, przepompuj wodę przez następną igłę, powtarzając proces dla wszystkich czterech igieł. Jeśli zostanie znaleziony wyciek, dokładnie wysusz urządzenie, nałóż żywicę epoksydową i odczekaj godzinę przed ponownym testem.Po potwierdzeniu, że nie ma wycieków, napełnij urządzenie eksperymentalną cieczą i usuń pęcherzyki powietrza. Następnie podłącz wewnętrzną strzykawkę z cieczą lub fazą rozproszoną do igły pierwszej, zewnętrzną ciecz lub fazę ciągłą do igły drugiej, a ciecz kolektora lub przeciwelektrodę do igły czwartej. Igła trzecia służy do wyjścia.Na koniec podłącz zasilacz do igieł podających płyny wewnętrzne i kolektorowe, aby ustawić różnicę potencjałów między końcówką a płynem kolektora. W tym badaniu wygenerowano około 3,3 milimetra kropli oleju silikonowego przy użyciu końcówki o średnicy 580 mikrometrów. Krople o średnicy 1,75 milimetra zostały wygenerowane przy użyciu końcówki o średnicy 86 mikrometrów.Dodatkowo krople emulsji były generowane za pomocą urządzeń elektroprzepływowych w trybie kroplowania, strumienia stożkowego i ubijania. W tych wynikach ta sama ciecz jest używana jako ciecz wewnętrzna i kolektorowa. Jeśli jednak celem eksperymentów jest zebranie tych kropli, jako kolektor należy użyć innej cieczy przewodzącej.Uzbrój się w cierpliwość i poczekaj, aż żywica epoksydowa się utwardzili. Jeśli zamoczy się, nigdy nie wyschnie i będziesz musiał ponownie rozpocząć całą procedurę. Wiele emulsji może być generowanych przy użyciu kombinacji skupienia przepływu w serii planowania.Każdy dodatkowy schemat doda powłokę do zrzutu ruchu. Można również użyć sekcji skupiających przepływ.

glass-based-devices-to-generate-drops-and-emulsions

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Mikrofluidyczne platformy kropelkowe są obiecującymi narzędziami do eksperymentów wysokoprzepustowych, ponieważ umożliwiają one niskokosztowe generowanie piko-litrowych, samoczynnie odseparowanych komór z częstotliwością rzędu kHz. Dzięki integracji z szybkimi, czułymi i wysokorozdzielczymi metodami spektroskopii fluorescencyjnej, duże ilości informacji generowanych w tych systemach mogą być efektywnie wydobywane, przetwarzane i wykorzystywane.

Metody detekcji fluorescencyjnej dla mikroprzepływowych platform kroplkowych

Wpływ kropli płynów nienewtonowskich jest złożonym procesem, ponieważ różne parametry fizyczne wpływają na dynamikę w bardzo krótkim czasie (mniej niż jedna dziesiąta milisekundy). Wprowadzono technikę szybkiego obrazowania w celu scharakteryzowania zachowań zderzeniowych różnych płynów nienewtonowskich.

Technika szybkiego obrazowania do badania dynamiki uderzeń kropli płynów nienewtonowskich

Mikroprzepływowe wytwarzanie podwójnych emulsji zazwyczaj obejmuje urządzenia o wzorzystej zwilżalności lub specjalnie wykonane elementy szklane. W tym miejscu opisujemy wytwarzanie i testowanie generatora podwójnej emulsji z polidimetylosiloksanu (PDMS), który nie wymaga obróbki powierzchni ani skomplikowanych procesów produkcyjnych i jest w stanie wytwarzać podwójne emulsje do 14 μm.

Podwójne wytwarzanie emulsji przy użyciu współosiowego urządzenia do ustawiania ostrości przepływu z polidimetylosiloksanu (PDMS)

Tutaj demonstrujemy prostą metodę produkcji mikrokropelek o kontrolowanej wielkości, monodyspersyjnych, typu woda w oleju (W/O) za pomocą kapilarnego odśrodkowego urządzenia mikroprzepływowego. Metoda ta wymaga jedynie niewielkiej objętości próbki i umożliwia produkcję o wysokiej wydajności. Spodziewamy się, że ta metoda będzie przydatna do szybkich analiz biochemicznych i komórkowych.

