Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Fabriceren van dikvloeibaar druppels Microfluidic capillaire apparaat met fase-omkering co flow structuur

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

Een fase-omkering co stroom apparaat blijkt voor het genereren van monodispers dikvloeibaar druppels boven 1 Pas, die moeilijk is te realiseren in druppel microfluidics.

Abstract

De generatie van monodispers druppels met hoge viscositeit is altijd een uitdaging in druppel microfluidics geweest. Wij tonen hier, een fase-omkering co stroom apparaat voor het genereren van uniform dikvloeibaar druppels in de vloeistof van een lage viscositeit. Het microfluidic capillaire apparaat heeft een gemeenschappelijke co stroom structuur met een afslag verbinden met een bredere buis. Verlengde druppeltjes van de lage viscositeit vloeistof zijn eerste ingekapseld door de dikvloeibaar vloeistof in de stroom van de co-structuur. Zoals de verlengde lage viscositeit druppels stroom door de uitgang, die wordt getrakteerd op door de lage viscositeit vloeistof worden bevochtigd, wordt fase inversie vervolgens veroorzaakt door de hechting van de lage viscositeit druppels naar het uiteinde van de uitrit, wat in de daaropvolgende inverse resulteert inkapseling van de vloeistof dikvloeibaar. De grootte van de resulterende dikvloeibaar druppels kan worden aangepast door het veranderen van de stroom tarief verhouding van de lage viscositeit vloeistof naar de dikvloeibaar vloeistof. We tonen verschillende typische voorbeelden van de generatie van dikvloeibaar druppels met een viscositeit tot 11.9 Pas, zoals de oplossing van glycerol, honing en zetmeel polymeer. De methode biedt een eenvoudige en ongecompliceerde benadering voor het genereren van monodispers dikvloeibaar druppels, die kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid van druppel-gebaseerde toepassingen, zoals materialen synthese, drug delivery, cel assay, studierichtingen Bio-ingenieur, en voedsel Engineering.

Introduction

De generatie van de druppels wordt steeds een sleuteltechnologie in een verscheidenheid van toepassingen, zoals drug delivery, materialen synthese, 3D bioprinting, cellen, en voedsel engineering1,2,3,4 , 5 , 6. Microfluidic apparaten met de t-splitsing7,8, vloeien samen1,9, of stroom-focusing10,11 structuren worden veel gebruikt voor het genereren van monodispers enkele emulsie druppels. Selectie van een meer viskeuze continue fase vergemakkelijkt de vorming van druppels12en de viscositeit van de continue en verspreide vloeistoffen zijn gewoonlijk onder 0.1 Pas in druppel microfluidics13. Echter in vele toepassingen wellicht de verspreide fase een viscositeit verschillende honderd keer hoger dan die van water, zoals glycerol14, oplossingen met nanodeeltjes15, eiwitten16of polymeren17 , 18 , 19, terwijl het is moeilijk te bereiken monodispers druppels rechtstreeks vanuit dikvloeibaar vloeistoffen in een stal druipend regime11 in microfluidic apparaten, met name voor vloeistoffen met een viscositeit van η > 1 Pa·s14 ,17,18,19. Bovendien is het gerapporteerde13,18 , dat typische microfluidic methoden voor druppel vorming vereisen vloeistoffen met een relatief lage viscositeit en matige Interfaciale spanning om te vormen van uniforme druppels in een stabiele druip regime.

Voor een verspreide fase met een iets groter dan 0.1 Pas viscositeit, zijn er verschillende mogelijke benaderingen om de vorming van de druppel met typische t-splitsing, co debiet of flow-focusing microfluidic apparaten: (1) daling van de viscositeit van de verspreide fase door verdunning van het in een vluchtige oplosmiddelen11,20; (2) verlagen de verhouding verspreid-naar-continu viscositeit door verhoging van de viscositeit van de continue fase1,11; (3) het verlagen van het debiet van de verspreide fase tot een uiterst lage waarde, terwijl het houden van een hoge continu aan-verspreide stroom tarief verhouding 14,19. Deze benaderingen zijn echter niet praktisch voor vloeistoffen met veel hogere viscositeit, zoals ze zal de productieomvang aanzienlijk lager terwijl drastisch verhogen van de consumptie van de vluchtige oplosmiddelen of door de continue fase. Ter addtion, werd er gemeld dat sommige hoge viscositeit Polymeeroplossingen met η > 1 Pa·s nog niet in druppeltjes met de benaderingen die bovengenoemde17,19 breken deed.

