Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Изготовления капель высокой вязкости, используя Microfluidic капиллярного устройства с фазы инверсии потока со структурой

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

Устройство совместно потока инверсии фазы продемонстрировал сформировать капельки высокой вязкости монодисперсных выше 1 ССА, который трудно реализовать в капли микрофлюидика.

Abstract

Поколение монодисперсных капель с высокой вязкостью всегда был вызов в микрофлюидика капли. Здесь мы демонстрируем фазы инверсии Сопредседатель потока устройства для создания единой капли высокой вязкости в низкой вязкость жидкости. Microfluidic капиллярного устройство имеет общую структуру совместного потока с его выходом, подключение к широкой трубки. Удлиненные капельки низкой вязкость жидкости сначала инкапсулированные высокой вязкости жидкости в структуре совместного потока. Как удлиненные капельки низкой вязкости потока через выход, который обрабатывается смоченных низкой вязкость жидкости, инверсии фазы затем индуцируется прилипание капелек низкой вязкостью до кончика выхода, что приводит к последующей обратной Инкапсуляция высокой вязкости жидкости. Размер результирующей капель высокой вязкости может корректироваться путем изменения соотношения скорость потока низкой вязкость жидкости к высокой вязкости жидкости. Мы продемонстрировать несколько типичных примеров поколения высокой вязкости капель с вязкостью до 11,9 Pas, как глицерин, мед, крахмал и полимерные решение. Этот метод обеспечивает простой и прямой подход к генерации монодисперсных высокой вязкости капельки, которые могут быть использованы в различных капелька-приложений на основе, например синтеза материалов, Доставка лекарств, assay клетки, биоинженерии и продовольствия Машиностроение.

Introduction

Поколение капли становится ключевой технологией в различных приложений, таких как Доставка лекарств, материалов синтез, 3D подложке, клеток и продовольствия инженерных1,2,3,4 , 5 , 6. Microfluidic приборы с т-образного7,8, совместно поток1,9, или поток упор10,11 структуры широко используются для создания монодисперсных один эмульсии капельки. Выбор более вязкой непрерывной фазой будет способствовать формированию капель12, и вязкости непрерывной и рассеянных жидкости, обычно ниже 0,1 ПА в капли микрофлюидика13. Однако во многих приложениях, дисперсной фазы может иметь вязкость несколько сотен раз выше, чем у воды, например глицерина14, растворов, содержащих наночастицы15, белки16или полимеры17 , 18 , 19, хотя это трудно добиться монодисперсных капли прямо из высокой вязкости жидкостей в стабильной капает11 режим в microfluidic приборы, особенно для жидкостей с вязкостью η > 1 ПА·с14 ,17,18,19. Кроме того он был сообщил13,18 что типичный microfluidic методы для формирования капли требуют жидкости с относительно низкой вязкости и умеренной поверхностное натяжение для формирования единой капли в стабильной капает режим.

Для дисперсной фазы с вязкостью немного больше, чем 0,1 ПА, существует несколько возможных подходов для облегчения формирования капли с типичной т-образного перекрестка, Сопредседатель потока или потока упором microfluidic приборы: (1) снижение вязкости дисперсной Фаза путем разбавления в летучих растворителей11,20; (2) уменьшить коэффициент разошлись к непрерывное вязкость, увеличив вязкость непрерывной фазой1,11; (3) уменьшите расход дисперсной фазы чрезвычайно низкое значение, сохраняя непрерывный разогнали потока скорость соотношение 14,19. Однако эти подходы не практичным для жидкостей с гораздо более высокой вязкостью, как они будут значительно снизить темпы производства резко повышая потребление летучих растворителей или непрерывной фазой. В дополнение сообщалось, что некоторые решения высокой вязкости полимера с η > 1 ПА·с до сих пор не нарушал на капельки с подходами, упомянутые выше17,19.

Есть также несколько улучшение конструкции microfluidic устройств, которые ввести третий этап жидкости в систему, которая облегчает поколения капель высокой вязкости. Инновации включают: пузыри, познакомил нарезать смывающий потока капельки21, несмешивающихся chaperoning жидкости с умеренной вязкости, представил как средний участок между dipsersed фазы и непрерывной фазой18, и микрореакторы, представил для создания высокой вязкости капельки из двух маловязкие прекурсоров21,22,-23. Однако как один больше жидкости участвует в процессе, система становится более сложной, и устройства обычно работают в гораздо короче режима потока, чем типичный устройства для генерации одного эмульсии капельки.

