Summary
Qui viene presentato un protocollo per la produzione di dispositivi microfluidici a base di vetro utilizzati per generare emulsioni altamente monodisperse con dimensioni di goccia controllate.
Abstract
In questo manoscritto vengono descritti tre diversi protocolli passo-passo per generare gocce di emulsione altamente monodisperse utilizzando microfluidica a base di vetro. Il primo dispositivo è costruito per la generazione di semplici gocce guidate dalla gravità. Il secondo dispositivo è progettato per generare gocce di emulsione in uno schema di coflowing. Il terzo dispositivo è un'estensione del dispositivo di coflowing con l'aggiunta di un terzo liquido che funge da terra elettrica, consentendo la formazione di gocce elettrificate che successivamente si scaricano. In questa configurazione, due dei tre liquidi hanno una conduttività elettrica apprezzabile. Il terzo liquido media tra questi due ed è un dielettrico. Una differenza di tensione applicata tra i due liquidi conduttori crea un campo elettrico che si accoppia con le sollecitazioni idrodinamiche dei liquidi cofluenti, influenzando il processo di formazione del getto e della goccia. L'aggiunta del campo elettrico fornisce un percorso per generare gocce più piccole rispetto ai semplici dispositivi di coflow e per generare particelle e fibre con una vasta gamma di dimensioni.
Introduction
La generazione controllata di gocce in micron e nanoscala con una distribuzione di dimensioni ridotte è un compito impegnativo. Queste gocce sono di interesse per l'ingegneria di materiali morbidi con molte applicazioni nella scienza e nella tecnologia 1,2,3,4,5,6.
I dispositivi più comuni per l'alto tasso di produzione di gocce sono i miscelatori7 e gli emulsionanti ad ultrasuoni8. Questi metodi sono semplici e a basso costo, ma in genere si traducono in gocce polidisperse con una vasta gamma di dimensioni. Pertanto, sono necessari ulteriori passaggi per produrre campioni monodispersi. I dispositivi microfluidici possono essere progettati in modo diverso per fornire un modo efficiente per la formazione di gocce. Inoltre, le portate solitamente basse coinvolte (cioè il basso numero di Reynolds) consentono un grande controllo sul flusso del fluido.
Mentre i dispositivi microfluidici sono comunemente realizzati utilizzando tecniche litografiche con poli(dimetil) silossano (PDMS), questo manoscritto si concentra su dispositivi capillari a base di vetro. I dispositivi PDMS vengono solitamente scelti per la loro capacità di progettare modelli di canale complessi e per la loro scalabilità. I dispositivi in vetro, al contrario, sono rigidi e hanno una maggiore resistenza ai solventi rispetto alle loro controparti PDMS. Inoltre, il vetro può essere modificato per modificarne la bagnabilità, il che consente di controllare la generazione di emulsioni complesse. Essere in grado di trattare autonomamente l'ugello e le pareti del canale consente la formazione di gocce in modo controllato e riproducibile, assicurando al contempo la stabilità delle emulsioni risultanti se le gocce dovessero toccare le pareti9; altrimenti le gocce potrebbero fondersi e accumularsi al muro. Un'altra differenza tra questi due tipi di dispositivi è che nei dispositivi basati su vetro, il flusso è tridimensionale, mentre è planare nei dispositivi PDMS convenzionali. Questo fatto riduce al minimo il contatto di caduta con le pareti del canale in modo che l'influenza delle linee di contatto possa essere trascurata10, proteggendo così la stabilità di più gocce di emulsione.
Figura 1: Diverse configurazioni di dispositivi microfluidici. Schizzi di (A) una giunzione a T, (B) un dispositivo di coflowing e (C) un dispositivo di messa a fuoco del flusso. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Ci sono tre geometrie principali utilizzate, vale a dire T-junction11, flow focusing12,13 e coflow14. Nella geometria della giunzione a T, la fase dispersa contenuta nel canale interseca perpendicolarmente il canale principale che ospita la fase continua. Lo sforzo di taglio esercitato dalla fase continua rompe il liquido disperso in entrata con conseguente caduta. Le gocce generate sono limitate in dimensioni inferiori dalle dimensioni del canale principale11. Nella geometria di messa a fuoco del flusso, i due fluidi sono forzati attraverso un piccolo orifizio che si trova di fronte al tubo di iniezione. Il risultato è la formazione di un getto, che è molto più piccolo del tubo di iniezione12,13. Infine, la geometria del coflusso ha una configurazione caratterizzata dal flusso coassiale di due fluidi immiscibili14. In generale, il gocciolamento e il getto possono essere osservati a seconda delle condizioni operative. Il regime di gocciolamento avviene a basse portate e le goccioline risultanti sono molto monodisperse e hanno un diametro proporzionale alla dimensione della punta. Lo svantaggio è la sua bassa frequenza di produzione. Il regime di getto si verifica a portate più elevate rispetto al regime di gocciolamento. In questo caso, il diametro della goccia è direttamente proporzionale al diametro del getto che può essere molto più piccolo del diametro della punta nelle giuste condizioni.
