Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Faz-inversiyon ortak akış yapısıyla mikrosıvısal kapiller aygıtı kullanarak yüksek viskozite damlacıkları imalatı

Published: April 17, 2018 doi: 10.3791/57313
Automatic Translation
1, 2, 2, 2
1School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, 2State Key Laboratory of Tribology, Tsinghua University

Summary

Bir faz-inversiyon iş akışı aygıt monodisperse yüksek viskozite damlacıkları damlacık havacilik fark etmek zordur 1 Pas, yukarıda oluşturmak için gösterilmiştir.

Abstract

Monodisperse damlacıkları yüksek viskozite ile nesil damlacık havacilik mücadelesine hep. Burada, bir düşük viskozite akışkan Tekdüzen yüksek viskozite damlacıkları üretmek için bir faz-inversiyon ortak akış aygıtı gösterir. Mikrosıvısal kapiller cihaz için daha geniş bir tüp bağlama onun çıkış ile ortak bir iş akışı yapısı vardır. Düşük viskozite akışkan uzun damlacıkları ilk iş akışı yapısındaki yüksek viskozite akışkan tarafından saklanmış. Uzun düşük viskozite damlacıkları tarafından düşük viskozite akışkan sualtındaki için tedavi edilir, çıkış çıktıkça faz inversiyon sonra düşük viskozite damlacıkları sonraki ters sonuçlar çıkış ucuna yapışma tarafından indüklenen olduğu yüksek viskozite akışkan encapsulation. Sonuç yüksek viskozite damlacıkları boyutunu yüksek viskozite akışkan düşük viskozite akışkan akış oranı oranını değiştirerek ayarlanabilir. Biz yüksek viskozite damlacıkları ile bir viskozite 11.9 Pas, gliserol, bal, nişasta ve polimer çözüm gibi kadar nesil birkaç tipik örnekler göstermektedir. Yöntem malzeme sentezi, ilaç dağıtım, hücre tahlil, Biyomühendislik ve gıda gibi damlacık tabanlı uygulamaları çeşitli kullanılabilir monodisperse yüksek viskozite damlacıkları üretmek için basit ve kolay bir yaklaşım sağlar Mühendislik.

Introduction

Damlacıkları nesil bir anahtar teknoloji uygulamaları, ilaç dağıtım, malzeme sentezi, 3D bioprinting, hücre deneyleri ve Gıda Mühendisliği1,2,3,4 gibi çeşitli hale geliyor , 5 , 6. mikrosıvısal cihazlar ile paraleldir7,8, ortak akış1,9veya10,11 yapıları akışı odaklanarak, monodisperse üretmek için yaygın olarak kullanılır Tek emülsiyon damlacıkları. Seçimi daha viskoz sürekli aşaması damlacıkları12oluşumu kolaylaştıracak ve sürekli ve dağınık sıvıları viskozite sık damlacık havacilik13' te 0.1 Pas aşağıdadır. Ancak, birçok uygulama içinde dağınık faz bir viskozite birkaç yüz kat daha fazla su, gliserol14gibi nano tanecikleri15, proteinler16veya17 polimerler içeren çözümler olabilir , 18 , o doğrudan doğruya--dan yüksek viskoziteli sıvıları rejimi11 mikrosıvısal cihazlarý, özellikle sıvı viskozitesi η > 1 Pa·s14 ile'damlama istikrarlı bir monodisperse damlacıkları başarmak zor olmakla birlikte 19, ,17,18,19. Ayrıca, tipik mikrosıvısal yöntemleri damlacık oluşumu için nispeten düşük viskozite ve istikrarlı bir damlama Tekdüzen damlacıkları oluşturmak için orta interfacial gerilim sıvıları gerektirir bildirilen13,18 olmuştur rejimi.

0.1 Pas biraz daha büyük bir viskozite ile dağınık bir aşamada damlacık oluşumu tipik paraleldir, iş akışı veya akışı odaklanarak mikrosıvısal aygıtlarıyla kolaylaştırmak için çeşitli olası yaklaşım vardır: (1) azalma dağınık viskozite Aşama bir uçucu solvent11,20dakika sonra sulandrarak tarafından; (2) dağınık-için-sürekli viskozite oranı sürekli aşama1,11viskozite artırarak azaltmak; (3) debisi yüksek dağınık sürekli akış hızı oranı 14,19tutarken dağınık aşaması son derece düşük değeri azaltın. Ancak, onlar önemli ölçüde önemli ölçüde uçucu solvent veya sürekli aşama tüketiminin yetiştirme süre üretim hızı düşürür gibi bu yaklaşımlar ile çok daha yüksek viskozite, sıvılar için pratik değildir. Ek, bazı yüksek viskozite polimer çözümler η > 1 Pa·s hala damlacıkları17,19bahsedilen yaklaşımlarla ayrıldınız değil ki rapor edildi.

Ayrıca sıvı üçüncü aşaması yüksek viskozite damlacıkları nesil kolaylaştırır sistemi tanıtmak mikrosıvısal cihazlar birkaç gelişmiş tasarımları vardır. Yenilikler şunlardır: damlacıkları21, ılımlı viskozite dipsersed faz ve sürekli aşama18arasında orta faz olarak tanıttı, bir immiscible eşlik sıvıyla jeti bir iş parçacığı kesmek için tanıttı kabarcıklar ve microreactors iki düşük viskozite öncüleri21,22,23yüksek viskozite damlacıkları üretmek için tanıttı. Ancak, bir daha fazla sıvı sürece dahil gibi sistemi daha karmaşık hale gelir ve aygıtların genellikle normal aygıtları daha bir çok dar bir akış rejim tek emülsiyon damlacıkları üretimi için çalıştığını.