Для создания монодисперсных капельки непосредственно из высокой вязкости жидкости с η > 1 ПА·с, контролируемой поверхности фаза инверсии методы были расследованы24. Поколение низкой вязкости капельки гораздо проще, чем высоковязкое капель12, удлиненные маловязкие капельки в непрерывной фазе высокой вязкости сначала создаются с использованием типичного потока со структуры, а затем разбиты должного для изменения поверхности смачиваемости вниз по течению структуры совместного потока. Выпущенные низкой вязкость жидкости обратно инкапсулирует течению высокой вязкости жидкости в капельки так что инверсии фазы завершения. Согласно механизму инверсии фазы монодисперсных высокой вязкости капельки могут быть созданы на основании типичной Сопредседатель потока устройства, в то время как выход устройства совместно потока угощали смоченных низкой вязкость жидкости, а затем подключен к широкой трубки24 ,25.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. производство фазы инверсии Сопредседатель потока капиллярного устройство для наблюдения за процесс создания капель водного раствора, высокой вязкости с диаметром ~ 500 мкм.

Примечание: Площадь наружной трубы, используемые здесь предназначен для снятия изображений процесса формирования капель высокой вязкости. Если нет необходимости принимать изображения, упрощенная версия устройства могут быть сделаны согласно протоколу шаг 2.

  1. Подготовьте три стеклянных трубок с разными размерами для Ассамблеи капиллярного устройства.
    1. Возьмите квадратный стеклянной трубки с внутренним размером 1,05 мм и вырезать кусок трубки ~ 4 см в длину. Это будет внешней трубки устройства.
    2. Возьмите круглой стеклянной трубки с внутренним диаметром (и.д.) 580 мкм и наружным диаметром 1 мм (диаметр) и вырезать кусок трубки ~ 3 см в длину. Это будет средний трубки устройства.
    3. Возьмите круглой стеклянной трубки с и.д. = 200 мкм, диаметр = 330 мкм и вырезать кусок трубки ~ 2 см в длину. Это будет Внутренняя трубка устройства.
  2. Изменение поверхности смачиваемости один конец среднего трубки быть гидрофобным.
    1. Возьмите 1 мл флаконе стекла и добавить 0,3 мл трихлор (octadecyl) силана (OTS) в стеклянный флакон.
    2. Возьмите средняя трубка с и.д. = 580 мкм, подготовленный протокол шаге 1.1.2 и окуните один конец его в OTS в стеклянный флакон для ~ 10 s.
    3. Вывезти среднего трубы и промойте трубку с газом азота от конца без лечения.
  3. Подготовьте иглы для впускателей капиллярного устройства.
    1. Возьмите 20G тупой совет дозирования иглы и вырезать слот с ~0.5 мм x 0,5 мм на краю пластиковых Luer хаб с лезвием.
      Примечание: Эта игла будет служить входе для этапа низкой вязкости масла.
    2. Взять еще один 20G тупой совет дозирования иглы и вырезать два слота на краю пластика Luer хаб. Совместите два гнезда в линии, проходящей диаметр Luer концентратора.
      Примечание: Один слот имеет размер ~0.5 мм x 0,5 мм, в то время как другой слот имеет размер ~1.0 мм x 1,0 мм. Эта игла будет служить в качестве входного для водной фазе высокой вязкости.
    3. Взять еще один 20G тупой совет дозирования иглы и вырезать два слота на краю пластика Luer хаб. Совместите два гнезда в линии, проходящей диаметр Luer концентратора.
      Примечание: Один слот имеет размер ~1.5 мм x 1,5 мм; в то время как другой слот имеет размер ~1.0 мм x 1,0 мм. Эта игла будет служить в качестве входного для очистки.
  4. Соберите стеклянных трубок согласно Рисунок 1A.
    1. Взять очередной 7,62 х 2.54 см стекло слайд как субстрат капиллярного устройства.
    2. Положите наружной трубы с и.д. = 1,05 мм, подготовлен протокол шаге 1.1.1, на слайде стекла с ~ 1 см выдавливания короткого края стекла слайда.
    3. Возьмите средняя трубка с и.д. = 580 мкм, подготовленный протокол шаге 1.2 и вставьте конец гидрофобные средней трубки в наружной трубы от конца на стеклянное скольжение и держать ~ 1 см среднего трубки за пределами наружной трубы.
    4. Возьмите Внутренняя трубка с и.д. = 200 мкм, подготовленный протокол шаге 1.1.3 и вставьте один конец внутренней трубки в середине трубку и держать ~ 1 см внутренняя труба за пределами средней трубки.
    5. Используйте клей эпоксидный исправить три трубы в позиции вдоль осевой линии стеклянное скольжение. Затем ждать ~ 5 минут или больше для клея для полностью затвердеть.
  5. Соберите отверстия на приборе капиллярного.
    1. Принять входе иглы для этапа низкой вязкости нефти, подготовленный протокол шаге 1.3.1 и пусть Luer хаб охватить к концу внутренней трубки на подложке, а затем использовать эпоксидный клей для исправления Luer хаб на подложке.
    2. Возьмите входе иглы для водной фазе высокой вязкости, подготовленный протокол шаге 1.3.2 и пусть Luer хаб охватывают стыке внутреннюю трубку и среднего трубки, а затем использовать эпоксидный клей исправить Luer хаб на подложку.
    3. Возьмите входе иглы, подготовленный протокол шаге 1.3.3 и, для очистки, пусть Luer хаб охватывают стыке среднего трубки и наружной трубы и затем использовать эпоксидный клей для исправления Luer хаб на подложке.
    4. Подождите около 5 минут или больше для клея для полностью затвердеть.
    5. Использование эпоксидный клей для уплотнения узлов Luer иглы на подложке.
  6. Ждать ~ 30 минут или больше для клея для упрочения полностью, и затем устройство готово к использованию.