Un'alternativa a questi approcci idrodinamici si basa sull'uso aggiuntivo di forze elettriche. L'elettrospray è una tecnica ben nota e ampiamente utilizzata per generare goccioline. Si basa sul principio che un liquido con una conduttività elettrica finita si deformerà in presenza di un forte campo elettrico. Il liquido adotterà infine una forma conica risultante dall'equilibrio tra tensioni elettriche e superficiali15. Il processo inizia con il campo elettrico che induce una corrente elettrica nel liquido che provoca l'accumulo di cariche in superficie. La presenza del campo elettrico si traduce in una forza elettrica su queste cariche, che trascina il liquido lungo, allungando il menisco nella direzione del campo. In condizioni diverse, il menisco può perdere le gocce cariche o può emettere uno o più getti che poi si rompono in gocce15. Sebbene questi metodi microfluidici assistiti elettricamente consentano naturalmente la generazione di piccole gocce, soffrono di una mancanza di un funzionamento allo stato stazionario che compromette la monodispersità dell'emulsione. Le gocce cariche risultanti tendono a scaricarsi sulle pareti confinanti e / o in qualsiasi punto del dispositivo in cui il potenziale elettrico è inferiore alla tensione esterna imposta. Così, il menisco elettrificato diventa instabile, alla fine emette gocce in modo caotico e causa la loro produzione incontrollata e la perdita di monodispersità.
Nell'elettroconfluito, le sollecitazioni elettriche e idrodinamiche sono accoppiate in un dispositivo microfluidico a cofusione16 simile a quello utilizzato per generare doppie emulsioni12. Due caratteristiche principali consentono all'elettroconfluito di raggiungere un regime di emissione allo stato stazionario: (i) la fase dispersa viene espulsa in un altro liquido viscoso coflowing e (ii) l'uso di un controelettrodo liquido o di terra. Avere un liquido esterno che scorre ha dimostrato di cambiare le proprietà geometriche del processo di emissione di gocce17. Il controelettrodo liquido consente lo scarico e l'estrazione delle gocce risultanti, assicurando la generazione di gocce allo stato stazionario. Inoltre, sfruttando l'equilibrio delle forze elettriche e idrodinamiche, le dimensioni delle gocce risultanti possono potenzialmente variare all'interno di un intervallo più ampio rispetto alle dimensioni che possono essere coperte da una qualsiasi delle tecniche precedentemente menzionate.
Questo protocollo video dettagliato ha lo scopo di aiutare i nuovi professionisti nell'uso e nella fabbricazione di microfluidica a base di vetro.
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Protocol
1. Fare semplici gocce
- Per fare semplici gocce, utilizzare una base di vetro realizzata con un vetrino per microscopio (76,2 mm x 25,4 mm) per costruire il dispositivo. Ciò consente un facile trasporto e visualizzazione dei liquidi attraverso il vetro.
- Utilizzare un capillare di vetro rotondo per la punta. Per questo protocollo, utilizzare capillari rotondi di 1 mm di diametro (prontamente disponibili in una vasta gamma di dimensioni).
- Per realizzare una punta con il diametro desiderato, tirare il capillare usando una macchina per tirare micropipette fino a ottenere due mezzi capillari con una punta molto piccola (~ 1 μm).
- Utilizzare un microforge per tagliare la punta al diametro desiderato (2-80 μm). Per diametri maggiori (> 80 μm), utilizzare una piastrella di ceramica se la microforgia non taglia tali dimensioni.
NOTA: A seconda del liquido desiderato, il vetro dovrà essere trattato, in modo che il liquido non si arrampichi lungo l'esterno della punta.
- Per i liquidi a base d'acqua, rendere idrofobo l'esterno della punta. Per i liquidi a base di olio, quando l'esterno della punta è a contatto con l'acqua, rendere idrofilo l'esterno della punta. Vedere il passaggio 2.3 per il trattamento del vetro.
- Utilizzare un ago per siringa (20 G) per facilitare l'introduzione del liquido nel capillare. Scolpire un foro - della dimensione del diametro esterno del capillare - alla base dell'ago usando una lama di rasoio o un bisturi.
- Risciacquare l'ago con acqua per rimuovere polvere e fibre dal taglio. Asciugarli all'aria.
- Per assemblare, incollare il capillare rotondo al vetrino del microscopio usando resina epossidica ad asciugatura rapida. Posizionare la punta del capillare 1-2 cm all'esterno dell'estremità del vetrino del microscopio. Utilizzare solo un tampone di resina epossidica al centro del capillare. In questo modo, non interferirà con il campo visivo o con l'ago della siringa.
- Incollare l'ago della siringa in modo tale che l'estremità del capillare si trovi al centro dell'ago. In primo luogo, mettere una piccola quantità di resina epossidica quasi indurita attorno al bordo sul fondo dell'ago. Posizionare l'ago in modo tale che l'estremità del capillare sia al centro della sua base.
- Dopo alcuni minuti, mettere un secondo strato di resina epossidica fresca, coprendo la base dell'ago, evitando il foro. Infine, coprire il foro con resina epossidica quasi indurita per evitare che la resina epossidica scorra all'interno degli aghi. Seguire le linee guida del produttore di resine epossidiche per i tempi di indurimento e polimerizzazione.
