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Engineering

Größe-gesteuerte Poly (Ethylenglycol) Diacrylate Tröpfchen über Semi-3-dimensionale fließen mit Schwerpunkt mikrofluidischen Geräte-Generation

Published: July 3, 2018 doi: 10.3791/57198
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1,2
1Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, 2The State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Tsinghua University

Summary

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll um die Fertigungsprozesse und Überprüfung Experimente eines semi-three-dimensional (halb-3D) Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Chips für Tropfenbildung zu veranschaulichen.

Abstract

Einheitliche und Größe-steuerbare Poly (Ethylenglycol) Diacrylate (PEGDA) Tröpfchen könnte über den Fluss mit Schwerpunkt Prozess in einem mikrofluidischen Gerät hergestellt werden. Dieses Dokument schlägt einen semi-three-dimensional (halb-3D) Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Chip für Tropfenbildung. Polydimethylsiloxan (PDMS) Chip wurde hergestellt unter Verwendung der mehrschichtigen weiche Lithographie-Methode. Hexadecan mit Tensid diente als die kontinuierliche Phase, und PEGDA mit dem ultravioletten (UV) Foto-Initiator war der dispersen Phase. Tenside erlaubt die lokale Oberflächenspannung zu fallen und eine mehr Spitzer Spitze, die gefördert, Einbruch in winzigen Mikro-Tröpfchen, gebildet. Da der Druck der dispersen Phase konstant war, wurde die Größe der Tröpfchen kleiner mit zunehmendem dauerphase Druck vor der dispergierten Phase, die Strömung abgebrochen wurde. Infolgedessen Tröpfchen mit Variation der Größe von 1 µm bis 80 µm im Durchmesser durch eine Änderung der Druckverhältnisse in beiden zulaufkanäle gezielt erreicht werden konnte, und der mittlere Variationskoeffizient wurde von unter 7 % geschätzt. Darüber hinaus könnte Tröpfchen durch UV-Bestrahlung für Foto-Polymerisation in Mikro-Perlen verwandeln. Konjugation von Biomolekülen auf solche Mikro-Perlen-Oberfläche haben viele Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Biologie und Chemie.

Introduction

Tröpfchen-basierte mikrofluidischen Systemen haben die Fähigkeit zu produzieren hoch monodispersen Tropfen aus Nanometer bis Mikrometer Durchmesser Bereich1 und halten großes Potenzial im Hochdurchsatz-Drug Discovery2, Synthese von Biomolekülen3 ,4, und die Diagnose Test5. Aufgrund der einzigartigen Vorteile der kleineren Tröpfchen, wie die größere Fläche zum Volumenverhältnis und Großanwendungen mit verbraucht wenige Mikroliter der Probe hat die Technologie großes Interesse in den unterschiedlichsten Bereichen angezogen. Die Emulgierung von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten ist eines der typischsten Methoden, um Tropfen zu erzeugen. Forscher haben in früheren Berichten im Bereich eine Vielzahl von verschiedenen Tropfen Bildung Geometrien, einschließlich der t-Kreuzung, Fluss-Fokussierung und Co fließenden Geometrien entwickelt. In der t-Kreuzung-Geometrie ist die dispersen Phase durch einen senkrechten Kanal in den Hauptkanal, geliefert in der kontinuierliche Phase6,7fließt. In der typischen zweidimensionale (2D) Fluss-Fokus8,9 Geometrie ist der dispersen Phase Flow aus den seitlichen geschoren; und für die Co fließende Geometrie10,11, auf der anderen Seite eine Kapillare, die Einführung der dispersen Phase Flow befindet sich co-Axial innerhalb einer größeren Kapillare für Co fließende Geometrie, so dass der dispersen Phase Flow von geschert ist alle Richtungen.

