Waiting
Login processing...

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

Engineering

Glasbaserede enheder til generering af dråber og emulsioner

Published: April 5, 2022 doi: 10.3791/63376
Automatic Translation
1, 2, 2, 3, 3, 2,4,5
1Department of Chemistry and Physics, Augusta University, 2Department of Condensed Matter Physics, University of Barcelona, 3Agrobío S.L., 4ICREA - Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats, 5Institute of Complex Systems (UBICS), University of Barcelona

Summary

Her præsenteres en protokol til fremstilling af glasbaserede mikrofluidiske enheder, der anvendes til generering af stærkt monodisperse emulsioner med kontrolleret dråbestørrelse.

Abstract

I dette manuskript beskrives tre forskellige trinvise protokoller til generering af stærkt monodispergerede emulsionsdråber ved hjælp af glasbaserede mikrofluidik. Den første enhed er bygget til generering af enkle dråber drevet af tyngdekraften. Den anden enhed er designet til at generere emulsionsdråber i et coflowing-skema. Den tredje enhed er en forlængelse af coflowing-anordningen med tilsætning af en tredje væske, der fungerer som en elektrisk jord, hvilket muliggør dannelse af elektrificerede dråber, der efterfølgende aflades. I denne opsætning har to af de tre væsker en mærkbar elektrisk ledningsevne. Den tredje væske medierer mellem disse to og er et dielektrisk. En spændingsforskel, der påføres mellem de to ledende væsker, skaber et elektrisk felt, der parres med hydrodynamiske belastninger af de sammenstrømmende væsker, hvilket påvirker stråle- og dråbedannelsesprocessen. Tilsætningen af det elektriske felt giver en vej til at generere mindre dråber end i enkle coflow-enheder og til generering af partikler og fibre med en bred vifte af størrelser.

Introduction

Kontrolleret generering af dråber i mikron og nanoskala med en smal størrelsesfordeling er en udfordrende opgave. Disse dråber er af interesse for konstruktion af bløde materialer med mange anvendelser inden for videnskab og teknologi 1,2,3,4,5,6.

De mest almindelige enheder til den høje produktionshastighed for dråber er blandere7 og ultralydemulgatorer8. Disse metoder er enkle og billige, men de resulterer typisk i polydisperse dråber med en bred vifte af størrelser. Derfor kræves yderligere trin for at producere monodisperse prøver. Mikrofluidiske enheder kan designes forskelligt for at give en effektiv måde at falde dannelse på. Derudover giver de normalt lave strømningshastigheder, der er involveret (dvs. lavt Reynolds-tal), mulighed for stor kontrol over væskestrømmen.

Mens mikrofluidiske enheder almindeligvis fremstilles ved hjælp af litografiske teknikker med poly (dimethyl) siloxan (PDMS), fokuserer dette manuskript på glasbaserede kapillæranordninger. PDMS-enheder vælges normalt for deres evne til at designe komplekse kanalmønstre og på grund af deres skalerbarhed. Glasindretninger er tværtimod stive og har større opløsningsmiddelbestandighed end deres PDMS-modstykker. Derudover kan glas modificeres for at ændre dets befugtningsevne, hvilket gør det muligt at kontrollere dannelsen af komplekse emulsioner. At være i stand til uafhængigt at behandle dyse- og kanalvæggene muliggør dannelse af dråber på en kontrolleret og reproducerbar måde, samtidig med at stabiliteten af de resulterende emulsioner sikres, hvis dråberne skulle røre væggene9; ellers kan dråberne samle sig og akkumulere ved væggen. En anden forskel mellem disse to typer enheder er, at i glasbaserede enheder er strømmen tredimensionel, mens den er plan i konventionelle PDMS-enheder. Denne kendsgerning minimerer dråbekontakten med kanalvæggene, så indflydelsen af kontaktlinjer kan overses10 og derved beskytte stabiliteten af flere emulsionsdråber.

Figure 1
Figur 1: Forskellige mikrofluidiske enhedskonfigurationer. Skitser af (A) et T-kryds, (B) en coflowing-enhed og (C) en flowfokuserende enhed. Klik her for at se en større version af denne figur.

