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Chemistry

위상 반전 공동 흐름 구조와 미세 모 세관 장치를 사용 하 여 조작 높은 점도 방울

doi: 10.3791/57313 Published: April 17, 2018

Summary

위상 반전 공동 흐름 장치는 단 분산 높은 점도 방울 방울 마이크로에서 실현 하기 어려운 1 파 위 생성을 보여 줍니다.

Abstract

단 분산 고 점도와 방울의 생성 항상 물방울 마이크로에 도전 하고있다. 여기, 낮은 점성 액체에 균일 한 높은 점도 물방울을 생성 하는 위상 반전 공동 흐름 장치를 설명 합니다. 미세 모 세관 장치 넓은 튜브에 연결 하는 그것의 출구와 일반적인 공동 흐름 구조를가지고 있습니다. 저 점도 액체의 길쭉한 방울 먼저 공동 흐름 구조에 높은 점성 액체에 의해 캡슐화 됩니다. 위상 반전 다음 다음 역에서 출구의 끝에 저 점도 방울의 접착에 의해 유도 된 길쭉한 낮은 점도 방울 낮은 점성 유체에 의해 젖는 취급은, 출구를 통해 흐름 높은 점도 유체 캡슐화 높은 점성 액체에 낮은 점성 액체의 흐름 속도 비율을 변경 하 여 결과 높은 점도 방울의 크기를 조정할 수 있습니다. 높은 점도 11.9 우선권, 글리세롤, 꿀, 녹말, 및 폴리머 솔루션 등까지 점도와 방울의 생성의 몇 가지 전형적인 예를 보여 줍니다. 단 분산 높은 점도 방울 방울-기반 응용 프로그램을, 재료 합성, 약물 전달, 세포 분석 실험, 생명 공학, 그리고 음식 등의 다양 한에서 사용할 수 있는 생성 하는 간단 하 고 간단 접근 방식을 제공 합니다. 공학.

Introduction

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방울의 생성 응용 프로그램, 약물 전달, 재료 합성, 3D bioprinting, 세포 분석 실험, 식품 공학1,2,,34 등의 다양 한 핵심 기술 되고있다 , 5 , 6. t-교차점7,8, 미세 장치 공동1,9, 흐름 또는 흐름 초점10,11 구조는 널리 단 분산을 생성 하는 데 사용 됩니다 단일 에멀젼 방울입니다. 선택 더 점성 연속 위상의 방울12의 형성을 촉진 한다 그리고 연속 및 이산 체액의 점도 일반적으로 0.1 Pa 드롭릿 마이크로13아래. 그러나, 많은 응용 프로그램에서 분산된 단계 할 수 있습니다는 점도 몇 백 번 이상 물, 글리세롤14, 등의 나노 입자15,16단백질 또는 고분자17 를 포함 하는 솔루션 , 18 , 19, 단 분산 방울 떨어지는 정권11 미세 장치, 특히 η > 1 Pa·s14 의 점성 유체에에서 안정에서 높은 점도 유체에서 직접 달성 하기 어려운 반면 17,,1819. 또한, 그것은 보고13,18 방울 형성에 대 한 일반적인 미세 방법을 상대적으로 낮은 점도 및 안정적인 떨어지는에서 균일 한 방울을 형성 하기 위하여 적당 한 계면 장력 체액 요구 되었습니다. 정권입니다.

0.1 Pa 보다 약간 큰 점도와 분산된 단계에 대 한 일반적인 t-교차점, 공동 흐름 또는 미세 장치 흐름 초점 작은 물방울 형성을 촉진 하기 위하여 몇 가지 가능한 방법 있다: (1) 감소는 분산의 점도 휘발성 용 매11,20;에 그것을 diluting 하 여 위상 (2) 연속 단계1,11;의 점도 증가 시켜 분산-하-연속 점도 비율 감소 (3) 높은 분산 연속 흐름 속도 비율 14,19를 유지 하면서 매우 낮은 값으로 분산 단계의 흐름 속도 감소. 그러나로 그들은 상당히 극적으로 휘발성 용 매 또는 연속 위상의 소비를 올리는 동안 생산 속도 낮출 것 이다,이 접근 훨씬 높은 점도, 유체에 대 한 실용적 되지 않습니다. 이외, 그것은 그 일부 고 점도 폴리머 솔루션 η > 1 Pa·s 여전히 않았다 하지 헤어 방울으로17,19위에서 언급 한 방법으로 보고 되었습니다.

또한 높은 점도 방울의 생성을 용이 하 게 시스템에 액체의 세 번째 단계를 소개 하는 미세 장치의 몇몇 향상 된 디자인 있다. 혁신을 포함: 거품 방울21, dipsersed 단계 및 지속적인 단계18사이 중간 단계로 서 도입 적당 한 점도와 혼합할 수 없는 chaperoning 액체에 잘라 처리 스레드를 도입 하 고 microreactors 두 낮은 점도 선구자21,,2223에서 높은 점도 방울을 생성 하기 위해 도입. 그러나, 한 더 많은 액체는 과정에 참여는, 시스템은 더 복잡 하 고, 고 장치는 일반적으로 단일 에멀젼 방울의 생성에 대 한 전형적인 장치 보다 훨씬 좁은 흐름 정권에서 작동.

