Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Поколение под контролем размер поли (этиленгликоля) Diacrylate каплями через Semi-3-мерной потока упором Microfluidic приборы

7.2K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/57198

⸱

3 июля 2018 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
1Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, 2The State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Tsinghua University

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы представляем протокол для иллюстрации процессы изготовления и проверки экспериментов semi-three-dimensional (полу 3D) потока упором microfluidic чип для формирования капли.

Аннотация

Форма и размер controllable поли (этиленгликоля) diacrylate (PEGDA) капельки могут производиться через поток упором процесса в microfluidic устройство. Этот документ предлагает semi-three-dimensional (полу 3D) потока упором microfluidic чип для формирования капли. Полидиметилсилоксан (PDMS) чип было изготовлено с использованием метода многослойных мягкой литографии. Гексадекан, содержащих ПАВ был использован в качестве непрерывной фазой, и PEGDA с ультрафиолетовой (УФ) Фото инициатор был дисперсной фазы. ПАВ позволили местным поверхностное натяжение отказаться и сформировал более арочных подсказка, которая содействует взлома крошечные микро капельки. Как постоянное давление дисперсной фазы, размер капель стало меньше с увеличением давления непрерывной фазой до дисперсной фазы, которые потока была break off. В результате капель с изменением размер от 1 мкм до 80 мкм в диаметре может быть выборочно достигнуто путем изменения коэффициента давления в двух подводящих каналов, и средний коэффициент вариации оценивался ниже 7%. Кроме того капель может превратиться в микро бусы, УФ-облучения для фото полимеризации. Спрягать биомолекул на такой поверхности микро бусины имеют много потенциальных применений в областях биологии и химии.

Введение

На основе капелька microfluidic системы имеют возможность капельки высоко монодисперсных от нанометр до микрометра диаметр круга1 и провести большой потенциал в высок объём наркотиков открытие2, синтез биомолекул3 ,4и диагностическое тестирование5. Из-за уникальные преимущества мелких капель, например большей площади поверхности соотношение объема и крупномасштабных приложений с потребления несколько микролитров образца технология привлекла большой интерес в широкий спектр областей. Эмульгирование двух несмешивающихся жидкостей является одним из наиболее типичных методов для создания дроплета. В предыдущих докладах, в поле исследователи разработали целый ряд различных капелька формирования геометрии, включая т-образного перекрестка, поток упором и совместно течет геометрии. В т-образного геометрии дисперсной фазы доставляется через канала перпендикулярная в основной канал, в котором непрерывной фазой течет6,7. В типичных двухмерный (2D) потока упор8,9 геометрии дисперсной фазы потока состригается с боковой; и для совместного течет геометрии10,11, с другой стороны, капиллярные, представляя дисперсной фазы потока помещается co аксиально внутри больше капилляров для совместного геометрия, таким образом, чтобы поток дисперсной фазы состригается с все направления.

Размер капли контролируется, регулируя каналов потока и размер оценить соотношение, и минимальный размер производимых совместно течет или т-образного ограничен до десятков микрометров. Для потока упором капелька формирования системы, три режима капелька распада образуют регулируя отношение давления двухфазных и концентрации ПАВ, включая капает режима, кумулятивного режима и потокового подсказка-15. Режим потоковой передачи подсказка называется также формирование потока и появление тонких, что нить, растягивая из кончик конуса дисперсной фазы потока будет соблюдаться. Предыдущие исследования показали капельки меньше, чем несколько микрометров могут создаваться Хотя чаевые потоковое процесс в 2D или полу 3D потока упором устройство8,12. Однако, как водный раствор, содержащий очень низкой концентрации PEGDA был использован в качестве дисперсной фазы, усадка PEGDA частиц составляло около 60% оригинальных капель диаметром после фото полимеризации, при PEGDA без разбавления как дисперсной фазы привели к нестабильной потокового Подсказка режиме12. Межфазное натяжение является важным параметром эмульсии процесса и он будет уменьшаться за счет добавления ПАВ в непрерывной фазой жидкость, ведущих к снижению размера капли, выше частоты генерации13, сильно изогнутый кончик, и предотвращения нестабильности14. Кроме того когда массовая концентрация ПАВ намного выше, чем концентрация критических мицеллы, межфазного натяжения приблизительно неизменна в насыщенное состояние13 и режим потоковой передачи подсказка может произойти15.