Doğrudan doğruya--dan η > 1 Pa·s, yüzey kontrollü faz-inversiyon yöntemleri ile bir yüksek viskozite sıvı damlacıkları olmuştur monodisperse oluşturmak için24araştırıldı. Düşük viskozite damlacıkları nesil yüksek viskozite damlacıkları12daha kolay olduğu için uzun düşük viskozite damlacıkları bir yüksek viskozite sürekli aşamasında ilk tipik iş akışı yapısını kullanarak oluşturulur ve sonra nedeniyle ayrılır yüzey wettability aşağı iş akışı yapısının değişim için. Böylece faz ters çevirme tamamlandıktan yayımlanan düşük viskozite akışkan aşağı akım yüksek viskozite sıvı damlacıkları ters saklar. İş akışı cihazın çıkış tarafından düşük viskozite akışkan sualtındaki tedavi ve daha geniş bir tüp24 bağlı iken bir tipik iş akışı aygıtta dayalı monodisperse yüksek viskozite damlacıkları faz ters çevirme mekanizması göre oluşturulabilir ,25.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. sulu, yüksek viskozite damlacıkları oluşturma işlemi ~ 500 mikron çapında gözlemlemek için bir faz-inversiyon iş akışı kapiller cihaz üreten.

Not: Burada kullanılan kare dış tüp görüntülerini oluşturma işlemi yüksek viskozite damlacıkları fark var. Görüntü almanıza gerek yok ise, cihazın basitleştirilmiş bir sürümünü Protokolü adım 2 göre yapılabilir.

  1. Farklı boyutları ile üç cam tüplerin kapiller aygıt montaj için hazır olun.
    1. Bir kare cam tüp 1.05 mm iç boyutunu alın ve uzunluğu tüp ~ 4 cm bir parça kesti. Bu cihazın dış tüp olacak.
    2. Bir iç çapı çeşit 580 mikron (kimlik) ve bir dış çapı (OD) 1 mm ile bir yuvarlak cam tüp alın ve uzunluğu tüp ~ 3 cm bir parça kesti. Bu aygıtın orta tüp olacak.
    3. Kimliği ile bir yuvarlak cam tüp almak 200 mikron ve OD = 330 mikron = ve uzunlukta tüp ~ 2 cm bir parça kesti. Bu cihazın iç tüp olacak.
  2. Hidrofobik olmak orta tüp bir ucunu yüzey wettability değiştirin.
    1. 1 mL cam şişe alıp trichloro (octadecyl) silane (OTS) 0.3 mL cam şişe ekleyin.
    2. Kimlik ile orta tüp al = 580 mikron 1.1.2 Protokolü adımda hazırlanan ve bir ucunu bu OTS ~ 10 cam şişe içinde içine daldırma s.
    3. Orta tüpü çıkarmak al ve azot gazı ile tüp tedavi edilmezse ucundan floş.
  3. İğneler, kapiller cihazın giriş için hazır olun.
    1. İğne dağıtımı 20 G künt bahşiş almak ve bir yuva ~0.5 mm x 0,5 mm plastik radarı hub kenarına ile bir bıçakla kesti.
      Not: Bu iğneyi düşük viskozite petrol aşama için giriş görev yapacak.
    2. Başka bir 20 G künt ucu iğne dağıtımı alın ve plastik radarı hub kenarında iki yuvası kesti. Radarı hub çapını geçen bir çizgi iki Yuvaları hizalayın.
      Not: diğer yuvası ~1.0 mm x 1.0 mm boyutundadır iken bir yuvası bir ~0.5 mm x 0,5 mm boyutundadır. Bu iğneyi yüksek viskozite sulu faz için giriş görev yapacak.
    3. Başka bir 20 G künt ucu iğne dağıtımı alın ve plastik radarı hub kenarında iki yuvası kesti. Radarı hub çapını geçen bir çizgi iki Yuvaları hizalayın.
      Not: Bir yuvası ~1.5 mm x 1.5 mm yer kaplıyor; iken diğer yuvası ~1.0 mm x 1.0 mm boyutundadır. Bu iğneyi amacıyla için giriş olarak görev yapacak.
  4. Göre montajı cam borular Şekil 1A.
    1. Düzenli 7.62 cm x 2,54 cm cam slayt kapiller aygıt substrat al.
    2. Kimlik ile dış tüp = 1,05 mm ~ 1 cm kısa kenarına cam slayt ekstrüzyon ile cam slayt üzerinde 1.1.1, protokolü adımda hazırlanan.
    3. Kimlik ile orta tüp almak 580 mikron, 1.2, protokolü adımda hazırlanan = ve cam slayt üstünde belgili tanımlık son dış tüpünden orta tüp hidrofobik ucunu bağlayın ve ~ 1 cm orta tüpün dış tüp dışında tutmak.
    4. Kimlik ile iç tüp almak 200 mikron, 1.1.3, protokolü adımda hazırlanan = ve orta tüpün içine iç tüp bir ucunu bağlayın ve ~ 1 cm iç tüp orta tüp dışında tutmak.
    5. Epoksi yapıştırıcı üç tüpler konumunu cam slayt boyunca Merkez düzeltmek için kullanın. ~ 5 dakika bekleyin veya tamamen kuvvetlendirmek tutkal için daha uzun.
  5. Alıcılar kapiller aygıtta bir araya getirin.
    1. 1.3.1 protokolü adımda hazırlanan düşük viskozite petrol aşama için giriş iğne al ve substrat iç tüp sonu kapak ve epoksi yapıştırıcı radarı hub üzerinde substrat düzeltmek için kullanın radarı hub izin.
    2. 1.3.2 Protokolü adımda hazırlanan yüksek viskozite sulu faz için giriş iğneyi al ve iç tüp ve orta tüp arasındaki kavşak kapak ve substrat üzerine radarı hub düzeltmek için epoksi yapıştırıcı kullanın radarı hub izin.
    3. 1.3.3, protokolü adımda hazırlanan giriş iğne alıp, temizlik için izin radarı hub Kavşağı arasında orta tüp ve dış tüp kapak ve epoksi yapıştırıcı radarı hub üzerinde substrat düzeltmek için kullanın.
    4. ~ 5 dakika bekleyin veya tamamen kuvvetlendirmek tutkal için daha uzun.
    5. Epoksi yapıştırıcı radarı hub iğne substrat üzerine mühür için kullanın.
  6. ~ 30 dakika bekleyin veya tamamen, kuvvetlendirmek tutkal için daha uzun ve daha sonra cihazın kullanıma hazırdır.