- Attaccare un pezzo di tubo (ID x O.D. 0,86 mm x 1,32 mm) all'ago. Pulire il tubo prima di collegarlo. Lavare manualmente l'acqua deionizzata utilizzando una siringa per rimuovere eventuali residui prodotti al taglio del tubo.
NOTA: il materiale del tubo deve essere compatibile con il liquido utilizzato negli esperimenti. Il tubo dovrebbe essere abbastanza lungo da poter collegare il dispositivo e il sistema di pompaggio. - Per testare il dispositivo, pompare acqua deionizzata attraverso l'ago e osservare se ci sono perdite. Utilizzare una siringa e l'ago corrispondente per pompare manualmente l'acqua. Nel caso in cui venga rilevata una perdita, asciugare accuratamente il dispositivo. Applicare resina epossidica e attendere almeno 1 ora prima di testare di nuovo.
- Per generare gocce, utilizzando un morsetto, posizionare il dispositivo in posizione verticale in modo che la punta sia rivolta verso il basso come in un rubinetto della cucina. Utilizzare una pompa a siringa o una configurazione a pressione per pompare il liquido nel dispositivo.
- Raccogliere le gocce posizionando la punta all'interno di un becher o di una fiala con un liquido con la quantità appropriata di tensioattivo. Ad esempio, per l'olio di silicone 10cSt come liquido interno, utilizzare una fase continua di 16 mM di sodio dodecilsolfato (SDS) in acqua.
- Per le gocce d'olio in acqua, al fine di aumentare la stabilità delle gocce, aggiungere uno strato di olio viscoso sopra il bagno di raccolta prima di fare l'emulsione. Per gocce d'acqua nell'olio, utilizzare un tensioattivo non ionico nell'olio per stabilizzare le gocce.
Figura 2: Ago intagliato. Ago con un foro scolpito nella sua base per adattarsi a un capillare rotondo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Dispositivo per la generazione di gocce semplici. Schema di un dispositivo per generare semplici gocce. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Raccolta di gocce semplici. (A) Schizzo di come raccogliere gocce in un becher. (B) Vista dall'alto di un becher in cui sono state raccolte gocce di olio di silicone 10cSt in 16 mM SDS in soluzione acquosa, prodotto con una punta da 580 μm. La dimensione della goccia è (3,29 ± 0,08) mm. (C) Vista dall'alto di un becher in cui sono state raccolte gocce di olio di silicone 10cSt in 16 mM SDS in soluzione acquosa, prodotto con una punta da 86 μm. La dimensione della goccia è (1,75 ± 0,04) mm Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
2. Fare gocce di emulsione usando uno schema di coflowing
NOTA: il dispositivo è costruito in modo simile al dispositivo descritto nel passaggio 1.
- Costruire il dispositivo su una base di vetro realizzata con un vetrino per microscopio (76,2 mm x 25,4 mm). Ciò consente un facile trasporto e visualizzazione dei liquidi attraverso il vetro.
- Utilizzare un capillare a sezione quadrata (capillare quadrato) per il liquido esterno (fase continua dell'emulsione) con una lunghezza di circa 5 cm. Per questo protocollo, utilizzare capillari rotondi di 1 mm di diametro (prontamente disponibili in una vasta gamma di dimensioni).
- Per il trattamento del vetro, a seconda del liquido interno scelto (fase dispersa), rendere il lato interno del capillare quadrato idrofobo o idrofilo. Il trattamento aiuterà a evitare di avere gocce bloccate nel vetro e interferire con la formazione di nuove gocce.
- Per rendere il vetro idrofobo, pulire i capillari mettendoli in una fiala con acetone nel bagno ad ultrasuoni per 10-15 minuti. Risciacquarli con acetone o etanolo (mai acqua). Asciugali.
- Preparare un flaconcino pulito e asciutto (secco per le ossa) contenente 10 mL di toluene (o esano) + 20 μL di soluzione di trimetossossi(ottil)silano. Tenere i capillari nella soluzione per 2 ore. Risciacquare i capillari con lo stesso solvente utilizzato per la soluzione.
- Risciacquare nuovamente con acetone. Asciugare con aria. Cuoceteli in forno per 30 minuti a circa 70 °C.
NOTA: questo processo è difficile da implementare per i suggerimenti del dispositivo senza interromperli. - Per trattare le punte del dispositivo, immergerle nella soluzione di toluene e soluzione di trimetossidi (ottil) silano per alcuni secondi. Rimuovere qualsiasi soluzione in eccesso. Lasciare asciugare all'aria.
- Per rendere il vetro idrofilo, ripetere gli stessi passaggi (2.3.1-2.3.4) come nel caso idrofobo ma con una soluzione di 10 mL di acetone + 20 μL di 2-[metossi(polietileneossi)6-9propil] trimetiossisilano.
- Utilizzare un capillare di vetro rotondo per la punta. Abbinare il diametro esterno del capillare alla dimensione interna del capillare quadrato. Ciò garantisce che entrambi i capillari siano allineati coassialmente. Assicurarsi che la lunghezza del capillare rotondo sia di diversi centimetri più lunga del capillare quadrato.
- A seconda del liquido disperso, trattare il vetro, in modo che il liquido non si arrampichi lungo l'esterno della punta.