2. Сделайте фазы инверсии, Сопредседатель потока капиллярного устройства для изготовления водных капель высокой вязкости с диаметром ~ 500 мкм.

Примечание: Устройство, сделанное здесь это упрощенная версия устройства в протокол шаг 1.

  1. Подготовьте два стеклянных трубок с разными размерами для Ассамблеи капиллярного устройства.
    1. Возьмите круглой стеклянной трубки с и.д. = 580 мкм и O.D. = 1 мм и вырезать кусок трубки с ~ 3 см в длину. Это будет средний трубки устройства.
    2. Возьмите круглой стеклянной трубки с и.д. = 200 мкм, диаметр = 330 мкм и вырезать кусок трубки с ~ 2 см в длину. Это будет Внутренняя трубка устройства.
  2. Изменение поверхности смачиваемости один конец среднего трубки быть гидрофобным.
    1. Добавление 0,3 мл OTS в 1 мл флаконе стекла.
    2. Возьмите средняя трубка с и.д. = 580 мкм, в протокол шаг 2.1.1, подготовлен и окуните один конец его в OTS в стеклянный флакон для ~ 10 s.
    3. Возьмите среднего трубки и затем промойте трубку с газом азота от конца без лечения.
  3. Подготовьте иглы для впускателей капиллярного устройства.
    1. Подготовьте 20G тупой совет дозирования иглу, которая будет служить в качестве входного для этапа низкой вязкости масла. Затем вырежьте слот ~0.5 мм x 0,5 мм с лезвием на краю пластиковых Luer хаб.
    2. Взять еще один 20G тупой совет дозирования иглы и вырезать два слота на краю пластика Luer хаб. Совместите два гнезда в линии, проходящей диаметр Luer концентратора.
      Примечание: Один слот имеет размер ~0.5 мм x 0,5 мм, в то время как другой слот имеет размер ~1.0 мм x 1,0 мм. Эта вторая игла будет служить в качестве входного для водной фазе высокой вязкости.
  4. Соберите стеклянных трубок согласно Рисунок 1A .
    1. Взять очередной 7,62 х 2.54 см стекло слайд как субстрат капиллярного устройства.
    2. Положите средняя трубка с и.д. = 580 мкм, подготовленный протокол шаге 2.2, на слайде стекла с гидрофобным конца прессовать ~ 1 см на короткий край стекла слайд.
    3. Возьмите Внутренняя трубка с и.д. = 200 мкм, в протокол шаг 2.1.2, подготовлен и вставьте один конец внутренней трубки в середине трубку от конца без лечения на слайде стекла и держать ~ 1 см внутренняя труба за пределами средней трубки.
    4. Используйте клей эпоксидный исправить две трубы в позиции вдоль осевой линии стеклянное скольжение.
    5. ~ 5 минут или дольше ждать клей полностью затвердеть.
  5. Соберите отверстия на приборе капиллярного.
    1. Принять входе иглы для этапа низкой вязкости нефти, подготовленный протокол шаге 2.3.1 и пусть Luer хаб охватить к концу внутренней трубки на подложке, а затем использовать эпоксидный клей для исправления Luer хаб на подложке.
    2. Возьмите входе иглы для водной фазе высокой вязкости, подготовленный протокол шаге 2.3.2 и пусть Luer хаб охватывают стыке внутреннюю трубку и среднего трубки, а затем использовать эпоксидный клей исправить Luer хаб на подложке.
      Примечание: На другом конце средняя трубка является выход устройства.
    3. Подождите около 5 минут или больше для клея для полностью затвердеть.
    4. Использование эпоксидный клей для уплотнения узлов Luer иглы на подложке.
  6. Подождите около 30 минут или больше для клея для полностью затвердеть.
  7. Подключите свободный конец среднего трубки с выхода трубы, т.е., полиэтиленовые трубки с и.д. = 0,86 мм и ~ 20 мм в длину.
    Примечание: Незначительная деформация внешней трубки обеспечит уплотнение соединения, так что клей не нужно здесь. Аутлет труб выступает в качестве широкой наружной трубы для инверсии фазы. На данный момент прибор готов к использованию.