2. aşama-inversiyon, sulu yüksek viskozite damlacıkları ~ 500 mikron çapında imalatı için iş akışı kapiller cihaz yapmak.

Not: burada yapılan cihazın Protokolü adım 1 basitleştirilmiş bir sürümüdür cihazdır.

  1. İki cam tüp farklı boyutları ile kılcal aygıt montaj için hazır olun.
    1. Yuvarlak cam tüp ile kimlik almak 580 mikron ve OD = 1 mm = ve tüp ile bir parça kesip ~ 3 cm uzunluğundadır. Bu aygıtın orta tüp olacak.
    2. Yuvarlak cam tüp ile kimlik almak 200 mikron ve OD = 330 mikron = ve tüp ile bir parça kesip ~ 2 cm uzunluğundadır. Bu cihazın iç tüp olacak.
  2. Hidrofobik olmak orta tüp bir ucunu yüzey wettability değiştirin.
    1. OTS 0.3 mL 1 mL cam şişe içine ekleyin.
    2. Kimlik ile orta tüp al = 580 mikron, protokolü adım 2.1.1, hazırlanan ve bir ucunu bu OTS ~ 10 cam şişe içinde içine daldırma s.
    3. Orta tüpü çıkarmak almak ve tedavi edilmezse ucundan azot gazı ile tüp floş.
  3. İğneler, kapiller cihazın giriş için hazır olun.
    1. Giriş düşük viskozite petrol aşama için hizmet edecek iğne dağıtımı 20 G künt bahşiş hazırlayın. Sonra ~0.5 mm x 0,5 mm yuvası plastik radarı hub kenarında bir bıçak ile kesme.
    2. Başka bir 20 G künt ucu iğne dağıtımı alın ve plastik radarı hub kenarında iki yuvası kesti. Radarı hub çapını geçen bir çizgi iki Yuvaları hizalayın.
      Not: diğer yuvası ~1.0 mm x 1.0 mm boyutundadır iken bir yuvası bir ~0.5 mm x 0,5 mm boyutundadır. Bu ikinci iğne giriş yüksek viskozite sulu faz için görev yapacak.
  4. Göre montajı cam borular Şekil 1A .
    1. Düzenli 7.62 cm x 2,54 cm cam slayt kapiller aygıt substrat al.
    2. Kimlik ile orta Tüpü yerleştirmek 580 mikron, protokolü adım 2.2, hidrofobik sonuna ~ 1 cm cam slayt kısa kenarına ekstrüzyon ile cam slayt üzerinde hazırlanan =.
    3. Kimlik ile iç tüp almak 200 mikron, protokolü adım 2.1.2, hazırlanan = ve orta tüp cam slayt üzerinde tedavi edilmezse sondan bir iç tüp ucunu takın ve tutmak ~ orta tüp dışında iç tüp 1 cm.
    4. Epoksi yapıştırıcı iki tüp cam slayt boyunca Merkez konumu düzeltmek için kullanın.
    5. ~ 5 dakika veya daha uzun tutkal tamamen kuvvetlendirmek bekleyin.
  5. Alıcılar kapiller aygıtta bir araya getirin.
    1. 2.3.1 protokolü adımda hazırlanan düşük viskozite petrol aşama için giriş iğne al ve substrat iç tüp sonu kapak ve epoksi yapıştırıcı radarı hub üzerinde substrat düzeltmek için kullanın radarı hub izin.
    2. 2.3.2 Protokolü adımda hazırlanan yüksek viskozite sulu faz için giriş iğneyi al ve iç tüp ve orta tüp arasındaki kavşak kapak ve o zaman belgili tanımlık substrate radarı hub düzeltmek için epoksi yapıştırıcı kullanın radarı hub izin.
      Not: Orta tüp diğer ucunu cihazın çıkış olduğunu.
    3. ~ 5 dakika bekleyin veya tamamen kuvvetlendirmek tutkal için daha uzun.
    4. Epoksi yapıştırıcı radarı hub iğne substrat üzerine mühür için kullanın.
  6. ~ 30 dakika bekleyin veya tamamen kuvvetlendirmek tutkal için daha uzun.
  7. Çıkış kablo kanalları ile Yaniorta tüp ücretsiz ucunu bağlayın., polietilen boru ile kimlik = 0,86 mm ve ~ 20 mm uzunluğunda.
    Not: hiçbir tutkal burada ihtiyaç böylece dış boru hafif deformasyon bağlantı, mühür sağlayacaktır. Çıkış boru faz inversiyon için daha geniş bir dış tüp gibi davranır. Bu noktada, aygıt kullanıma hazırdır.