- Assemblare incollando il capillare quadrato al vetrino del microscopio utilizzando resina epossidica ad asciugatura rapida. Posizionare la punta del capillare 1-2 cm all'esterno dell'estremità del vetrino del microscopio (vedere Figura 6A).
- Utilizzare un tampone di resina epossidica al centro del capillare, in modo che non interferisca nel campo visivo o con l'ago della siringa. Aspetta che guarisca completamente. Si noti che anche per la resina epossidica ad asciugatura rapida, il produttore consiglia 24 ore affinché il materiale si polimerizzi completamente.
- Introdurre il capillare rotondo in quello quadrato in modo tale che l'estremità rimanga a pochi centimetri dall'estremità del capillare quadrato.
- Posizionare l'altra estremità (al di fuori del vetrino del microscopio) all'interno del capillare quadrato a una distanza che coincide approssimativamente con l'estremità del capillare quadrato (vedere Figura 6B).
- Incollare il capillare usando un tampone di resina epossidica a media distanza tra l'estremità del capillare e l'inizio di quello quadrato. Aspetta che guarisca completamente.
- Apportare le seguenti modifiche ai due aghi necessari per introdurre il liquido.
- Per alloggiare il capillare nella base dell'ago, scavare un foro nella base del cappuccio rotondo che è della dimensione del diametro esterno del capillare (vedi Figura 2). Per adattarsi all'altro ago all'estremità del capillare quadrato, intagliare fori rotondi e quadrati alla base dell'ago per ospitare l'articolazione.
- Assicurarsi che entrambi i fori siano allineati in modo che i capillari rotondi e quadrati possano essere montati all'interno dell'ago. Risciacquare gli aghi con acqua per rimuovere polvere e fibre dal taglio. Asciugarli all'aria. Incollare gli aghi e seguire il protocollo già descritto al punto 1.5.2 (vedere Figura 6C).
- Collegare il tubo (controllare il diametro e il materiale compatibile) a ciascuno degli aghi. Risciacquare il tubo dopo averli tagliati in modo da rimuovere eventuali detriti e fibre. Manualmente, utilizzare una siringa e un ago per pompare l'acqua. Testare il dispositivo per rilevare eventuali perdite come descritto di seguito.
- Chiudere uno degli aghi piegando un pezzo di tubo e utilizzando una clip legante per chiuderlo efficacemente dal flusso del fluido. Pompare acqua deionizzata attraverso l'altro ago. Se non si osservano perdite, pompare attraverso l'altro ago.
- Se viene rilevata una perdita, asciugare accuratamente il dispositivo, applicare resina epossidica e attendere almeno 1 ora prima di testare nuovamente.
- Per generare gocce, come descritto nel passaggio 1.8, utilizzare uno dei due modi per guidare i liquidi: fissare le loro portate usando pompe a siringa o fissare la loro pressione usando contenitori pressurizzati.
Figura 5: Effetti del trattamento idrofobico. (A) e (C) Capillare senza alcun liquido all'interno. La linea rossa indica la fine del capillare. (B) Capillare non trattato. Il liquido sta bagnando il capillare mentre è salito sopra la linea rossa. (D) Trattati capillarmente con acqua. L'acqua non bagna il capillare in questo caso. Il liquido rimane al di sotto della linea rossa. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Dispositivo di colusso. (A) Posizionare il capillare quadrato sul vetrino del microscopio. (B) Posizionare il capillare rotondo all'interno di quello quadrato. (C) Il dispositivo completo con gli aghi della siringa. (D) Fotografia dell'intero dispositivo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. Realizzazione di un dispositivo di elettro-coflow
- Per costruire il dispositivo microfluidico utilizzare una base di vetro realizzata con vetrini per microscopio (76,2 mm x 25,4 mm). A causa della loro lunghezza, troppo lunga per adattarsi a un singolo vetrino per microscopio standard, utilizzare 1 1/2 o due vetrini per microscopio.
- Tagliare due piccoli pezzi di una diapositiva (circa 1 cm) per tenere insieme le diapositive, come mostrato nella Figura 7A. Utilizzare resina epossidica per incollare il vetro. Aspetta che guarisca.
- Allineare due capillari per via coassiale. Per evitare il costo aggiuntivo di allineare due capillari rotondi di diversi diametri, utilizzare un capillare quadrato con un lato interno che corrisponda al diametro esterno del capillare rotondo. Per gli esperimenti di elettro-coflow, utilizzare un capillare laterale di 2 mm.
NOTA: Il capillare laterale da 2 mm fa funzionare meglio gli esperimenti di elettro-coflow poiché la distanza punta-terra è inferiore (o simile) rispetto alla distanza tra la punta e la parete del capillare quadrato. Quando si utilizza il capillare laterale da 1 mm, la parete capillare è più vicina del terreno e il liquido spesso tende a scaricarsi lì, portando a risultati non riproducibili.- Utilizzare uno scriba diamantato o un altro strumento disponibile per tagliare il capillare quadrato ad una lunghezza di circa 4 cm. Risciacquare con acqua per rimuovere eventuali particelle di vetro. Lasciare asciugare all'aria. Rendilo idrofobo se la fase dispersa è un liquido a base d'acqua, altrimenti idrofilo.
