Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

आकार-नियंत्रित पाली की पीढ़ी (ईथीलीन ग्लाइकोल) अर्द्ध 3 आयामी प्रवाह Microfluidic उपकरणों ध्यान केंद्रित के माध्यम से Diacrylate बूंदों

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

यहां, हम एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करने के लिए निर्माण प्रक्रियाओं को वर्णन और एक अर्द्ध तीन आयामी (अर्द्ध 3 डी) प्रवाह-छोटी बूंद गठन के लिए microfluidic चिप ध्यान केंद्रित करने के प्रयोगों की पुष्टि ।

Abstract

वर्दी और आकार-नियंत्रणीय पाली (ईथीलीन ग्लाइकोल) diacrylate (PEGDA) बूंदों एक microfluidic डिवाइस में प्रवाह केंद्रित प्रक्रिया के माध्यम से उत्पादन किया जा सकता है । इस पत्र का प्रस्ताव एक अर्द्ध तीन आयामी (अर्द्ध 3 डी) प्रवाह-छोटी बूंद गठन के लिए microfluidic चिप ध्यान केंद्रित । polydimethylsiloxane (PDMS) चिप बहु परत नरम लिथोग्राफी विधि का उपयोग कर गढ़े थे । Hexadecane युक्त surfactant का प्रयोग सतत चरण के रूप में किया जाता था, और पराबैंगनी (यूवी) फोटो-सर्जक के साथ PEGDA का फैलाव चरण था. सर्फेक्टेंट स्थानीय सतह तनाव ड्रॉप करने के लिए और एक अधिक cusped टिप जो छोटे माइक्रो-बूंदों में तोड़ने पदोंनत गठन की अनुमति दी । बिखरे हुए चरण के दबाव के रूप में लगातार था, बूंदों के आकार फैलाने चरण प्रवाह से पहले टूट गया निरंतर चरण दबाव बढ़ाने के साथ छोटे हो गया । एक परिणाम के रूप में, 1 µm से ८० µm व्यास में आकार भिन्नता के साथ बूंदें चुनिंदा दो प्रवेश चैनलों में दबाव अनुपात को बदलने के द्वारा हासिल किया जा सकता है, और भिन्नता का औसत गुणांक 7% से नीचे होने का अनुमान था. इसके अलावा, बूंदों माइक्रो-मोतियों में यूवी जोखिम द्वारा फोटो-बहुलकीकरण के लिए बदल सकता है । ऐसे सूक्ष्म मोतियों की सतह पर Conjugating जैव अणुओं जीव विज्ञान और रसायन विज्ञान के क्षेत्र में कई संभावित आवेदन किया है ।

Introduction

छोटी बूंद-आधारित microfluidic प्रणालियों माइक्रोमीटर व्यास रेंज1 के लिए नैनोमीटर से अत्यधिक monodisperse बूंदों का उत्पादन करने की क्षमता है और उच्च प्रवाह दवा डिस्कवरी2, 3 अणुओं के संश्लेषण में महान क्षमता पकड़ ,4, और नैदानिक परीक्षण5. छोटे बूंदों के अनूठे फायदों के कारण, जैसे कि अधिक मात्रा में सतह वाला क्षेत्र और बड़े पैमाने पर होने वाले आवेदनों में कुछ microliters का नमूना, प्रौद्योगिकी ने व्यापक क्षेत्रों में व्यापक रुचि को आकर्षित किया है । दो immiscible तरल पदार्थ की emulsification छोटी बूंद पैदा करने के लिए सबसे विशिष्ट तरीकों में से एक है । क्षेत्र में पिछले रिपोर्टों में, शोधकर्ताओं ने टी जंक्शन, प्रवाह केंद्रित और सह बहने geometries सहित अलग छोटी बूंद गठन geometries की एक किस्म विकसित की है । टी जंक्शन ज्यामिति में, फैलाया चरण मुख्य चैनल है, जिसमें निरंतर चरण6,7बहती में एक सीधा चैनल के माध्यम से दिया जाता है । ठेठ दो आयामी (2d) प्रवाह-8,9 ज्यामिति ध्यान केंद्रित में, फैलाया चरण प्रवाह पार्श्व से कतरनी है; और सह के लिए-प्रवाहित ज्यामिति10,11, दूसरी ओर, एक केशिका फैलाने चरण प्रवाह शुरू सह-अक्षीय रूप से सह के लिए एक बड़ी केशिका के अंदर रखा गया है, ताकि फैलाया चरण प्रवाह से कतरनी है सभी दिशाओं ।

