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Chemistry

Fabbricando goccioline ad alta viscosità mediante capillare dispositivo microfluidico con struttura di co-flusso di inversione di fase

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

Un dispositivo di co-flusso di inversione di fase è dimostrato per generare goccioline ad alta viscosità monodispersi sopra 1 Pas, che è difficile da realizzare in gocciolina microfluidica.

Abstract

La generazione di monodisperse goccioline ad alta viscosità è sempre stata una sfida in gocciolina microfluidica. Qui, dimostriamo un dispositivo di co-flusso di inversione di fase per generare goccioline ad alta viscosità uniforme in un fluido a bassa viscosità. Il dispositivo capillare di microfluidica ha una struttura comune di co-flow con relativa uscita di collegamento ad un tubo più largo. Allungata goccioline del liquido a bassa viscosità vengono incapsulate in primo luogo dal fluido ad alta viscosità nella struttura del co flusso. Le goccioline di bassa viscosità allungate scorrono attraverso l'uscita, che è trattata per essere bagnata dal liquido a bassa viscosità, inversione di fase quindi è indotta dall'adesione delle goccioline bassa viscosità fino alla punta dell'uscita, che si traduce nell'inverso successiva incapsulamento del fluido ad alta viscosità. La dimensione delle goccioline ad alta viscosità risultante può essere regolata modificando il rapporto di tasso di flusso del fluido bassa viscosità al fluido ad alta viscosità. Dimostriamo diversi esempi tipici della generazione di goccioline ad alta viscosità con viscosità fino a 11,9 Pas, come soluzione di glicerolo, miele, amido e polimero. Il metodo fornisce un approccio semplice e diretto per generare goccioline ad alta viscosità monodispersi, che possono essere utilizzate in una varietà di applicazioni basate su goccia, come sintesi dei materiali, consegna della droga, l'analisi delle cellule, Bioingegneria e cibo Ingegneria.

Introduction

La generazione di goccioline sta diventando una tecnologia chiave in una varietà di applicazioni, come ad esempio la consegna della droga, sintesi di materiali, 3D multimateriali, analisi delle cellule e cibo ingegneria1,2,3,4 , 5 , 6. dispositivi microfluidici con incrocio a t7,8, co-flusso1,9, o flusso di messa a fuoco10,11 strutture sono ampiamente usati per generare monodispersi goccioline di emulsione singola. Selezione di una fase continua più viscosa faciliterà la formazione di goccioline12, e la viscosità dei fluidi sia continui e dispersi sono comunemente sotto 0,1 Pas gocciolina microfluidica13. Tuttavia, in molte applicazioni, la fase dispersa può avere una viscosità diverse centinaia di volte superiore a quella dell'acqua, come il glicerolo14, soluzioni contenenti nanoparticelle15, proteine16o polimeri17 , 18 , 19, mentre è difficile raggiungere le goccioline monodispersi direttamente da fluidi ad alta viscosità in una stalla grondante regime11 in dispositivi microfluidici, soprattutto per fluidi con viscosità di η > 1 PA · s14 ,17,18,19. Inoltre, è stato segnalato13,18 che microfluidici tipici metodi per la formazione di goccioline richiedono fluidi con viscosità relativamente bassa e moderata tensione interfacciale per formare goccioline uniformi in un stabile gocciolante regime.

Per una fase dispersa con una viscosità leggermente maggiore di 0,1 Pas, ci sono diversi approcci possibili per facilitare la formazione della gocciolina con tipico incrocio a t, co-flow o flusso di messa a fuoco dispositivi microfluidici: (1) diminuzione della viscosità dei dispersi fase di diluirlo in un solvente volatile11,20; (2) diminuire il rapporto di viscosità dispersi-a-continuo aumentando la viscosità della fase continua1,11; (3) diminuire la portata della fase dispersa su un valore estremamente basso, mantenendo un alto flusso continuo--dispersi tasso rapporto 14,19. Tuttavia, questi approcci non sono pratici per fluidi con viscosità molto più alto, come si abbasserà significativamente il tasso di produzione, aumentando drasticamente il consumo del solvente volatile o la fase continua. In aggiunta, è stato segnalato che alcune soluzioni di polimero ad alta viscosità con η > 1 PA · s ancora non hanno rotto in goccioline con gli approcci di cui sopra17,19.

Ci sono anche parecchi disegni migliorati di dispositivi microfluidici che introducono una terza fase del fluido nel sistema, che facilita la generazione di goccioline ad alta viscosità. Le innovazioni includono: bolle introdotte per tagliare un filo di trivellazione a getto in goccioline21, un fluido chaperoning immiscibile con viscosità moderata, introdotto come la fase intermedia tra la fase di dipsersed e la fase continua18, e microreattori introdotto per generare goccioline ad alta viscosità da due precursori di bassa viscosità21,22,23. Tuttavia, come un più fluido è coinvolto nel processo, il sistema diventa più complicato e i dispositivi di solito lavorano in un regime di flusso molto più ristretto rispetto ai tipici dispositivi per la generazione di goccioline di emulsione singola.