- Tirare un capillare rotondo con una macchina tiratrice di pipette fino ad ottenere due mezzi capillari con una piccola punta.
- Utilizzare una microforgia per tagliare la punta di uno dei mezzi capillari al diametro desiderato (20-80 μm). Per diametri maggiori, è possibile utilizzare una piastrella di ceramica. Per l'acqua nelle emulsioni oleose, rendere idrofobo l'esterno della punta.
- Utilizzare l'altro mezzo capillare come capillare da collezione. Per fare ciò, tagliare la punta tirata in modo che le estremità piatte originali vengano recuperate.
- Tagliare i due capillari rotondi in modo che siano lunghi circa 4-5 cm (tenerli più corti della diapositiva). Pulirli per rimuovere eventuali residui generati durante il processo di taglio. Sciacquarli con acqua deionizzata usando una siringa. Asciugarli all'aria.
- Incollare il capillare quadrato alle diapositive (vedere Figura 7B). Non centrarlo rispetto alle diapositive; l'articolazione delle diapositive non deve trovarsi nella regione di visualizzazione. Metti un tampone (per evitare la diffusione) di resina epossidica quasi polimerizzata alle estremità.
- Posizionare la punta e i capillari del collettore all'interno del capillare quadrato. Posizionare entrambe le estremità - punta e un'estremità del raccoglitore - sulla stessa diapositiva, per evitare l'unione tra le diapositive (vedere figura 7C). La distanza tra la punta e il collettore è di circa 2 mm. Usa un microscopio per misurare questa distanza.
NOTA: questa distanza dipenderà dalla tecnica che si sta utilizzando per pompare i liquidi. L'obiettivo finale è quello di avere una distanza di circa 1 mm tra la punta e il controelettrodo liquido. - Una volta che i capillari sono alla giusta distanza, incollarli al vetrino usando un tampone di resina epossidica. Fare attenzione a non coprire la regione di interesse con resina epossidica, in quanto renderebbe difficile la visualizzazione al microscopio.
- Per fabbricare connessioni alle estremità aperte dei capillari, posizionare gli aghi che coprono queste estremità. Sono necessari quattro aghi per dispositivo.
- Usa una lama di rasoio o un bisturi per tagliare la base degli aghi in modo che si adattino ai capillari. Fai un foro rotondo alla base dell'ago per adattare un ago all'estremità dei capillari rotondi.
- Per adattarlo alla fine del capillare quadrato, fai fori rotondi e quadrati alla base dell'ago per ospitare questa articolazione. Assicurarsi che entrambi i fori siano allineati in modo che i capillari rotondi e quadrati possano essere inseriti all'interno dell'ago.
- Risciacquare gli aghi con acqua per rimuovere polvere e fibre dal taglio. Asciugarli all'aria.
- Incollare gli aghi. Seguire i passaggi di cui al punto 1.5.2. Lasciare che la resina epossidica si polimerizzi durante la notte prima di testare il dispositivo per le perdite.
- Per testare il dispositivo per le perdite, seguire i passaggi descritti di seguito.
- Chiudere due degli aghi utilizzando un pezzo di tubo piegato tenuto da una clip legante. Pompare acqua deionizzata attraverso uno degli aghi e utilizzare l'ultimo come uscita. Utilizzare una siringa e l'ago corrispondente per pompare manualmente l'acqua nel dispositivo.
- Se non si osservano perdite, pompare attraverso l'ago successivo. Ripetere il processo fino a quando l'acqua è attraverso tutti e quattro gli aghi. Nel caso in cui venga rilevata una perdita, asciugare accuratamente il dispositivo, applicare resina epossidica e attendere almeno 1 ora prima di testare nuovamente.
- Riempire il dispositivo come descritto di seguito e rimuovere le bolle d'aria in quanto potrebbero introdurre oscillazioni indesiderate nel sistema. Per rimuovere le bolle, utilizzare due siringhe riempite a metà con acqua deionizzata. Spingere e tirare le siringhe per guidare l'aria intrappolata all'interno degli aghi e dei capillari fuori dal dispositivo.
- Preparare le siringhe con i liquidi da utilizzare nell'esperimento. Rimuovere eventuali bolle dalle siringhe come descritto sopra. Collegare un pezzo di tubo all'ago della siringa e riempirlo con il liquido rimuovendo tutta l'aria.
- Per collegare il tubo al dispositivo, rimuovere il tubo utilizzato per il test da uno degli aghi del dispositivo e pompare acqua utilizzando una delle siringhe d'acqua collegate, in modo che l'ago goccioli acqua.
- Allo stesso tempo, fai gocciolare il tubo con il liquido desiderato. Poiché entrambe le estremità gocciolano, quando sono collegate, non viene introdotta aria. Ripetere questo processo con le altre due siringhe, in modo che l'unico ago libero nel dispositivo sia l'uscita.
- Collegare la siringa liquida interna (fase dispersa) all'ago 1, il liquido esterno (fase continua) all'ago 2 e il liquido del collettore (controelettrodo) all'ago 4. L'ago 3 è l'uscita (vedere Figura 8).
- Collegare l'alimentatore agli aghi che alimentano i liquidi interni e del collettore (aghi 1 e 4 nella Figura 8) per impostare una differenza di potenziale tra la punta e il liquido del collettore.