छोटी बूंद का आकार चैनल आकार और प्रवाह दर अनुपात का समायोजन करके नियंत्रित किया जाता है, और सह-बह या टी जंक्शन द्वारा उत्पादित न्यूनतम आकार micrometers के दर्जनों तक ही सीमित है । प्रवाह केंद्रित छोटी बूंद गठन प्रणाली के लिए, दो चरण और टपकाव का शासन, jetting शासन सहित surfactant एकाग्रता, के दबाव अनुपात का समायोजन करके छोटी बूंद गोलमाल फार्म के तीन मोड, और टिप-स्ट्रीमिंग15। टिप-स्ट्रीमिंग मोड भी धागा गठन कहा जाता है, और एक पतली फैलाया चरण प्रवाह शंकु की नोक से बाहर ड्राइंग धागा की उपस्थिति मनाया जाएगा । पिछले अध्ययनों से कम कुछ micrometers बूंदों का प्रदर्शन किया है, हालांकि 2 डी या अर्द्ध 3d प्रवाह केंद्रित उपकरण8,12में टिप-स्ट्रीमिंग प्रक्रिया उत्पंन हो सकता है । हालांकि, एक जलीय समाधान PEGDA के एक बहुत कम एकाग्रता युक्त के रूप में फैलाया चरण के रूप में इस्तेमाल किया गया था, PEGDA कणों का सिकुड़ता अनुपात फोटो बहुलकीकरण के बाद व्यास में मूल बूंदों के बारे में ६०% था, जबकि PEGDA के रूप में कमजोर पड़ने के बिना अस्थिर टिप-स्ट्रीमिंग मोड12के नेतृत्व में फैलाया चरण । चेहरे तनाव पायस प्रक्रिया का एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है और यह सतत चरण तरल में surfactant के अलावा के कारण कम हो जाएगा, छोटी बूंद आकार में कमी करने के लिए अग्रणी, उच्च पीढ़ी आवृत्ति13, उच्च घुमावदार टिप, और 14अस्थिरता को रोकने के. इसके अलावा, जब थोक surfactant एकाग्रता महत्वपूर्ण micelle एकाग्रता की तुलना में बहुत अधिक है, चेहरे की तनाव संतृप्त राज्य13 में लगभग चर रहा है और टिप-स्ट्रीमिंग मोड15हो सकता है ।

उपर्युक्त टिप्पणियों के आधार पर, इस पत्र में, हम PEGDA बूंदों के लिए एक सतही दृष्टिकोण विकसित एक अर्द्ध 3 डी फ्लो-फोकस microfluidic डिवाइस का उपयोग कर, बहु परत नरम लिथोग्राफी विधि द्वारा गढ़े । ठेठ 2 डी प्रवाह से अलग-उपकरण ध्यान केंद्रित, अर्द्ध 3 डी प्रवाह केंद्रित डिवाइस एक उथले फैलाया चरण चैनल और एक गहरी निरंतर चरण चैनल है, ताकि फैलाया चरण पार्श्व के बगल में ऊपर से और नीचे से कतरनी जा सकता है । इस ऊर्जा और छोटी बूंद गोलमाल के लिए आवश्यक दबाव को कम करने के द्वारा प्रवाह ध्यान केंद्रित मोड के लिए बड़ा समायोजन सीमा प्रदान करता है । पिछली रिपोर्ट12से भिंन, फैलाया गया चरण शुद्ध PEGDAcontaining फ़ोटो-प्रारंभकर्ता है, यह सुनिश्चित करना कि PEGDA कणों का सिकुड़न अनुपात 10%16से कम हो; और सतत चरण सिलिकॉन आधारित ईओण surfactant के एक उच्च थोक एकाग्रता के साथ भंग hexadecane का मिश्रण है । दो चरणों के दबाव अनुपात को समायोजित करके आकार-नियंत्रणीय और समान बूंदों का उत्पादन किया गया । बूंदों का व्यास ८० µm से 1 µm के लिए परिवर्तन के रूप में छोटी बूंद गोलमाल jetting मोड से टिप-स्ट्रीमिंग मोड में परिवर्तन की प्रक्रिया । इसके अलावा, PEGDA कण यूवी एक्सपोजर के तहत फोटो बहुलकीकरण प्रक्रिया के माध्यम से संश्लेषित किया गया था । निर्माण की आसानी के साथ छोटी बूंद पीढ़ी microfluidic प्रणाली जैविक अनुप्रयोगों के लिए और अधिक संभावनाएं प्रदान करेगा ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. मोल्ड निर्माण