Er zijn ook verschillende verbeterde ontwerpen van microfluidic-apparaten die een derde fase van de vloeistof in het systeem, dat de generatie van dikvloeibaar druppels vergemakkelijkt introduceren. Innovaties zijn: bubbels ingevoerd om een jetting draad in druppeltjes21, een onmengbare chaperoning vloeistof met matige viscositeit, geïntroduceerd als de middelste fase tussen de fase van de dipsersed en de continue fase18, gesneden en microreactors ingevoerd voor het genereren van dikvloeibaar druppels van twee lage viscositeit precursoren21,-22,23. Echter als een meer vloeistof bij het proces betrokken is, het systeem wordt ingewikkelder, en de apparaten werken meestal in een veel smaller flow-regime dan de typische apparaten voor de generatie van één emulsie druppels.

Onderzocht24voor het genereren van monodispers druppels rechtstreeks vanuit een dikvloeibaar vloeistof met η > 1 Pa·s, oppervlakte-gecontroleerde fase-omkering methoden geweest. Als de generatie van lage viscositeit druppels veel gemakkelijker dan is dat van dikvloeibaar druppels12, langwerpige lage viscositeit druppels in een dikvloeibaar continue fase zijn eerst gegenereerd met behulp van de structuur van een typische co stroom en dan einddatum zijn opgedeeld met de wijziging van oppervlakte bevochtigbaarheid stroomafwaarts van de co stroom structuur. De downstream dikvloeibaar vloeistof de vloeistof lage viscositeit vrijgegeven omgekeerd ingekapseld in druppeltjes zodat fase inversie is voltooid. Volgens de fase inversie mechanisme, kunnen monodispers dikvloeibaar druppels worden gegenereerd op basis van een typische co stroom apparaat, terwijl de uitgang van het apparaat co stroom is behandeld door de lage viscositeit vloeistof worden bevochtigd en vervolgens op een bredere buis24 aangesloten ,25.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. het produceren van een fase-omkering co Flow capillaire apparaat voor het waarnemen van het proces van de generatie van waterige, dikvloeibaar druppels met een Diameter van ~ 500 μm.

Opmerking: De vierkante buitenste buis die hier gebruikt is voor het nemen van beelden van het proces van de generatie van de druppels dikvloeibaar. Als er geen noodzaak om beelden te nemen, kan een vereenvoudigde versie van het apparaat volgens protocol stap 2 worden gemaakt.

  1. Bereiden drie glazen buizen met verschillende maten voor de montage van de capillaire apparaat.
    1. Neem een vierkante glazen buis met een innerlijke grootte van 1.05 mm, en knip een stukje van de buis ~ 4 cm in lengte. Dit zal de buitenste buis van het apparaat.
    2. Neem een ronde glazen buis met een inwendige diameter (id) van 580 μm en een buitenste diameter (OD) van 1 mm, en knip een stukje van de buis ~ 3 cm in lengte. Dit is de middelste buis van het apparaat.
    3. Neem een ronde glazen buis met id = 200 μm en od = 330 μm en knip een stukje van de buis ~ 2 cm in lengte. Dit zal de binnenband van het apparaat.
  2. De oppervlakte spuitbaarheid van één uiteinde van de middelste buis als hydrofobe wijzigen.
    1. Neem een 1 mL glazen ampul, en Voeg 0.3 mL trichloor (octadecylmethacrylaat) silane (OTS) in de glazen ampul.
    2. Neem de middelste buis met id = 580 μm bereid in protocol stap 1.1.2 en Dompel één kant van het in de OTS in de glazen ampul voor ~ 10 s.
    3. Neem de middelste buis, en spoelen van de buis met stikstofgas vanaf het onbehandelde einde.
  3. De naalden voor de inhammen van de capillaire apparaat voor te bereiden.
    1. Neem een 20G botte tip toedieningseenheden naald, en snijd van een kast met ~0.5 x 0.5 mm aan de rand van de kunststof Luer-hub met een mes.
      Opmerking: Deze naald zal dienen als de inlaat voor de lage viscositeit olie-fase.
    2. Neem een ander 20G botte uiteinde toedieningseenheden naald, en snijd van twee sleuven op de rand van de plastic Luer hub. Hiermee lijnt u de twee sleuven in een lijn de diameter van de Luer-hub.
      Opmerking: Één sleuf heeft een grootte van ~0.5 x 0.5 mm, terwijl de andere sleuf een grootte van ~1.0 x 1.0 mm heeft. Deze naald zal dienen als de inlaat voor de waterfase dikvloeibaar.
    3. Neem een ander 20G botte uiteinde toedieningseenheden naald, en snijd van twee sleuven op de rand van de plastic Luer hub. Hiermee lijnt u de twee sleuven in een lijn de diameter van de Luer-hub.
      Opmerking: Één sleuf heeft een grootte van ~1.5 x 1,5 mm; terwijl de andere sleuf een grootte van ~1.0 x 1.0 mm heeft. Deze naald zal dienen als de inlaat voor het reinigen van doeleinden.
  4. Assemble de glazen buizen volgens Figuur 1A.
    1. Neem een glasplaatje regelmatige 7.62 x 2,54 cm als het substraat van het capillaire apparaat.
    2. Zet de buitenste buis met id = 1.05 mm, bereid in protocol stap 1.1.1, op het glasplaatje met ~ 1 cm diepte van de korte zijde van het glasplaatje.
    3. Neem de middelste buis met id = 580 μm, bereid in protocol stap 1.2, en steek de hydrofobe uiteinde van de middelste buis in de buitenste buis van het einde op het glasplaatje en ~ 1 cm van de middelste buis buiten de buitenste buis te houden.
    4. Neem de binnenband met id = 200 μm, bereid in protocol stap 1.1.3, steek het ene uiteinde van de binnenband in de middelste buis en houden ~ 1 cm van de binnenband buiten de middelste buis.
    5. Epoxy lijm gebruiken om op te lossen van de drie buizen in positie langs de middellijn van het glasplaatje. Wacht ~ 5 min of langer voor de lijm te stollen volledig.
  5. De inhammen monteren op de capillaire apparaat.
    1. Nemen van de inlaat naald voor de lage viscositeit olie fase, bereid in protocol stap 1.3.1, en laat de Luer-hub betrekking hebben op het einde van de binnenbuis op de drager vervagen, en vervolgens met epoxy lijm fix-de Luer-hub op de drager vervagen.
    2. Nemen van de inlaat naald voor de waterfase dikvloeibaar, bereid in protocol stap 1.3.2, en laat de Luer-hub dekken van de kruising tussen de binnenband en de middelste buis en gebruik vervolgens epoxy lijm de Luer-hub op de ondergrond vast te stellen.
    3. Neem de naald van de inlaat, bereid in protocol stap 1.3.3, en, voor het reinigen, laat de Luer-hub dekken van de kruising tussen de middelste buis en de buitenste buis en gebruik vervolgens epoxy lijm te lossen de Luer-hub op het substraat.
    4. ~ 5 min wachten of langer voor de lijm te stollen volledig.
    5. Gebruik van epoxy lijm voor het afdichten van de Luer-hubs van de naalden op de drager vervagen.
  6. ~ 30 min wachten of langer voor de lijm te stollen volledig, en vervolgens het apparaat klaar is voor gebruik.