3. Сделайте фаза инверсии Сопредседатель потока капиллярного устройства для наблюдения за процесс создания водных капель высокой вязкости с диаметром ~ 200 мкм.

Примечание: Устройство, сделанное здесь это уменьшенная версия устройства протокола шаг 1, чтобы сделать небольшие капельки.

  1. Подготовьте три стеклянных трубок с разными размерами для Ассамблеи капиллярного устройства.
    1. Возьмите квадратный стеклянную трубку с и.д. = 400 мкм и вырезать кусок трубки ~ 4 см в длину, которая будет внешней трубки устройства.
    2. Возьмите круглой стеклянной трубки с и.д. = 200 мкм, диаметр = 330 мкм и вырезать кусок трубки ~ 3 см в длину, которая будет средней трубки устройства.
    3. Возьмите круглой стеклянной трубки с и.д. = 100 мкм и O.D. = 170 мкм и вырезать кусок трубки ~ 2 см в длину, которая будет Внутренняя трубка устройства.
  2. Изменение поверхности смачиваемости один конец среднего трубки быть гидрофобным.
    1. Возьмите 1 мл флаконе стекла и добавить 0,3 мл OTS в стеклянный флакон.
    2. Возьмите средняя трубка с и.д. = 200 мкм, в протокол шаг 3.1.2, подготовлен и окуните один конец его в OTS в стеклянный флакон для ~ 10 s.
    3. Возьмите среднего трубки и затем промойте трубку с газом азота от конца без лечения.
  3. Подготовьте иглы для впускателей капиллярного устройства.
    1. Подготовьте 20G тупой совет дозирования иглу, которая будет служить в качестве входного для этапа низкой вязкости масла. Затем с лезвием, вырежьте слот ~0.2 мм x 0,2 мм на краю пластиковых Luer хаб.
    2. Подготовить еще один 20G тупой совет дозирования иглы и вырезать два слота на краю пластиковых Luer хаб. Совместите два гнезда в линии, проходящей диаметр Luer концентратора.
      Примечание: Один слот имеет размер ~0.2 мм x 0,2 мм, в то время как другой слот имеет размер ~0.4 мм x 0,4 мм. Эта вторая игла будет служить в качестве входного для водной фазе высокой вязкости.
    3. Взять еще один 20G тупой совет дозирования иглы и вырезать два слота на краю пластика Luer хаб. Два слота выравниваются в линии, проходящей диаметр Luer концентратора.
      Примечание: Один слот имеет размер ~0.8 мм x 0,8 мм, в то время как другой слот имеет размер ~0.4 мм x 0,4 мм. Этот третий игла будет служить в качестве входа для очистки.
  4. Выполните шаги 1.4-1.6 протокол завершить устройство, с помощью стеклянных трубок, подготовленный в шаг 3.1 протокола вместо тех подготовленных в протоколе шаг 1.1 и с помощью иглы, подготовленный в шагу 3.3 Протокола вместо тех, кто готов в шаге 1.3 протокол.