На основании вышеизложенного, в настоящем документе, мы разработали снисходительный подход для PEGDA капельки поколения с помощью полу 3D потока упором microfluidic устройства, изготовленные методом многослойной мягкой литографии. Отличается от типичных 2D упором потока устройства, полу 3D потока упором устройство имеет мелкой дисперсной фазы канал и канал глубоко непрерывной фазой, так что дисперсной фазы может быть состригается с вверх и вниз рядом с боковым. Это обеспечивает более широкий диапазон регулировки потока упор режиме путем уменьшения энергии и давление, необходимое для распада капли. В отличие от предыдущего доклада12, дисперсной фазы является чисто PEGDAcontaining фото инициатор, убедившись, что коэффициент усадки PEGDA частиц меньше, чем 10%16; и непрерывной фазой является смесь гексадекан, растворяя с высокой насыпной концентрации неионогенных ПАВ на основе силикона. Размер контролируемый и единой капли были произведены путем корректировки давления соотношение двух фаз. Диаметр капель изменяется от 80 мкм до 1 мкм, как капельки распада обрабатывает изменения от кумулятивного режима режим потоковой передачи подсказка. Кроме того был синтезирован PEGDA частиц через процесс фото полимеризации в УФ-облучения. Капелька поколения microfluidic системы с легкостью изготовления будет предоставлять больше возможностей для биологических приложений.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. форма изготовление

  1. Дизайн два фотошаблонов, с использованием графического программного обеспечения. Описывают контур микроканальные структуры и использовать два отдельных слоев для маска 1 и 2 в том же файле чертежа, поэтому убедитесь, все соединения между различными каналами. Печать различных слоев самостоятельно хром пластины на стекле поставщиком с разрешением 1 мкм. Убедитесь, что фотошаблонов темные с прозрачной разработанные структуры, как отрицательной полярности.
    Примечание: Маска 1 содержит дисперсной фазы входного канала и отверстия. Маска 2 содержит входной канал непрерывной фазой, фильтр и розетки.
  2. В лаборатории места для фотолитографии чистые 3-дюймовый диаметр кремниевой пластины. Поместите пластины на спин coater, включите вакуум, чтобы прикрепить вафельные для вращения патрона. Спин пальто 2-3 мл Су-8 2025 негативного фоторезиста на вафельные для 10 s при 1000 об/мин, затем 30 s при 3000 об/мин, обеспечивая первый слой толщиной 20 мкм.
  3. Мягкие Выпекать на 95 ° C плитой для 6 мин. После того, как покрытые вафельной остынет до комнатной температуры (RT), разоблачить его через маску 1 под коллимированных 15 МВт/см2, 365 Нм УФ 18 s. после облучения, выпекать на 95 ° C плитой для 6 мин, а затем позволить вафельные остыть до RT.
  4. Повторите процесс спин покрытие. Применять 2-3 мл Су-8 2100 негативного фоторезиста на вафельные для 10 s при 1000 об/мин, затем 30 s при 2000 об/мин, обеспечивая второй слой толщиной 130 мкм. После мягкой пекут на 95 ° C плитой для 35 мин, место маска 2 на втором слое фоторезиста выставить на 30 s, который был согласован с уровень канала дисперсной фазы УФ каппу. После экспозиции, выпекать на 95 ° C плитой для 7 мин.
  5. Разработка вафля, погружая в перемешиваемой бат 50 мл пропиленгликоля эфире Метилацетат, до тех пор, пока функции стало ясно на пластины, а затем промойте его с этиловым спиртом. Наконец место пластины на платформе термостатический-выпечки 2 h.

2. полу 3D потока упором Microfluidic чип изготовление

  1. PDMS смесь мономера и его отвердителя в соотношении различный вес верхней и нижних слоев, как правило 10:1 для верхнего слоя и 8:1 для нижнего слоя, используя автоматическое мазь агитатор на 4 мин.
    Примечание: Верхней и нижней плиты PDMS готовят в соотношении немного отличается (10:1 и 8:1 соответственно) PDMS базы отвердителя, повышение прочности склеивания. При соотношении 5:1 выбирается для нижнего слоя, жестче снизу PDMS плиты затрудняет выравнивание и уменьшает прочность сцепления из-за отсутствия гибкости. Кроме того толщина плиты PDMS нижней — около 1 мм для адаптации рабочее расстояние микроскопа. Чип легко деформируется под высоким давлением, когда выбирается в соотношении 15:1.
  2. Вылейте смесь в завершенных кремний плесень в чашке Петри 90 мм и обеспечивают толщиной 2 ~ 3 мм. Поместите его в вакуумной камере и Дега до тех пор, пока все воздушные пузырьки исчезают. Лечение при 80 ° C для 1 h в духовке.
  3. Разрешить PDMS остыть до использования RT. скальпель сократить по крайней мере 3 мм от особенностей устройства и медленно слезает PDMS слой из кремниевой пластины. Пунш входе дисперсной фазы, непрерывной фазой входе и выходе в верхнем слое PDMS с помощью удар диаметром 0,75 мм.
  4. Очистите PDMS с клейкой лентой, чтобы удалить частицы пыли. Плазмы относиться к верхней и нижней PDMS слои одновременно в течение 2 мин в плазме 300 W очиститель. Поместите верхний слой на нижней поверхности слоя и вставьте поверхности относительно до особенностей выравниваются просмотра через стерео Микроскоп.
  5. Вылечить устройство в духовке при температуре 120 ° C на один день для повышения прочности и завершить связь.

3. реагенты подготовка

  1. Для приготовления раствора непрерывной фазы: гексадекан, растворяя 18% vol на силиконовой основе неионогенных ПАВ.
  2. Приготовляют раствор дисперсной фазы: гидрофильные поли (этиленгликоля) diacrylate (PEGDA, 255 МВт) содержащий 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (98%, 224 МВт) в концентрации 5 мг/мл как фото инициатора и (B) родамин 95%, 479.01 МВт) в концентрации 1 ммоль/Л как флуоресцентных красителей.
  3. Заполните 1 мл водохранилищ Пневматический контроллер с непрерывной фазой. Заполните кончик 200 мкл гель загрузки с дисперсной фазы.

4. система подготовки

  1. Место полу 3D microfluidic устройство на сцене инвертированным оптическим микроскопом, Просмотр с помощью высокоскоростной камеры.
  2. Подключите фторированные этилена пропилена (FEP) трубка к вырубные непрерывной фазой, прикрепив короткой трубки из нержавеющей стали, затем вставьте конец кончик загрузки гель в вырубные дисперсной фазы. Вставьте в розетку в устройстве 20-см Длина трубки FEP и поместите конец в 15 мл пластиковых пробирок.
    Примечание: Конфигурация системы проиллюстрирована на рисунке 1.

5. капельки формирования

  1. Поместите устройство на верстаке инвертированным микроскопом и убедитесь, что перекрестка различных каналов расположен примерно в положение источника света микроскопа. Фокус инвертированным микроскопом на область, содержащую пересечение двух фаз, регионе отверстия и ниже по течению канала.
  2. Значение давления в два этапа с использованием Пневматический контроллер для доставки жидкости медленно в пересекающихся регион с 15 мбар для дисперсной фазы и 30 мбар для непрерывной фазой. Подождите 3 минуты для стабилизации и уравновешивания до стабильного потока жидкости, перевозящих не пузыри и остатков PDMS.
  3. Входные параметры в пользовательском интерфейсе управления программного обеспечения. Давление дисперсной фазы как базового уровня давления системы константа, например, поддерживать его на 45 мбар. Увеличение давления непрерывной фазой, до тех пор, пока режим распада эмульсии изменяется от струйного кончик потоковое режим, а затем подождать 5 минут для стабилизации.
  4. Поместите конец трубки FEP, соединяющий выход отверстие для пластиковых пробирок для сбора капель.

6. PEGDA частицы коллекции и характеристика

  1. Исправьте пластиковых пробирок наискось в арматуре. Получите PEGDA частиц через быстрое затвердевание УФ облучения при жидкой фазы потока в трубе.
  2. При завершении процесса сбора, образец и наблюдать PEGDA частиц через флуоресцентный микроскоп с 20 X или 60 X объектов соответственно.
    Примечание. Цифровые люминесцентные изображения, захваченные камерой анализируются рутинные специализированного программного обеспечения. Изображение является первым Деконволюция, основанный на R-L алгоритм17 чтобы устранить размытие эффект вне фокусировки света, и сферы, которую объектов на изображении извлекаются на основе метода обнаружения Canny края; Наконец диаметр каждого объекта сфере могут быть рассчитаны с использованием преобразования Хафа18. В результате среднее и стандартное отклонение диаметров сфере объектов в каждом изображении может быть оценена.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Полу 3D чип потока упором microfluidic было изготовлено с использованием методов многослойных мягкой литографии, как описано выше. Процесс изготовления и результаты для главной формы в protocolare, показан на рисунке 2. Первый слой, который обеспечивает широкий канал 65 мкм для введения дисперсной фазы и 50 мкм широкие отверстия(рис. 2), является 20 микрон в толщину. Добавление 130 мкм толщина слоя используется д...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Была разработана ранее поколение капель в режиме фокусировки потока с использованием 2D и полу 3D microfluidic устройства в различных докладах8,9,15,19,20, 21. В этих системах водный жидкость, которая не может быть затвердевших был выбран как дисперсной фазы, например деионизированной воды8,

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Эта работа была поддержана Шэньчжэнь фундаментальных исследований (Грант № финансирования JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 и JCYJ20160317152359560). Авторы хотели бы поблагодарить профессора ю. Чэнь в Шэньчжэнь институты передовых технологий, Китайская академия наук для опоры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Кремниевые пластиныHuashi Co., Ltd
SU-8 2025, 2100Microchem Co.
разработчик СУ-8Microchem Co.
Хромовая маскаQingyi Precision Mask Making Co., Ltd
полидиметилсилоксан (PDMS)Dow CorningSylgard 184
поли(этиленгликоль) диакрилат (PEGDA)Sigma26570-48-9
2-гидрокси-40-(2-гидроксиэтокси)-2-метилпропиофенонTCIH1361-5Gфотоинициатор
ГексадеканSigma544-76- 3
ABIL EM 90CHT144243-53-8поверхностно-активные вещества
Родамин BАладдин81-88-9флуоресцентный краситель
Spin Coater
Литографическая машина
Автоматическая мешалка для мазейThinkyARV-310
ДуховкаBluePard
Оптический микроскопOLYMPUSIX71
Высокоскоростная камераHamamatsu, ЯпонияORCA-вспышка
MAESFLO Микрофлюидная система управления жидкостьюFLUIGENTMFCS-EZ
УФ-лампаFUTANSI365 нм УФ-свет, 8000 МВт/СМ >< 2< >
Y111069Y020100

Ссылки

  1. Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab on a chip. 8, 198-220 (2008).
  2. Xiao, Q., et al. Novel multifunctional NaYF4:Er3+,Yb3+/PEGDA hybrid microspheres: NIR-light-activated photopolymerization and drug delivery. Chemical communications. 49, 1527-1529 (2013).
  3. Pan, M., Kim, M., Blauch, L., Tang, S. K. Y. Surface-functionalizable amphiphilic nanoparticles for pickering emulsions with designer fluid-fluid interfaces. RSC Adv. 6, 39926-39932 (2016).
  4. Zhang, L., et al. Microfluidic synthesis of rigid nanovesicles for hydrophilic reagents delivery. Angewandte Chemie. 54, 3952-3956 (2015).
  5. Shembekar, N., Chaipan, C., Utharala, R., Merten, C. A. Droplet-based microfluidics in drug discovery, transcriptomics and high-throughput molecular genetics. Lab on a chip. 16, 1314-1331 (2016).
  6. Soh, G. Y., Yeoh, G. H., Timchenko, V. Numerical investigation on the velocity fields during droplet formation in a microfluidic T-junction. Chemical Engineering Science. 139, 99-108 (2016).
  7. Chiarello, E., Derzsi, L., Pierno, M., Mistura, G., Piccin, E. Generation of Oil Droplets in a Non-Newtonian Liquid Using a Microfluidic T-Junction. Micromachines. 6, 1825-1835 (2015).
  8. Moyle, T. M., Walker, L. M., Anna, S. L. Controlling thread formation during tipstreaming through an active feedback control loop. Lab on a chip. 13, 4534-4541 (2013).
  9. Moon, B. U., Abbasi, N., Jones, S. G., Hwang, D. K., Tsai, S. S. Water-in-Water Droplets by Passive Microfluidic Flow Focusing. Analytical chemistry. 88, 3982-3989 (2016).
  10. Zhu, P., Tang, X., Wang, L. Droplet generation in co-flow microfluidic channels with vibration. Microfluidics and Nanofluidics. , 20(2016).
  11. Kim, S. H., Kim, B. Controlled formation of double-emulsion drops in sudden expansion channels. Journal of colloid and interface science. 415, 26-31 (2014).
  12. Jeong, W. C., et al. Controlled generation of submicron emulsion droplets via highly stable tip-streaming mode in microfluidic devices. Lab on a chip. 12, 1446-1453 (2012).
  13. Peng, L., Yang, M., Guo, S. S., Liu, W., Zhao, X. Z. The effect of interfacial tension on droplet formation in flow-focusing microfluidic device. Biomedical microdevices. 13, 559-564 (2011).
  14. Nunes, J. K., Tsai, S. S., Wan, J., Stone, H. A. Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis. J Phys D Appl Phys. , 46(2013).
  15. Anna, S. L., Mayer, H. C. Microscale tipstreaming in a microfluidic flow focusing device. Physics of Fluids. 18, 121512(2006).
  16. Liu, H., et al. Microfluidic synthesis of QD-encoded PEGDA microspheres for suspension assay. J. Mater. Chem. B. 4, 482-488 (2016).
  17. Richardson, W. H. Bayesian-based iterative method of image restoration. Journal of the Optical Society of America. 62, 55-59 (1972).
  18. Mukhopadhyay, P., Chaudhuri, B. B. A survey of Hough Transform. Pattern Recognition. 48, 993-1010 (2015).
  19. Ward, T., Faivre, M., Stone, H. A. Drop production and tip-streaming phenomenon in a microfluidic flow-focusing device via an interfacial chemical reaction. Langmuir: the ACS journal of surfaces and colloids. 26, 9233-9239 (2010).
  20. Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels. Applied Physics Letters. 82, 364(2003).
  21. Kim, H., et al. Controlled production of emulsion drops using an electric field in a flow-focusing microfluidic device. Applied Physics Letters. 91, 133106(2007).
  22. Dangla, R., Gallaire, F., Baroud, C. N. Microchannel deformations due to solvent-induced PDMS swelling. Lab on a chip. 10, 2972-2978 (2010).
  23. Chiu, Y. J., et al. Universally applicable three-dimensional hydrodynamic microfluidic flow focusing. Lab on a chip. 13, 1803-1809 (2013).
  24. Oh, K. W., Lee, K., Ahn, B., Furlani, E. P. Design of pressure-driven microfluidic networks using electric circuit analogy. Lab on a chip. 12, 515-545 (2012).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Поколение под контролем размер поли (этиленгликоля) Diacrylate каплями через Semi-3-мерной потока упором Microfluidic приборы
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.