Kapilarne odśrodkowe urządzenie mikroprzepływowe do formowania mikrokropel monodyspersyjnych o kontrolowanej wielkości

Montaż i ustawienie wrzeciona mitotycznego zależy od połączonych sił generowanych przez dynamikę mikrotubul, białka motoryczne i sieciery. Tutaj przedstawiamy nasze ostatnio opracowane metody, w których geometryczne uwięzienie sferycznych kropelek emulsji jest wykorzystywane do odtworzenia od dołu do góry podstawowych wrzecion mitotycznych.

Rekonstytucja podstawowych wrzecion mitotycznych w sferycznych kropelkach emulsji

Systemy reakcji typu lab-in-a-drop pozwalają na wszechstronne przeprowadzanie złożonych reakcji w skali mikroprzepływowej. Opracowano zautomatyzowaną platformę uruchamiającą składającą się z matrycy cewek elektromagnetycznych o wymiarach 3 x 3, która z powodzeniem została wykorzystana do połączenia dwóch mikroreaktorów o pojemności 10 μl, a tym samym zainicjowania reakcji enzymatycznej w powstałych płynnych kulkach.

Kropelki wodne stosowane jako mikroreaktory enzymatyczne i ich elektromagnetyczne uruchamianie

Tutaj prezentujemy protokół ilustrujący procesy produkcji i eksperymenty weryfikacyjne pół-trójwymiarowego (pół-3D) mikroprzepływowego chipa skupiającego przepływ do tworzenia kropel.

Wytwarzanie kropelek diakrylanu z poli(glikolu etylenowego) o kontrolowanej wielkości za pomocą pół-3-wymiarowych urządzeń mikroprzepływowych z ogniskowaniem przepływu

Wykazano, że urządzenie do współprzepływu z inwersją faz generuje monodyspersyjne kropelki o wysokiej lepkości powyżej 1 Pas, co jest trudne do zrealizowania w mikroprzepływach kropelkowych.

Wytwarzanie kropelek o wysokiej lepkości za pomocą mikroprzepływowego urządzenia kapilarnego ze strukturą współprzepływu z inwersją faz

Ogólnym celem protokołu jest przygotowanie ponad miliona uporządkowanych, jednolitych, stabilnych i biokompatybilnych kropel femtolitru na płaskim podłożu o powierzchni 1cm2, który może być użyty do syntezy białek bez komórek.

Femtolitrowa matryca kropelkowa do masowo równoległej syntezy białek z pojedynczych cząsteczek DNA

Testy kropelek wody w oleju są przydatne do chemii analitycznej, ewolucji enzymów i analizy pojedynczych komórek, ale zazwyczaj wymagają mikrofluidyki do formowania kropel. W tym miejscu opisujemy emulgację z szablonami cząstek, bezprzepływowe podejście do wykonywania testów kropelkowych.

Emulgacja szablonowa cząstek umożliwia oznaczanie kropel bez mikroprzepływowości

Ten artykuł opisuje protokoły wysokoprzepustowej produkcji mikrożelu żelowego z żelatyny metakryloylowej za pomocą urządzeń mikroprzepływowych, przekształcania mikrożeli w proszek do resuspensable (mikroaerożele), chemicznego łączenia mikrożeli w celu utworzenia granulowanych rusztowań hydrożelowych oraz opracowywania granulowanych biotuszy hydrożelowych o zachowanej mikroporowatości do biodruku 3D.

Rusztowania hydrożelowe żelatynowo-metakryloilowe granulowane: wysokoprzepustowa produkcja mikrożeli, liofilizacja, montaż chemiczny i biodruk 3D

Poznaj metodę wytwarzania szklanych urządzeń mikrofluidycznych do generowania stabilnych emulsji o kontrolowanej wielkości kropli. Protokół jest dostępny dla osób bez doświadczenia i znajduje zastosowanie w rolnictwie oraz przemyśle kosmetycznym i spożywczym.

Urządzenia na bazie szkła do generowania kropli i emulsji

Przeglądaj więcej filmów