4. наблюдение за поколение капель глицерина в парафин жидкий

Примечание: Для снятия изображений показано в цифры 1B - D, используйте устройство, подготовленный в протокол шаг 1; для снятия изображений, показанный на рисунке 3, используйте устройство, подготовленный в протокол шаг 3.

  1. Подготовка решения для использования в эксперименте.
    1. Использование глицерина в водной фазе высокой вязкости, и добавить 0,5 w.t.% толуидиновый синий O покрасить его синий.
    2. Использовать жидкий парафин в качестве этапа Низковязкие масла и добавьте 1% w.t. Span 80 в нем как ПАВ.
  2. Подготовьте три 1 мл-шприцы и три насоса шприца.
    Примечание: Три шприцы для жидкостей, подготовленный в протоколе шаг 4.1: один для инъекций высокой вязкости глицерина, подготовленный протокол шаге 4.1.1 и два других для инъекций жидкий парафин низкой вязкости, подготовленный протокол шаге 4.1.2, соответственно.
    1. Соедините шприц, содержащие глицерола к входу в середине трубы.
    2. Подключите один шприц, содержащие жидкий парафин в входе внутренняя труба, при соединении с другой впускной для очистки.
  3. Поместите устройство, подготовленную на этапе 1 протокол на инвертированным микроскопом и место кусок Kimwipe под наружной трубки поглощать утечка жидкости.
    Предупреждение: Не позволяйте утечка жидкости за пределами района Kimwipe.
  4. Установка скорости потока насосов шприца.
    Примечание: Используйте шприцевый насос соединен наружной трубы для очистки когда захваченные пузыри или капельки вокруг выхода среднего трубки. В противном случае просто оставьте насос остановился.
    1. Установите скорость потока глицерина инъекций в середине трубы Qw = 10 мкл/мин.
    2. Установите скорость потока жидкий парафин инъекционных Внутренняя трубка Qo = 30 мкл/мин.
    3. Запуск двух насосов для создания капель глицерина.
  5. Ждать ~0.5 мин, до тех пор, пока потоки стабилизируются и капель глицерина создаются равномерно на выходе среднего трубки. Затем взять видео или изображения в процессе создания дроплета.
    Примечание: Изображения в цифрах, 1В C могут быть приняты с использованием устройства, подготовленную на этапе 1, протокол во время изображения в Рисунок 3A могут приниматься с использованием устройства, подготовленный в протокол шаг 3. Остановите все насосы, как только видео или изображения взяты и сразу взять устройство от Микроскоп.
  6. Подготовьте для сбора капель высокой вязкости.
    1. Установите прибор в вертикальной плоскости с выходом указала вниз и Поставьте чашку Петри под розетки. Используйте ленту, чтобы исправить устройство в розетку ~ 2 мм выше нижней части Петри.
    2. Залейте некоторые жидкий парафин, подготовленный протокол шаге 4.1.2 в чашке Петри и просто погрузиться на выходе из устройства.
  7. Запуск двух шприцевые насосы снова на Qw = 10 мкл/мин и Qo = 30 мкл/мин и собирать капель глицерина в чашке Петри.
    Примечание: Ждать ~ 1 мин до тех пор, пока потоки стабилизируются и глицерина капель создаются равномерно на выходе наружной трубы, образ капель в чашке Петри могут быть приняты, как показано на рисунке 1 d для устройства, подготовленный в протоколе 1 , или рисунок 3B для устройства, подготовленный в протокол шаг 3.

5. генерации и сбора капель глицерина в жидкий парафин с упрощенной устройством, подготовленный на шаге 2.

Примечание: Это для принятия изображений капель глицерина, сформировавшейся под различными потока оценить соотношение Qo/Q,wи измерение соответствующий размер вариации капель для точек данных на рисунке 2.