단 분산 η > 1 Pa·s, 표면 제어 위상 반전 방법 높은 점성 액체에서 직접 방울 되었습니다 생성 하24조사. 낮은 점도 방울의 생성은 높은 점도 방울12, 높은 점도 연속 단계에 길쭉한 낮은 점도 방울 먼저 일반적인 공동 흐름 구조를 사용 하 여 생성 되 고 나누어진다 면 보다 훨씬 더 쉽게 공동 흐름 구조의 표면 습윤 다운스트림의 변화. 출시 된 저 점도 액체 반비례 캡슐화 다운스트림 높은 점성 액체 방울으로 위상 반전 완료 되도록 합니다. 위상 반전 메커니즘에 따라 단 분산 고 점도 물방울 생성 될 수 있습니다 일반적인 공동 흐름 장치를 기반으로 공동 흐름 장치 출구 낮은 점성 유체에 의해 젖는 취급 고 다음 더 넓은 관24에 연결 ,25.

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Protocol

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1. 관찰 ~ 500 μ m의 직경을 가진 수성, 높은 점도 방울의 생성 과정에 대 한 위상 반전 공동 흐름 모 세관 장치를 생산 하는.

참고: 여기에 사용 된 사각형 외부 튜브 높은 점도 방울의 생성 프로세스의 이미지입니다. 촬영할 필요가 있는 경우에, 단말기의 단순화 된 버전 2 프로토콜 단계에 따라 만들 수 있습니다.

  1. 모 세관 장치의 어셈블리에 대 한 서로 다른 크기를 가진 3 개의 유리 튜브를 준비 합니다.
    1. 1.05 m m의 내부 크기 사각 유리 튜브를 타고 그리고 튜브 ~ 4 cm의 조각으로 길이. 이 장치의 외부 튜브를 될 것입니다.
    2. 라운드 유리 튜브 내경 (아이디)의 580 μ m와 1 m m 외부 직경 (마약)을 길이 튜브 ~ 3 cm의 한 조각 잘라. 이 소자의 중간 관 될 것입니다.
    3. 아이디와 둥근 유리 튜브를 타고 200 μ m 및 마약 = = 330 μ m 및 길이 튜브 ~ 2 cm의 한 조각 잘라. 이 소자의 내부 관 될 것입니다.
  2. 소수 성 수 중간 튜브의 한쪽 끝의 표면 습윤을 수정 합니다.
    1. 1 mL 유리 유리병을 받아 고 유리 유리병에 trichloro (octadecyl) 실 란 (OTS)의 0.3 mL를 추가 합니다.
    2. 아이디와 중간 튜브를 타고 = 580 μ m 프로토콜 단계 1.1.2에서에서 준비 하 고 ~ 10 유리 유리병에 OTS에 그것의 한쪽 끝을 찍어 s.
    3. 중간 관 밖으로가 고 치료 끝에서 질소 가스와 함께 튜브를 플러시.
  3. 모 세관 장치의 후미에 대 한 바늘을 준비 합니다.
    1. 20 G 무딘 팁 바늘, 분배 하 고 블레이드와 플라스틱 루어 허브의 가장자리에 0.5 m m x ~0.5와 슬롯을 잘라.
      참고:이 바늘으로 입구 저 점도 오일 단계에 대 한 될 것입니다.
    2. 또 다른 20 G 무딘 팁 바늘, 분배 하 고 플라스틱 루어 허브의 가장자리에 두 개의 슬롯을 잘라. 루어 허브의 직경 전달 라인에서 두 개의 슬롯을 맞춥니다.
      참고: 하나의 슬롯 다른 슬롯은 ~1.0 m m x 1.0 m m의 크기에 0.5 m m x ~0.5의 크기가 있다. 이 바늘은 입구 높은 점도 수성 단계에 대 한 될 것입니다.
    3. 또 다른 20 G 무딘 팁 바늘, 분배 하 고 플라스틱 루어 허브의 가장자리에 두 개의 슬롯을 잘라. 루어 허브의 직경 전달 라인에서 두 개의 슬롯을 맞춥니다.
      참고: 하나의 슬롯 m m x 1.5 m m; ~1.5의 크기는 반면 다른 슬롯 ~1.0 m m x 1.0 m m의 크기는입니다. 이 바늘 청소 목적으로 유입 될 것입니다.
  4. 에 따라 조립 유리 튜브 그림 1A.
    1. 모 세관 장치의 기질으로 일반 7.62 cm x 2.54 cm 유리 슬라이드를 가져가 라.
    2. 아이디와 외부 튜브 = 1.05 m m, 유리 슬라이드의 짧은 가장자리를 돌출 하는 ~ 1 cm 유리 슬라이드에 프로토콜 단계 1.1.1에서 준비.
    3. 아이디와 중간 튜브를 타고 프로토콜 단계 1.2 준비 580 μ m = 중간 관의 소수 성 끝 유리 슬라이드에 끝에서 외부 튜브에 삽입 하 고 외부 튜브 외부 중간 관의 ~ 1 cm를 유지.
    4. 아이디와 내부 튜브를 타고 프로토콜 단계 1.1.3에 200 μ m = 중간 관 안쪽의 튜브의 한쪽 끝을 삽입 하 고 중간 관 밖에 서 안쪽의 튜브의 ~ 1 cm를 유지.
    5. 에폭시 접착제를 사용 하 여 유리 슬라이드의 중심선 위치에 3 개의 튜브를 해결 하기 위해. 기다립니다 ~ 5 분 이상 완전히 공고히 하는 접착제에 대 한.
  5. 모 세관 장치에는 후미를 조립 한다.
    1. 입구 바늘 낮은 점도 오일 단계에 대 한 프로토콜 단계 1.3.1에 고 Luer 허브 기판에 내부 튜브의 끝을 커버 하 고 에폭시 접착제를 사용 하 여 기판에 Luer 허브를 해결 하자.
    2. 프로토콜 단계 1.3.2에 높은 점도 수성 단계에 대 한 입구 바늘을가지고 그리고 루어 허브 안쪽의 튜브 및 중간 관 사이의 교차점을 커버 하 고 에폭시 접착제를 사용 하 여 기판에 Luer 허브를 해결 하기 위해.
    3. 프로토콜 단계 1.3.3에 입구 바늘 고, 청소, Luer 허브 중간 관 및 외부 튜브 사이의 교차점을 커버 하 고 에폭시 접착제를 사용 하 여 기판에 Luer 허브를 해결 하자.
    4. 기다려 ~ 5 분 이상 완전히 공고히 하는 접착제에 대 한.
    5. 에폭시 접착제를 사용 하 여 기판에 바늘의 루어 허브를 밀봉 하기 위하여.
  6. 기다려 ~ 30 분 이상 완전히, 공고히 하는 접착제에 대 한 그리고 장치를 사용할 준비가.