3. aşama-inversiyon iş akışı kapiller aygıt sulu yüksek viskozite damlacıkları oluşturma işlemi ~ 200 mikron çapında gözlemlemek için yapın.

Not: burada yapılmış alet Protokolü daha küçük damlacıklar yapmak için adım 1 aygıt, daha küçük bir sürümüdür.

  1. Farklı boyutları ile üç cam tüplerin kapiller aygıt montaj için hazır olun.
    1. Bir kare cam tüp ile kimlik almak 400 mikron = ve uzunluğu, cihazın dış tüp olacak tüp ~ 4 cm bir parça kesti.
    2. Kimliği ile bir yuvarlak cam tüp almak 200 mikron ve OD = 330 mikron = ve uzunluğu, aygıtın orta tüp olacak tüp ~ 3 cm bir parça kesti.
    3. Kimliği ile bir yuvarlak cam tüp almak 100 mikron ve OD = 170 mikron = ve uzunluğu, cihazın iç tüp olacak tüp ~ 2 cm bir parça kesti.
  2. Hidrofobik olmak orta tüp bir ucunu yüzey wettability değiştirin.
    1. 1 mL cam şişe alıp OTS 0.3 mL cam şişe içine ekleyin.
    2. Kimlik ile orta tüp al = 200 mikron, 3.1.2, protokolü adımda hazırlanan ve bir ucunu bu OTS ~ 10 cam şişe içinde içine daldırma s.
    3. Orta tüpü çıkarmak almak ve tedavi edilmezse ucundan azot gazı ile tüp floş.
  3. İğneler, kapiller cihazın giriş için hazır olun.
    1. Giriş düşük viskozite petrol aşama için hizmet edecek iğne dağıtımı 20 G künt bahşiş hazırlayın. Sonra bir bıçak ile bir slot ~0.2 mm x 0.2 mm plastik radarı hub kenarında kesti.
    2. Başka bir 20 G künt ucu iğne dağıtımı hazırlamak ve plastik radarı hub kenarında iki yuvası kesti. Radarı hub çapını geçen bir çizgi iki Yuvaları hizalayın.
      Not: diğer yuvası ~0.4 mm x 0.4 mm boyutundadır iken bir yuvası bir ~0.2 mm x 0.2 mm boyutundadır. Bu ikinci iğne giriş yüksek viskozite sulu faz için görev yapacak.
    3. Başka bir 20 G künt ucu iğne dağıtımı alın ve plastik radarı hub kenarında iki yuvası kesti. İki yuvası radarı hub çapını geçen bir çizgide hizalanır.
      Not: diğer yuvası ~0.4 mm x 0.4 mm boyutundadır iken bir yuvası bir ~0.8 mm x 0.8 mm boyutundadır. Bu üçüncü iğne amacıyla için bir giriş olarak görev yapacak.
  4. Cihazın bitir, yerine bu hazır 3.1 protokolü adımda hazırlanan cam borular kullanarak iletişim kuralında 1.1 adım ve bu protokol adım 1.3 hazırlanan yerine 3.3 iletişim kuralı adımda hazırlanan iğne kullanarak iletişim kuralı 1.4-1.6 adımları için.

4. nesil Sıvı parafin gliserol damlacıkları gözlemleyerek

Not: Rakamlar 1B - D, gösterilen fotoğraf çekmek hazırlanan protokol adım 1 aygıt kullanın; şekil 3' te gösterilen fotoğraf çekmek, iletişim kuralı adım 3'te hazırlanan aygıtı kullanın.

  1. Deneyde kullanılacak çözümleri hazırlayın.
    1. Gliserol yüksek viskozite sulu faz kullanıp 0.5 w.t.% bu boya toluidin Blue O ekleyebilirsiniz mavi.
    2. Sıvı parafin düşük viskozite petrol faz kullanın ve %1 w.t. Span 80 yüzey aktif ekleyin.
  2. Üç 1 mL şırınga ve üç şırınga pompalar hazırlamak.
    Not: Protokolünde hazırlanmış sıvılar için üç şırınga 4.1 adım: bir yüksek viskozite gliserol enjekte için hazırlanan protokol adımda 4.1.1 ve protokol adım 4.1.2, anılan sıraya göre hazırlanan düşük viskozite Sıvı parafin enjekte için diğer iki.
    1. Gliserol orta tüp koya için içeren şırınga bağlayın.
    2. Diğer amaçlar temizlik için giriş için bağlanırken iç tüp giriş için Sıvı parafin içeren bir şırınga bağlayın.
  3. Cihazın Protokolü adım 1 ters bir mikroskop üzerinde hazırlanan yerleştirin ve sızan sıvı emmek için Kimwipe dış tüp çıkış altında bir parça yerleştirin.
    Dikkat: Kimwipe alanının dışında kalan sıvı sızıntısı izin vermeyin.
  4. Enjektör pompaları akış hızı ayarlayın.
    Not: ne zaman orada kapana kısılmış kabarcıklar veya damlacıklar orta tüp teknelerin çevresinde amacıyla için dış tüp bağlı şırınga pompa kullanın. Aksi takdirde, sadece durdu pompa bırakın.
    1. Gliserol enjekte etme için Qw tüp orta akış oranını ayarlamak 10 μL/dk =.
    2. Sıvı parafin Qo iç tüp için enjekte etme akış oranını ayarlamak 30 μL/dk =.
    3. Gliserol damlacıkları üretmek için iki pompaları çalıştırın.
  5. ~0.5 min için akış stabilize ve gliserol damlacıkları düzgün orta tüp çıkışları oluşturulan kadar bekleyin. O zaman, videolar veya damlacık oluşturma işlemi görüntülerini al.
    Not: 1B-C Protokolü adım 1, 3A rakam Albümdeki sırasında hazırlanan aygıtı kullanarak alınabilir rakamlar Albümdeki Protokolü adım 3'te hazırlanan aygıtı kullanarak alınabilir. En kısa zamanda video veya görüntü alınır ve mikroskop cihazı hemen almak tüm pompaları durdurmak.
  6. Yüksek viskozite damlacıkları toplamak için hazır olun.
    1. Yer cihazın çıkışı olan bir dikey düzlemde aşağı işaret etti ve çıkış altında petri kabına koyun. Teyp aygıtı ~ 2 mm yukarıda petri kabına alt şirketi ile düzeltmek için kullanın.
    2. Petri çanak içine 4.1.2 Protokolü adımda hazırlanan bazı Sıvı parafin dökün ve sadece çıkış aygıtının bırakın.
  7. İki şırınga tekrar Qw pompaları çalıştırmak 10 μL/dak ve Qo = 30 μL/dk = ve petri kabına gliserol damlacıkları toplamak.
    Not: ~ 1 kadar akış stabilize ve gliserol damlacıkları düzgün dış tüp çıkışları oluşturulan dk bekleyin, görüntü petri kabına damlacıkları, cihazın Protokolü 1 hazırlanan şekil 1 d içinde gösterildiği gibi alınabilir , veya şekil 3B Protokolü adım 3'te hazırlanan aygıt için.