  1. Подготовка решения для использования в эксперименте, следуя протоколу шаг 4.1.
  2. Подготовьте два 1 мл-шприцы и два насоса шприца.
    Примечание: Две шприцы для жидкостей, подготовленный в протоколе шаг 4.1: один для инъекций высокой вязкости глицерина, подготовленный протокол шаг 4.1.1, и другой для инъекций жидкий парафин низкой вязкости, подготовленный протокол шаге 4.1.2, соответственно.
    1. Соедините шприц, с 0,8 мл глицерина на входе в середине трубы.
    2. Соедините шприц, с 0,8 мл жидкого парафина на входе Внутренняя трубка.
  3. Подготовьте для сбора капель высокой вязкости.
    1. Установите прибор в вертикальной плоскости с выходом указал вниз и положить 35 мм Петри под розетки. Используйте ленту, чтобы исправить устройство в розетку ~ 2 мм выше нижней части Петри.
    2. Залейте некоторые жидкий парафин, подготовленный протокол шаге 4.1.2 в чашке Петри и просто погрузиться на выходе из устройства.
  4. Установка скорости потока насосов шприца.
    Примечание: Для каждого потока оценить соотношение в Рисунок 2, исправить скорость потока Qглицеринаw = 2 мкл/мин, при одновременном повышении расхода жидкого парафина Qo разные значения согласно требуемого расхода показатель соотношения Q o/wQ. Для каждого потока оценить соотношение ждать ~ 1 мин до тех пор, пока потоки стабилизируются и единообразных глицерина капель собраны в чашке Петри, а затем принять изображения капель.
    1. Установите скорость потока глицерина вводили в середине трубы Qw = 2 мкл/мин.
    2. Установите скорость потока жидкого парафина вводят в Внутренняя трубка Qo = 6 мкл/мин.
    3. Запуск двух насосов для создания капель глицерина.
      Примечание: Процесс создания капель можно непосредственно наблюдать с камерой мобильного телефона, или цифровой фотокамера установлена на штатив.
  5. Ждать ~ 1 мин до тех пор, пока потоки являются стабилизировалась и изменить новую Петри блюдо для сбора единообразных глицерина капель.

6. генерировать других высоковязких капельки, парафин жидкий, с помощью устройства совместно потока фазы инверсии.

Примечание: Это для изображения на рисунке 4. Все фазы Низковязкие масла, используемых в экспериментах так же, как используется в протоколе шаг 4.1.2.

  1. Используйте чистый мед в водной фазе высокой вязкости для Рисунок 4A.
  2. 6 w.t.% раствора крахмала подготовиться Рисунок 4B.
    Предупреждение: Используйте надлежащего высокотемпературных стеклянной бутылке СМИ и высокой температуры колпачок. Используйте термостойкие перчатки.
    1. Добавьте 47 g воды в 100 мл стеклянной бутылке СМИ и разместите панель переполох в бутылке.
    2. Положить бутылку в ванну с водой и установите температуру 100 ° c.
    3. Добавить 3 g порошка крахмала в горячую воду, после ванны вода достигает 100 ° C.
    4. Заглушка бутылку и держите перемешивая для ~ 4 h до тех пор, пока раствор не станет прозрачным.
    5. Подождите, пока решение не остынет до комнатной температуры перед использованием.
  3. Подготовка 10 w.t.% ПВА-124 решение Рисунок 4 c.
    Предупреждение: Используйте надлежащего высокотемпературных стеклянной бутылке СМИ и высокой температуры колпачок. Используйте термостойкие перчатки.
    1. Добавить 45 g воды в 100 мл стеклянной бутылке СМИ и положить бар переполох в бутылке.
    2. Положить бутылку в ванну с водой и установите температуру до + 70 ° C.
    3. Добавить 5 г порошка ПВА-124 в бутылку, после ванны вода достигает 70 ° C.
    4. Заглушка бутылку и держите перемешивая ~ 1 ч до тех пор, пока раствор не станет прозрачным.
    5. Подождите, пока решение не остынет до комнатной температуры перед использованием.
  4. Генерировать высокой вязкости капельки жидкого парафина.
    1. Выполните шаг 5 с помощью высокой вязкости жидкости, подготовленный на шаге 6.1-6.3, вместо глицерина в шаге 5 протокола протокол.
    2. Использовать параметры скорость потока Qw = 1 мкл/мин иo Q= 5 мкл/мин на рисунке 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Microfluidic капиллярного устройство с фазы инверсии, структура совместного потока был разработан для создания монодисперсных водные капельки высокой вязкости, как показано на рисунке 1A. На рисунке 1, водной фазе высокой вязкости было глицерин, который имеет вязкость ηw = 1.4 Pas; этапа Низковязкие масла был жидкий парафин, который имеет вязкость ηo = 0,029 Pas; поверхностное натяжение между двумя этапами был γ = 27,7 МН/м. В среднем трубки капельки удлиненные масла может быть инкапсулирована глицерина в хорошо контролируемых капает режим9,13, потому что вязкость глицерина гораздо выше, чем у жидкого парафина и капиллярной чисел, Ca , принятых на обоих этапах, как низко как 10-4- 10-2, где Ca = ηU/γ, U = Q/A -средняя скорость жидкости, и A – площадь Креста раздел канала. Как капельки удлиненные нефти текла из выхода средней трубки в широкой наружной трубки, как показано на рисунке 1B, капельки масла сломал в гидрофобных оконечности среднего трубки и обратно инкапсулированные крышку вниз по течению глицерина, так что были получены высокой вязкости глицерина капель, как показано на рисунке 1 c. Поскольку размер капель и расстояние между двух прилегающих нефти капельки сохраняются неизменными, сформированные глицерина капель будет монодисперсных24,25. Изображения в Рисунок 1B-C были получены с помощью устройства шаг 1, и следующий экспериментальный протокол шаг 4. Капель глицерина, приданный Qo = 30 uL/мин и Qw = 10 uL/мин показаны на рис. 1 d, которой капли имеют средний диаметр 521 мкм и коэффициент вариации (CV) из размер капель, определяется как деления размера капли среднего, стандартного отклонения был CV = 0,9%, что указывает на капли были монодисперсных.