Per generare monodispersi goccioline direttamente da un fluido ad alta viscosità con η > 1 PA · s, metodi di inversione di fase controllata di superficie sono stati studiati24. Come la generazione di goccioline di bassa viscosità è molto più facile di quello di goccioline ad alta viscosità12, allungate bassa viscosità goccioline in una fase di continua ad alta viscosità innanzitutto vengono generate utilizzando una struttura tipica co-flow e quindi sono suddivisi in due al cambiamento di bagnabilità superficiale a valle della struttura co-flow. Il fluido rilasciato di bassa viscosità inversamente incapsula il fluido ad alta viscosità a valle in goccioline affinché inversione di fase è stata completata. Secondo il meccanismo di inversione di fase, possono essere generate goccioline ad alta viscosità monodispersi basato su un dispositivo tipico co-flow, mentre l'uscita del dispositivo co-flow è trattata per essere bagnata dal liquido a bassa viscosità e quindi collegato ad un tubo più largo24 ,25.

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Protocol

1. produrre un dispositivo capillare a co-flusso inversione di fase per osservare il processo di generazione delle goccioline acquose, ad alta viscosità con un diametro di ~ 500 μm.

Nota: Il tubo quadrato esterno usato qui è per scattare immagini del processo di generazione delle goccioline ad alta viscosità. Se non c'è nessun bisogno di prendere le immagini, una versione semplificata del dispositivo può essere fatto secondo passaggio protocollo 2.

  1. Preparare tre tubi di vetro con diverse dimensioni per l'assemblaggio del dispositivo capillare.
    1. Prendere un tubo di vetro quadrato con una dimensione interiore di 1,05 mm e tagliare un pezzo del tubo ~ 4 cm di lunghezza. Questo sarà il tubo esterno del dispositivo.
    2. Prendere un tubo di vetro rotondo con un diametro interno (I.D.) di 580 μm e diametro esterno (O.D.) di 1 mm e tagliare un pezzo del tubo ~ 3 cm di lunghezza. Questo sarà il tubo centrale del dispositivo.
    3. Prendere un tubo di vetro rotondo con diametro interno = 200 μm e O.D. = 330 μm e tagliare un pezzo del tubo ~ 2 cm di lunghezza. Questo sarà il tubo interno del dispositivo.
  2. Modificare la bagnabilità superficiale di un'estremità del tubo centrale di essere idrofobo.
    1. Prendere un flacone di vetro da 1 mL e aggiungere 0,3 mL di tricloro (ottadecil) Silano (OTS) nel flaconcino di vetro.
    2. Prendere il tubo centrale con I.D. = 580 μm preparata al protocollo punto 1.1.2 e immergere una estremità di esso in OTS in flaconcino di vetro per ~ 10 s.
    3. Prendere il tubo centrale e lavare il tubo con gas azoto dalla fine non trattata.
  3. Preparare gli aghi per le insenature del dispositivo capillare.
    1. Prendere una punta smussata 20G dell'ago di erogazione e praticare un taglio con ~0.5 x 0,5 mm sul bordo della plastica raccordo luer con una lama.
      Nota: Questo ago servirà come l'ingresso per la fase di olio a bassa viscosità.
    2. Prendere un'altra punta smussata 20g erogazione dell'ago e tagliare due aperture sul bordo della plastica raccordo luer. Allineare le due fessure in una linea che passa il diametro del mozzo Luer.
      Nota: Uno slot ha una dimensione di ~0.5 x 0,5 mm, mentre l'altro slot ha una dimensione di ~1.0 millimetri x 1,0 mm. Questo ago servirà come l'ingresso per la fase acquosa ad alta viscosità.
    3. Prendere un'altra punta smussata 20g erogazione dell'ago e tagliare due aperture sul bordo della plastica raccordo luer. Allineare le due fessure in una linea che passa il diametro del mozzo Luer.
      Nota: Uno slot ha una dimensione di ~1.5 x 1,5 mm; mentre l'altro slot ha una dimensione di ~1.0 millimetri x 1,0 mm. Questo ago servirà come l'aspirazione per la pulizia.
  4. Montare il vetro tubi secondo Figura 1A.
    1. Prendere una lastra di vetro regolari 7,62 x 2,54 cm come il substrato del dispositivo capillare.
    2. Mettere il tubo esterno con I.D. = 1,05 mm, preparata al protocollo punto 1.1.1, sul vetrino con ~ 1 cm sul bordo corto del vetrino di estrusione.
    3. Prendere il tubo centrale con I.D. = 580 μm, preparata al protocollo punto 1.2 e inserire l'estremità idrofoba del tubo centrale nel tubo esterno dalla fine su vetrino e tenere ~ 1 cm del tubo centrale all'esterno del tubo esterno.
    4. Prendere il tubo interno con I.D. = 200 μm, preparata al protocollo punto 1.1.3, inserire un'estremità del tubo interno del tubo centrale e tenere ~ 1 cm del tubo interno all'esterno del tubo centrale.
    5. Utilizzare colla a resina epossidica per fissare i tre tubi in posizione lungo la linea centrale del vetrino. Quindi attendere ~ 5 min o più lungo per la colla per solidificare completamente.
  5. Assemblare le insenature sul dispositivo capillare.
    1. Prendere l'ago di aspirazione per la fase di olio a bassa viscosità, preparata al protocollo punto 1.3.1 e lasciate il raccordo luer coprire l'estremità del tubo interno sul substrato e quindi utilizzare colla a resina epossidica per fissare il mozzo Luer sul substrato.
    2. Prendere l'ago di aspirazione per la fase acquosa ad alta viscosità, preparata al protocollo punto 1.3.2 e lasciate il raccordo luer coprire la giunzione tra il tubo interno e il tubo centrale e quindi utilizzare colla a resina epossidica per fissare il mozzo Luer sul substrato.
    3. Prendere l'ago di aspirazione, preparata al protocollo punto 1.3.3 e, per la pulizia, lasciare il raccordo luer coprire la giunzione tra il tubo centrale e il tubo esterno e quindi utilizzare colla a resina epossidica per fissare il mozzo Luer sul substrato.
    4. Attendere ~ 5 min o più lungo per la colla per solidificare completamente.
    5. Utilizzare colla a resina epossidica per sigillare i mozzi Luer degli aghi sul substrato.
  6. Attendere circa 30 min o più lungo per la colla per solidificare completamente, e quindi il dispositivo è pronto all'uso.