  1. एक ड्राइंग सॉफ्टवेयर का उपयोग कर दो photomasks डिजाइन । microchannel संरचना की रूपरेखा का वर्णन और एक ही ड्राइंग फ़ाइल में मुखौटा 1 और 2 के लिए दो अलग परतों का उपयोग करें, इसलिए विभिन्न चैनलों के बीच सभी कनेक्शन सुनिश्चित. एक विक्रेता द्वारा ग्लास पर क्रोम प्लेट के लिए स्वतंत्र रूप से अलग परतों 1 µm संकल्प के साथ प्रिंट । सुनिश्चित करें कि photomasks पारदर्शी डिजाइन संरचनाओं के साथ अंधेरा कर रहे हैं, एक नकारात्मक ध्रुवीकरण के रूप में ।
    नोट: मास्क 1 फैलाया चरण प्रवेश चैनल और एक छिद्र होता है । मुखौटा 2 सतत चरण प्रवेश चैनल, फिल्टर, और आउटलेट शामिल हैं ।
  2. नामित photolithography प्रयोगशाला में, एक 3 इंच व्यास सिलिकॉन वेफर साफ । एक स्पिन कोट पर वेफर प्लेस, शूंय पर बारी स्पिन चक करने के लिए वेफर प्रत्यय । स्पिन-कोट एसयू के 2-3 मिलीलीटर-८ २०२५ नकारात्मक photoresist के लिए वेफर पर 10 एस १,००० rpm पर, तो 30 एस ३,००० rpm पर, 20 µm की पहली परत मोटाई प्रदान ।
  3. 6 मिनट के लिए एक ९५ ° c चूल्हा पर शीतल सेंकना । के बाद लेपित वेफर कमरे के तापमान को ठंडा (आरटी), यह मुखौटा 1 के माध्यम से एक collimated 15 मेगावाट/सेमी2, यूवी के 18 एस के लिए ३६५ एनएम के तहत बेनकाब के लिए 6 मिनट के लिए एक ९५ ° c चूल्हा पर सेंकना, तो वेफर को आरटी शांत करने की अनुमति ।
  4. स्पिन-कोटिंग प्रक्रिया को दोहराएँ । लागू करें 2-3 SU की एमएल-८ २१०० नकारात्मक photoresist के लिए वेफर पर 10 एस के १,००० rpm, तो 30 एस में २,००० rpm, १३० µm की दूसरी परत मोटाई प्रदान । ३५ मिनट के लिए एक ९५ ° c चूल्हा पर शीतल सेंकना के बाद, एक यूवी संरेखण द्वारा फैलाया चरण चैनल परत के साथ गठबंधन किया गया था, जो 30 एस, के लिए बेनकाब करने के लिए दूसरी परत photoresist पर मुखौटा 2 जगह. पोस्ट-एक्सपोजर, 7 मिनट के लिए एक ९५ ° c चूल्हा पर सेंकना ।
  5. propylene ग्लाइकोल मिथाइल ईथर एसीटेट के ५० मिलीलीटर के एक उभारा स्नान में विसर्जित करके वेफर विकसित जब तक सुविधाओं वेफर पर स्पष्ट हो, तो यह एथिल शराब के साथ धो लो । अंत में, मुश्किल के लिए थर्मोस्टेट मंच पर वेफर जगह 2 एच के लिए पाक ।