2. 위상 반전, 수성 높은 점도 방울 ~ 500 μ m의 직경을 날조를 위한 공동 흐름 모 세관 장치를 확인 합니다.

참고: 여기서 만든 장치 프로토콜 단계 1에서에서 장치의 단순화 된 버전입니다.

  1. 모 세관 장치의 어셈블리에 대 한 서로 다른 크기를 가진 2 개의 유리 튜브를 준비 합니다.
    1. 아이디와 둥근 유리 튜브를 타고 580 μ m 및 마약 = = 1 m m, 고와 튜브의 조각을 잘라 ~ 길이 3 cm. 이 소자의 중간 관 될 것입니다.
    2. 아이디와 둥근 유리 튜브를 타고 200 μ m 및 마약 = = 330 μ m, 고와 튜브의 조각을 잘라 ~ 길이 2 cm. 이 소자의 내부 관 될 것입니다.
  2. 소수 성 수 중간 튜브의 한쪽 끝의 표면 습윤을 수정 합니다.
    1. 1 mL 유리 유리병에 OTS의 0.3 mL를 추가 합니다.
    2. 아이디와 중간 튜브를 타고 = 580 μ m, 프로토콜 단계 2.1.1에서에서 준비 하 고 ~ 10 유리 유리병에 OTS에 그것의 한쪽 끝을 찍어 s.
    3. 중간 관 밖으로가 고 치료 끝에서 질소 가스와 함께 튜브를 플러시.
  3. 모 세관 장치의 후미에 대 한 바늘을 준비 합니다.
    1. 바늘, 저 점도 오일 단계 입구 역할을 분배 20 G 무딘 팁을 준비 합니다. 다음, 플라스틱 루어 허브의 가장자리에 블레이드와 0.5 m m x ~0.5의 슬롯을 잘라.
    2. 또 다른 20 G 무딘 팁 바늘, 분배 하 고 플라스틱 루어 허브의 가장자리에 두 개의 슬롯을 잘라. 루어 허브의 직경 전달 라인에서 두 개의 슬롯을 맞춥니다.
      참고: 하나의 슬롯 다른 슬롯은 ~1.0 m m x 1.0 m m의 크기에 0.5 m m x ~0.5의 크기가 있다. 이 두 번째 바늘 입구 높은 점도 수성 단계에 대 한 될 것입니다.
  4. 에 따라 조립 유리 튜브 그림 1A .
    1. 모 세관 장치의 기질으로 일반 7.62 cm x 2.54 cm 유리 슬라이드를 가져가 라.
    2. 아이디와 중간 튜브 = 580 μ m, 소수 성 끝 ~ 1 cm 유리 슬라이드의 짧은 가장자리 돌출 유리 슬라이드에 프로토콜 단계 2.2에서에서 준비.
    3. 아이디와 내부 튜브를 타고 200 μ m, 2.1.2, 프로토콜 단계에서 준비 = 유리 슬라이드에 치료 끝에서 중간 관 안쪽의 튜브의 한쪽 끝을 삽입 하 고 계속 ~ 중간 관 밖에 서 안쪽의 튜브의 1 cm.
    4. 에폭시 접착제를 사용 하 여 유리 슬라이드의 중심선 위치에 두 개의 튜브를 해결 하기 위해.
    5. ~ 5 분 이상 완전히 응고 접착제 기다립니다.
  5. 모 세관 장치에는 후미를 조립 한다.
    1. 입구 바늘 낮은 점도 오일 단계에 대 한 프로토콜 단계 2.3.1에 고 Luer 허브 기판에 내부 튜브의 끝을 커버 하 고 에폭시 접착제를 사용 하 여 기판에 Luer 허브를 해결 하자.
    2. 프로토콜 단계, 2.3.2에 높은 점도 수성 단계에 대 한 입구 바늘을가지고 그리고 루어 허브 안쪽의 튜브 및 중간 관 사이의 교차점을 커버 하 고 에폭시 접착제를 사용 하 여 기판에 Luer 허브를 해결 하기 위해.
      참고: 중간 튜브의 다른 쪽 끝에는 소자의 출구 이다.
    3. 기다려 ~ 5 분 이상 완전히 공고히 하는 접착제에 대 한.
    4. 에폭시 접착제를 사용 하 여 기판에 바늘의 루어 허브를 밀봉 하기 위하여.
  6. ~ 30 분을 기다려 완전히 공고히 하는 접착제에 대 한 이상.
  7. 끝 연결 합니다 무료 중간 관의 콘센트 배관, ., 아이디와 폴 리 에틸렌 튜브 = 0.86 m m, 길이 m m ~ 20.
    참고: 외부 튜브의 약간의 변형 접착제 여기 필요한 있도록 연결의 물개를 지킬 것 이다. 콘센트 배관 위상 반전에 대 한 더 넓은 외부 튜브 역할을 합니다. 이 시점에서, 장치는 사용할 준비가.