NOTA: Poiché l'ago è metallico e a contatto con questi liquidi conduttori, agiscono come fili liquidi impostando la differenza di potenziale tra la punta e il menisco del collettore. Per le dimensioni del dispositivo menzionate, la differenza di potenziale varia tra 0 e 2,5 kV. - Pompare i liquidi utilizzando uno dei due modi possibili, a seconda dell'attrezzatura di laboratorio: utilizzare pompe a siringa ad alta pressione che fisseranno la portata dei liquidi o utilizzare contenitori a pressione che fisseranno la pressione dei liquidi.
- Una volta scelto uno di questi metodi, fissare le portate esterne e interne ai valori desiderati e regolare la portata (o pressione) del collettore liquido per mantenere costante la distanza, L (vedi Figura 9).
Figura 7: Come posizionare i capillari su un dispositivo di elettroconfusione passo dopo passo. (A) Costruire la base di vetro per il dispositivo che unisce due vetrini per microscopio. Le parti colorate sono i pezzi di vetro tagliati che dopo essere stati incollati, tengono insieme i due vetrini del microscopio. (B) La posizione ottimale del capillare quadrato su due vetrini per microscopio assemblati. (C) Posizionamento dei capillari rotondi per esperimenti di elettrocongelamento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: Dispositivo di elettroconfusione. (A) Fotografia di un dispositivo di elettroconfusione. (B) Schizzo di un dispositivo di elettroconcorrente. I numeri indicano l'ingresso per (1) il liquido interno, (2) il liquido esterno, (3) l'uscita del dispositivo e (4) il collettore/macinato del liquido. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: Immagine della punta e del controelettrodo liquido durante un esperimento di elettro-coflow. La distanza del collettore di punta, L, è contrassegnata. La barra della scala corrisponde a 100 μm. L'ingrandimento del microscopio è 4x. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
4. Procedure di pulizia
- Mantenere i capillari e i vetrini del microscopio in acetone per rimuovere tutta la polvere e l'olio. Qualsiasi particella di olio o polvere potrebbe ostruire le punte delle dimensioni di micron. Controllare le punte per gli zoccoli dopo ogni passaggio durante la fabbricazione con un microscopio da ingrandimento da 4x a 20x per punte di dimensioni comprese tra 10 e 100 μm.
- Pompare acqua deionizzata attraverso il tubo prima dell'uso. Utilizzare una siringa e un ago e pompare manualmente l'acqua per evitare che particelle indesiderate viaggino dall'interno del tubo nel dispositivo e intasino la punta.
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Representative Results
In questo manoscritto, tre diversi dispositivi sono stati progettati per generare gocce. Abbiamo generato gocce con una dimensione di (3,29 ± 0,08) mm (Figura 4B) e (1,75 ± 0,04) mm (Figura 4C) utilizzando il dispositivo descritto nel passaggio 1. Le gocce di emulsione possono essere generate utilizzando il coflow e i dispositivi di elettro-coflow. Per quest'ultimo, mostriamo il gocciolamento nella Figura 9, mentre le modalità cone-jet e frusta sono mostrate rispettivamente nella Figura 10 e nella Figura 11. Nella Figura 9 mostriamo i risultati utilizzando lo stesso liquido dei liquidi interni e del collettore. Se l'obiettivo degli esperimenti è raccogliere queste gocce, un diverso liquido conduttore dovrebbe essere usato come collettore (vedi 18 per maggiori dettagli), altrimenti le gocce si fonderanno con il collettore mentre si toccano.
Le modalità cone-jet e whipping sono le più studiate per le loro molteplici applicazioni pratiche; sono due delle molte altre modalità che appaiono nell'elettro-coflow 19,20,21,22. Per una revisione più sistematica dell'effetto dei parametri sperimentali (portate e tensione applicata), vedere la sezione Discussione e 22. Queste modalità sono costanti nel tempo quando generate nei dispositivi descritti nel manoscritto. La stabilità di queste modalità consente la loro caratterizzazione utilizzando l'imaging ad alta velocità con un microscopio e la relativa elaborazione delle immagini.
Figura 10: Modalità Cone-jet. Liquido interno e collettore: glicole etilenico; liquido esterno: 0,65 cSt olio di silicone; la portata interna è di 16 μL/h; la portata esterna è di 30 mL/h; la tensione applicata è 750 V. La barra della scala corrisponde a 100 μm. L'ingrandimento del microscopio è 20x. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 11: Modalità di frusta. Liquido interno e collettore: glicole etilenico; liquido esterno: 10 cSt olio di silicone; la portata interna è di 240 μL/h; la portata esterna è di 20 ml/h; la tensione applicata è 1200 V. La barra della scala corrisponde a 100 μm. L'ingrandimento del microscopio è 20x. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Il protocollo per fabbricare tre diversi dispositivi a base di vetro è stato descritto sopra. Nel caso del dispositivo per generare semplici gocce, la portata e le proprietà del liquido sono cruciali per generare gocce in modo controllato. Le gocce si formeranno sulla punta nel regime di gocciolamento o alla fine del getto nel regime di getto. Il passaggio dal gocciolamento al getto è parametrizzato dal numero di Weber adimensionale, We23. Questo numero rappresenta il rapporto tra le forze di tensione inerziale e superficiale, 
), dove ρ è la densità del liquido, γ è la tensione interfacciale, Q è la portata e dpunta è il diametro della punta. Quando abbiamo < 1, si verifica un gocciolamento. Per We > 1, le forze di inerzia superano le forze di tensione superficiale che tengono la goccia sulla punta e si forma un getto. Alla fine, il getto si romperà in cadute a causa delle instabilità di Rayleigh-Plateau. Pertanto, per una configurazione liquida e sperimentale fissa, la portata è il parametro che controlla la transizione dal gocciolamento al getto. Il regime di gocciolamento è caratterizzato da conseguenti gocce quasi monodisperse, quindi è auspicabile per la generazione di gocce, sebbene la frequenza di produzione sia maggiore quando vengono generate gocce nel regime di getto.