2. Maak een fase-omkering, co Flow capillaire apparaat voor het fabriceren van waterige dikvloeibaar druppels met een Diameter van ~ 500 μm.

Opmerking: Het apparaat hier is een vereenvoudigde versie van het apparaat in protocol stap 1.

  1. Twee glazen buizen met verschillende maten voor de montage van de capillaire apparaat voor te bereiden.
    1. Neem een ronde glazen buis met id = 580 μm en od = 1 mm en knip een stukje van de buis met ~ 3 cm in lengte. Dit is de middelste buis van het apparaat.
    2. Neem een ronde glazen buis met id = 200 μm en od = 330 μm en knip een stukje van de buis met ~ 2 cm in lengte. Dit zal de binnenband van het apparaat.
  2. De oppervlakte spuitbaarheid van één uiteinde van de middelste buis als hydrofobe wijzigen.
    1. Voeg 0.3 mL OTS in een 1 mL glazen ampul.
    2. Neem de middelste buis met id = 580 μm, bereid in protocol stap 2.1.1, en duik een uiteinde daarvan in de OTS in de glazen ampul voor ~ 10 s.
    3. Neem de middelste buis, en vervolgens de buis met stikstofgas spoelen van het onbehandelde einde.
  3. De naalden voor de inhammen van de capillaire apparaat voor te bereiden.
    1. Een 20G botte tip toedieningseenheden naald, die als de inlaat voor de lage viscositeit olie fase fungeren zal voor te bereiden. Snij vervolgens een sleuf van ~0.5 x 0.5 mm met een mes op de rand van de kunststof Luer-hub.
    2. Neem een ander 20G botte uiteinde toedieningseenheden naald, en snijd van twee sleuven op de rand van de plastic Luer hub. Hiermee lijnt u de twee sleuven in een lijn de diameter van de Luer-hub.
      Opmerking: Één sleuf heeft een grootte van ~0.5 x 0.5 mm, terwijl de andere sleuf een grootte van ~1.0 x 1.0 mm heeft. Deze tweede naald zal dienen als de inlaat voor de waterfase dikvloeibaar.
  4. Assemble de glazen buizen volgens Figuur 1A .
    1. Neem een glasplaatje regelmatige 7.62 x 2,54 cm als het substraat van het capillaire apparaat.
    2. Zet de middelste buis met id = 580 μm, bereid in protocol stap 2.2, op het glasplaatje met de hydrofobe einde ~ 1 cm diepte over de korte zijde van het glasplaatje.
    3. Neem de binnenband met id = 200 μm, bereid in protocol stap 2.1.2, steek het ene uiteinde van de binnenband in de middelste buis van het onbehandelde einde op het glasplaatje en houden ~ 1 cm van de binnenband buiten de middelste buis.
    4. Epoxy lijm gebruiken om op te lossen van de twee buizen in positie langs de middellijn van het glasplaatje.
    5. Wachten voor ~ 5 min of meer op de lijm te stollen volledig.
  5. De inhammen monteren op de capillaire apparaat.
    1. Nemen van de inlaat naald voor de lage viscositeit olie fase, bereid in protocol stap 2.3.1, en laat de Luer-hub betrekking hebben op het einde van de binnenbuis op de drager vervagen, en vervolgens met epoxy lijm fix-de Luer-hub op de drager vervagen.
    2. Nemen van de inlaat naald voor de waterfase dikvloeibaar, bereid in protocol stap 2.3.2, en laat de Luer-hub dekken van de kruising tussen de binnenband en de middelste buis en gebruik vervolgens epoxy lijm te lossen de Luer-hub op het substraat.
      Opmerking: De andere kant van de middelste buis is de uitgang van het apparaat.
    3. ~ 5 min wachten of langer voor de lijm te stollen volledig.
    4. Gebruik van epoxy lijm voor het afdichten van de Luer-hubs van de naalden op de drager vervagen.
  6. ~ 30 min wachten of langer voor de lijm te stollen volledig.
  7. Sluit het vrije uiteinde van de middelste buis met de uitlaat slang, dwz., polyethyleen slang met id = 0.86 en ~ 20 mm in lengte.
    Opmerking: De lichte vervorming van de buitenste buis zorgt voor de afdichting van de verbinding, zodat geen lijm nodig is hier. De uitlaat slang fungeert als een bredere buitenste buis voor de fase inversie. Op dit punt, is het apparaat klaar voor gebruik.

3. Maak fase-omkering co Flow capillaire apparaat voor het waarnemen van het proces van de generatie van waterige dikvloeibaar druppels met een Diameter van ~ 200 μm.

Opmerking: Het apparaat hier is een kleinere versie van het apparaat van protocol stap 1 om kleinere druppeltjes.

  1. Bereiden drie glazen buizen met verschillende maten voor de montage van de capillaire apparaat.
    1. Neem een vierkante glazen buis met id = 400 μm en knip een stukje van de buis ~ 4 cm in lengte, die de buitenste buis van het apparaat worden zal.
    2. Neem een ronde glazen buis met id = 200 μm en od = 330 μm en knip een stukje van de buis ~ 3 cm in lengte, die de middelste buis van het apparaat worden zal.
    3. Neem een ronde glazen buis met id = 100 μm en od = 170 μm en knip een stukje van de buis ~ 2 cm in lengte, die de binnenband van het apparaat worden zal.
  2. De oppervlakte spuitbaarheid van één uiteinde van de middelste buis als hydrofobe wijzigen.
    1. Neem een 1 mL glazen ampul, en Voeg 0.3 mL OTS in de glazen ampul.
    2. Neem de middelste buis met id = 200 μm, bereid in protocol stap 3.1.2, en duik een uiteinde daarvan in de OTS in de glazen ampul voor ~ 10 s.
    3. Neem de middelste buis, en vervolgens de buis met stikstofgas spoelen van het onbehandelde einde.
  3. De naalden voor de inhammen van de capillaire apparaat voor te bereiden.
    1. Een 20G botte tip toedieningseenheden naald, die als de inlaat voor de lage viscositeit olie fase fungeren zal voor te bereiden. Dan, met een mes, snijd u een sleuf ~0.2 x 0,2 mm aan de rand van de kunststof Luer-hub.
    2. Een ander 20G botte uiteinde toedieningseenheden naald voor te bereiden, en snijd twee sleuven op de rand van de kunststof Luer-hub. Hiermee lijnt u de twee sleuven in een lijn de diameter van de Luer-hub.
      Opmerking: Één sleuf heeft een grootte van ~0.2 x 0,2 mm, terwijl de andere sleuf een grootte van ~0.4 x 0.4 mm heeft. Deze tweede naald zal dienen als de inlaat voor de waterfase dikvloeibaar.
    3. Neem een ander 20G botte uiteinde toedieningseenheden naald, en snijd van twee sleuven op de rand van de plastic Luer hub. De twee sleuven worden uitgelijnd in een lijn de diameter van de Luer-hub.
      Opmerking: Één sleuf heeft een grootte van ~0.8 x 0.8 mm, terwijl de andere sleuf een grootte van ~0.4 x 0.4 mm heeft. Deze derde naald zal dienen als een inham voor het reinigen van doeleinden.
  4. Stappen protocol 1.4-1.6 te voltooien van het apparaat, met behulp van de glazen buizen bereid in protocol stap 3.1 in plaats van die bereid in protocol stap 1.1 en gebruik van de naalden bereid in protocol stap 3.3 in plaats van de in protocol stap 1.3 voorbereid.

4. het observeren van de generatie van Glycerol druppels in vloeibare paraffine

Opmerking: Voor de opnamen weergegeven in cijfers 1B - D, gebruikt het apparaat voorbereid in protocol stap 1; gebruiken voor opnamen in Figuur 3aangegeven, het apparaat voorbereid in protocol stap 3.

  1. Bereid oplossingen worden gebruikt in het experiment.
    1. Glycerol te gebruiken als de waterfase dikvloeibaar, en voeg toe 0,5 w.t.% toluïdine blauwe O Dye het blauw.
    2. Gebruik van vloeibare paraffine als de fase van lage viscositeit olie, en voeg 1% w.t. Span 80 in het als oppervlakteactieve stof.
  2. Drie 1 mL spuiten en drie injectiespuit pompen voorbereiden.
    Opmerking: Drie spuiten voor de vloeistoffen bereid in protocol stap 4.1: één voor het injecteren van de hoge viscositeit van glycerol bereid in protocol stap 4.1.1, en de andere twee voor het injecteren van de lage viscositeit vloeibare paraffine, bereid in protocol stap 4.1.2, respectievelijk.
    1. Sluit de spuit met glycerol aan de inlaat van de middelste buis.
    2. Verbinding maken met een spuit met vloeibare paraffine bij de inlaat van de binnenband, terwijl de andere verbinden met de inlaat voor het reinigen van doeleinden.
  3. Plaats het apparaat in protocol stap 1 op een omgekeerde Microscoop voorbereid, en plaats van een stuk van een Kimwipe onder de uitlaat van de buitenste buis te absorberen de gelekte vloeistof.
    Let op: Laat niet de vloeistof lekken buiten het Kimwipe gebied.
  4. Stel de stroomsnelheid van de injectiespuit pompen.
    Opmerking: Gebruik de spuitpomp op de buitenste buis voor het reinigen van toepassing wanneer er gevangen bubbels of druppels rond de uitgang van de middelste buis aangesloten. Anders laat de pomp gestopt.
    1. Instellen van het debiet van glycerol injecteren op de middelste buis van Qw = 10 μL/min.
    2. Instellen van het debiet van vloeibare paraffine injecteren aan de binnenband van Qo = 30 l/min.
    3. Voer de twee pompen voor het genereren van glycerol druppels.
  5. ~0.5 min wachten totdat de stromen is gestabiliseerd en de druppels van glycerol gelijkmatig worden gegenereerd op de uitgangen van de middelste buis. Neem dan, video's of beelden van de druppel generatie proces.
    Opmerking: Afbeeldingen in cijfers 1B-C kan worden gehouden gebruik van het apparaat voorbereid in protocol stap 1, terwijl afbeeldingen in figuur 3A kunnen worden genomen met behulp van het apparaat voorbereid in protocol stap 3. Stop alle pompen, zodra de video's of beelden worden genomen, en neem het apparaat uit de Microscoop meteen.
  6. Voorbereiden voor het verzamelen van de druppels dikvloeibaar.
    1. Plaats het apparaat in een verticaal vlak met de uitlaat wees naar beneden, en zet een petrischaal onder de uitlaat. Tape gebruiken bij het herstellen van het apparaat met de uitlaat ~ 2 mm boven de onderkant van de petrischaal.
    2. Giet wat vloeibare paraffine bereid in protocol stap 4.1.2 in de petrischaal en gewoon het onderdompelen van de uitlaat van het apparaat.
  7. Voer de twee syringe pompen opnieuw op Qw = 10 μL/min en Qo = 30 l/min, en verzamelen de glycerol druppels in de petrischaal.
    Opmerking: Wacht voor ~ 1 min totdat de stromen is gestabiliseerd en de druppels van glycerol gelijkmatig worden gegenereerd op de uitgangen van de buitenste buis, het imago van de druppels in de petrischaal kan worden genomen, zoals weergegeven in Figuur 1 d voor het apparaat voorbereid in protocol 1 , of figuur 3B voor het apparaat voorbereid in protocol stap 3.

5. genereren en het verzamelen van de druppels Glycerol in de vloeibare paraffine met het vereenvoudigde apparaat voorbereid in stap 2.

Nota: Dit is voor het nemen van beelden van de glycerol druppels die zijn verkregen onder verschillende flow rate ratio van Qo/Q,w, en het meten van de corresponderende grootte variatie van de druppels voor de gegevenspunten in Figuur 2.

  1. Oplossingen voor in het experiment wordt gebruikt door het volgende protocol stap 4.1 voor te bereiden.
  2. Twee 1 mL spuiten en twee injectiespuit pompen voorbereiden.
    Opmerking: Twee spuiten voor de vloeistoffen bereid in protocol stap 4.1: één voor het injecteren van de dikvloeibaar glycerol, bereid in protocol stap 4.1.1, en de andere voor het injecteren van de lage viscositeit vloeibare paraffine, bereid in protocol stap 4.1.2, respectievelijk.
    1. Sluit de spuit met 0,8 mL glycerol aan de inlaat van de middelste buis.
    2. Sluit de spuit met 0,8 mL vloeibare paraffine bij de inlaat van de binnenband.
  3. Voorbereiden voor het verzamelen van de druppels dikvloeibaar.
    1. Plaats het apparaat in een verticaal vlak met de uitlaat wees naar beneden, en een 35 mm petrischaal onder de uitlaat zetten. Tape gebruiken bij het herstellen van het apparaat met de uitlaat ~ 2 mm boven de onderkant van de petrischaal.
    2. Giet wat vloeibare paraffine bereid in protocol stap 4.1.2 in de petrischaal en gewoon het onderdompelen van de uitlaat van het apparaat.
  4. Stel de stroomsnelheid van de injectiespuit pompen.
    Opmerking: Voor elke verhouding tarief stroom in Figuur 2, bevestigen het debiet van glycerol Qw = 2 l/min, terwijl het verhogen van het debiet van vloeibare paraffine Qo op verschillende waarden volgens de vereiste stroom tarief verhoudingen van Q o/Qw. Voor elke stroom tarief verhouding, ~ 1 min te wachten totdat de stromen zijn gestabiliseerd en uniforme glycerol druppels worden verzameld in de petrischaal en nemen van beelden van de druppels.
    1. Instellen van het debiet van glycerol geïnjecteerd in de middelste buis van Qw = 2 l/min.
    2. Instellen van het debiet van vloeibare paraffine geïnjecteerd in de binnenband van Qo = 6 l/min.
    3. Voer de twee pompen voor het genereren van glycerol druppels.
      Opmerking: Het proces van de generatie van de druppels direct waarneembaar met de camera van een mobiele telefoon, of een digitale camera op een statief geplaatst.
  5. ~ 1 min wachten totdat de stromen is gestabiliseerd, en wijzigen van een nieuwe petrischaal voor het verzamelen van uniforme glycerol druppels.

6. Genereer andere dikvloeibaar druppels in vloeibare paraffine met behulp van het fase-omkering co Flow apparaat.

Nota: Dit is voor de afbeeldingen in Figuur 4. Alle de lage viscositeit olie fase gebruikt in de experimenten is het zelfde zoals gebruikt in protocol stap 4.1.2.

  1. Gebruik pure honing als de waterfase dikvloeibaar voor figuur 4A.
  2. 6 w.t.% zetmeel oplossing voorbereiden figuur 4B.
    Let op: Gebruik een goede hoge-temperatuur media fles en een hoge-temperatuur-cap. Hittebestendige handschoenen te dragen.
    1. Voeg 47 g van water in een fles van 100 mL glas media en zet een roer-bar in de fles.
    2. Zet de fles in een waterbad en de temperatuur instellen tot 100 ° C.
    3. Voeg 3 g poeder van zetmeel in het hete water nadat het waterbad 100 ° C. bereikt
    4. Bedek de dop van de fles en ~ 4 uur Blijf roeren totdat de oplossing helder is.
    5. Wacht totdat de oplossing tot kamertemperatuur vóór gebruik afkoelen.
  3. 10 w.t.% PVA-124 oplossing voorbereiden figuur 4C.
    Let op: Gebruik een goede hoge-temperatuur media fles en een hoge-temperatuur-cap. Hittebestendige handschoenen te dragen.
    1. Voeg 45 g water in een fles van 100 mL glas media en zet een roer-bar in de fles.
    2. Zet de fles in een waterbad en de temperatuur instellen tot 70 ° C.
    3. Voeg toe 5 g PVA-124 poeder in de fles na het waterbad 70 ° C. bereikt
    4. Bedek de dop van de fles en voor ~ 1 h Blijf roeren totdat de oplossing helder is.
    5. Wacht totdat de oplossing tot kamertemperatuur vóór gebruik afkoelen.
  4. Genereren dikvloeibaar druppels in vloeibare paraffine.
    1. Volg protocol stap 5 met behulp van de dikvloeibaar vloeistoffen bereid in stap 6.1-6.3, in plaats van de glycerol in protocol stap 5.
    2. Gebruik de instellingen voor de overdrachtssnelheid stroom van Qw = 1 l/min en Qo = 5 μl/min voor Figuur 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Een capillaire microfluidic-apparaat met een fase-omkering, co stroom structuur is ontworpen voor het genereren van monodispers waterige dikvloeibaar droplets, zoals weergegeven in figuur 1A. In Figuur 1, was de waterfase dikvloeibaar glycerol, die een viscositeit van ηw heeft = 1.4 Pas; de lage viscositeit olie fase was vloeibare paraffine, die een viscositeit van ηo heeft = 0.029 Pas; de oppervlaktespanning tussen de twee fasen was γ = 27.7 mN/m. In de middelste buis, kunnen een verlengde olie druppels worden ingekapseld door glycerol in een goed gecontroleerde druipende modus9,13, omdat de viscositeit van de glycerol veel hoger dan die van vloeibare paraffine en de capillaire cijfers, Ca is , voor beide fasen zijn zo laag als 10-4- 10-2, waar Ca = ηU/γ, U = Q/A is de gemiddelde snelheid van de vloeistof, en A is het gebied van het Kruis sectie van het kanaal. Zoals de verlengde olie druppels uit de uitgang van de middelste buis in een bredere buitenste buis, stroomde zoals weergegeven in figuur 1B, de olie-druppels op de hydrofobe puntje van de middelste buis brak, en omgekeerd ingekapseld het stroomafwaarts GLB glycerol, zodat dikvloeibaar glycerol druppels werden verkregen, zoals aangegeven in Figuur 1 c. Zolang de druppel grootte en de afstand tussen elke twee aangrenzende olie-druppels ongewijzigd gehouden zijn, zullen de gevormde glycerol druppels monodispers24,25. De afbeeldingen in figuur 1B-C werden verkregen met behulp van het apparaat van stap 1 en volgende experimenteel protocol stap 4. De druppels van de glycerol gegenereerd bij Qo = 30 uL/min en Qw = 10 uL/min getoond in Figuur 1 d, waarin de druppels had een gemiddelde diameter van 521 μm, en de variatiecoëfficiënt (CV) van de druppel grootte, gedefinieerd als de standaardafwijking gedeeld door de gemiddelde druppel grootte, was CV = 0,9 procent, waarmee wordt aangegeven de druppels waren monodispers.

De grootte van de druppels dikvloeibaar kan worden aangepast door het veranderen van de flow rate ratio's Qo/Q,w , met een vaste Qw. Een aantal typische experimentele resultaten, verkregen uit de volgende protocol stap 5 met het apparaat van protocol stap 2, experimenten is afgebeeld in Figuur 2. Als Qisw vastgesteld, de grootte van de druppel daalde met de toename van Qo. Verdere verhoging van de stroom tarief verhouding wellicht kleinere druppeltjes van de opbrengst, maar de Fractie van het volume van de druppels zou zijn gedaald, dienovereenkomstig, en er zou zijn geweest van een dramatische toename van de totale slepen en innerlijke druk binnen de apparaten. Daarom was de druppel grootte binnen het bereik van flow rate ratio in Figuur 2, vergelijkbaar met de binnendiameter van de middelste buis.

De druppel grootte kan verder worden verlaagd wanneer een apparaat met kleinere buizen wordt gebruikt. De typische experimentele resultaten, na protocol stap 4 met het apparaat van protocol stap 3, worden weergegeven in Figuur 3, waar de middelste buis had een id = 200 μm.

Hetzelfde apparaat van protocol stap 2 kan worden gebruikt voor het genereren van monodispers druppels uit verschillende dikvloeibaar vloeistoffen, die viscositeiten hoger dan glycerol hebben. Typische resultaten van monodispers druppels van honing (11 BK), zetmeel oplossing (8,5 BK) en polymeeroplossing (2,5 BK) worden weergegeven in Figuur 4. De voorbereiding van de vloeistoffen in Figuur 4 is gedetailleerd in protocol stap 6.

Figure 1
Figuur 1: generatie dikvloeibaar glycerol druppels in lage viscositeit vloeibare paraffine met behulp van fase-omkering co stroom apparaat. (A) schema van de fase-omkering co stroom apparaten. (B) de observatie van de generatie van de glycerol druppels van de olie-in-glycerol slak stroom in de middelste buis aan de interne glycerol-in-olie-emulsie in de buitenste buis. (C) tijd van de reeks beelden van de fase-inversie proces. (D) de monodispers van glycerol druppels en de grootteverdeling van de druppels. De gemiddelde diameter van de druppeltjes is 521 μm, en CV = 0,9%. Overgenomen met toestemming van [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. De schaal bars zijn 500 μm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: variatie op de druppel grootte met de verandering van de verhouding tarief stroom QO/QW terwijl QW = 2 l/min. Voor elk gegevenspunt, 30 druppels worden gemeten, en de gemiddelde diameter wordt gemeld. Zoals de foutbalken van de standaarddeviatie kleiner dan het symbool gebruikt in de plot zijn, zijn ze hier niet getoond. Overgenomen met toestemming van [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: kleinere glycerol druppels gegenereerd op basis van het apparaat met de middelste buis van I.D. = 200 μm. (A) de waarneming van de generatie van glycerol druppels in de buitenste buis van het apparaat. (B) de resulterende monodispers-glycerol druppels met een gemiddelde diameter van 212 μm en CV = 1,9%. Overgenomen met toestemming van [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. De schaal bars zijn 200 μm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: typische voorbeelden van dikvloeibaar druppels gegenereerd op basis van verschillende oplossingen. Overgenomen met toestemming van [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. (A) honing druppels met een gemiddelde diameter van 612 μm en CV = 0,7%. (B) zetmeel druppels met een gemiddelde diameter van 600 μm en CV = 0,9%, (C) PVA-124 polymeer druppels met een gemiddelde diameter van 773 μm en CV = 0,7%. Alle schaal bars zijn 1,0 mm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De fase-omkering co stroom apparaat biedt een eenvoudige en ongecompliceerde forward, methode voor het genereren van monodispers dikvloeibaar druppels. Dit apparaat heeft een vergelijkbare structuur met gemeenschappelijke co stroom apparaten, zoals de co basisstappen structuur uit een binnenband ingevoegd in de middelste buis bestaat, de uitgang van die is aangesloten op de uitlaat slang. Er zijn echter twee belangrijkste verschillen tussen de fase-omkering co stroom apparaat en de gemeenschappelijke co stroom apparaat voor de generatie van dikvloeibaar druppels met een viscositeit van η > 1 Pa·s.