2. अर्द्ध 3 डी प्रवाह-ध्यान केंद्रित Microfluidic चिप निर्माण

  1. मिश्रण PDMS मोनोमर और उसके इलाज एजेंट ऊपर और नीचे परतों के लिए एक थोड़ा अलग वजन अनुपात में, आम तौर पर शीर्ष परत के लिए 10:1, और नीचे परत के लिए 8:1, 4 मिनट के लिए स्वत: मरहम आंदोलनकारी का उपयोग कर ।
    नोट: ऊपर और नीचे PDMS स्लैब एक अलग अनुपात में तैयार कर रहे हैं (10:1 और 8:1 क्रमशः) PDMS बेस के एजेंट के इलाज के लिए, बंधन ताकत को बढ़ाने. जब 5:1 अनुपात नीचे परत के लिए चुना जाता है, कड़ा नीचे PDMS स्लैब संरेखण मुश्किल बनाता है और लचीलापन की कमी के कारण संबंध शक्ति कम कर देता है । इसके अलावा, नीचे PDMS स्लैब की मोटाई माइक्रोस्कोप के काम की दूरी को ढालने के लिए के बारे में 1 मिमी है. चिप आसानी से उच्च दबाव के तहत विकृत जब 15:1 अनुपात चुना जाता है ।
  2. एक ९०-mm पेट्री डिश में पूरा सिलिकॉन मोल्ड में मिश्रण डालो और 2 ~ 3 मिमी की एक मोटाई प्रदान करते हैं । यह एक निर्वात कक्ष में रखें और जब तक सभी हवाई बुलबुले गायब हो degas । एक ओवन में 1 एच के लिए ८० डिग्री सेल्सियस पर इलाज ।
  3. PDMS को शांत करने के लिए RT. एक स्केलपेल का उपयोग करने के लिए डिवाइस कम से कम 3 मिमी सुविधाओं से दूर कटौती और धीरे सिलिकॉन वेफर से PDMS परत छील की अनुमति दें । पंच फैलाया चरण प्रवेश, सतत चरण प्रवेश और शीर्ष PDMS परत में आउटलेट एक ०.७५ mm व्यास पंच का उपयोग कर ।
  4. धूल कणों को दूर करने के लिए चिपकने वाला टेप के साथ PDMS साफ । प्लाज्मा दोनों ऊपर और नीचे PDMS परतों के लिए एक साथ 2 मिनट के लिए एक ३०० डब्ल्यू प्लाज्मा क्लीनर में इलाज । नीचे परत सतह पर शीर्ष परत प्लेस और अपेक्षाकृत स्लाइड जब तक सुविधाओं को एक स्टीरियो माइक्रोस्कोप के माध्यम से देख गठबंधन कर रहे हैं ।
  5. शक्ति और पूरा संबंध बढ़ाने के लिए एक दिन के लिए १२० डिग्री सेल्सियस पर एक ओवन में डिवाइस का इलाज ।

3. रिएजेंट्स की तैयारी

  1. सतत चरण का समाधान तैयार: Hexadecane 18 vol% सिलिकॉन आधारित गैर ईओण surfactant भंग करके ।
  2. फैलाने वाले चरण का समाधान तैयार करें: हाइड्रोफिलिक पाली (ईथीलीन ग्लाइकोल) diacrylate (PEGDA, मेगावाट २५५,) युक्त 2-hydroxy-4 '-(2-hydroxyethoxy) -2-methylpropiophenone (९८%, मेगावाट २२४) की एकाग्रता पर 5 मिलीग्राम/एमएल के रूप में फोटो-सर्जक, और rhodamine बी ( ९५%, ४७९.०१ मेगावाट) फ्लोरोसेंट रंजक के रूप में 1 mmol/L की एकाग्रता में ।
  3. सतत चरण के साथ वायवीय दबाव नियंत्रक के 1 मिलीलीटर जलाशयों भरें । फैलाया चरण के साथ २०० µ एल जेल लोड टिप भरें ।

4. प्रणाली की तैयारी

  1. एक उच्च गति कैमरे के साथ देखने, एक औंधा ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के मंच पर अर्द्ध 3 डी microfluidic डिवाइस रखें.
  2. एक छोटे स्टेनलेस स्टील ट्यूब संलग्न द्वारा निरंतर चरण के छिद्रित छेद करने के लिए fluorinated ईथीलीन propylene (FEP) ट्यूब कनेक्ट, तो फैलाया चरण के छिद्रित छेद में टिप लोड हो रहा जेल के अंत डालें । डिवाइस में आउटलेट में FEP ट्यूब की एक 20 सेमी लंबाई डालें और एक 15 एमएल केंद्रापसारक ट्यूब में अंत जगह है ।
    नोट: सिस्टम की कॉंफ़िगरेशन आरेख 1में सचित्र है ।

5. बूंदें गठन

  1. एक औंधा माइक्रोस्कोप के कार्यक्षेत्र पर डिवाइस प्लेस, और यह सुनिश्चित करें कि विभिन्न चैनलों के जंक्शन मोटे तौर पर माइक्रोस्कोप के प्रकाश स्रोत की स्थिति में स्थित है. एक क्षेत्र है कि दो चरणों चौराहे, छिद्र क्षेत्र, और बहाव चैनल शामिल है पर औंधा माइक्रोस्कोप ध्यान केंद्रित ।
  2. लगातार चरण के लिए 15 mbar फैलाया चरण के लिए और 30 mbar के साथ, प्रतिच्छेदन क्षेत्र के लिए तरल पदार्थ धीरे देने के लिए वायवीय दबाव नियंत्रक का उपयोग कर दो चरणों के दबाव सेट करें । स्थिर द्रव कोई बुलबुले और PDMS अवशेषों को ले जाने जब तक स्थिरीकरण और equilibration के लिए 3 मिनट रुको ।
  3. इनपुट नियंत्रण सॉफ्टवेयर के उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस पर पैरामीटर । एक स्थिर करने के लिए प्रणाली के आधार स्तर के दबाव के रूप में फैलाया चरण के दबाव सेट, उदाहरण के लिए, यह ४५ mbar पर बनाए रखें । लगातार चरण के दबाव में वृद्धि जब तक पायस गोलमाल मोड jetting से टिप स्ट्रीमिंग मोड में बदल जाता है, तो स्थिरीकरण के लिए 5 मिनट रुको ।
  4. FEP ट्यूब के लिए आउटलेट छेद कनेक्टिंग ट्यूब के लिए बूंदों इकट्ठा करने के लिए अंत प्लेस ।