Per il dispositivo di coflow, un capillare quadrato e un capillare rotondo vengono utilizzati per far fluire coassialmente i due fluidi in modo facile e conveniente. Si noti che la dimensione della punta è molto più piccola della dimensione del capillare quadrato. Il comportamento nel coflow è più ricco di quello osservato negli esperimenti descritti nel passaggio 1. Una discussione dettagliata sul gocciolamento e il getto nel coflow può essere trovata in23. Maggiori dettagli sul controllo delle dimensioni delle gocce sono disponibili in24.
L'aggiunta di un terzo liquido allo schema di coflowing porterebbe a quello che abbiamo chiamato elettro-coflow. Il collegamento di un alimentatore alle parti metalliche degli aghi utilizzati per i liquidi interni e di raccolta consente di creare un campo elettrico nella regione tra di loro. Poiché gli aghi sono in contatto con liquidi conduttori (liquidi interni e collettori), questi agiscono come fili liquidi impostando la differenza di potenziale tra la punta e il menisco del collettore. La modifica delle proprietà del fluido esterno, come la sua viscosità o la portata, aumenta la ricchezza e le caratteristiche delle modalità rispetto a quanto osservato nell'elettrospraystandard 22. Ad esempio, la Figura 11 mostra che la modalità di montatura ha una struttura ordinata in determinate condizioni sperimentali17. Ciò consente lo studio delle sue proprietà geometriche, che in genere non è possibile nell'elettrospray.
La tecnica dell'elettro-coflow è in grado di superare la maggior parte dei problemi che rendono instabili altre tecniche elettricamente assistite. Uno dei problemi presentati nelle tecniche elettricamente assistite è che le gocce cariche emesse tendono a scaricarsi ovunque il potenziale elettrico sia inferiore a quello applicato sulla punta prima che raggiungano il controelettrodo. Questo è il motivo per cui i capillari da 2 mm sono suggeriti per la nostra configurazione. Il trattamento idrofobo del capillare quadrato evita che eventuali gocce si blocchino sulle pareti permettendo loro di viaggiare imperturbabili fino a raggiungere il collettore liquido, dove si scaricano. L'uso di un controelettrodo liquido (vedi Figura 9) al posto dei più tipici elettrodi metallici, elimina l'accumulo di carica e distorsioni significative nel campo elettrico che alla fine influenzerebbero il processo di produzione di gocce e influenzerebbero gravemente la monodispersità dell'emulsione.
Un importante dettaglio pratico relativo alla fabbricazione dei dispositivi è il tempo necessario per costruirli. In tutti i casi, il processo richiede alcune ore (ancora meno, se il trattamento del vetro viene eseguito in anticipo), ma sfortunatamente la resina epossidica ha bisogno di circa 10 ore per polimerizzare. Si consiglia quindi di attendere fino al giorno successivo per testare e utilizzare i dispositivi.
Uno dei passaggi critici per la produzione di questi tre dispositivi e per garantire la riproducibilità è il trattamento del vetro. Il vetro deve essere reso idrofobo o idrofilo a seconda dei liquidi utilizzati. Evitare di bagnare lungo l'esterno della punta aiuta a raggiungere la produzione di gocce allo stato stazionario.
Una domanda importante per tutti e tre i dispositivi riguarda come pompare i liquidi: se deve essere utilizzata una pompa a siringa (portata fissa) o una configurazione a pressione (differenza di pressione fissa). Una pompa a siringa consentirà il controllo della portata dei liquidi. Uno svantaggio per le pompe a siringa è l'introduzione di vibrazioni nel sistema provenienti dalla dimensione del gradino del motore della pompa. Per il sistema di pressione, lo svantaggio sono le portate sconosciute dei liquidi. La calibrazione del sistema è un'opzione, misurando il volume del liquido raccolto per un determinato periodo di tempo per diverse pressioni. Alcuni inconvenienti di questo metodo sono che le dimensioni del tubo dovrebbero rimanere costanti ogni volta che vengono cambiate e la saturazione dei filtri nelle linee (se utilizzate) potrebbe alterare la calibrazione. Un'alternativa è calcolare la portata del liquido interno misurando la velocità di produzione delle gocce; misurare la dimensione delle gocce emesse durante la modalità di gocciolamento e la sua frequenza di emissione fornirà la portata. Per la portata del liquido esterno, è possibile misurare il volume di liquido raccolto durante il periodo dell'esperimento. Un inconveniente di fare questo è che queste portate sono note a posteriori, e non durante l'esecuzione degli esperimenti.