5. oluşturma ve gliserol damlacıkları 2. adımda hazırlanan Basitleştirilmiş aygıt ile Sıvı parafin içinde toplama.

Not: Bu fotoğraf Qofarklı akış hızı oranı altında oluşturulan gliserol damlacıkları çekmek olduğunu /Qwve buna karşılık gelen ölçme size Şekil 2' deki veri noktaları için damlacıkları varyasyonu.

  1. İletişim kuralı adım 4.1 takip ederek deneyde kullanılacak çözümleri hazırlayın.
  2. İki 1 mL şırınga ve iki şırınga pompa hazırlamak.
    Not: Protokolünde hazırlanmış sıvılar için iki şırınga 4.1 adım: bir iletişim kuralı adım 4.1.1 ve diğer iletişim kuralı adım 4.1.2, anılan sıraya göre hazırlanan düşük viskozite Sıvı parafin enjekte için hazırlanmış yüksek viskozite gliserol enjekte için.
    1. 0.8 mL gliserol orta tüp koya için içeren şırınga bağlayın.
    2. İç tüp giriş için 0.8 mL Sıvı parafin içeren şırınga bağlayın.
  3. Yüksek viskozite damlacıkları toplamak için hazır olun.
    1. Yer cihazın çıkışı olan bir dikey düzlemde aşağı işaret etti ve 35 mm çıkış altında Petri kabına koydum. Teyp aygıtı ~ 2 mm yukarıda petri kabına alt şirketi ile düzeltmek için kullanın.
    2. Petri çanak içine 4.1.2 Protokolü adımda hazırlanan bazı Sıvı parafin dökün ve sadece çıkış aygıtının bırakın.
  4. Enjektör pompaları akış hızı ayarlayın.
    Not: her akış hızı oranı Şekil 2, düzeltmek için akış hızı gliserol Qw = 2 μL/dk, farklı değerlere göre Q gerekli akış hızı oranları Sıvı parafin Qo akış oranını artırırken o/Qw. Her akış hızı oranı ~ 1 dk akış stabilize ve Tekdüzen gliserol damlacıkları kabında toplanır sonra damlacıkları görüntülerini almak kadar bekleyin.
    1. Debisi Qw orta tüpün içine enjekte gliserol ayarla 2 μL/dk =.
    2. Sıvı parafin Qo iç tüp enjekte akış hızı ayarla 6 μL/dk =.
    3. Gliserol damlacıkları üretmek için iki pompaları çalıştırın.
      Not: Damlacıkları oluşturma işlemi doğrudan bir cep telefonu kamera ile görülebilir veya dijital bir kamera üçayağa monte.
  5. Akar bağları ve Tekdüzen gliserol damlacıkları toplamak için yeni bir petri değiştirmek kadar ~ 1 dk bekleyin.

6. Sıvı parafin faz-inversiyon ortak akış aygıtı kullanan diğer yüksek viskozite damlacıkları oluşturur.

Not: Bu şekil 4Albümdeki içindir. Deneylerde kullanılan tüm düşük viskozite petrol faz 4.1.2 Protokolü adımda kullanılan ile aynıdır.