6. PEGDA कणों संग्रह और लक्षण वर्णन

  1. तय केंद्रापसारक ट्यूब स्थिरता में aslant । तरल चरण ट्यूब करने के लिए प्रवाह जब यूवी जोखिम द्वारा तेजी से solidification के माध्यम से PEGDA कणों प्राप्त करें ।
  2. इकट्ठा करने की प्रक्रिया को खत्म करते हैं, नमूना और क्रमशः 20X या 60X वस्तुओं के साथ फ्लोरोसेंट माइक्रोस्कोप के माध्यम से PEGDA कणों का निरीक्षण ।
    ध्यान दें । डिजिटल फ्लोरोसेंट छवियों कैमरे द्वारा कब्जा कर लिया एक कस्टम द्वारा विश्लेषण कर रहे है सॉफ्टवेयर दिनचर्या । छवि पहली आर-एल एल्गोरिथ्म17 के आधार पर आउट-ऑफ-फोकस प्रकाश के धुंधला प्रभाव को समाप्त करने के लिए deconvolution है, और छवि में क्षेत्र वस्तुओं के आधार पर निकाले जाते है डिब्बाबंदी बढ़त का पता लगाने विधि; अंत में, प्रत्येक क्षेत्र वस्तु के व्यास फिरभी परिवर्तन18का उपयोग कर गणना की जा सकती है । नतीजतन, मतलब है और प्रत्येक छवि में क्षेत्र वस्तुओं के व्यास के मानक विचलन का अनुमान लगाया जा सकता है ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

अर्द्ध 3d प्रवाह ध्यान केंद्रित microfluidic चिप बहु परत नरम लिथोग्राफी तकनीक का उपयोग कर के रूप में ऊपर वर्णित गढ़े गया था । निर्माण की प्रक्रिया और चित्रा 2में दिखाया protocolare में मास्टर मोल्ड के लिए परिणाम । पहली परत है, जो फैलाया चरण और एक ५० µm व्यापक छिद्र (चित्रा 2ए) शुरू करने के लिए एक ६५ µm विस्तृत चैनल प्रदान करता है, मोटाई में 20 µm है । एक अतिरिक्त १३० µm मोटाई परत निरंतर चरण चैनल और निकास चैनल (चित्रा 2बी) प्रदान करने के लिए प्रयोग किया जाता है । चित्रा 2 सी एक समाप्त मोल्ड से पता चलता है । प्रवेश में एक फिल्टर को दर्ज करने से PDMS में छिद्रित छेद के मलबे को रोकने के लिए बनाया गया है । इस छिद्र में कॉलेस्ट्रॉल को दूर करने के लिए किया जाता है (चित्रा 2डी) ।

मास्टर मोल्ड्स के निर्माण के बाद, कास्टिंग प्रक्रिया और प्रोटोकॉल में परिणाम चित्रा 3में दिखाए जाते हैं । ऊपर और नीचे दर्पण संरचनाओं के साथ आधे टुकड़े PDMS का उपयोग कर तैयार कर रहे हैं । PDMS के शीर्ष परत में प्रवेश और आउटलेट छेद ड्रिल करने के लिए एक ०.७५ mm पंच का उपयोग करना । ऑक्सीजन प्लाज्मा उपचार के बाद एक साथ, ऊपर की सुविधाओं और नीचे PDMS स्लैब कम संरेखण त्रुटि है जो काफी डिवाइस के प्रदर्शन को प्रभावित नहीं करता है के साथ गठबंधन कर रहे हैं । पूरे सेमी 3d डिवाइस की लंबाई करीब 5 सेमी है । हम 10 सेमी लंबी बहाव चैनल जोड़ने के चिप्स की कोशिश की । हालांकि, बड़ा चिप, संरेखण क्षेत्र में वृद्धि के कारण अधिक कठिन संरेखण प्रक्रिया । इसके अलावा, कम चिप (जैसे २.५ सेमी लंबी चिप हम इस्तेमाल के रूप में) भी संरेखण प्रक्रिया लचीलापन की कमी के कारण मुश्किल बनाता है ।