Die Tropfengröße ist durch Anpassung Kanal Größe und Flow Rate Ratio kontrolliert, und die Mindestgröße von Co fließt oder t-Kreuzung produziert beschränkt sich auf Dutzende von Mikrometern. Für Flow-Fokussierung Tröpfchen Bildung System bilden drei Modi der Tröpfchen Trennung durch das Druckverhältnis der zwei-Phasen-Anpassung und Tensid Konzentration, einschließlich das Nachtropfen Regime sprühvolumen Regime und der Tipp-Streaming-15. Tipp-Streaming-Modus nennt man auch Fadenbildung und das Aussehen einer dünnen der Faden Herausziehen von dispersen Phase Flow Kegelspitze beobachtet werden. Frühere Studien haben gezeigt, Tröpfchen weniger als wenige Mikrometer können erzeugt werden, obwohl Tipp-Streaming-Prozess in 2D oder halb-3D Fluss-Fokus Gerät8,12. Jedoch wie eine wässrige Lösung mit einer sehr geringen Konzentration von PEGDA als der dispersen Phase diente, die Schrumpfung Verhältnis der PEGDA Partikel war etwa 60 % der ursprünglichen Tröpfchen im Durchmesser nach Foto-Polymerisation, während PEGDA ohne Verdünnung als die dispergierte Phase führte zu instabilen Tipp-Streaming-Modus12. Grenzflächenspannung ist ein wichtiger Parameter der Emulsion Prozess und es wird durch die Zugabe des Tensids in die kontinuierliche Phase Flüssigkeit, führt zur Abnahme der Tropfengröße, höhere Erzeugung Frequenz13, stark gewölbte Tip zu verringern und Instabilität14zu verhindern. Außerdem, wenn die Masse Tensid Konzentration viel höher als die kritische Micelle-Konzentration ist, die Grenzflächenspannung ist ungefähr unveränderlich in den gesättigten Zustand13 und Tipp-Streaming-Modus kann15auftreten.

Basierend auf die obigen Beobachtungen in diesem Papier haben wir einen einfachen Ansatz für PEGDA-Tröpfchen-Generation mit einem halb-3D Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Gerät, hergestellt von mehrschichtigen weiche Lithographie Methode entwickelt. Anders als die typischen 2D Fluss-Fokus Gerät, hat das halb-3D Fluss-Fokussierung Gerät eine flache dispergierte Phase und einem tief dauerphase-Kanal, damit die dispersen Phase von rauf und runter neben Lateral geschert werden kann. Dies bietet größeren Verstellbereich für Flow-Fokus-Modus durch die Reduzierung der Energie- und Druckbedarf für Tröpfchen Zerfall. Anders als bei den vorherigen Bericht12, die dispersen Phase ist reine PEGDAcontaining Foto-Initiator, darauf achten, dass die Schrumpfung Verhältnis der PEGDA Partikel weniger als 10 %16; und die kontinuierliche Phase ist die Mischung von Hexadecan auflösen mit ein hohes Volumen Konzentration von der Silikon-basierten nichtionische Tenside. Größe-steuerbare und einheitliche Tröpfchen entstanden durch Anpassung der Druckverhältnis aus zwei Phasen. Der Durchmesser der Tröpfchen wechselt von 80 µm bis 1 µm als Tröpfchen Trennung Änderungen vom sprühvolumen Modus Tipp-Streaming-Modus verarbeitet. Darüber hinaus wurde das PEGDA Teilchen durch Foto-Polymerisation unter UV-Bestrahlung synthetisiert. Die Tröpfchen Generation mikrofluidischen System mit Leichtigkeit der Herstellung bieten mehr Möglichkeiten für Anwendungen in der Biologie.