2. fare un'inversione di fase, il dispositivo capillare co-Flow per fabbricare acquose ad alta viscosità goccioline con un diametro di ~ 500 μm.

Nota: Il dispositivo fatto qui è una versione semplificata del dispositivo in fase di protocollo 1.

  1. Preparare due provette in vetro con diverse dimensioni per l'assemblaggio del dispositivo capillare.
    1. Prendere un tubo di vetro rotondo con diametro interno = 580 μm e O.D. = 1 mm e tagliare un pezzo del tubo con ~ 3 cm di lunghezza. Questo sarà il tubo centrale del dispositivo.
    2. Prendere un tubo di vetro rotondo con diametro interno = 200 μm e O.D. = 330 μm e tagliare un pezzo del tubo con ~ 2 cm di lunghezza. Questo sarà il tubo interno del dispositivo.
  2. Modificare la bagnabilità superficiale di un'estremità del tubo centrale di essere idrofobo.
    1. Aggiungere 0,3 mL di OTS in un flaconcino di vetro da 1 mL.
    2. Prendere il tubo centrale con I.D. = 580 μm, preparata al protocollo punto 2.1.1 e immergere una estremità di esso in OTS in flaconcino di vetro per ~ 10 s.
    3. Prendere il tubo centrale e quindi svuotare il tubo con gas azoto dalla fine non trattata.
  3. Preparare gli aghi per le insenature del dispositivo capillare.
    1. Preparare una punta smussata 20g erogazione dell'ago, che servirà come l'ingresso per la fase di olio a bassa viscosità. Quindi, tagliare una fessura di ~0.5 x 0,5 mm con una lama sul bordo della plastica raccordo luer.
    2. Prendere un'altra punta smussata 20g erogazione dell'ago e tagliare due aperture sul bordo della plastica raccordo luer. Allineare le due fessure in una linea che passa il diametro del mozzo Luer.
      Nota: Uno slot ha una dimensione di ~0.5 x 0,5 mm, mentre l'altro slot ha una dimensione di ~1.0 millimetri x 1,0 mm. Questo secondo ago servirà come l'ingresso per la fase acquosa ad alta viscosità.
  4. Montare il vetro tubi secondo Figura 1A .
    1. Prendere una lastra di vetro regolari 7,62 x 2,54 cm come il substrato del dispositivo capillare.
    2. Inserire il tubo centrale con I.D. = 580 μm, preparata al protocollo punto 2.2, il vetrino con l'estremità idrofobe estrusione ~ 1 cm sopra il bordo corto del vetrino.
    3. Prendere il tubo interno con I.D. = 200 μm, preparata al protocollo punto 2.1.2, inserire un'estremità del tubo interno del tubo centrale dal lato non trattato il vetrino e mantenere ~ 1 cm del tubo interno all'esterno del tubo centrale.
    4. Utilizzare colla a resina epossidica per fissare i due tubi in posizione lungo la linea centrale del vetrino.
    5. Attendere per ~ 5 min o più per la colla per solidificare completamente.
  5. Assemblare le insenature sul dispositivo capillare.
    1. Prendere l'ago di aspirazione per la fase di olio a bassa viscosità, preparata al protocollo punto 2.3.1 e lasciate il raccordo luer coprire l'estremità del tubo interno sul substrato e quindi utilizzare colla a resina epossidica per fissare il mozzo Luer sul substrato.
    2. Prendere l'ago di aspirazione per la fase acquosa ad alta viscosità, preparata al protocollo punto 2.3.2 e lasciate il raccordo luer coprire la giunzione tra il tubo interno e il tubo centrale e quindi utilizzare colla a resina epossidica per fissare il mozzo Luer sul substrato.
      Nota: L'altra estremità del tubo centrale è l'uscita del dispositivo.
    3. Attendere ~ 5 min o più lungo per la colla per solidificare completamente.
    4. Utilizzare colla a resina epossidica per sigillare i mozzi Luer degli aghi sul substrato.
  6. Attendere circa 30 minuti o più per la colla a solidificare completamente.
  7. Collegare l'estremità libera del tubo centrale con il tubo di uscita, vale a dire., tubo in polietilene con I.D. = 0,86 e ~ 20 mm di lunghezza.
    Nota: La leggera deformazione del tubo esterno garantisce la tenuta della connessione, modo che la colla non è necessario qui. Il tubo di uscita agisce come un tubo esterno più ampio per l'inversione di fase. A questo punto, il dispositivo è pronto all'uso.