अर्द्ध 3 डी प्रवाह ध्यान केंद्रित microfluidic डिवाइस और ठेठ छोटी बूंद गठन की प्रक्रिया 4 चित्रा में सचित्र हैं । बिखरे हुए फेज चैनल और लगातार फेज चैनल की गहराई के अंतर के कारण लगातार चरण प्रवाह द्वारा सभी दिशाओं से फैलाई गई चरण प्रवाह को निचोड़े जाने की उम्मीद है. एक परिणाम के रूप में, सममित शंकु तरल टिप रूपों लगातार बूंदों का उत्पादन करने के लिए । बूंदों का आकार फैलाया और निरंतर चरणों के प्रवाह के दबाव अनुपात द्वारा बदल दिया है । हमारे प्रयोगों के लिए, फैलाया चरण के दबाव (पीडी) आधार स्तर के दबाव के रूप में लगातार बनाए रखा है, और लगातार चरण (पीसी) के दबाव को कतरनी बल को प्रभावित करने के लिए संशोधित किया गया है, ताकि छोटी बूंद गोलमाल प्रक्रियाओं से बदल टिप-स्ट्रीमिंग मोड के लिए jetting मोड, जैसा आरेख 5में दिखाया गया है । बूंदों फोटो-बहुलकीकरण बनाने कणों से जम रहे हैं । यूवी एक्सपोजर polymerizes की बूंदों में मोनोमर है । चित्रा 6 अलग दबाव अनुपात के साथ कणों की फ्लोरोसेंट छवियों से पता चलता है; और छवि विश्लेषण छोटी बूंद आकार, जो चित्रा 7एमें दबाव अनुपात के एक समारोह के रूप में साजिश रची है पता चलता है । एनालॉग द्वारा इलेक्ट्रिक सर्किट विधि 24 के साथ, समकक्ष द्रव सर्किट निम्नलिखित चित्र 7bमें दिखाया गया है. हम मोटे तौर पर तीन भागों के हाइड्रोलिक प्रतिरोध की गणना: फैलाया चरण चैनल १.२६ X 1014फिलीस्तीनी अथॉरिटी • एस • एम3 (R3) है; छिद्र और बहाव चैनल का योग ६.०८ X 1012फिलीस्तीनी अथॉरिटी • एस • एम3 (R4 + R5) है; सतत चरण चैनल और फिल्टर २.१९ x 1012फिलीस्तीनी अथॉरिटी • एस • एम3 (R2) और १.१० x 1012pa • एस • एम3 (R1) हैं । सभी हाइड्रोलिक resistances और प्रवाह दरों के बीच संबंधों को निंनलिखित के रूप में दिखाया गया है:

Equation 1

Equation 2

Equation 3

पीबी दो चरणों के microchannel के चौराहे का दबाव है. जब फैलाया चरण (पीडी) के दबाव ४५ mbar पर बनाए रखा है, दबाव अनुपात इसी प्रवाह दर अनुपात में बदल जाता है:

Qग = ०.८८५९पीसी -१.६२८९१

Qघ = २.१३०२-०.०२१७पीसी

छोटी बूंद आकार चित्रा 7cमें प्रवाह दर अनुपात के एक समारोह के रूप में रची गई है । आंकड़ा यह इंगित करता है कि बढ़ते दबाव अनुपात (पीसी /पीडी) spindlier टिप और कम छोटी बूंद में कतरनी जा रहा है फैलाने चरण प्रवाह की ओर जाता है । PEGDA कणों की आकार सीमा 7% से नीचे भिन्नता (CV) के एक औसत गुणांक के साथ 1 µm से ८० µm के लिए भिन्न होता है. छोटे बूंदों 60X वस्तु के साथ फ्लोरोसेंट माइक्रोस्कोप के माध्यम से मनाया गया, तो वहां केवल एक दर्जन या तो माइक्रोस्कोप के दृश्य में बूंदों थे । इसके अलावा, छोटे बूंदों त्रिज्या में लगभग बीस या तीस पिक्सल थे । यह छोटी बूंदों के विचरण के गुणांक की विशेषता के लिए कठिन था, और छोटे आधार एक गलत गणना करने के लिए नेतृत्व करेंगे, इसलिए उन छोटी बूंदों के सीवी संकेत नहीं थे.