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Protocol

1. Schimmel Fertigung

  1. Zwei Fotomasken mit einer Zeichnung Software zu entwerfen. Beschreiben Sie die Umrisse der Microchannel Struktur zu und verwenden Sie zwei separate Ebenen für Maske 1 und 2 in der gleichen Zeichnung, also gewährleisten Sie alle Verbindungen zwischen verschiedenen Kanälen zu. Verschiedene Ebenen unabhängig voneinander um Chrom-Platte auf dem Glas von einem Anbieter mit 1 µm Auflösung zu drucken. Sicherstellen Sie, dass die Fotomasken dunkel mit transparent gestaltete Strukturen als ein negativer Polarität.
    Hinweis: Die Maske 1 enthält die dispergierte Phase Einlasskanal und eine Öffnung. Die Maske 2 enthält die dauerphase Einlasskanal, den Filter und die Steckdose.
  2. Reinigen Sie in ausgewiesenen Photolithographie Labor einen 3-Zoll-Durchmesser-Silizium-Wafer. Legen Sie die Wafer auf eine Spin Coater, schalten Sie das Vakuum den Wafer zum Spin Futter anzubringen. Spin-Mantel 2-3 mL von SU-8 2025 negativer Photoresist auf dem Wafer für 10 s bei 1.000 u/min, dann 30 s bei 3.000 u/min, Bereitstellung der ersten Schichtdicke von 20 µm.
  3. Weiche Backen auf einer Herdplatte 95 ° C für 6 min. Nachdem die beschichtete Wafer auf Raumtemperatur (RT) abgekühlt, setzen Sie es über die Maske 1 unter einem kollimierten 15 mW/cm2, 365 nm UV für 18 S. Post-Exposition auf eine Herdplatte 95 ° C für 6 min. Backen, dann die Wafer auf RT abkühlen lassen
  4. Wiederholen Sie die Spin-Coating-Verfahren. Anwenden von 2-3 mL von SU-8 2100 negativer Photoresist auf dem Wafer für 10 s bei 1.000 u/min, dann 30 s bei 2.000 u/min, bietet der zweite Schichtdicke von 130 µm. Nach weiche Backen auf einer Herdplatte 95 ° C für 35 min, legen Sie die Maske 2 auf der zweiten Schicht Photoresist aussetzen für 30 s, die mit der dispersen Phase-Kanal-Ebene durch eine UV-Aligner ausgerichtet war. Post-Exposition, auf einer Herdplatte 95 ° C für 7 min backen.
  5. Den Wafer durch Eintauchen in einem gerührten Bad 50 ml von Propylenglykol Methyl Äther Acetat bis Funktionen auf dem Wafer klar, dann waschen Sie es mit Spiritus zu entwickeln. Schließlich legen Sie die Wafer auf die thermostatischen Plattform zum Backen für 2 h.

2. halb-3D Flow-Fokussierung Mikrofluidik-Chip Fabrication

  1. Mix-PDMS Monomer und seine Härtemittel in einem etwas anderen Gewichtsverhältnis für die oberen und die unteren Schichten, in der Regel 10:1 für die oberste Schicht, und 8:1 für die Unterschicht verwenden automatische Salbe Rührwerk für 4 min.
    Hinweis: Die oberen und unteren PDMS-Platten sind bereit, in ein etwas anderes Verhältnis (10:1 und 8:1 bzw.) der PDMS-Basis zum Härtemittel, Verbesserung der Haftfestigkeit. Beim 5:1 Verhältnis für die Unterschicht gewählt wird, die steifere Bodenplatte PDMS Ausrichtung erschwert und Haftfestigkeit aufgrund mangelnder Flexibilität reduziert. Darüber hinaus ist die Dicke der Bodenplatte PDMS ca. 1 mm für die Anpassung des Arbeitsabstand des Mikroskops. Der Chip verformt sich leicht unter hohem Druck bei 15:1-Verhältnis gewählt wird.
  2. Gießen Sie die Mischung in die fertige Silikon-Form in einer 90-mm-Petrischale und bieten eine Dicke von 2 ~ 3 mm. Legen Sie sie in einer Vakuumkammer und degas bis alle Luftblasen verschwinden. Heilung bei 80 ° C für 1 h im Ofen.
  3. Lassen Sie die PDMS auf RT. Verwendung abkühlen ein Skalpell zum Ausschneiden des Gerätes mindestens 3 mm von den Funktionen und langsam Abziehen der PDMS-Schicht aus dem Siliziumwafer. Lochen Sie die dispergierte Phase Inlet, dauerphase Einlass und Auslass in der PDMS-Deckschicht mit einem 0,75 mm Durchmesser.
  4. Reinigen Sie die PDMS mit Klebeband um Staubpartikel zu entfernen. Plasma Behandlung der oberen und unteren PDMS Schichten gleichzeitig für 2 min in einem 300 W Plasma Reiniger. Die oberste Schicht auf der unteren Ebene Oberfläche und schieben Sie die Oberflächen relativ bis Funktionen ausgerichtet sind durch ein Stereo-Mikroskop betrachten.
  5. Das Gerät in einem Ofen bei 120 ° C für einen Tag zu erhöhen die Festigkeit und vollständige Verklebung zu heilen.