Размер капель высокой вязкости можно регулировать, изменяя соотношение Qскорость потокаo/w Qс фиксированной Qw. Набор типичных экспериментальные результаты, полученные из экспериментов, после шага 5 протокол с устройством протокола шаг 2, показано на рисунке 2. Как Qбыло зафиксированоw , размер капель, сократилось с увеличением Qo. Дальнейшее увеличение соотношения скорость потока может иметь небольшие капельки доходность, однако объёмная капель бы сократились, соответственно и там было бы резкое увеличение общего сопротивления и внутриглазное давление внутри устройства. Таким образом в пределах потока оценить соотношение на рисунке 2, размер капель был сопоставим с внутренний диаметр трубы среднего.

Размер капли можно далее сократились, когда используется устройство с меньше трубы. Типичные результаты эксперимента, после шага 4 протокол с устройством от протокола шаг 3, показано на Рисунок 3, где средняя трубка была и.д. = 200 мкм.

То же устройство от протокола шаг 2 может использоваться для создания монодисперсных капельки из различных высоковязких жидкостей, которые имеют вязкость выше чем глицерин. Типичные результаты монодисперсных капель меда (11 Pas), раствора крахмала (8,5 Pas) и раствор полимера (2,5 Pas) показано на рисунке 4. Подготовка жидкостей на рисунке 4 подробно в протокол шаг 6.

Figure 1
Рисунок 1: поколение высокой вязкости глицерина капель в низкой вязкости жидкий парафин с помощью устройства совместно потока фазы инверсии. (A) схема устройства совместно поток фазы инверсии. (B) наблюдения поколения капель глицерина от нефти в глицерин пули поток в середине трубки одного эмульсии глицерина в нефти в наружной трубы. (C) время последовательности изображений инверсии фазы процесса. (D) монодисперсных капель глицерина и распределение размеров капель. Средний диаметр капель-521 мкм и CV = 0,9%. Перепечатано с разрешения [24]. Авторское право 2017 американского химического общества. Масштаб гистограммы являются 500 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: изменение размера капли с изменением соотношения скорость потока QO/QW Qв то время какW = 2 мкл/мин Для каждой точки данных измеряются 30 капель, и средний диаметр сообщается. Как погрешностей стандартное отклонение меньше, чем символ, используемый в сюжет, они здесь не показаны. Перепечатано с разрешения [24]. Авторское право 2017 американского химического общества. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3: меньше капли глицерина, генерируется из устройства с средние трубы и.д. = 200 мкм. (A) наблюдения поколения капель глицерина в наружной трубки устройства. (B) результирующей монодисперсных глицерина капель со средним диаметром 212 мкм и CV = 1,9%. Перепечатано с разрешения [24]. Авторское право 2017 американского химического общества. Масштаб гистограммы являются 200 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4: типичные примеры капелек высокой вязкости, созданных из разных решений. Перепечатано с разрешения [24]. Авторское право 2017 американского химического общества. (A) мед капли со средним диаметром 612 мкм и CV = 0,7%. (B) крахмал капельки со средним диаметром 600 мкм и CV = 0,9%, капельки полимер ПВА-124 (C) со средним диаметром 773 мкм и CV = 0,7%. Все бары масштаба являются 1.0 мм. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Фаза инверсии Сопредседатель потока устройство обеспечивает простой и прямой вперед метод для создания монодисперсных высокой вязкости капельки. Это устройство имеет аналогичную структуру общего совместного потока устройства, как структура основных совместно потока состоит из внутренней трубки вставляется в середине трубку, выход которого подключен к розетке труб. Однако есть два основных различия между фазы инверсии Сопредседатель потока и общего совместного потока устройство для поколения высокой вязкости капель с вязкостью η > 1 ПА·с.