Eerst, gemeenschappelijke co stroom apparaten, een binnenband met een taps toelopende tip wordt gebruikt, terwijl een rechte binnenband kunnen worden gebruikt in de fase-omkering co stroom apparaten. De taps toelopende tip heeft meestal I.D. = 20 μm en od = 30 μm1,-8, zodat een pipet trekker meestal nodig is om de taps toelopende tip. In het fase-omkering co stroom apparaat, een ronde glas tube met id = 100-200 μm kan direct zonder wordt tapered worden gebruikt.

Ten tweede, gemeen co stroom apparaten, een dikvloeibaar vloeistof wordt geïnjecteerd in de binnenband te worden ingekapseld door de lage viscositeit vloeistof; terwijl in fase-omkering co stroom apparaten, wordt een lage viscositeit vloeistof geïnjecteerd in de binnenband te worden ingekapseld door een dikvloeibaar vloeistof, die veel gemakkelijker is te realiseren. Bijvoorbeeld, druipend wanneer we een gemeenschappelijke co stroom-apparaat gebruiken voor het genereren van glycerol druppels in vloeibare paraffine, de stroom tarief verhouding Qo/Qw moet ten minste 25 te realiseren een goed gecontroleerde modus, wat in een fractie van het volume resulteert van de glycerol niet hoger dan 4% druppels. Integendeel, kan in de fase-omkering co stroom apparaten, de stroom stem verhouding Qo/Qw zo laag als 2.5 naar het realiseren van een goed gecontroleerde druipende-modus, dus een fractie volume 28% van glycerol druppels kan worden gerealiseerd.

In het fase-omkering co stroom apparaat, is de fase inversie geïnduceerd door het uiteenvallen van de verlengde olie druppel bij de hydrofobe uitgang van de middelste buis. Daarom is de behandeling van oppervlakte spuitbaarheid van de uitgang van de middelste buis een cruciale stap voor de fase-omkering methode, waar de uitgang van de middelste buis moet worden behandeld door de lage viscositeit fase voor het opwekken van de fase inversie worden bevochtigd. Daarnaast is er een kritische debiet waarboven de verlengde olie druppels zal niet uiteenvallen en de fase inversie vervolgens niet op24 treedt. Wanneer de olie-druppels kunnen uiteenvallen bij de hydrofobe uitgang, lager de stroomsnelheid van beide vloeistoffen met een vaste stroom tarief verhouding, totdat de verlengde olie druppels breken en fase-omkering veroorzaken. Bovendien, als de vloeistof dikvloeibaar zowel de lage viscositeit vloeistof soortgelijke bevochtigbaarheid op het behandelde oppervlak heeft dan de fase-omkering methode zou zijn ongeldig.

Hoewel wij alleen de protocollen en de voorbeelden voor de generatie van waterige dikvloeibaar druppels in dit werk bieden, kan de fase-omkering co stroom apparaat ook worden gebruikt voor het genereren van dikvloeibaar olie druppels in waterige oplossingen van lage viscositeit23. In een dergelijk apparaat moet de upstream van de middelste buis worden behandeld om te worden bevochtigd door de dikvloeibaar fase, terwijl de uitgang van de middelste buis moet worden behandeld door de lage viscositeit fase worden bevochtigd. Het fase-omkering co stroom apparaat biedt een eenvoudige methode om te kapselen Hoog viskeuze vloeistoffen op een goed gecontroleerde wijze in zich snel ontwikkelende druppel gebaseerde toepassingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gesteund door de National Natural Science Foundation of China (nrs. 51420105006 en 51322501). Wij danken Daniel voor zijn nuttige discussie over de hoge viscositeit ideeën.

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

Chemie kwestie 134 Microfluidics emulsie druppels hoge viscositeit fase inversie bevochtigbaarheid glazen capillairen
Fabriceren van dikvloeibaar druppels Microfluidic capillaire apparaat met fase-omkering co flow structuur
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