  1. Saf bal yüksek viskozite sulu faz şekil 4Aiçin kullanın.
  2. 6 w.t.% nişasta çözüm şekil 4Biçin hazırlayın.
    Uyarı: uygun yüksek ısı cam medya şişe ve bir yüksek sıcaklık kap kullanın. Isıya dayanıklı eldiven giymek.
    1. 100 mL cam medya şişede su 47 g ekleyin ve karıştırın bar şişeye koy.
    2. Bir su banyosunda şişe koymak ve sıcaklığı 100 ° C'ye
    3. 100 ° c su banyosu ulaştıktan sonra 3 g nişasta tozu sıcak suya ekleyin
    4. Şişe kapağı kapak ve kadar çözüm açıktır ~ 4 h için karıştırma tutun.
    5. Çözüm kullanmadan önce oda sıcaklığında soğuduktan kadar bekleyin.
  3. 10 w.t.% PVA-124 çözüm şekil 4 ciçin hazırlayın.
    Uyarı: uygun yüksek ısı cam medya şişe ve bir yüksek sıcaklık kap kullanın. Isıya dayanıklı eldiven giymek.
    1. 100 mL cam medya şişede su 45 g ekleyin ve karıştırın bar şişeye koy.
    2. Bir su banyosunda şişe koymak ve sıcaklık 70 ° C'ye
    3. Su banyosu 70 ° C. ulaştıktan sonra 5 g PVA-124 tozu şişe içine ekleme
    4. Şişe kapağı kapak ve kadar çözüm açıktır ~ 1 h için karıştırma tutun.
    5. Çözüm kullanmadan önce oda sıcaklığında soğuduktan kadar bekleyin.
  4. Yüksek viskozite damlacıkları Sıvı parafin oluşturmak.
    1. İletişim kuralı adım 5 adım 6.1-6.3, gliserol Protokolü adım 5'te yerine hazırlanan yüksek viskoziteli sıvıları kullanarak izleyin.
    2. Qw , akış hızı ayarlarını kullanın 1 μL/dk ve Qo = 5 μL/dk = için şekil 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bir faz ters çevirme, iş akışı yapısı bir mikrosıvısal kapiller cihazla tasarlanmış monodisperse sulu yüksek viskozite damlacıkları, oluşturmak için şekil 1A' gösterildiği gibi. Şekil 1' de, yüksek viskozite sulu faz viskozitesi ηw vardır gliserol oldu 1.4 Pas; = viskozitesi ηo olan Sıvı parafin, düşük viskozite petrol dönemdi 0,029 Pas; = yüzey gerilimi iki aşamalar arasına γ yapıldı 27,7 mN/m =. Gliserol viskozite çok Sıvı parafin ve kapiller numaraları, Ca daha yüksek olduğundan orta tüpte uzun yağ damlacıkları bir iyi kontrollü damlama modu9,13, gliserol tarafından saklanmış , her iki aşamadan 10-4- 10-2, düşüktür nerede Ca = ηU/γ, U = Q/A sıvı ortalama hız, ve A haç alandır Kanal bölümü. Şekil 1Badımında gösterildiği gibi orta tüp çıkışında bir daha geniş dış tüp içine dışarı uzun yağ damlacıkları akan gibi yağ damlacıkları orta tüp hidrofobik ucunda kırdı ve gliserol, aşağı akım cap ters kapsüllenir böylece yüksek viskozite gliserol damlacıkları, şekil 1 ciçinde gösterildiği gibi elde edilmiştir. Damlacık boyutu ve herhangi bir iki bitişik yağ damlacıkları arasındaki mesafe değişmeden tutulur sürece oluşan gliserol damlacıkları monodisperse24,25olacaktır. Şekil 1B-C Albümdeki istimal belgili tanımlık aygıt aşağıdaki deneysel protokol adım 4 ve adım 1 elde edilmiştir. Qo oluşturulan gliserol damlacıkları = 30 uL/dak ve Qw = 10 uL/dak neyin damlacıkları vardı 521 μm kalınlığında bir ortalama çapı ve varyasyon (CV) katsayısı şekil 1 diçinde gösterilen damlacık boyutu, standart sapma ortalama damlacık boyutu tarafından bölünmüş olarak tanımlanır oldu CV = %0,9, damlacıkları monodisperse olduğunu gösterir.

Yüksek viskozite damlacıkları boyutunu akış hızı oranları Qodeğiştirerek ayarlanabilir /Qw sabit Qwile. Bir iletişim kuralı adım 2, aygıtla iletişim kuralı adım 5 takip deneyler elde edilen tipik deneysel sonuç kümesi Şekil 2' de gösterilmiştir. Qw sabit, Qoartış ile azalmıştır damlacık boyutu. Daha fazla akış hızı oranı artan verim daha küçük damlacıklar olabilir, ancak birim kesir damlacıkları buna göre ve düştü sıkıcı ve belgili tanımlık aygıt içinde basınç dramatik bir artış olurdu. Bu nedenle, akış hızı oranı Şekil2 aralıkta damlacık boyutu orta boru iç çapı için karşılaştırılabilir.

Küçük tüpler bir cihazla kullanıldığında damlacık boyutu daha da azalmış. Protokolü adım 4 aygıtla iletişim kuralı adım 3, aşağıdaki tipik deneysel sonuçlar orta tüp bir kimlik olduğu şekil 3' te, gösterilmektedir 200 mikron =.

Aynı cihazın Protokolü adım 2 monodisperse damlacıkları gliserol yüksek viskozite var çeşitli yüksek viskoziteli sıvıları oluşturmak için kullanılabilir. Bal (11 Pas), nişasta çözüm (8,5 Pas) ve polimer çözüm (2.5 Pas) monodisperse damlacıkları tipik sonuçları şekil 4' te gösterilmiştir. Sıvı Şekil 4 hazırlanması Protokolü adım 6 detaylı.