(3) Reagenzien Vorbereitung

  1. Bereiten Sie die Lösung für die kontinuierliche Phase: Hexadecan durch 18 Vol % Silikon basierende nichtionische Tenside lösen.
  2. Bereiten Sie die Lösung der dispersen Phase: hydrophile Poly (Ethylenglycol) Diacrylate (PEGDA, MW 255) mit 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (98 %, MW 224) in einer Konzentration von 5 mg/mL als Foto-Initiator und Rhodamin B () 95 %, MW 479.01) in einer Konzentration von 1 Mmol/L als Fluoreszenz-Farbstoffen.
  3. Die kontinuierliche Phase 1 mL Stauseen der pneumatische Druckregler einfüllen. Füllen Sie 200 µL Gel laden Tipp mit der dispersen Phase.

4. die Systemvorbereitung

  1. Stellen Sie das halb-3D mikrofluidischen Gerät auf der Bühne von einem umgekehrten optischen Mikroskop betrachten mit einer Highspeed-Kamera.
  2. Schließen Sie den fluorierten Ethylen Propylen (FEP) Schlauch an das gestanzte Loch die kontinuierliche Phase durch das Anbringen einer kurzen Edelstahl-Rohr, dann stecken Sie das Ende einer Gel-laden-Spitze in das gestanzte Loch der dispersen Phase. Legen Sie eine 20-cm-Länge von FEP-Schlauch in die Steckdose im Gerät und stecken Sie das Ende in einem 15 mL Zentrifugenröhrchen.
    Hinweis: Die Konfiguration des Systems ist in Abbildung 1dargestellt.

(5) Tröpfchen-Bildung

  1. Stellen Sie das Gerät auf der Werkbank von einem inversen Mikroskop, und stellen Sie sicher, dass die Kreuzung der verschiedenen Kanäle sich etwa in die Position der Lichtquelle des Mikroskops befindet. Konzentrieren Sie die inversen Mikroskop auf eine Region, die zwei-Phasen-Schnittmenge enthält, die Blende-Region und der nachgeschalteten Kanal.
  2. Eingestellte Druck aus zwei Phasen mit pneumatischer Druckregler Flüssigkeit langsam an die sich überschneidenden Region mit 15 Mbar für der dispersen Phase und 30 Mbar für die kontinuierliche Phase liefern. Warten Sie 3 min zur Stabilisierung und Gleichgewichtherstellung bis stabile Strömung tragen keine Luftblasen und PDMS-Rückstände.
  3. Geben Sie die Parameter auf die Benutzeroberfläche der Steuerungssoftware. Stellen Sie den Druck von der dispersen Phase als Basisebene Druck des Systems auf eine Konstante, zum Beispiel, auf 45 Mbar halten. Erhöhen Sie den Druck der kontinuierlichen Phase bis die Emulsion-Trennung-Modus aus jetten in den Tipp-Streaming-Modus geändert wird, dann warten Sie 5 min zur Stabilisierung.
  4. Legen Sie das FEP Rohrende Zentrifugenröhrchen, die Tröpfchen sammeln die Austrittsöffnung herstellen.