Figure 1
चित्रा 1 : प्रायोगिक प्रणाली का विंयास कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: बहु परत नरम लिथोग्राफी के लिए मेटर molds । (क) मुखौटा 1 20 µm सुविधाओं के गठन के लिए इस्तेमाल किया । मास्टर फैलाया चरण चैनल और एक छिद्र होता है. (ख) मुखौटा 2 १३० µm सुविधाओं के गठन के लिए इस्तेमाल किया । मास्टर निरंतर चरण चैनल और निकास चैनल शामिल हैं । (ग) अखंड गुरु. (घ) सीएडी ड्राइंग और फिल्टर के SEM, कॉलेस्ट्रॉल को रोकने के लिए प्रवेश पर स्थित है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: कास्टिंग और PDMS microfluidic चिप के लिए बांडिंग प्रक्रियाओं । (एक) अर्द्ध 3 डी PDMS डिवाइस के विधानसभा के योजनाबद्ध आरेख । (ख) SEM.(c) अखंड microfluidic यन्त्र के अधीन PDMS पटिया की कछ । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: अर्द्ध 3d प्रवाह-ध्यान केंद्रित microfluidic प्रणालियों के एक व्याख्यात्मक कार्य सिद्धांत। कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5 : विभिन्न छोटी बूंद गोलमाल प्रक्रियाओं के एक गाये प्रतिदीप्ति mages । (a-d) jetting मोड और (e-f) टिप-स्ट्रीमिंग मोड । पीसी लगातार चरण का दबाव है, और पीडी फैलाने के चरण का दबाव है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6 . अलग दबाव अनुपात के तहत PEGDA कणों । (a-b) ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप और (सी-डी) फोकल लेजर स्कैनिंग माइक्रोस्कोपी के तहत विभिन्न आकारों और कणों में कणों की प्रतिदीप्ति छवियों. पीसी लगातार चरण का दबाव है, और पीडी फैलाने के चरण का दबाव है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 7
चित्र 7 . छोटी बूंद आकार । (एक) दबाव अनुपात के आधार पर इसी आकार । काला वर्ग छोटी बूंद आकार वितरण का प्रतिनिधित्व करता है, और सुपरस्क्रिप्ट संख्या भिन्नता के संगत गुणांक हैं । छोटी बूंदों छोटे बूंदों के विचरण के गुणांक को चिह्नित करना कठिन है, इसलिए उन छोटी बूंदों के CV संकेत नहीं थे । (ख) द्रव परिपथ का चित्रण । (ग) छोटी बूंद आकार और प्रवाह दर अनुपात के बीच संबंध । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

2,9,15,19,20, 3 डी और अर्द्ध 3d microfluidic डिवाइस का उपयोग कर प्रवाह ध्यान केंद्रित मोड में बूंदों की पीढ़ी पहले कई रिपोर्टों की एक किस्म में विकसित किया गया है 21. शी. इन प्रणालियों में, जलीय तरल है कि जम नहीं किया जा सकता है फैलाया चरण के रूप में चुना गया था, जैसे कि जल8,15,20,21, सोडियम के एक जलीय समाधान हीड्राकसीड19 और स्थिर टिप के गठन-स्ट्रीमिंग मोड उच्च वोल्टेज बिजली क्षेत्र8,21के समर्थन की जरूरत है । इसके अलावा, इस तरह के प्रवाह ध्यान केंद्रित छोटी बूंद गठन प्रणाली शुद्ध पानी में से एक के समान है, PEGDA12के एक कम एकाग्रता जलीय समाधान के साथ, जो फैलाया चरण के रूप में कमजोर पड़ने के बिना PEGDA का उपयोग कर के एक से अधिक स्थिर है ।

हमारे अर्द्ध 3 डी में प्रवाह-उच्च वोल्टेज बिजली के क्षेत्र के बिना microfluidic प्रणाली ध्यान केंद्रित, unपतला PEGDA समाधान फैलाया चरण तरल के रूप में इस्तेमाल किया गया था, कठिनाई बढ़ाने के लिए स्थिर छोटी बूंद गोलमाल प्रक्रिया फार्म । हमने पाया है कि टिप स्ट्रीमिंग मोड surfactant की एकाग्रता में वृद्धि से अधिक स्थिर था; और भी, surfactant की एकाग्रता में वृद्धि स्थानीय सतह तनाव में कमी आई और एक अधिक cusped टिप का गठन, छोटी बूंद आकार कम करने के लिए अग्रणी । एक परिणाम के रूप में, आकार नियंत्रणीय (1 µm करने के लिए ८० µm व्यास में) बूंदों केवल दबाव अनुपात का समायोजन, निर्माण और उच्च reproducibility तरीके से आसानी से प्राप्त किया जा सकता है ।