Figure 1
Şekil 1: üretimi düşük viskozite Sıvı parafin faz-inversiyon ortak akış aygıtı kullanarak yüksek viskozite gliserol damlacıkları. Faz-inversiyon iş akışı cihazlar(a)şeması. (B) gliserol yağ düşük gliserol damlacıkları nesil gözlenmesi slug petrol gliserol tek emülsiyon dış tüp orta tüp akışında. (C) zaman faz-inversiyon işlemi sıra görüntüleri. (D) monodisperse gliserol damlacıkları ve damlacıkların boyutu dağılımı. 521 mikron ve CV damlacıkları ortalama çapı olduğunu % 0,9 =. [24] izni ile yayımlanmaktadır. Telif hakkı 2017 Amerikan Kimya Derneği. Ölçek barlar 500 mikron vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: damlacık boyutu varyasyonu akış hızı oranı QOdeğişikliği ile /QW ise QW 2 μL/dk. = Her veri noktası için 30 damlacıkları ölçülür ve ortalama çapı bildirilmektedir. Standart sapma hata çubukları mezarlığına kullanılan simge daha küçük olduğu için burada gösterilen değil. [24] izni ile yayımlanmaktadır. Telif hakkı 2017 Amerikan Kimya Derneği. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: cihaz kimlik Orta tüp ile oluşturulan daha küçük gliserol damlacıkları 200 mikron =. (A) gliserol damlacıkları cihazın dış tüp üretimi gözlenmesi. (B) sonuç monodisperse gliserol damlacıkları 212 mikron ve CV bir ortalama çapı ile % 1,9 =. [24] izni ile yayımlanmaktadır. Telif hakkı 2017 Amerikan Kimya Derneği. Ölçek barlar 200 mikron vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: farklı çözümler üretilen yüksek viskozite damlacıkları ile ilgili örnekler. [24] izni ile yayımlanmaktadır. Telif hakkı 2017 Amerikan Kimya Derneği. (A)tatlım damlacıkları ile 612 mikron ve CV bir ortalama çapı = %0,7. (B) nişasta damlacıkları ile 600 mikron ve CV bir ortalama çapı = %0,9, (C) PVA-124 polimer damlacıkları ile 773 mikron ve CV bir ortalama çapı = %0,7. Tüm ölçek çubukları 1.0 mm. olan Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Faz-inversiyon iş akışı aygıt monodisperse yüksek viskozite damlacıkları üretmek için basit ve düz ileri bir yöntem sağlar. Temel iş akışı yapısı olan teknelerin çıkış boru için bağlı orta tüp takılı bir iç tüp oluşur gibi bu cihaz ortak iş akışı cihazlar, benzer bir yapısı vardır. Ancak, yüksek viskozite damlacıkları nesil viskozitesi η > 1 Pa·s ile faz-inversiyon ortak akış aygıtı ile ortak iş akışı aygıt arasındaki iki ana fark vardır.

Düz bir iç tüp faz-inversiyon iş akışı cihazlarda kullanılan ilk olarak, ortak iş akışı aygıtlar'da, bir iç tüp konik bir ipucu ile kullanılır. Sivri ucu genellikle kimlik vardır 20 mikron ve OD = = 30 mikron1,8, böylece bir pipet çektirmenin konik ucunu yapmak genellikle gereklidir. Faz-inversiyon iş akışı cihazda yuvarlak cam tüp kimliğiyle = 100-200 mikron doğrudan konik olmadan kullanılabilir.

İkinci olarak, ortak iş akışı cihazlar, yüksek viskozite akışkan enjekte edilir düşük viskozite akışkan tarafından kapsüllü için iç tüp içine; faz-inversiyon iş akışı cihazlar ise, düşük viskozite akışkan gerçekleştirmek daha kolay bir yüksek viskozite akışkan tarafından kapsüllü için iç tüp içine enjekte edilir. Örneğin, ne zaman biz Sıvı parafin, akış hızı oranı Qogliserol damlacıkları üretmek için ortak bir iş akışı aygıtı kullanın /Qw -meli var olmak iyi kontrollü gerçekleştirmek için en az 25 birim saniyeler içinde modu damlayan Hayır 4 daha yüksek gliserol damlacıkları. Aksine, faz-inversiyon iş akışı cihazlar, akış oranı oranı Qo/Qw olarak iyi kontrollü damlama modu gerçekleştirmek için 2,5 düşük olabilir, bu nedenle, gliserol damlacıkları % 28 bir birim kısmını gerçekleştirilebilir.

Faz-inversiyon iş akışı aygıt faz inversiyon uzun yağ damlacığı orta tüp hidrofobik çıkışında dağılmasından tarafından indüklenen. Bu nedenle, orta tüp çıkış yüzey wettability tedavisi faz ters çevirme yöntemi için önemli bir adım orta tüp çıkışında faz inversiyon ikna etmek için düşük viskozite faz tarafından sualtındaki için tedavi gerekir. Ayrıca, üzerinde uzun yağ damlacıkları değil ayrılık ve inversiyon daha sonra24gerçekleşmeyecek aşama olacak bir kritik akış hızı vardır. Ne zaman yağ damlacıkları hidrofobik çıkışında ayrılık olmaz, uzun yağ damlacıkları kırmak ve faz inversiyon neden kadar sabit akış hızı oranı ile her iki sıvı akış oranları daha düşük. Yüksek viskozite akışkan ve düşük viskozite akışkan benzer wettability tedavi yüzeyde varsa, Ayrıca, sonra faz ters çevirme yöntemi geçersiz olacaktır.