6. PEGDA Partikel Auflistung und Charakterisierung

  1. Befestigen Sie die Zentrifugenröhrchen Schraubeinsätze in der Halterung. Erhalten Sie die PEGDA Partikel durch die rasche Erstarrung durch UV-Bestrahlung, wenn Flüssigphase fließen in die Röhre.
  2. Beim Sammeln von Prozess zu schlichten, probieren Sie und beobachten Sie die PEGDA Partikel durch das Fluoreszenz-Mikroskop mit 20 X oder 60 X Objekte bzw..
    Hinweis. Die fluoreszierende Digitalbilder von der Kamera eingefangen werden durch eine maßgeschneiderte Softwareroutine analysiert. Das Bild ist erste Dekonvolution basierend auf R-L-Algorithmus17 , den Effekt von heraus-von-Fokussierung Licht und die Kugel, die Objekte im Bild basierend auf den Canny Rand Nachweismethode extrahiert werden zu beseitigen; zu guter Letzt kann der Durchmesser der einzelnen Kugel mit Hough Transformation18berechnet werden. Infolgedessen, werden Mittelwert und Standardabweichung der Durchmesser der Kugel Objekte in jedem Bild abgeschätzt.

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Representative Results

Der halb-3D Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Chip wurde hergestellt mit mehrschichtigen weiche Lithographie Techniken wie oben beschrieben. Die Fertigung und die Ergebnisse für master-Form in der Protocolare in Abbildung 2dargestellt. Die erste Schicht, die einen 65 µm breiten Kanal bietet für die Einführung der dispersen Phase und einem 50 µm breite Öffnung (Abbildung 2eine), ist 20 µm Dicke. Ein Zusatz 130 µm dicke Schicht dient der kontinuierlichen Phase und Ausgang Kanal (Abbildung 2b). Abbildung 2 c zeigt eine fertige Form. Ein Filter im Zulauf soll der Löcher gestanzt in PDMS Eindringen von Schmutz verhindern. Dies geschieht, um zu überwinden, in der Öffnung (Abb. 2d) verstopfen.

Nach Herstellung der Meister-Schimmel, sind die Casting-Prozess und die Ergebnisse im Protokoll in Abbildung 3dargestellt. Obere und untere Hälfte-Stücke mit gespiegelten Strukturen werden mit PDMS zubereitet. Verwenden einen 0,75 mm Schlag den Einlass und Auslass Bohrlöcher in die oberste Schicht der PDMS. Nach Sauerstoff Plasmabehandlung gleichzeitig die Funktionen des oberen und unteren PDMS Platten mit weniger Ausrichtungsfehler orientieren sich die die Geräteleistung nicht wesentlich beeinträchtigt. Die Länge des ganzen Semi-3D-Gerät ist ca. 5 cm. Wir haben versucht die 10 cm lange Späne den downstream-Kanal hinzufügen. Doch je größer der Chip, desto schwieriger die Ausrichtung aufgrund der zunehmenden Ausrichtung Region verarbeiten. Darüber hinaus erschwert die kürzere Chip (z. B. 2,5 cm lange Chip verwendeten wir) auch Alignment-Prozess wegen des Mangels an Flexibilität.

Das halb-3D Fluss-Fokussierung mikrofluidischen Gerät und der typischen Tropfen Entstehungsprozess sind in Abbildung 4dargestellt. Wegen des Unterschiedes der Schärfentiefe die dispergierte Phase und der kontinuierlichen Phase Kanal dürfte die dispergierte Phase Flow aus allen Richtungen durch die kontinuierliche Phase Flow gequetscht werden. Infolgedessen, symmetrisch konische Flüssigkeit Tipp Formen, Tröpfchen kontinuierlich zu produzieren. Die Größe der Tropfen wird durch das Druckverhältnis von verteilten und kontinuierliche Phasen Strömung verändert. Für unsere Versuche, der Druck der dispersen Phase (PD) ist konstant gehalten als die Basis-Ebene, und dem Druck der kontinuierlichen Phase (P-C) wird geändert, um die Scherkraft, beeinflussen damit die Tröpfchen Trennung Prozesse ändern die Strahlmaschinen Modus in den Tipp-Streaming-Modus, wie in Abbildung 5dargestellt. Die Tröpfchen werden durch Foto-Polymerisation bilden Partikel verfestigt. UV-Exposition polymerisiert das Monomer in den Tröpfchen. Abbildung 6 zeigt die fluoreszierende Bilder von Partikeln mit unterschiedlichen Druckverhältnisse; und Bildanalyse enthüllt die Tröpfchengröße, die in Abhängigkeit von der Druckverhältnisse in Abbildung 7eingeplottet wird. Durch Analogie mit dem Stromkreis Methode24, zeigt die folgende Abbildung 7 bfluidische Ersatzschaltbild. Wir grob berechnet den hydraulischen Widerstand aus drei Teilen: der dispersen Phase Kanal ist 1,26 X 1014Pa • s • m-3 (R3); die Summe der Öffnung und der nachgeschalteten Kanal beträgt 6,08 X 1012Pa • s • m-3 (R4 + R5); die kontinuierliche Phase-Kanal und der Filter sind 2.19 X 1012Pa • s • m-3 (R2) und 1.10 X 1012Pa • s • m-3 (R1). Die Beziehungen zwischen allen hydraulischen Widerstände und Durchflüsse werden angezeigt wie folgt:

Equation 1

Equation 2

Equation 3

PB ist der Druck der Schnittpunkt der beiden Phasen Microchannel. Wenn der Druck der dispersen Phase (PD) auf 45 Mbar gehalten wird, ist das Druckverhältnis entsprechenden Preis Verhältnis konvertiert:

Q-C = 0.8859PC - 1.62891

QD = 2.1302 - 0.0217PC

Die Tropfengröße ist als eine Funktion der Flow Rate Ratio in Abbildung 7 cdargestellt. Die Abbildung zeigt, dass die zunehmende Druckverhältnis (PC / PD) führt zu die Dispergier-Phasen-Strömung wird in der spindlier Spitze und der sinkenden Tropfen geschert. Der Größenbereich der PEGDA Partikel variiert zwischen 1 µm und 80 µm mit einer durchschnittlichen Variationskoeffizienten (CV) unter 7 %. Die kleineren Tröpfchen wurden durch das Fluoreszenz-Mikroskop mit 60 X Objekt beobachtet, so gab es nur ein Dutzend oder so Tröpfchen in der Ansicht des Mikroskops. Darüber hinaus wurden kleinere Tröpfchen etwa zwanzig oder dreißig Pixel im Umkreis. Es war schwer, die Koeffizienten der Varianz der kleinere Tröpfchen zu charakterisieren, und die kleine Basis zu einer ungenauen Berechnung führen würde, so die Lebensläufe der die kleineren Tröpfchen nicht angegeben wurden.

Figure 1
Abbildung 1 : Die Konfiguration des experimentellen System Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Mater Formen für mehrschichtige weiche Lithographie. (a) die Maske 1 für Bildung von 20 µm-Funktionen verwendet. Der Master enthält der dispersen Phase-Kanal und eine Öffnung. (b) die Maske 2, die für die Bildung von 130 µm-Funktionen verwendet. Der Master enthält die kontinuierliche Phase und Ausgang Kanal. (c) monolithischen Master. (d) CAD-Zeichnung und SEM des Filters befindet sich am Eingang, Verstopfung zu verhindern. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: Gießen und Verklebung für PDMS-Mikrofluidik-Chip verarbeitet. (a) schematische Darstellung der Versammlung des Semi-3D-PDMS-Gerät. (b) Strukturen von PDMS Tafel unter SEM(c) monolithischen mikrofluidischen Gerät. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: Eine Illustrative Arbeitsprinzip der halb-3D Fluss-Fokussierung mikrofluidische Systeme. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5 : Eine Illustrative Fluoreszenz-Magier der verschiedenen Tropfen Trennung Prozesse. (d) die sprühvolumen Modus und (e-f) der Tipp-Streaming-Modus. PC ist der Druck der kontinuierlichen Phase und PD ist der Druck der dispersen Phase. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 6
Abbildung 6 . PEGDA Partikel unter verschiedenen Druckverhältnis. Fluoreszenzbilder von Partikeln in verschiedenen Größen und Partikel unter (b) das optische Mikroskop und (c-d) konfokale laser-scanning-Mikroskopie. PC ist der Druck der kontinuierlichen Phase und PD ist der Druck der dispersen Phase. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 7
Abbildung 7 . Tröpfchengröße. (a) entsprechende Größen auf der Grundlage der Druckverhältnisse. Schwarzes Quadrat repräsentiert die tropfengrößenverteilung und die hochgestellten Zahlen sind den entsprechenden Variationskoeffizienten. Kleinere Tröpfchen sind schwer zu charakterisieren die Koeffizienten der Varianz der kleinere Tröpfchen, so dass der Lebenslauf die kleineren Tröpfchen wurden nicht angegeben. (b) Darstellung der fluidische Schaltung. (c) die Beziehung zwischen Größe und Flow Rate Tröpfchen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Die Generation der Tröpfchen in der Fluss-Fokus-Modus mit 2D und halb-3D mikrofluidischen Gerät wurde zuvor in einer Vielzahl von Berichten8,9,15,19,20, 21. In diesen Systemen wurde die wässrige Flüssigkeit, die nicht verfestigt werden könnte als der dispersen Phase, wie z. B. deionisiertes Wasser8,15,20,21, eine wässrige Lösung von Natrium gewählt. Hydroxid-19 und die Bildung von stabilen Tipp-Streaming-Modus braucht die Unterstützung der Hochspannung elektrische Feld8,21. Darüber hinaus ist solches Fluss-Fokussierung Tröpfchen Bildung ähnlich wie reines Wasser mit einer niedrigen Konzentration wässrige Lösung von PEGDA12, stabiler als die Verwendung von PEGDA ohne Verdünnung als der dispersen Phase eines.

In unserem halb-3D Fluss-Fokussierung mikrofluidischen System ohne elektrisches Hochspannungsfeld wurde unverdünnt PEGDA Lösung als die dispergierte Phase Flüssigkeit, Erhöhung der Schwierigkeit Form stabile Tröpfchen Trennung Prozess verwendet. Wir fanden, dass der Tipp-Streaming-Modus stabiler durch die Erhöhung der Konzentration des Tensids; und auch, Erhöhung der Konzentration des Tensids verringert die lokale Oberflächenspannung und bildeten eine mehr Spitzer Spitze, führt zu die Tröpfchen Größe verringern. Dadurch können Größe steuerbar (1 µm bis 80 µm im Durchmesser) Tröpfchen erhalten nur das Druckverhältnis in eine einfache Fertigung und hohe Reproduzierbarkeit Weise anpassen.

Es gibt jedoch eine wichtige Einschränkung für unsere Halb-3D Fluss-Fokussierung mikrofluidischen System. PDMS ist eine Art aus flexiblem Material, so dass der Fluss-Fokus-Modus unter hohem Druck durch Verformung der Microchannel instabil werden würde. Darüber hinaus, obwohl es berichtet wurde, dass diese Hexadecan PDMS22Schwellungen führen würde, nicht wir nennenswerte Verformung von unserem Microchannel verursacht durch solche Wirkung beobachten. Die 80 µm und 100 µm breiten Kanal für die dispergierte Phase wurden ausgewählt, und leichte Verformung wurde beobachtet, wenn der Druck erhöht. So, empfehlen wir, dass die Durchflussmenge im Großraum Öffnung zu hoch unter so hohem Druck führt zur unvermeidlichen Verformung, aber nicht aufgrund der Schwellung Wirkung des Hexadecan. Eine ganz flache Gerät krümmt sich leicht nach der Weiternutzung für 7 Stunden. Es dauert ca. 4 Stunden, um eine Gruppe von praktischen Daten zu messen, und das Gerät hat nicht bemerkenswert deformiert wurde. Darüber hinaus ist es einen Besuch Wert, ob die schärferen Trennung Prozess mit der t-Kreuzung im instabilen Fluss-Fokus-Modus führte. Y-Kreuzung, die Strömung mit Schwerpunkt Struktur mit einem Winkel zwischen zwei Phase-Kanäle (einschließlich 15°, 45°, 65°) wurde ausgewählt, um eine sanfte Strömung-Fokus für einen stabileren Modus machen. Allerdings keinen Tipp-Streaming-Modus unter "Geräte" die mikrofluidischen aufgetreten ist, und nur größere Tröpfchen gebildet unter sprühvolumen Modus. Es wurde auch berichtet, dass die volle Breite der dispersen Phase fließen ca. 30 µm unter Hochdruck Verhältnis mit Y-Kreuzung23war. Zu guter Letzt die Basisebene Druck auf der dispersen Phase war etwas niedrig und Niederdruck reduziert die Generation, vor allem für die kleineren Tröpfchen. Höhere Produktion wird voraussichtlich durch die parallele Struktur in unsere zukünftige Arbeit erworben werden.

Kleinere Tröpfchen verursacht höhere Oberflächen-Volumen-Verhältnis führt zu höheren Reaktionsgeschwindigkeit und Effizienz. In der Biologie wird das kleine Tröpfchen von surficial Dekoration für Antikörper-Screening und Wirkstoffforschung verwendet werden Kapselung durch Hinzufügen von biologischen Moleküle, wie z. B. gezielte genetische und Zellen und Herstellung von funktionalen Teilchen durch Zugabe von magnetischen und fluoreszierenden Material. Wir hoffen, dass unsere Protokolle, zur Herstellung von halb-3D Fluss-Fokussierung PDMS Gerät und kleine Tröpfchen Generation zur kontinuierlichen und tiefer Studien in diesen Bereich trägt und in unterschiedlichsten Anwendungen in der Biologie verwendet werden.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde von der Shenzhen Grundlagenforschung Finanzierung (Grant Nr. unterstützt. JCYJ 20150630170146829, JCYJ20160531195439665 und JCYJ20160317152359560). Die Autoren möchten Prof. Y. Chen an der Shenzhen Institute of Advanced Technology, chinesische Akademie der Wissenschaften für Unterstützungen bedanken.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicon wafer Huashi Co., Ltd
SU-8 2025, 2100 Microchem Co. Y111069
SU-8 developer Microchem Co. Y020100
Chromium mask Qingyi Precision Mask Making Co., Ltd
polydimethylsiloxane(PDMS) Dow Corning Sylgard 184
poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) Sigma 26570-48-9
2-hydroxy-40-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone TCI H1361-5G photoinitiator
Hexadecane Sigma 544-76- 3
ABIL EM 90 CHT 144243-53-8 surfactants
Rhodamine B Aladdin 81-88-9 fluorescent dye
Spin Coater
Lithography machine
Automatic ointment agitator Thinky ARV-310
Oven BluePard
Optical microscope OLYMPUS IX71
High-speed camera Hamamatsu, Japan ORCA-flash
MAESFLO Microfluidic Fluid Control System FLUIGENT MFCS-EZ
UV lamp FUTANSI 365 nm UV light, 8000 MW/CM2

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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Engineering fließen Ausgabe 137 Semi-3D mikrofluidischen Gerät weiche Lithographie Fokussierung PEGDA Partikel Zweiphasenströmung
Größe-gesteuerte Poly (Ethylenglycol) Diacrylate Tröpfchen <em>über </em>Semi-3-dimensionale fließen mit Schwerpunkt mikrofluidischen Geräte-Generation
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Wu, Y., Qian, X., Mi, S., Zhang, M., … More

Wu, Y., Qian, X., Mi, S., Zhang, M., Sun, S., Wang, X. Generation of Size-controlled Poly (ethylene Glycol) Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. (137), e57198, doi:10.3791/57198 (2018).

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