Во-первых в общих устройств совместно потока, используется внутренняя трубка с коническим наконечником, в то время как прямой внутренняя труба может использоваться в устройствах со потока фазы инверсии. Конический наконечник обычно имеет и.д. = 20 мкм и O.D. = 30 мкм1,8, так что обычно необходимо сделать конический наконечник пипетки съемник. В устройстве совместного поток фазы инверсии, раунд стеклянные трубки с и.д. = 100-200 мкм могут использоваться напрямую, без будучи конические.

Во-вторых в общем Сопредседатель потока устройства, высокой вязкости жидкости вводят в Внутренняя трубка инкапсулируется низкой вязкость жидкости; Находясь в фазе инверсии Сопредседатель потока устройств, низкой вязкость жидкости вводят в Внутренняя трубка инкапсулируется высокой вязкости жидкости, который намного легче реализовать. Например, когда мы используем общие устройства совместно потока для создания капель глицерина в жидкий парафин, соотношение скорость потока Qo/w Qдолжно быть по крайней мере 25 реализовать хорошо контролируемых капает режим, который приводит к объёмная капель глицерина, не превышает 4%. Напротив в устройствах Сопредседатель поток фазы инверсии, поток оценить соотношение Qo/Qw могут быть как низки как 2,5 реализовать режим хорошо контролируемых капает, таким образом, могут быть реализованы объёмная 28% глицерина капель.

В устройстве совместного поток фазы инверсии инверсии фазы индуцируется распада удлиненные нефти капелька на гидрофобной выходе среднего трубки. Таким образом лечение смачиваемость поверхности выхода средняя трубка является важным шагом для инверсии фазы метода, где выход средняя трубка должна рассматриваться к смоченных этапа низкой вязкости побудить инверсии фазы. Кроме того существует критического расхода, выше которой капельки масла удлиненные будет не распад и инверсии впоследствии не произойдет24этапа. Когда капельки масла нельзя распада на гидрофобной выхода, ниже скорости потока обеих жидкостей с соотношением ставка фиксированная потока, до капельки масла удлиненные перерыв и побудить инверсии фазы. Кроме того если высокой вязкости жидкости и низкой вязкость жидкости имеют аналогичные смачиваемости на обработанной поверхности, то метод инверсии фазы будут считаться недействительными.

Хотя мы только предоставляем протоколы и примеры для поколения водных капель высокой вязкости в этой работе, фаза инверсии Сопредседатель потока устройство также может использоваться для создания капельки масла высокой вязкости в водных растворах низкой вязкость23. В таком устройстве вверх по течению от среднего трубки необходимо относиться к смоченных этапа высокой вязкости, в то время как выход среднего трубки необходимо обращаться к смоченных этапа низкой вязкости. Фаза инверсии Сопредседатель потока устройство обеспечивает простой метод для инкапсуляции высокой вязкости жидкостей в быстро развивающихся приложений на базе капельки хорошо контролируемым образом.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана Фонд национального естественных наук Китая (№ 51420105006 и 51322501). Мы благодарим Даниэля за его полезным обсуждение идеи высокой вязкости.

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

Химия выпуск 134 микрофлюидика капель эмульсии высокой вязкости инверсии фазы смачиваемость стеклянные капилляры
Изготовления капель высокой вязкости, используя Microfluidic капиллярного устройства с фазы инверсии потока со структурой
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