3. 관찰 ~ 200 μ m의 직경을 가진 수성 높은 점도 방울의 생성 과정에 대 한 위상 반전 공동 흐름 모 세관 장치를 확인 합니다.

참고: 여기서 만든 장치 프로토콜 단계의 작은 물방울을 만들기 위해 1 장치의 작은 버전입니다.

  1. 모 세관 장치의 어셈블리에 대 한 서로 다른 크기를 가진 3 개의 유리 튜브를 준비 합니다.
    1. 아이디와 광장 유리 튜브를 타고 400 μ m, = 및 장치의 외부 튜브 될 길이 튜브 ~ 4 cm의 조각 잘라.
    2. 아이디와 둥근 유리 튜브를 타고 200 μ m 및 마약 = = 330 μ m, 고 소자의 중간 관 될 길이 튜브 ~ 3 cm의는 한 조각 잘라.
    3. 아이디와 둥근 유리 튜브를 타고 100 μ m 및 마약 = = 170 μ m, 고 소자의 내부 관 될 길이 튜브 ~ 2 cm의는 한 조각 잘라.
  2. 소수 성 수 중간 튜브의 한쪽 끝의 표면 습윤을 수정 합니다.
    1. 1 mL 유리 유리병을 받아 고 유리 유리병에 OTS의 0.3 mL를 추가 합니다.
    2. 아이디와 중간 튜브를 타고 = 200 μ m, 프로토콜 단계 3.1.2에서에서 준비 하 고 ~ 10 유리 유리병에 OTS에 그것의 한쪽 끝을 찍어 s.
    3. 중간 관 밖으로가 고 치료 끝에서 질소 가스와 함께 튜브를 플러시.
  3. 모 세관 장치의 후미에 대 한 바늘을 준비 합니다.
    1. 바늘, 저 점도 오일 단계 입구 역할을 분배 20 G 무딘 팁을 준비 합니다. 그럼, 블레이드, 0.2 m m x 슬롯 ~0.2 플라스틱 루어 허브의 가장자리에 잘라.
    2. 또 다른 20 G 무딘 팁 바늘, 분배를 준비 하 고 플라스틱 루어 허브의 가장자리에 두 개의 슬롯을 잘라. 루어 허브의 직경 전달 라인에서 두 개의 슬롯을 맞춥니다.
      참고: 하나의 슬롯 다른 슬롯 0.4 m m x ~0.4의 크기는 0.2 m m x ~0.2의 크기가 있다. 이 두 번째 바늘 입구 높은 점도 수성 단계에 대 한 될 것입니다.
    3. 또 다른 20 G 무딘 팁 바늘, 분배 하 고 플라스틱 루어 허브의 가장자리에 두 개의 슬롯을 잘라. 두 개의 슬롯 Luer 허브의 직경을 전달 하는 라인에 정렬 됩니다.
      참고: 슬롯 1 개 m m x 0.8 m m, ~0.8의 크기는 다른 슬롯은 0.4 m m x ~0.4의 크기. 이 세 번째 바늘 청소 목적으로 유입 될 것입니다.
  4. 프로토콜 단계 1.4-1.6을 끝내려면 장치 프로토콜 단계 3.1 그 준비 대신에 유리 튜브를 사용 하 여 프로토콜에서 1.1, 단계 및 프로토콜 단계 3.3 프로토콜 단계 1.3에서에서 준비 대신에 바늘을 사용 하 여 수행 합니다.

4. 액체 파라핀에 글리세롤 방울의 생성을 관찰

참고: 그림 1B-D에에서 표시 된 이미지에 대 한 프로토콜 단계 1;에서 준비한 장치 사용 그림 3에 표시 된 이미지를 복용에 대 한 프로토콜 단계 3에서에서 준비 하는 장치를 사용 합니다.

  1. 실험에 사용 될 솔루션을 준비 합니다.
    1. 높은 점도 수성 위상으로 글리세롤을 사용 하 고 추가 0.5 w.t.% 그것을 염색 톨루이 블루 O 블루.
    2. 저 점도 오일 위상으로 액체 파라핀을 사용 하 고 계면 활성 제에 추가 1 %w.t. 범위 80.
  2. 3 1 mL 주사기와 3 개의 주사기 펌프를 준비 합니다.
    참고: 프로토콜에 체액에 대 한 3 개의 주사기 단계 4.1: 4.1.1, 그리고 다른 두 프로토콜 단계 4.1.2에서 각각 준비 낮은 점성 액체 파라핀 주입에 대 한 높은 점도 글리세롤을 주입 한 프로토콜 단계에서 준비.
    1. 글리세롤 중간 관에 입구를 포함 하는 주사기를 연결 합니다.
    2. 다른 청소 목적을 위해 입구를 연결 하는 동안 내부 관의 입구를 액체 파라핀을 포함 한 주사기를 연결 합니다.
  3. 장치는 거꾸로 한 현미경에 프로토콜 단계 1에 놓고 유출 된 액체를 흡수 하는 외부 관의 출구에서 Kimwipe의 조각 장소.
    주의: Kimwipe 영역 외부 유체 누출을 못하게 합니다.
  4. 주사기 펌프의 유량을 설정 합니다.
    참고: 때 덫을 놓은 거품 또는 중간 관 출구 방울 목적을 청소에 대 한 외부 튜브에 연결 하는 주사기 펌프를 사용 합니다. 그렇지 않으면, 그냥 중지 펌프를 두고 있다.
    1. 글리세롤 주입 Qw 중간 관으로의 유량 설정 = 10 μ/분.
    2. 액체 파라핀 주입 Qo 의 내부 관으로의 유량 설정 = 30 μ/분.
    3. 글리세롤 방울을 생성 하기 위해 두 개의 펌프를 실행 합니다.
  5. 흐름을 안정화 하 고 글리세롤 방울 중간 관의 출구에서 균일 하 게 생성 됩니다 때까지 ~0.5 분을 기다립니다. 다음, 동영상 또는 작은 물방울 생성 프로세스의 이미지를 가져가 라.
    참고: 이미지 그림 1B-C 1, 그림 3A에서 이미지 동안 프로토콜 단계에서 준비 하는 장치를 사용 하 여 촬영 하실 수 있습니다에 반입할 수 있습니다 프로토콜 단계 3에서에서 준비 하는 장치를 사용 하 여. 동영상 또는 이미지 촬영 하 고 바로 현미경에서 장치를가지고 모든 펌프를 중지 합니다.
  6. 높은 점도 방울 수집에 대 한 준비.
    1. 장소는 콘센트와 함께 수직 평면에서 장치, 지적 하 고 콘센트에서 페 트리 접시를 넣어. 테이프를 사용 하 여 출구 ~ 2 mm 페 트리 접시의 바닥 위에 장치를 해결 하기 위해.
    2. 프로토콜 단계 4.1.2 배양 접시에서에서 준비 하는 몇 가지 액체 파라핀을 부 어 하 고 그냥 장치의 콘센트를 담가.
  7. 2 주사기 펌프 Qw 에서 다시 실행 10 μ/분 및 Qo = = 30 μ/분, 그리고 페 트리 접시에 글리세롤 방울 수집.
    참고: ~ 1 분 흐름 안정화 및 글리세롤 방울 외부 관의 출구에서 균일 하 게 생성 됩니다 때까지 기다려, 페 트리 접시에 방울의 이미지 촬영 하실 수 있습니다, 프로토콜 1에에서 준비 된 장치에 대 한 그림 1D 와 같이 또는 그림 3B 프로토콜 단계 3에서에서 준비 하는 장치.

5. 생성 하 고 2 단계에서 준비 하는 단순화 된 장치 액체 파라핀에 글리세롤 방울 수집.

참고: 이것은 Qo의 다른 흐름 율 비율에서 생성 된 글리세롤 방울의 이미지 /Qw, 그리고 해당 측정 그림 2의 데이터 요소에 대 한 작은 물방울의 크기.

  1. 4.1 프로토콜 단계를 수행 하 여 실험에 사용 되는 솔루션을 준비 합니다.
  2. 2 1 mL 주사기와 두 개의 주사기 펌프를 준비 합니다.
    참고: 프로토콜에 체액에 대 한 두 개의 주사기 단계 4.1: 4.1.2, 프로토콜 단계에서 각각 준비 낮은 점성 액체 파라핀 주입 프로토콜 단계 4.1.1, 그리고 다른 준비 높은 점도 글리세롤을 주입 한.
    1. 0.8 mL 글리세롤 중간 관에 입구를 포함 하는 주사기를 연결 합니다.
    2. 내부 관의 입구를 0.8 mL 액체 파라핀 포함 된 주사기를 연결 합니다.
  3. 높은 점도 방울 수집에 대 한 준비.
    1. 장소는 콘센트와 함께 수직 평면에서 장치, 지적 하 고 35mm 페 트리 접시를 콘센트에서 넣어. 테이프를 사용 하 여 출구 ~ 2 mm 페 트리 접시의 바닥 위에 장치를 해결 하기 위해.
    2. 프로토콜 단계 4.1.2 배양 접시에서에서 준비 하는 몇 가지 액체 파라핀을 부 어 하 고 그냥 장치의 콘센트를 담가.
  4. 주사기 펌프의 유량을 설정 합니다.
    참고: 그림 2에서 각 흐름 속도 비율 수정 글리세롤 Qw 의 유량 = 2 μ/분, 액체 파라핀 Q의 필요한 흐름 속도 비율에 따라 다른 값을 Qo 의 유량을 증가 하면서 o/Qw. 각 흐름 속도 비율에 대 한 흐름을 안정화 그리고 균일 한 글리세롤 방울 페 트리 접시에 수집 되어 방울의 이미지까지 ~ 1 분을 기다립니다.
    1. Qw 중간 관에 주입 하는 글리세롤의 유량 설정 = 2 μ/분.
    2. Qo 의 안쪽의 튜브에 주입 액체 파라핀의 유량 설정 = 6 μ/분.
    3. 글리세롤 방울을 생성 하기 위해 두 개의 펌프를 실행 합니다.
      참고: 작은 물방울의 생성 과정 관찰 될 수 있다 직접 핸드폰 카메라, 또는 디지털 카메라를 삼각대에 장착.
  5. 흐름과 안정, 균일 한 글리세롤 방울 수집에 대 한 새로운 페 트리 접시를 변경할 때까지 ~ 1 분을 기다립니다.