Der anvendes tre hovedgeometrier, nemlig T-kryds11, flowfokus 12,13 og coflow14. I T-krydsgeometrien skærer den dispergerede fase indeholdt i kanalen vinkelret hovedkanalen, der huser den kontinuerlige fase. Forskydningsspændingen, der udøves af den kontinuerlige fase, bryder den indkommende dispergerede væske, hvilket resulterer i dråber. De genererede dråber er begrænset i lavere størrelse af dimensionerne på hovedkanalen11. I den flowfokuserende geometri tvinges de to væsker gennem en lille åbning, der er placeret foran injektionsrøret. Resultatet er dannelsen af en stråle, som er meget mindre end injektionsrøret12,13. Endelig har coflowgeometrien en konfiguration, der er kendetegnet ved den koaksiale strøm af to utilgængelige væsker14. Generelt kan dryp og jetting observeres afhængigt af driftsforholdene. Drypperegimet forekommer ved lave strømningshastigheder, og de resulterende dråber er meget monodisperse og har en diameter, der er proportional med spidsstørrelsen. Ulempen er dens lave produktionsfrekvens. Jettingregimet forekommer ved højere strømningshastigheder sammenlignet med drypregimet. I dette tilfælde er dråbediameteren direkte proportional med strålens diameter, som kan være meget mindre end spidsens diameter under de rigtige forhold.

Et alternativ til disse hydrodynamiske tilgange er afhængig af den ekstra anvendelse af elektriske kræfter. Electrospray er en velkendt og meget udbredt teknik til generering af dråber. Det er baseret på princippet om, at en væske med en endelig elektrisk ledningsevne vil deformere i nærvær af et stærkt elektrisk felt. Væsken vil i sidste ende antage en konisk form som følge af balancen mellem elektriske og overfladespændingsspændinger15. Processen starter med, at det elektriske felt inducerer en elektrisk strøm i væsken, der får ladninger til at akkumulere ved overfladen. Tilstedeværelsen af det elektriske felt resulterer i en elektrisk kraft på disse ladninger, som trækker væsken sammen og forlænger menisken i retning af feltet. Under forskellige forhold kan menisken enten kaste de ladede dråber eller udsende en eller flere stråler, som derefter bryder ind i dråber15. Selvom disse elektrisk assisterede mikrofluidiske metoder naturligt tillader generering af små dråber, lider de af mangel på en steady-state-operation, der kompromitterer emulsionsmonodispersiteten. De resulterende ladede dråber har tendens til at aflade på de begrænsende vægge og / eller hvor som helst i enheden, hvor det elektriske potentiale er lavere end den pålagte eksterne spænding. Således bliver den elektrificerede menisk ustabil, hvilket i sidste ende udsender dråber på en kaotisk måde og forårsager deres ukontrollerede produktion og tab af monodispersitet.

I elektro-coflow kobles de elektriske og hydrodynamiske spændinger i en coflowmikrofluidiskenhed 16 svarende til den, der anvendes til generering af dobbeltemulsioner12. To hovedtræk gør det muligt for elektro-coflow at opnå et steady-state-emissionsregime: i) den dispergerede fase skubbes ud i en anden coflowende viskøs væske, og ii) anvendelsen af en flydende modelektrode eller jord. At have en flydende ydre væske har vist sig at ændre de geometriske egenskaber ved dråbeemissionsprocessen17. Den flydende modelektrode tillader udledning og ekstraktion af de resulterende dråber, hvilket sikrer steady-state generering af dråber. Ved at udnytte balancen mellem elektriske og hydrodynamiske kræfter kan de resulterende faldstørrelser desuden potentielt variere inden for et bredere område end de størrelser, der kan dækkes af en af de tidligere nævnte teknikker.

Denne detaljerede videoprotokol er beregnet til at hjælpe nye praktiserende læger med brug og fremstilling af glasbaseret mikrofluidik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Gør enkle dråber