3. fare inversione di fase co-flusso capillare periferica per osservare il processo di generazione di acquose ad alta viscosità goccioline con un diametro di ~ 200 μm.

Nota: Il dispositivo fatto qui è una versione più piccola del dispositivo di passaggio protocollo 1 per rendere più piccole goccioline.

  1. Preparare tre tubi di vetro con diverse dimensioni per l'assemblaggio del dispositivo capillare.
    1. Prendere un tubo di vetro quadrata con I.D. = 400 μm e tagliare un pezzo del tubo ~ 4 cm di lunghezza, che sarà il tubo esterno del dispositivo.
    2. Prendere un tubo di vetro rotondo con diametro interno = 200 μm e O.D. = 330 μm e tagliare un pezzo del tubo ~ 3 cm di lunghezza, che sarà il tubo centrale del dispositivo.
    3. Prendere un tubo di vetro rotondo con diametro interno = 100 μm e O.D. = 170 μm e tagliare un pezzo del tubo ~ 2 cm di lunghezza, che sarà il tubo interno del dispositivo.
  2. Modificare la bagnabilità superficiale di un'estremità del tubo centrale di essere idrofobo.
    1. Prendere un flacone di vetro da 1 mL e aggiungere 0,3 mL di OTS in flaconcino di vetro.
    2. Prendere il tubo centrale con I.D. = 200 μm, preparata al protocollo punto 3.1.2 e immergere una estremità di esso in OTS in flaconcino di vetro per ~ 10 s.
    3. Prendere il tubo centrale e quindi svuotare il tubo con gas azoto dalla fine non trattata.
  3. Preparare gli aghi per le insenature del dispositivo capillare.
    1. Preparare una punta smussata 20g erogazione dell'ago, che servirà come l'ingresso per la fase di olio a bassa viscosità. Poi, con una lama, tagliare un ~0.2 slot x 0,2 mm sul bordo della plastica raccordo luer.
    2. Preparare un'altra punta smussata 20g erogazione dell'ago e tagliare due aperture sul bordo della plastica raccordo luer. Allineare le due fessure in una linea che passa il diametro del mozzo Luer.
      Nota: Uno slot ha una dimensione di ~0.2 x 0,2 mm, mentre l'altro slot ha una dimensione di ~0.4 millimetri x 0,4 mm. Questo secondo ago servirà come l'ingresso per la fase acquosa ad alta viscosità.
    3. Prendere un'altra punta smussata 20g erogazione dell'ago e tagliare due aperture sul bordo della plastica raccordo luer. I due slot sono allineati in una linea che passa il diametro del mozzo Luer.
      Nota: Uno slot ha una dimensione di ~0.8 x 0,8 mm, mentre l'altro slot ha una dimensione di ~0.4 millimetri x 0,4 mm. Questo terzo ago fungerà da un'insenatura per scopi di pulizia.
  4. Seguire passaggi protocollo 1.4-1.6 per completare il dispositivo, usando i tubi di vetro preparati al protocollo punto 3.1 invece di quelli preparati nel protocollo passaggio 1.1 e usando gli aghi preparati al protocollo punto 3.3 anziché quelli preparata al protocollo punto 1.3.

4. osservando la generazione di goccioline di glicerolo in paraffina liquida

Nota: Per scattare le immagini mostrate in figure 1B - D, utilizzare il dispositivo preparato nel passaggio del protocollo 1; per scattare immagini illustrate nella Figura 3, utilizzare il dispositivo preparato nel protocollo passaggio 3.

  1. Preparare le soluzioni per essere utilizzato nell'esperimento.
    1. Utilizzare il glicerolo come fase acquosa ad alta viscosità e aggiungere 0,5 w.t.% O blu di toluidina per tingerlo blu.
    2. Usare paraffina liquida come la fase di olio a bassa viscosità e aggiungere 1% w.t. Span 80 in esso come tensioattivo.
  2. Preparare tre siringhe da 1 mL e tre pompe a siringa.
    Nota: Tre siringhe per i fluidi preparati nel protocollo punto 4.1: uno per l'iniezione di glicerolo ad alta viscosità, preparata al protocollo punto 4.1.1 e gli altri due per iniettare la paraffina liquida a bassa viscosità, preparata al protocollo punto 4.1.2, rispettivamente.
    1. Collegare la siringa contenente glicerolo per l'ingresso al tubo centrale.
    2. Collegare una siringa contenente paraffina liquida all'ingresso del tubo interno, mentre l'altro collegamento verso l'ingresso per la pulizia.
  3. Posizionare il dispositivo preparato nel protocollo passaggio 1 su un microscopio invertito e posizionare un pezzo di un Kimwipe sotto l'uscita del tubo esterno per assorbire il liquido fuoriuscito.
    Attenzione: Non lasciare che la fuoriuscita di fluido all'esterno dell'area di Kimwipe.
  4. Impostare le portate delle pompe siringa.
    Nota: Utilizzare la pompa a siringa collegata al tubo esterno per la pulizia quando ci sono bolle intrappolate o goccioline intorno all'uscita del tubo centrale. In caso contrario, basta lasciare la pompa fermata.
    1. Impostare la portata di iniezione di glicerolo al tubo centrale del Qw = 10 μL/min.
    2. Impostare la portata di iniezione di paraffina liquida per il tubo interno di Qo = 30 μL/min.
    3. Eseguire le due pompe per generare goccioline di glicerolo.
  5. Attendere ~0.5 min fino a quando i flussi sono stabilizzati e le goccioline di glicerolo vengono generate in modo uniforme alle uscite del tubo centrale. Prendere video o immagini del processo di generazione della gocciolina.
    Nota: Immagini in figure 1B-C può essere assunto utilizzando il dispositivo preparato nel passaggio di protocollo 1, mentre le immagini in Figura 3A possono essere prese utilizzando il dispositivo preparato nel protocollo passaggio 3. Interrompere tutte le pompe come video o immagini sono prese e prendere subito il dispositivo spento al microscopio.
  6. Preparare per la raccolta le goccioline ad alta viscosità.
    1. Posizionare l'apparecchio su un piano verticale con la presa puntato verso il basso e mettere una capsula Petri sotto l'uscita. Utilizzare nastro per fissare il dispositivo con la presa di ~ 2 mm sopra il fondo del piatto petri.
    2. Versare alcuni paraffina liquida preparata al protocollo punto 4.1.2 nella piastra di petri e basta immergere l'uscita del dispositivo.
  7. Eseguire i due siringa pompe nuovamente al Qw = 10 μL/min e Qo = 30 μL/min e raccogliere le goccioline di glicerolo in di Petri.
    Nota: Attesa di ~ 1 min fino a quando i flussi sono stabilizzati e le goccioline di glicerolo vengono generate in modo uniforme alle uscite del tubo esterno, l'immagine delle gocce in di Petri può essere preso, come illustrato nella Figura 1 per il dispositivo preparato nel protocollo n. 1 , o Figura 3B per il dispositivo preparato nel protocollo passaggio 3.

5. generare e raccogliere le goccioline di glicerolo in paraffina liquida con il dispositivo semplificato preparato nel passaggio 2.

Nota: Questo è per prendere le immagini delle goccioline glicerolo generate in rapporto di tasso di flusso differenti di Qo/Q,we misura la corrispondente dimensione variazione delle gocce per i punti dati nella Figura 2.

  1. Preparare le soluzioni per essere utilizzato nell'esperimento seguendo passo protocollo 4.1.
  2. Preparare due siringhe da 1 mL e due pompe a siringa.
    Nota: Due siringhe per i fluidi preparati nel protocollo punto 4.1: uno per l'iniezione di glicerolo ad alta viscosità, preparato al protocollo punto 4.1.1 e l'altro per iniettare la paraffina liquida a bassa viscosità, preparata al protocollo punto 4.1.2, rispettivamente.
    1. Collegare la siringa contenente glicerolo 0,8 mL per l'ingresso al tubo centrale.
    2. Collegare la siringa contenente il paraffina liquida 0,8 mL verso l'ingresso del tubo interno.
  3. Preparare per la raccolta le goccioline ad alta viscosità.
    1. Posizionare l'apparecchio su un piano verticale con la presa puntato verso il basso e mettere una capsula di Petri sotto l'uscita da 35 mm. Utilizzare nastro per fissare il dispositivo con la presa di ~ 2 mm sopra il fondo del piatto petri.
    2. Versare alcuni paraffina liquida preparata al protocollo punto 4.1.2 nella piastra di petri e basta immergere l'uscita del dispositivo.
  4. Impostare le portate delle pompe siringa.
    Nota: Per ogni rapporto di tasso di flusso in Figura 2, fissare il tasso di flusso di glicerolo Qw = 2 μL/min, mentre aumenta il tasso di flusso di paraffina liquida Qo a valori diversi secondo i rapporti dei tassi di flusso richiesto di Q o/Qw. Per ciascun rapporto di tasso di flusso, è necessario attendere ~ 1 min fino a quando i flussi sono stabilizzati e goccioline di glicerolo uniforme sono raccolte in di Petri, poi scattare immagini delle goccioline.
    1. Impostare la portata del glicerolo iniettato nel tubo centrale del Qw = 2 μL/min.
    2. Impostare la portata di paraffina liquida iniettato nel tubo interno di Qo = 6 μL/min.
    3. Eseguire le due pompe per generare goccioline di glicerolo.
      Nota: Il processo di generazione delle goccioline può essere osservato direttamente con una fotocamera del cellulare o una fotocamera digitale montata su un treppiede.
  5. Attendere ~ 1 min fino a quando i flussi sono stabilizzati e modificare un nuovo piatto di petri per la raccolta di goccioline di glicerolo uniforme.

6. generare altre goccioline ad alta viscosità in paraffina liquida utilizzando il dispositivo di co-flusso inversione di fase.

Nota: Questo è per le immagini in Figura 4. Tutta la fase di olio a bassa viscosità utilizzata negli esperimenti è lo stesso utilizzato nel passaggio di protocollo 4.1.2.

  1. Utilizzare miele puro come la fase acquosa ad alta viscosità per Figura 4A.
  2. Preparare soluzione di amido w.t.% 6 Figura 4B.
    Attenzione: Utilizzare una bottiglia di vetro ad alta temperatura corretta media e un tappo ad alta temperatura. Indossare guanti resistenti al calore.
    1. Aggiungere 47 g di acqua in una bottiglia di 100 mL vetro media e mettere un ancoretta in bottiglia.
    2. Mettere la bottiglia in un bagno d'acqua e impostare la temperatura a 100 ° C.
    3. Aggiungere 3 g di polvere di amido in acqua calda dopo bagno d'acqua raggiunge i 100 ° C.
    4. Coprire il tappo della bottiglia e continuate a mescolare per ~ 4 h fino a quando la soluzione è limpida.
    5. Lasciar raffreddare la soluzione a temperatura ambiente prima dell'uso.
  3. Preparare 10 w.t.% soluzione di PVA-124 per Figura 4.
    Attenzione: Utilizzare una bottiglia di vetro ad alta temperatura corretta media e un tappo ad alta temperatura. Indossare guanti resistenti al calore.
    1. Aggiungere 45 g di acqua in una bottiglia di 100 mL vetro media e mettere un ancoretta in bottiglia.
    2. Mettere la bottiglia in un bagno d'acqua e impostare la temperatura a 70 ° C.
    3. Aggiungere 5 g di polvere di PVA-124 nella bottiglia dopo bagno d'acqua raggiunge i 70 ° C.
    4. Coprire il tappo della bottiglia e continuate a mescolare per ~ 1 h fino a quando la soluzione è limpida.
    5. Lasciar raffreddare la soluzione a temperatura ambiente prima dell'uso.
  4. Generare le goccioline ad alta viscosità in paraffina liquida.
    1. Seguire il protocollo passaggio 5 tramite i fluidi ad alta viscosità preparati al punto 6.1-6.3, invece il glicerolo nel passaggio di protocollo 5.
    2. Utilizzare le impostazioni di tasso di flusso di Qw = 1 μL/min e Qo = 5 μL/min per Figura 4.

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Representative Results

Un dispositivo di microfluidica capillare con un'inversione di fase, struttura del co-flusso è stato progettato per generare monodispersi acquoso goccioline ad alta viscosità, come mostrato in Figura 1A. Nella Figura 1, la fase acquosa ad alta viscosità è stato il glicerolo, che ha una viscosità di ηw = 1,4 Pas; la fase di olio a bassa viscosità era paraffina liquida, che ha una viscosità di ηo = 0,029 Pas; la tensione superficiale tra le due fasi è γ = 27,7 mN/m. Nel tubo centrale, le goccioline dell'olio prolungati possono essere incapsulate di glicerolo in un ben controllato stillicidio modalità9,13, perché la viscosità del glicerolo è molto superiore a quello di paraffina liquida e i numeri di capillari, Ca , di entrambe le fasi sono basso quanto 10-4- 10-2, dove Ca = ηU/γ, U = Q/A è la velocità media del fluido, e A è l'area della Croce sezione del canale. Come le goccioline dell'olio prolungati scorrevano fuori l'uscita del tubo centrale in un più ampio tubo esterno, come mostrato in Figura 1B, le goccioline di olio si è rotto all'estremità idrofoba del tubo centrale e inversamente incapsulato il tappo a valle del glicerolo, affinché le goccioline ad alta viscosità glicerolo sono state ottenute, come mostrato in Figura 1. Fintanto che la dimensione delle gocce e la distanza tra qualsiasi due gocce d'olio adiacenti sono mantenuti invariati, le goccioline di glicerolo formato sarà monodispersi24,25. Le immagini in Figura 1B-C sono state ottenute utilizzando il dispositivo di passaggio 1 e il seguente protocollo sperimentale passaggio 4. Le goccioline di glicerolo generate in Qo = 30 uL/min e Qw = 10 uL/min sono mostrati in Figura 1, in cui le goccioline avevano un diametro medio di 521 μm e il coefficiente di variazione (CV) del dimensione delle gocce, definita come la deviazione standard divisa per la dimensione delle gocce medio, era CV = 0,9%, che indica le goccioline sono stati monodispersi.

La dimensione delle goccioline ad alta viscosità può essere registrata modificando il tasso di flusso rapporti Qo/Qw con un fisso Qw. Una serie di tipici risultati sperimentali, ottenuti dagli esperimenti seguendo il protocollo passo 5 con il dispositivo di passaggio protocollo 2, è illustrata nella Figura 2. Come Qw è stato risolto, la dimensione delle gocce è diminuita con l'aumento di Qo. Aumentando ulteriormente il rapporto della velocità di flusso potrebbe essere resa più piccole goccioline, tuttavia la frazione di volume delle gocce sarebbe diminuito di conseguenza e non ci sarebbe stato un drammatico aumento della resistenza totale e pressione interna all'interno dei dispositivi. Di conseguenza, all'interno della gamma di rapporto di tasso di flusso in Figura 2, la dimensione delle gocce era paragonabile al diametro interno del tubo centrale.

La dimensione delle gocce può essere ulteriormente diminuita quando viene utilizzato un dispositivo con tubi più piccoli. I risultati sperimentali tipici, seguendo il protocollo passo 4 con il dispositivo dal passaggio del protocollo 3, sono mostrati in Figura 3, dove il tubo centrale aveva un'identita ' = 200 μm.

Lo stesso dispositivo dal passaggio di protocollo 2 può essere utilizzato per generare monodispersi goccioline da vari fluidi ad alta viscosità, che hanno viscosità superiori a glicerolo. I risultati tipici di monodisperse gocce di miele (11 Pas), soluzione di amido (8,5 Pas) e soluzione di polimero (2,5 Pas) sono mostrati in Figura 4. La preparazione dei fluidi nella Figura 4 è dettagliata nel passaggio di protocollo 6.

Figure 1
Figura 1: generazione di goccioline di glicerolo ad alta viscosità a bassa viscosità paraffina liquida utilizzando il dispositivo di inversione di fase co-flusso. Schema (A) i dispositivi di co-flusso inversione di fase. (B), l'osservazione della generazione delle goccioline glicerolo da olio-in-glicerolo flusso slug nel tubo centrale per l'emulsione singola di glicerolo in olio nel tubo esterno. (C) tempo immagini di sequenza del processo di inversione di fase. (D) le goccioline di glicerolo monodisperse e la distribuzione di dimensione delle goccioline. Il diametro medio delle goccioline è 521 μm e CV = 0,9%. Ristampato con il permesso da [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Le barre di scala sono 500 μm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: variazione della dimensione delle gocce con il cambiamento del rapporto di tasso di flusso QO/QW mentre QW = 2 μL/min Per ogni punto di dati, 30 gocce sono misurati, e il diametro medio è segnalato. Come le barre di errore della deviazione standard sono più piccole del simbolo utilizzato nella trama, non sono illustrate qui. Ristampato con il permesso da [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: più piccole goccioline di glicerolo generate dal dispositivo con il tubo centrale di I.D. = 200 μm. (A) l'osservazione della generazione di goccioline di glicerolo nel tubo esterno del dispositivo. (B), il glicerolo risultante monodispersi goccioline con un diametro medio di 212 μm e CV = 1,9%. Ristampato con il permesso da [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. Le barre di scala sono 200 μm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: esempi tipici di goccioline ad alta viscosità generate da diverse soluzioni. Ristampato con il permesso da [24]. Copyright 2017 American Chemical Society. (A) miele goccioline con un diametro medio di 612 CV e μm = 0,7%. (B) amido goccioline con un diametro medio di 600 μm e CV = 0,9%, (C) PVA-124 goccioline di polimero con un diametro medio di 773 μm e CV = 0,7%. Tutte le barre di scala sono 1,0 mm. per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Il dispositivo di inversione di fase del co-flusso fornisce un metodo semplice e dritto in avanti per generare goccioline ad alta viscosità monodispersi. Questo dispositivo ha una struttura simile ai comuni dispositivi di co-flow, come la struttura di base del co-flusso è costituito da un tubo interno inserito nel tubo centrale, l'uscita di cui è collegato al tubo di uscita. Tuttavia, ci sono due principali differenze tra il dispositivo di co-flusso inversione di fase e comune co-flusso dispositivo per la generazione di goccioline ad alta viscosità con una viscosità di η > 1 PA · s.

In primo luogo, nei dispositivi comuni co-flow, viene utilizzato un tubo interno con una punta conica, mentre un tubo diritto interno può essere utilizzato nei dispositivi di co-flusso inversione di fase. La punta conica in genere ha I.D. = 20 μm e O.D. = 30 μm1,8, in modo che un estrattore di pipetta è solitamente necessario per rendere la punta conica. Nel dispositivo del co-flusso inversione di fase, un tondo tubo di vetro con diametro interno = 100-200 μm può essere utilizzato direttamente senza essere affusolato.

In secondo luogo, in comune con dispositivi di co-flow, un fluido ad alta viscosità viene iniettato nel tubo interno per essere incapsulato da un fluido a bassa viscosità; mentre in dispositivi di co-flusso inversione di fase, un liquido di bassa viscosità viene iniettato nel tubo interno per essere incapsulato da un fluido ad alta viscosità, che è molto più facile da realizzare. Ad esempio, quando usiamo un comune dispositivo di co-flow per generare goccioline di glicerolo in paraffina liquida, il rapporto della velocità di flusso Qo/Qw dovrebbe essere almeno 25 per realizzare un ben controllato stillicidio modalità, che si traduce in una frazione di volume delle goccioline di glicerolo non superiore al 4%. Al contrario, nei dispositivi di co-flusso inversione di fase, la portata nominale rapporto Qo/Qw può essere basso come 2,5 per realizzare una modalità ben controllato stillicidio, pertanto, può essere realizzata una frazione di volume del 28% delle goccioline di glicerolo.

Nel dispositivo del co-flusso inversione di fase, l'inversione di fase è indotta dal disfacimento della gocciolina dell'olio prolungati all'uscita idrofobico del tubo centrale. Pertanto, il trattamento di superficie bagnabilità dell'uscita del tubo centrale è un passo fondamentale per il metodo di inversione di fase, dove l'uscita del tubo centrale dovrà essere trattato per essere bagnata dalla fase di bassa viscosità per indurre l'inversione di fase. Inoltre, c'è un tasso di portata critica sopra la quale le goccioline dell'olio prolungati saranno non disfacimento e la fase di inversione non avverrà successivamente24. Quando le goccioline di olio non rottura all'uscita idrofobo, abbassare i tassi di flusso di entrambi i fluidi con un rapporto di tasso di flusso fisso, fino a quando le goccioline dell'olio prolungati rompono e inducono l'inversione di fase. Inoltre, se sia il fluido ad alta viscosità e bassa viscosità fluido hanno simili bagnabilità sulla superficie trattata, il metodo di inversione di fase sarebbe non valido.

Anche se forniamo solo i protocolli e gli esempi per la generazione di acquose ad alta viscosità goccioline in questo lavoro, il dispositivo di inversione di fase del co-flusso utilizzabile anche per generare goccioline d'olio ad alta viscosità in soluzioni acquose di bassa viscosità23. In un dispositivo, a Monte del tubo centrale deve essere trattata per essere bagnata dalla fase ad alta viscosità, mentre l'uscita del tubo centrale deve essere trattata per essere bagnata dalla fase di bassa viscosità. Il dispositivo di inversione di fase del co-flusso fornisce un metodo semplice per fluidi ad alta viscosità di incapsulare in modo ben controllato a sviluppare rapidamente applicazioni basate su goccia.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato supportato dal National Natural Science Foundation della Cina (nn. 51420105006 e 51322501). Grazie Daniel per la sua utile discussione sulle idee ad alta viscosità.

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).

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