हालांकि, हमारे अर्द्ध 3d प्रवाह-केंद्रित microfluidic प्रणाली के लिए एक प्रमुख प्रतिबंध है । PDMS लचीला सामग्री का एक प्रकार है ताकि प्रवाह केंद्रित मोड उच्च microchannel के विरूपण के कारण दबाव के तहत अस्थिर हो जाएगा । इसके अलावा, हालांकि यह बताया गया है कि hexadecane PDMS सूजन22का कारण होगा, हम हमारे इस तरह के प्रभाव के कारण microchannel के महत्वपूर्ण विकृति का पालन नहीं किया । फैलाया चरण के लिए ८० µm और १०० µm वाइड चैनल का चयन किया गया था, और दबाव में वृद्धि हुई जब मामूली विकृति मनाया गया था । तो, हम सुझाव है कि छिद्र क्षेत्र में प्रवाह की दर इस तरह के उच्च दबाव के तहत बहुत अधिक है, अपरिहार्य विकृति के लिए अग्रणी है, लेकिन hexadecane की सूजन प्रभाव के कारण नहीं । एक पूरे फ्लैट डिवाइस 7 घंटे के लिए जारी उपयोग के बाद थोड़ा मोड़ जाएगा । यह लगभग 4 घंटे लगते है व्यावहारिक डेटा के एक समूह को मापने के लिए, और डिवाइस उल्लेखनीय विकृत नहीं किया गया है । इसके अलावा, यह तलाशने लायक है कि क्या fiercer गोलमाल टी-जंक्शन का उपयोग प्रक्रिया अस्थिर प्रवाह में हुई मोड ध्यान केंद्रित । Y-जंक्शन, दो चरण चैनल के बीच एक कोण के साथ प्रवाह-केंद्रित संरचना (15 °, ४५ °, ६५ ° सहित) एक कोमल प्रवाह बनाने के लिए चुना गया था-एक और अधिक स्थिर मोड के लिए ध्यान केंद्रित । हालांकि, उन microfluidic डिवाइसेज़ के अंतर्गत कोई टिप-स्ट्रीमिंग मोड नहीं हुआ, और jetting मोड के अंतर्गत केवल बड़ी बूंदें बनाई गईं । यह भी बताया गया है कि फैलाया चरण प्रवाह की पूरी चौड़ाई वाई-जंक्शन23का उपयोग उच्च दबाव अनुपात के तहत 30 µm के बारे में था । अंत में, फैलाया गया चरण पर लागू किया गया आधार-स्तर दबाव कुछ कम था, और कम दबाव पीढ़ी आवृत्ति, विशेष रूप से छोटी बूंदों के लिए कम कर देता है । उच्च उत्पादन दर हमारे भविष्य के काम में समानांतर संरचना के माध्यम से अधिग्रहण किए जाने की उंमीद है ।

छोटी छोटी बूंद उच्च सतह मात्रा अनुपात, उच्च प्रतिक्रिया दर और दक्षता के लिए अग्रणी का कारण बनता है । जीव विज्ञान में, छोटी छोटी बूंद surficial सजावट द्वारा एंटीबॉडी स्क्रीनिंग और दवा की खोज के लिए इस्तेमाल किया जाएगा, जैविक अणुओं को जोड़ने के द्वारा encapsulation, लक्षित आनुवंशिक और कोशिकाओं के रूप में, और चुंबकीय और फ्लोरोसेंट जोड़कर कार्यात्मक कण का निर्माण सामग्री. हमें उंमीद है कि हमारे प्रोटोकॉल, अर्द्ध 3 डी प्रवाह के निर्माण से संबंधित PDMS डिवाइस और छोटी बूंदें पीढ़ी ध्यान केंद्रित है, ऐसे क्षेत्र में सतत और गहरे अध्ययन में योगदान होगा, और जैविक अनुप्रयोगों की व्यापक रेंज में इस्तेमाल किया जाएगा ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम को शेन्ज़ेन फंडामेंटल रिसर्च फंडिंग (ग्रांट नो के द्वारा सपोर्ट किया गया । JCYJ २०१५०६३०१७०१४६८२९, JCYJ20160531195439665 और JCYJ20160317152359560) । लेखक उंनत प्रौद्योगिकी, चीनी विज्ञान अकादमी के समर्थन के लिए शेन्ज़ेन संस्थानों में प्रो. Y. चेन शुक्रिया अदा करना चाहूंगा ।

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

References

  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).

Tags

इंजीनियरिंग अंक १३७ अर्ध 3d microfluidic डिवाइस सॉफ्ट लिथोग्राफी फ्लो फोकसिंग PEGDA पार्टिकल्स दो फेज फ्लो
आकार-नियंत्रित पाली की पीढ़ी (ईथीलीन ग्लाइकोल) अर्द्ध 3 आयामी प्रवाह Microfluidic उपकरणों ध्यान केंद्रित के <em>माध्यम से </em>Diacrylate बूंदों
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter