Методы микрофлюидного изготовления для тестирования высокого давления микромасштабного сверхкритического CO2 foam Transport в раздробленных нетрадиционных резервуарах
2 июля 2020 г.
В настоящем документе описывается протокол наряду с сравнительным исследованием двух методов микрофлюидного изготовления, а именно фотолитографии/мокрых травления/тепло-связей и селективного лазерного офорта (SLE), которые подходят для условий высокого давления. Эти методы позволяют платформам для прямого наблюдения за потоком жидкости в суррогатных проницаемых средствах массовой информации и раздробленных системах в условиях резервуара.
Этот протокол представляет если недисциплинарные совместные усилия между Университетом Канзаса и Университетом Вайоминга. У нас была потребность в тестировании наших запатентованных полиэлектролитных сложных наночастиц с использованием микрофлюиды высокого давления. И она начала совместную работу между нашей исследовательской группой и исследовательской группой доктора Арьяны, чтобы воспользоваться его самыми большими возможностями.
Мы хотели бы отметить NSF для финансирования части этого проекта, и поблагодарить третичной или программы восстановления для обеспечения своих объектов и поддержки, необходимой для этого проекта. Кроме того, эта работа была частично поддержана CMCUF и Центром исследований энергетических границ, финансируемым Министерством энергетики. Этот протокол и его применение для суррогатной сложных проницаемых средств массовой информации и их высокого давления условиях, является результатом сотрудничества между двумя исследовательскими группами один из Университета Вайоминга, а другой из Университета Канзаса.
Этот протокол детали, процедура изготовления для надежной микрофлюидной платформы в отсутствие чистых помещений объектов. Эта платформа обеспечивает прямую визуализацию потока в сложных геометриях в условиях высокого давления. Описанный метод может быть использован для возрастных сложных сетей каналов в стеклянных субстратах, которые имитируют структуры из подземных средств массовой информации и выдерживают условия высокого давления, переживаемые при использовании и хранении CO2.
Этот метод может быть использован для получения информации о перекрестках и транспортировке сложных жидкостей в непроницаемых средствах массовой информации в контексте CCUS. При выполнении этого протокола пациенты и крайняя осторожность необходимы, чтобы свести к минимуму риск физических травм и сбоев в процессе изготовления. Визуальная демонстрация этого метода обеспечивает эффективную коммуникацию шагов, которые имеют решающее значение в его успешном выполнении.
Начните с заливки достаточного количества хромированного травления раствора в стакан и нагрева его примерно до 40 градусов по Цельсию. Затем поместите маску прямо на стороне борозиликатного субстрата, который покрыт хромом и фото сопротивляться. Перенесите геометрический узор в слой сопротивления фото, обнажив стопку подложки и маски до ультрафиолетового света.
Снимите фотомойку и подложку со сцены УФ-излучения, затем удалите фотомысоку и погрузите подложку и решение разработчика примерно на 40 секунд. Каскад промыть субстрат, течет деионизированной воды на верхней части субстрата и на всех его поверхностях, по крайней мере три раза. После того, как субстрат высохнет, погрузите его в разогретый хромированный офорт в течение примерно 40 секунд, тем самым переведя рисунок с фото сопротивляться хромированному слою.
Удалить субстрат из раствора, каскад промыть его деионизированной водой и дать ему высохнуть. С помощью кисти нанесите несколько слоев HMDS на неразкрытое лицо субстрата и дайте ему высохнуть. Нанесите один слой фото сопротивляться на верхней части грунтовкой, а затем поместить субстрат в духовку при температуре от 60 до 90 градусов по Цельсию в течение 30 до 40 минут.
После этого оставьте подложку узора в вытравленном растворе на заранее определенное количество времени, основываясь на желаемых глубинах канала. Снимите субстрат с офорта, используя устойчивую к растворителям пару пинцетов и каскад прополощите его деионизированной водой. Выставить субстрат на раствор NMP, разогретый до 65 градусов по Цельсию в течение примерно 30 минут, чтобы удалить фото сопротивляться.
Каскад промыть его ацетоном следуют этанола и деионизированной воды. Поместите чистый субстрат в хромированный охант и нагреваемый примерно до 40 градусов по Цельсию в течение примерно одной минуты. Затем характеризуйте глубину канала с помощью лазерного сканирования, конфокальцной микроскопии.
Отметь положение входных и торговых отверстий на пустом подложку борозиликата, выровняв крышку пластины с выгравированным субстратом. Используйте микро абразивный пескоструйной и 50 микрометровый оксид алюминия микро пескоструйной средства для взрыва через отверстия в отмеченных местах. Каскад промыть как травленный субстрат и крышка пластины с деионизированной водой.
Затем довести от одного до четырех перекиси водорода серной кислоты пираньи раствор до кипения и погрузить субстрат и крышку пластины в растворе в течение 10 минут. После полоскания подложки и крышки пластины, погрузить их в буфер etchant в течение 30 до 40 секунд и промыть их снова. Затем погрузите субстрат и накройте пластину в течение 10 минут в шесть-один к одному воде, перекись водорода, раствор соляной кислоты, который нагревается примерно до 75 градусов по Цельсию.
Нажмите субстрат и накройте пластину плотно друг против друга во время погружения затем удалить их из раствора, каскад промыть их и погрузить их в деионизированной воде. Убедитесь, что субстрат и крышка пластины прочно прикреплены друг к другу, прижимать их друг к другу и тщательно удалить их из воды. Выровняйте подложку и тщательно накройте пластину, пока они погружены в воду DI, и повторите процедуру до тех пор, пока между ними не будут наблюдаться пузырьки воздуха.
Поместите стек субстраты между двумя гладкими 1,5 два сантиметра толщиной стеклянные керамические пластины для склеивания. Поместите стеклянные керамические пластины между двумя металлическими пластинами из сплава x. Убедившись, что стеклянные и керамический металлический держатель по центру.
Рука затяните орехи и поместите держатель в вакуумную камеру в течение 60 минут при примерно 100 градусах по Цельсию. Затем вынюхив держатель из камеры и аккуратно затяните гайки. Поместите держатель внутри печи и выполните программу отопления в соответствии с рукописными указаниями.
Снимите термически склеенные микрофлюидные устройства из печи и промойте его водой. Затем ванна sonicate его в соляной кислоты в течение одного часа. Заполните баки углекислого газа и водяных насосов достаточным количеством жидкости для эксперимента и используйте шприц, чтобы заполнить накопитель рассола и потоковых линий с раствором сурфактанта.
Поместите насыщенное микрофлюидное устройство в держатель, устойчивый к давлению, и соедините входные и торговые порты с соответствующими линиями с помощью труб внутреннего диаметра 0,01 дюйма. Увеличьте температуру циркулирующей ванны, которая контролирует температуру линий рассола и углекислого газа до нужной температуры. Увеличьте давление спины и давление рассола насоса одновременно в постепенных шагов при сохранении непрерывного потока из розетки регулятора давления спины.
Увеличьте давление до 7,38 мега Паскаль и остановить насосы. Увеличьте давление линии двуокиси углерода до давления выше 7,38 мега Паскаль затем открыть клапан двуокиси углерода и позволить супер критический углекислый газ смешивается с высоким давлением сурфактант решение течь через рядный смеситель и генерировать пену. Подождите, пока поток полностью разработан внутри устройства и каналы насыщены, мониторинг розетки для начала пены поколения.
Включите камеру, чтобы запечатлеть подробные изображения потока внутри каналов. Транспортировка и стабильность пены двуокиси углерода в микрофлюидное устройство УФ-литографии, в течение первых 20 минут генерации и изоляции показано здесь. Многофаза двигалась по микротрещинам, и пена образовалась в результате микротрещин.
Пена была создана в селективном лазерном индуцированном микрофлюидном устройстве, начиная от состояния окружающей среды без потока до полностью развитой, супер критической пены двуокиси углерода при высоких и низких скоростях потока. Распределение и стабильность пены были изображены в условиях водохранилища в течение первых 20 минут генерации и изоляции. Распределение диаметров пузырьков определялось с помощью изображения J.Квантификация микроструктуры пены, выполненная с использованием необработанных изображений, изображений, обработанных после, и их бинаризованных эквивалентов.
При попытке этого практического, важно тщательно изучить шаблон на хромированном слое под желтым светом, чтобы обеспечить правильность передачи желаемого узора. Вариации этих методов включают высокое давление впрыска масла, полимерных растворов и низкой солености рассолы развивать понимание физики потока сложных жидкостей через прямую визуализацию.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной работе описан протокол, а также проведено сравнительное исследование двух техник микроfluidics, подходящих для условий высокого давления. Эти техники позволяют наблюдать за прямым движением жидкости в заменяющих средах с проницаемостью и разломанных системах в условиях резеруара.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Микроfluidics
- Системы с высоким давлением
- Динамика жидкостей
Предыстория
- Сотрудничество между Университетом Канзаса и Университетом Вайоминга.
- Разработка протокола для испытания наночастиц комплексов полиэлектролитов.
- Использование современных объектов для микроfluidics с высоким давлением.
- Поддержка проекта со стороны NSF и DOE.
Цель исследования
- Сравнение техник микроfluidics.
- Возможность испытаний в условиях высокого давления.
- Обеспечение прямого наблюдения за движением жидкостей в сложных средах.
Используемые методы
- Фотолитография
- Мокрый травление
- Термическое связывание
- Селективное лазерное травление (SLE)
Основные результаты
- Сравнение двух техник микроfluidics.
- Демонстрация их применимости в условиях высокого давления.
- Представление о поведении движения жидкостей в заменяющих средах с проницаемостью.
- Создание рамок для совместных исследований в будущем.
Выводы
- Исследование предоставляет ценные протоколы для микроfluidics с высоким давлением.
- Обе техники показывают перспективы для будущих приложений в исследованиях динамики жидкостей.
- Сотрудничество улучшает возможности обеих исследовательских групп.
Частые вопросы
Executive Industry Relevance
This work addresses a critical gap in microfluidic platform capabilities by enabling direct visualization of multiphase flow under high-pressure and high-temperature conditions relevant to subsurface reservoirs. The described fabrication techniques provide a pathway for biopharma R&D teams to develop robust lab-on-chip systems for studying complex fluid behavior in surrogate permeable media, supporting mechanistic de-risking in early discovery and assay development workflows. By establishing protocols for chemically and physically resistant microfluidic devices, the study enhances predictive confidence in modeling transport phenomena that inform target validation and preclinical decision-making.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through direct observation of fluid-structure interactions in complex geometries under physiologically relevant pressure conditions.
- Operational Value: Supports biological de-risking by providing reproducible platforms for functional target validation in surrogate systems that mimic in vivo microenvironments.
- Predictive Value: Enhances portfolio triage by generating quantitative data on foam stability and transport dynamics that inform lead identification and mechanistic de-risking.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows by enabling high-resolution observation of multiphase flow at 10 µm resolution, critical for assay standardization.
- Operational Value: Addresses assay reproducibility and scalability through fabrication techniques that yield chemically resistant devices tolerant of extreme conditions, supporting reliable compound evaluation.
- Platform Reuse: Highlights scalability and platform reuse potential, as both photolithography/wet-etching and SLE techniques produce devices suitable for repeated high-pressure testing cycles.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Discusses disease relevance and translational biomarker alignment by linking scCO2 foam behavior observations to enhanced oil recovery processes, offering a proxy for studying complex fluid transport in heterogeneous media.
- Risk-Adjusted Advancement: Describes continuity from discovery through preclinical validation by establishing protocols that withstand reservoir-like conditions, enabling risk-adjusted decisions in preclinical model selection.
- Mechanistic De-risking: Focuses on predictive de-risking value when applied mechanistically, as the method clarifies pathway-level interactions in fractured systems under controlled variables.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from Early Discovery through Lead Identification to Preclinical work, supporting hypothesis testing, assay readiness, and quantitative analytics that inform translational continuity and enterprise reuse.
- Discovery Biology: Explains how the method supports hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking by enabling direct visualization of complex fluid interactions in surrogate permeable media under high pressure.
- Screening: Describes assay readiness, reproducibility, and quantitative outputs through the use of high-resolution monochromatic sensors and image-based analysis of foam microstructure and stability.
- Analytics: Highlights measurements, readouts, and statistical outputs such as bubble diameter distribution via ImageJ, enabling teams to compare conditions and assess foam generation under varying flow rates.
- Translational Research: Connects the method to preclinical continuity by linking observed scCO2 foam transport to reservoir-scale processes, supporting biomarker alignment in studies of fluid recovery from unconventional formations.
- Enterprise Reuse: Frames the method as a reusable capability rather than a single-use technique, as both fabrication pathways yield devices capable of withstanding repeated high-pressure and thermal cycling.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence, target validation, reduction of mechanistic ambiguity in multiphase flow studies.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of microfluidic platforms for high-pressure applications.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk through early-stage mechanistic insights.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on quantitative transport data generated under reservoir-mimicking conditions.
Implementation Considerations
- Required scientific expertise in microfluidic fabrication, photolithography, wet-etching, and thermal bonding processes.
- Instrumentation and analytical infrastructure needs including UV exposure systems, etching solutions, pressure-resistant holders, and high-resolution imaging systems.
- Cross-team standardization requirements for protocol execution across multidisciplinary teams involving chemistry, engineering, and imaging specialists.
- Adaptation considerations across model systems, noting that while optimized for glass substrates and scCO2 foam, the techniques may require modification for soft biological materials or aqueous-based assays.
- Practical limitations supported by source material: photolithography/wet-etching enables complex channel networks challenging for laser etching, but both techniques require careful handling of hazardous chemicals such as piranha solution and NMP during fabrication.