6. 위상 반전 공동 흐름 장치를 사용 하 여 액체 파라핀에 다른 높은 점도 방울을 생성 합니다.

참고: 이것은 그림 4에서 이미지에 대 한입니다. 실험에 사용 하는 모든 낮은 점도 오일 단계는 프로토콜 단계 4.1.2에서에서 사용 되는 동일 합니다.

  1. 그림 4A에 대 한 높은 점도 수성 단계로 순수한 벌 꿀을 사용 합니다.
  2. 그림 4B6 w.t.% 전 분 솔루션 준비.
    주의: 적절 한 높은 온도 유리 미디어 병 및 높은 온도 모자를 사용 합니다. 내 열 장갑을 착용 한다.
    1. 47 g 물 100 mL 유리병 미디어에에서 추가 하 고 볶음 바 병에 넣어.
    2. 병 물 욕조에 넣고 100 ° c 온도 설정
    3. 물 목욕 100 ° c.에 도달 후 뜨거운 물에 전 분 가루 3 g를 추가
    4. 병의 뚜껑을 커버 하 고 계속 저 어 ~ 4 h에 대 한 때까지 솔루션은 분명 하다.
    5. 솔루션 사용 하기 전에 실내 온도에 냉각 될 때까지 기다립니다.
  3. 그림 4C에 대 한 10 w.t.% PVA-124 솔루션을 준비 합니다.
    주의: 적절 한 높은 온도 유리 미디어 병 및 높은 온도 모자를 사용 합니다. 내 열 장갑을 착용 한다.
    1. 100 mL 유리병 미디어에에서 물 45 g를 추가 하 고 볶음 바 병에 넣어.
    2. 병 물 욕조에 넣고 70 ° c 온도 설정
    3. 물 목욕 70 ° c.에 도달 후 병으로 PVA-124 가루 5 g을 추가
    4. 병의 뚜껑을 커버 하 고 계속 저 어 ~ 1 h에 대 한 때까지 솔루션은 분명 하다.
    5. 솔루션 사용 하기 전에 실내 온도에 냉각 될 때까지 기다립니다.
  4. 액체 파라핀에 높은 점도 방울을 생성 합니다.
    1. 5 단계 6.1-6.3 프로토콜 단계 5에서에서 글리세롤 대신에 높은 점도 유체를 사용 하 여 프로토콜 단계를 따릅니다.
    2. Qw 의 흐름 속도 설정을 사용 하 여 = 1 μ/분 및 Qo 그림4 = 5 μ/분.

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Representative Results

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그림 1A와 같이 위상 반전, 공동 흐름 구조와 미세 모 세관 장치 단 분산 수성 높은 점도 작은 물방울을 생성 하도록 설계 되었습니다. 그림 1에서 높은 점도 수성 단계는 ηw 의 점도 글리세롤 = 1.4 파; 저 점도 오일 단계는 ηo 의 점성 있는 액체 파라핀 = 0.029 파; 두 단계 사이 표면 장력은 γ = 27.7 mN/m. 중간 관에 길쭉한 기름 방울 캡슐화 할 수 있습니다 잘 제어 떨어지는 모드9,13, 글리세롤에 의해는 글리세롤의 점성 액체 파라핀, 고 모세 숫자, Ca의 그것 보다 훨씬 더 높은 있기 때문에 , 두 단계 전부의 10-4-10-2, 최저는 어디 Ca = ηU/γ, U = Q/A 는 유체의 평균 속도 이며 A 십자가의 영역 채널의 섹션입니다. 그림 1B와 같이 길쭉한 기름 방울으로 넓은 외부 튜브, 중간 관의 출구에서 흘러, 기름 방울 중간 튜브의 소수 성 끝에 파산과 반비례의 글리세롤, 다운스트림 모자를 캡슐화 하므로 그림 1C와 같이 높은 점도 글리세롤 방울 얻은 했다. 작은 물방울 크기와 어떤 두 개의 인접 한 기름 방울 사이 거리 변경 되지 않은 상태로 유지 됩니다, 형성된 된 글리세롤 방울 단 분산24,25될 것입니다. 그림 1B-C 에서 이미지는 1 단계와 4 단계 다음 실험 프로토콜의 장치를 사용 하 여 얻은 했다. Qo 에서 생성 되는 글리세롤 방울 30 uL/min와 Qw = = 10 uL/min의 그림 1D, 방울 521 μ m의 평균 직경과 편차 (CV)의 계수를 했다 하는 바에 표시 되는 작은 물방울 크기, 평균 작은 물방울 크기를 나눈 표준 편차로 정의 되었다 CV = 0.9%, 작은 물방울은 단 분산을 나타냅니다.

높은 점도 방울의 크기는 흐름 속도 비율 Qo를 바꿔서 조정 될 수 있다 / 고정 QwQw . 2 단계 프로토콜 장치 프로토콜 단계 5을 다음 실험에서 얻은 전형적인 실험 결과 집합은 그림 2에 표시 됩니다. Qw 수정 되었습니다, 작은 물방울 크기 Qo의 증가 함께 감소. 그러나 흐름 속도 비율 더 증가 수확량 작은 방울 있을, 작은 물방울의 볼륨 분수 것 이다 감소이 따라, 그리고 거기는 것 전체 끌어서 장치 내부의 내부 압력의 증가. 따라서 그림2에서 흐름 속도 비율의 범위 내에서 작은 물방울 크기 중간 관의 내부 직경에 대 등 했다.

작은 튜브와 장치 사용 되 면 작은 물방울 크기 더 감소 될 수 있습니다. 3 프로토콜 단계에서 프로토콜 장치 4 단계를 다음과 같은 일반적인 실험 결과 그림 3, 중간 튜브는 아이디를 했다 하는 어디에 표시 됩니다 200 μ m =.

글리세롤 보다 높은 점도가지고 다양 한 높은 점도 유체에서 단 분산 물방울 생성 하 프로토콜 단계 2에서에서 같은 장치를 사용할 수 있습니다. 꿀 (11 Pa), 전 분 솔루션 (8.5 파), 및 폴리머 솔루션 (2.5 파)의 단 분산 방울의 일반적인 결과 그림 4에 나와 있습니다. 그림 4에서 체액의 준비는 프로토콜 단계 6에서에서 상세한입니다.

Figure 1
그림 1: 저 점도 액체 파라핀 위상 반전 공동 흐름 장치를 사용 하 여 작은 물방울 높은 점도 글리세롤의 세대. 위상 반전 공동 흐름 장치 (A) 회로도 외부 튜브에 글리세롤에 오일 단일 에멀젼을 중간 튜브에서 (B) 오일 글리세롤 로부터 글리세롤 방울의 생성의 관찰 슬러그 흐름. (C) 시퀀스 이미지 위상 반전 과정의 시간. (D) 단 분산 글리세롤 방울 고 방울의 크기 분포. 방울의 평균 직경은 521 μ m, CV = 0.9%. [24]에서 허가로 증 쇄. 저작권 2017 미국 화학 사회입니다. 스케일 바 500 μ m입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2: 흐름 속도 비율 QO의 변화와 함께 작은 물방울 크기의 변화 /QW Q동안W 2 μ/분 = 각 데이터 요소에 대 한 30 방울, 측정 하 고 평균 직경 보고 됩니다. 표준 편차 오차 막대는 플롯에 사용 하는 기호 보다 작은, 그들은 여기에 표시 되지 않습니다. [24]에서 허가로 증 쇄. 저작권 2017 미국 화학 사회입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3: 아이디의 중간 관 장치에서 생성 된 작은 글리세롤 방울 = 200 μ m. (A) 장치의 외부 튜브에 글리세롤 방울의 생성의 관찰. (B) 결과 단 분산 글리세롤 방울 212 μ m 및 이력서 의 평균 직경 = 1.9%. [24]에서 허가로 증 쇄. 저작권 2017 미국 화학 사회입니다. 눈금 막대는 200 μ m. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4: 다른 솔루션에서 생성 하는 높은 점성 방울의 전형적인 예. [24]에서 허가로 증 쇄. 저작권 2017 미국 화학 사회입니다. (A) 꿀 방울 612 μ m 및 이력서 의 평균 직경 = 0.7%. (B) 방울 600 μ m 및 이력서 의 평균 직경을 전 분 = 0.9%, PVA-124 (C) 폴리머 방울 773 μ m 및 이력서 의 평균 직경 = 0.7%. 모든 스케일 바는 1.0 m m. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

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위상 반전 공동 흐름 장치 단 분산 높은 점도 물방울을 생성 하는 간단 하 고 똑 바른 앞으로 방법을 제공 합니다. 이 장치 기본 공동 흐름 구조는 출구 출구 배관에 연결 되어 중간 튜브에 삽입 된 튜브의 구성으로 일반적인 공동 흐름 장치에 유사한 구조를가지고 있습니다. 그러나, η > 1 Pa·s의 점도와 높은 점도 방울의 생성에 대 한 위상 반전 공동 흐름 장치 및 일반적인 공동 흐름 장치 사이 두 가지 주요 차이점이 있습니다.

첫째, 일반적인 공동 흐름 장치, 테이퍼 팁과 튜브 사용, 위상 반전 공동 흐름 장치에 바로 안쪽의 튜브를 사용할 수 있는 합니다. 테이퍼 팁 일반적으로 아이디는 20 μ m 및 마약 = = 30 μ m1,8, 피 펫 끌어당기는 보통 테이퍼 팁을 만들 필요가. 위상 반전 공동 흐름 장치에서 라운드 유리 튜브 아이디 = 100-200 μ m 테이퍼 되 고 하지 않고 직접 사용할 수 있습니다.

둘째, 일반적인 공동 흐름 장치, 높은 점성 액체 주입 낮은 점성 액체;에 의해 캡슐을 안쪽의 튜브 위상 반전 공동 흐름 장치에 있는 동안 낮은 점성 액체는 실현 하기 매우 쉽다 고 점도 유체에 의해 캡슐을 안쪽의 튜브에 주입 됩니다. 예를 들어 때 일반적인 공동 흐름 장치를 사용 하 여 액체 파라핀, 흐름 속도 비율 Qo에 글리세롤 물방울을 생성 하는 우리 /Qw 잘 제어 실현 하기 위해 적어도 25 이어야 한다 떨어지는 모드, 볼륨에 결과 4% 보다 높은 글리세롤 방울의 그와 반대로, 위상 반전 공동 흐름 장치에서 흐름 속도 비율 Qo/Qw 잘 제어 떨어지는 모드를 실현 하기 위해 2.5 낮은 될 수 있습니다, 그리고 따라서, 글리세롤 방울의 28%의 볼륨 분수 실현 될 수 있다.

위상 반전 공동 흐름 장치에 위상 반전 중간 관의 소수 성 출구에 길쭉한 기름 작은 물방울의이 별에 의해 유도 된다. 따라서, 중간 관의 출구의 표면 습윤 치료 중간 관의 출구 유도 위상 반전 하는 낮은 점도 단계에 의해 접촉을 취급 하는 해야 합니다 어디 위상 반전 방법에 대 한 중요 한 단계입니다. 또한, 중요 한 흐름 속도는 길쭉한 기름 방울은 해체와 반전 이후 발생 하지 것입니다24단계입니다. 기름 방울에 소수 성 출구에이 별 수 없을 때 낮은 고정된 흐름 속도 비율, 두 유체의 유량 길쭉한 기름 방울 휴식과 유도 위상 반전 될 때까지. 또한, 높은 점도 유체와 낮은 점도 액체가 있는 경우 유사한 습윤 치료 표면에, 다음 위상 반전 방법 것입니다 잘못 되었습니다.

우리만이 작품에서 수성 높은 점도 방울의 생성에 대 한 프로토콜 및 예제를 제공, 비록 위상 반전 공동 흐름 장치는 낮은 점도 수성 솔루션23에 높은 점성 기름 작은 물방울을 생성 하도 사용할 수 있습니다. 이러한 장치에 중간 관의 업스트림 해야 중간 관의 출구는 낮은 점도 단계 접촉 수를 치료를 해야 하는 동안 높은 점도 상 접촉을 취급 합니다. 위상 반전 공동 흐름 장치 빠르게 드롭릿 기반 응용 프로그램 개발에 잘 제어 방식으로 고 점도 유체를 캡슐화 하는 것 간단한 방법을 제공 한다.

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

이 작품은 국립 자연 과학 재단의 중국 (No. 51420105006와 51322501)에 의해 지원 되었다. 우리는 높은 점도 아이디어에 도움이 그의 토론을 위한 다니엘을 감사합니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
VitroTubes Glass Tubing VitroCom 8240 Square - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.4mm, OD=0.8mm
VitroTubes Glass Tubing VitroCom CV2033 Round - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.2mm, O.D.=0.33mm
VitroTubes Glass Tubing VitroCom CV1017 Round - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=0.1mm, O.D.=0.17mm
VitroTubes Glass Tubing VitroCom Q14606 Square - Miniature Hollow Glass Tubing, I.D.=1.05mm+0.1/-0, OD=1.5mm
Standard Glass Capillaries WPI 1B100-6 Round - Glass Tubing, I.D.=0.58mm, O.D.=1.00mm
Glycerol Sinopharm Chemical Reagent Beijing 10010618
Paraffin Liquid Sinopharm Chemical Reagent Beijing 30139828
Poly(vinyl alcohol), PVA-124 Sinopharm Chemical Reagent Beijing 30153084
Span 80 Sigma-Aldrich 85548
Starch Sigma-Aldrich S9765
Trichloro(octadecyl)silane Sigma-Aldrich 104817
Toluidine Blue O Sigma-Aldrich T3260
Honey Chaste tree honey, common food product purchased from supermarket
DEVCON 5 Minute Epoxy ITW  Epoxy glue
Blunt Tip Stainless Steel Dispensing Needles (Luer Lock) Suzhou Lanbo Needle, China LTA820050 20G x 1/2" 
Tungsten/Carbide Scriber Ullman 1830 For cutting glass tubing
Microscope Slides Sail Brand 7101 76.2 mm x 25.4 mm, Thickness 1 - 1.2 mm
Polyethylene Tubing Scientific Commodities BB31695-PE/5 I.D. = 0.86 mm, O.D. = 1.32 mm
Syringe Pumps Longer Pump, China LSP01-1A 3 pumps needed for the experiments

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References

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Li, J., Man, J., Li, Z., Chen, H. Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure. J. Vis. Exp. (134), e57313, doi:10.3791/57313 (2018).More

Li, J., Man, J., Li, Z., Chen, H. Fabricating High-viscosity Droplets using Microfluidic Capillary Device with Phase-inversion Co-flow Structure. J. Vis. Exp. (134), e57313, doi:10.3791/57313 (2018).

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