Ci sono molte applicazioni 38,39,40 delle tecnologie presentate qui in campi come la cosmetica, l'industria alimentare e la somministrazione di farmaci tra molti altri, come l'uso delle emulsioni risultanti come modelli per gel applicati in agricoltura intensiva. Un'applicazione in aumento delle tecnologie legate ai microfluidi è lo sviluppo di sistemi di alimentazione innovativi per artropodi benefici che contribuiranno allo sviluppo di un'agricoltura rigenerativa alternativa. Al giorno d'oggi, i sistemi di produzione alimentare globale si trovano ad affrontare la sfida di soddisfare le richieste di maggiore produttività mantenendo la loro sostenibilità ambientale ed economica25. Il rilascio di nemici naturali allevati in massa, predatori e parassitoidi di parassiti sulle colture ha dimostrato di essere un'alternativa fattibile e desiderata all'uso di pesticidi da una prospettiva ambientale ed economica. Importanti risultati sono stati ottenuti nelle serre introducendo predatori polifagi 13,27,34. L'applicazione di alimenti supplementari nelle colture promuove l'insediamento precoce e a lungo termine di questi predatori quando le prede naturali sono scarse 26,28,30, migliorando la loro resilienza a diversi fattori di stress. Questa è considerata una preziosa strategia di supporto al controllo biologico che ottimizzerà ed espanderà i programmi di biocontrollo, sia nelle colture protette che in campo aperto.
I bioproduttori di questi predatori sono rapidamente passati da un'industria artigianale a una professionale32, e la recente applicazione di tecniche analitiche avanzate con un approccio olistico ci permetterà di comprendere meglio le esigenze nutrizionali dei predatori36. Sebbene per alcune specie il pendolarismo tra diverse fonti di cibo possa essere utile31, la maggior parte delle diete attualmente utilizzate sono ancora basate su una singola preda fittizia. Le diete liquide artificiali complementari dovrebbero essere prese in considerazione per garantire una dieta equilibrata. Le diete liquide devono essere incapsulate per la loro presentazione. Questa strategia offre diversi vantaggi come la protezione degli ingredienti bioattivi dai fattori abiotici dell'ambiente (umidità, temperatura, luce, aria, ecc.), Prevenzione della perdita di ossidazione ed evaporazione, miglioramento della stabilità e aumento della biodisponibilità, tra gli altri29,33. Sono stati riportati alcuni brevetti basati su diete artificiali incapsulate per l'alimentazione di insetti entomofagi benefici (brevetti statunitensi n. 5.799.607 e 6.129.935), ma lo scale-up commerciale di queste applicazioni deve crescere in parallelo con la conoscenza emersa delle composizioni nutrizionali degli alimenti e dei requisiti dei predatori, insieme a tecnologie microfluidiche adattate a queste condizioni di rilascio in campo in coltura.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Siamo grati a ACS PRF (sovvenzione 60302-UR9), Agrobio S.L. (contratto n. 311325) e MCIN / AEI / 10.13039 / 501100011033 / FEDER, UE (sovvenzione n. PID2021-122369NB-I00).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2-[methoxy(polyethyleneoxy)6-9propyl] trimethoxysilane. | Gelest | SIM6492.7 | |
| Ceramic tile | Sutter | CTS | |
| Ethylene glycol | Fisher | BP230 | These can be found at other companies like Sigma-Aldrich |
| Hexane | Sigma- Aldrich | 34859 | Available in other vendors |
| ITW Polymers Adhesives Devcon 5 Minute Epoxy Adhesive 25 mL Dev-Tube | Ellsworth adhesives | 470740 | |
| Microforge | Narishige | MF 830 | |
| Micropipette puller | Sutter | P97 | |
| Microscope slides | Fisher | 12-544-1 | Available in other vendors |
| Needle 20 Gauge, .0255" ID, .0355" OD, 1/2" Long | McMaster | 75165A677 | |
| SDS | Sigma-aldrich | 428015 | Surfactant |
| Silicone oil | Clearco | PSF-10cSt | The catalog number correspond to the 10cSt viscosity oil. Different viscosity oils can be found at this company |
| Span 80 | Fisher | S0060500G | non-ionic surfactant |
| Square glass capillary 2mm ID (borosillicate 300 or 600 mm long) | VitroCom | S 102 | |
| Standard Glass Capillaries, 6 in., 2 / 1.12 OD/ID | World Precision instruments | 1B200-6 | These can be found at other companies like Sutter or Vitrocom |
| Syringe pump | Chemyx | FUSION 100-X | This model has a good quality/price ratio |
| Syringes (it will depend on the compatibility with the liquids) | Fisher | Catalog number will depend on the size | |
| Trimethoxy(octyl)silane | Sigma- Aldrich | 376221 | Available in other vendors |
| Tubing ( it will depend on the compatibility with the liquids) | Scientific commodities | BB3165-PE/5 | This reference is for polyethylene micro tubing. The size fits the needle size listed here |
References
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