Biz sadece iletişim kuralları ve örnekler bu çalışmada sulu yüksek viskozite damlacıkları nesil sağlasa, faz-inversiyon iş akışı aygıt da düşük viskozite sulu çözümler23' te yüksek viskozite yağ damlacıkları üretmek için kullanılabilir. Böyle bir cihazın orta tüp ters yönde orta tüp çıkışında düşük viskozite faz tarafından sualtındaki için tedavi olmak ihtiyacı yüksek viskozite faz tarafından ıslak için tedavi gerekir. Faz-inversiyon iş akışı aygıt hızla damlacık tabanlı uygulamalar geliştirme iyi kontrollü bir şekilde yüksek viskoziteli sıvıları saklanması için basit bir yöntem sağlar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Bu eser Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı Çin tarafından (NOS 51420105006 ve 51322501) destek verdi. Daniel yüksek viskozite fikirler yararlı onun tartışma için teşekkür ediyoruz.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shah, R. K., Shum, H. C., Rowat, A. C., Lee, D., Agresti, J. J., Utada, A. S., Chu, L. Y., Kim, J. W., Fernandez-Nieves, A., Martinez, C. J., Weitz, D. A. Designer emulsions using microfluidics. Mater. Today. 11, 18-27 (2008).
  2. Park, J. I., Saffari, A., Kumar, S., Günther, A., Kumacheva, E. Microfluidic synthesis of polymer and inorganic particulate materials. Annu. Rev. Mater. Res. 40, 415-443 (2010).
  3. Heath, J. R., Ribas, A., Mischel, P. S. Single-cell analysis tools for drug discovery and development. Nat. Rev. Drug Discovery. 15, 204-216 (2016).
  4. Murphy, S. V., Atala, A. 3D Bioprinting of tissues and organs. Nat. Biotechnol. 32, 773-785 (2014).
  5. Du, G., Fang, Q., den Toonder, J. M. Microfluidics for cell-based high throughput screening platforms-a review. Anal. Chim. Acta. 903, 36-50 (2016).
  6. Ushikubo, F. Y., Oliveira, D. R. B., Michelon, M., Cunha, R. L. Designing food structure using microfluidics. Food Eng. Rev. 7, 393-416 (2015).
  7. Xu, J. H., Li, S. W., Tan, J., Wang, Y. J., Luo, G. S. Preparation of highly monodisperse droplet in a T-junction microfluidic device. AIChE Journal. 52, 3005-3010 (2006).
  8. van Steijn, V., Kleijn, C. R., Kreutzer, M. T. Flows around confined bubbles and their importance in triggering pinch-off. Phys. Rev. Lett. 103, 214501 (2009).
  9. Utada, A. S., Fernandez-Nieves, A., Stone, H. A., Weitz, D. A. Dripping to jetting transitions in coflowing liquid streams. Phys. Rev. Lett. 99, 094502 (2007).
  10. Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels. Appl. phys. lett. 82, 364-366 (2003).
  11. Utada, A. S., Lorenceau, E., Link, D. R., Kaplan, P. D., Stone, H. A., Weitz, D. A. Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device. Science. 308, 537-541 (2005).
  12. Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H., Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab Chip. 8, 198-220 (2008).
  13. Nunes, J. K., Tsai, S. S. H., Wan, J., Stone, H. A. Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 114002 (2013).
  14. Cubaud, T., Mason, T. G. Capillary threads and viscous droplets in square microchannels. Phys. Fluids. 20, 053302 (2008).
  15. Shestopalov, I., Tice, J. D., Ismagilov, R. F. Multi-step synthesis of nanoparticles performed on millisecond time scale in a microfluidic droplet-based system. Lab Chip. 4, 316-321 (2004).
  16. Zheng, B., Roach, L. S., Ismagilov, R. F. Screening of protein crystallization conditions on a microfluidic chip using nanoliter-size droplets. J. Am. Chem. Soc. 125, 11170-11171 (2003).
  17. Nie, Z. H., Xu, S. Q., Seo, M., Lewis, P. C., Kumacheva, E. Microfluidic production of biopolymer microcapsules with controlled morphology. J. Am. Chem. Soc. 127, 8058-8063 (2005).
  18. Abate, A. R., Kutsovsky, M., Seiffert, S., Windbergs, M., Pinto, L. F., Rotem, A., Utada, A. S., Weitz, D. A. Synthesis of monodisperse microparticles from non-Newtonian polymer solutions with microfluidic devices. Adv. Mater. 23, 1757-1760 (2011).
  19. Seo, M., Nie, Z., Xu, S., Mok, M., Lewis, P. C., Graham, R., Kumacheva, E. Continuous microfluidic reactors for polymer particles. Langmuir. 21, 11614-11622 (2005).
  20. Duncanson, W. J., Lin, T., Abate, A. R., Seiffert, S., Shah, R. K., Weitz, D. A. Microfluidic synthesis of advanced microparticles for encapsulation and controlled release. Lab Chip. 12, 2135-2145 (2012).
  21. Song, H., Chen, D. L., Ismagilov, R. F. Reactions in droplets in microfluidic channels. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7336-7356 (2006).
  22. Chen, H., Zhao, Y., Li, J., Guo, M., Wan, J., Weitz, D. A., Stone, H. A. Reactions in double emulsions by flow-controlled coalescence of encapsulated drops. Lab Chip. 11, 2312-2315 (2011).
  23. Wang, P., Li, J., Nunes, J., Hao, S., Liu, B., Chen, H. Droplet micro-reactor for internal gelation to fabricate ZrO2 ceramic microspheres. J. Am. Ceram. Soc. 100, 41-48 (2017).
  24. Chen, H., Man, J., Li, Z., Li, J. Microfluidic generation of high-viscosity droplets by surface-controlled breakup of segment flow. ACS Appl. Mater. Interfaces. 9, 21059-21064 (2017).
  25. Man, J., Li, Z., Li, J., Chen, H. Phase inversion of slug flow on step surface to form high viscosity droplets in microchannel. Appl. Phys. Lett. 110, 181601 (2017).

Tags

Kimya sayı: 134 havacilik emülsiyon damlacıkları yüksek viskozite faz inversiyon Wettability cam kılcal
Faz-inversiyon ortak akış yapısıyla mikrosıvısal kapiller aygıtı kullanarak yüksek viskozite damlacıkları imalatı
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Li, J., Man, J., Li, Z., Chen, H.… 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).

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