  1. For at lave enkle dråber skal du bruge en glasbase lavet med et mikroskop dias (76,2 mm x 25,4 mm) til at bygge enheden. Dette giver mulighed for nem transport og visualisering af væskerne gennem glasset.
  2. Brug en rund glaskapillær til spidsen. Til denne protokol skal du bruge runde kapillærer med en diameter på 1 mm (let tilgængelige i en lang række størrelser).
    1. For at lave en spids med den ønskede diameter skal du trække kapillæren ved hjælp af en mikropipette-trækmaskine, indtil der opnås to halve kapillærer med en meget lille spids (~ 1 μm).
    2. Brug en mikrosmedje til at skære spidsen til den ønskede diameter (2-80 μm). For større diametre (> 80 μm) skal du bruge en keramisk flise, hvis mikrosmedjen ikke skærer disse størrelser.
      BEMÆRK: Afhængigt af den ønskede væske skal glasset behandles, så væsken ikke klatrer langs ydersiden af spidsen.
  3. For vandbaserede væsker skal ydersiden af spidsen hydrofobe. For oliebaserede væsker, når ydersiden af spidsen er i kontakt med vand, skal ydersiden af spidsen hydrofil. Se trin 2.3 for glasbehandling.
  4. Brug en sprøjtenål (20 G) for at lette indførslen af væsken i kapillæren. Udskæring af et hul - af størrelsen af kapillærens ydre diameter - ved bunden af nålen ved hjælp af et barberblad eller en skalpel.
  5. Skyl nålen med vand for at fjerne støv og fibre fra skæringen. Lufttør dem.
  6. For at samle skal du lime den runde kapillær på mikroskopet glide ved hjælp af hurtig tør epoxy. Placer spidsen af kapillæren 1-2 cm uden for enden af mikroskopets dias. Brug kun en klat epoxy i midten af kapillæren. På denne måde vil det ikke forstyrre synsfeltet eller sprøjtenålen.
    1. Lim sprøjtenålen på en sådan måde, at enden af kapillæren sidder i midten af nålen. Først skal du lægge en lille mængde næsten hærdet epoxy rundt om fælgen i bunden af nålen. Placer nålen således, at enden af kapillæren er i midten af dens base.
    2. Efter et par minutter sættes et andet lag frisk epoxy, der dækker nålens bund og undgår hullet. Til sidst skal du dække hullet med næsten hærdet epoxy for at forhindre epoxy i at strømme inde i nålene. Følg epoxyproducentens retningslinjer for hærdnings- og hærdningstider.
  7. Fastgør et stykke slange (I.D. x O.D. 0,86 mm x 1,32 mm) til nålen. Rengør røret, før du fastgør det. Skyl deioniseret vand manuelt ved hjælp af en sprøjte for at fjerne eventuelle rester, der produceres, da slangen blev skåret.
    BEMÆRK: Slangematerialet skal være kompatibelt med den væske, der anvendes i forsøgene. Slangen skal være lang nok til at kunne forbinde enheden og pumpesystemet.
  8. Til test af enheden pumpes deioniseret vand gennem nålen og observerer, om der er lækager. Brug en sprøjte og dens tilsvarende nål til manuelt at pumpe vandet. Hvis der findes en lækage, skal du tørre enheden grundigt. Påfør epoxy og vent i mindst 1 time, før du tester igen.
  9. For at generere dråber skal du ved hjælp af en klemme placere enheden lodret, så spidsen vender nedad som i en køkkenhane. Brug en sprøjtepumpe eller en trykdrevet opsætning til at pumpe væsken ind i enheden.
  10. Saml dråber ved at placere spidsen inde i et bægerglas eller et hætteglas med en væske med den passende mængde overfladeaktivt stof. For eksempel til 10cSt silikoneolie som indre væske, brug en kontinuerlig fase af 16 mM natriumdodecylsulfat (SDS) i vand.
    1. For oliedråber i vand, for at øge dråbernes stabilitet, tilsættes et lag viskøs olie oven på opsamlingsbadet, inden emulsionen fremstilles. For vanddråber i olie skal du bruge et ikke-ionisk overfladeaktivt stof i olien til at stabilisere dråberne.

Figure 2
Figur 2: Udskåret nål. Nål med et hul udskåret i bunden for at passe til en rund kapillær. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Enhed til generering af enkle dråber. Skematisk af en enhed til generering af enkle dråber. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Indsamling af enkle dråber. (A) Skitse af, hvordan man samler dråber i et bægerglas. (B) Topbillede af et bægerglas, hvor 10cSt silikoneoliedråber blev opsamlet i 16 mM SDS i vandopløsning, fremstillet med en spids på 580 μm. Dråbestørrelsen er (3,29 ± 0,08) mm. (C) Topbillede af et bægerglas, hvor 10cSt silikoneoliedråber blev opsamlet i 16 mM SDS i vandopløsning, produceret med en 86 μm spids. Faldstørrelsen er (1,75 ± 0,04) mm Klik her for at se en større version af dette tal.

2. Fremstilling af emulsionsdråber ved hjælp af et coflowing-skema

BEMÆRK: Enheden er bygget på samme måde som den enhed, der er beskrevet i trin 1.

  1. Byg enheden på en glasbase lavet med et mikroskop dias (76,2 mm x 25,4 mm). Dette giver mulighed for nem transport og visualisering af væskerne gennem glasset.
  2. Brug en kapillær med firkantet sektion (firkantet kapillær) til den ydre væske (kontinuerlig fase af emulsionen) med en længde på ca. 5 cm. Til denne protokol skal du bruge runde kapillærer med en diameter på 1 mm (let tilgængelige i en lang række størrelser).
  3. Til glasbehandling, afhængigt af den valgte indre væske (dispergeret fase), gør indersiden af den firkantede kapillære hydrofobe eller hydrofile. Behandlingen hjælper med at undgå at have dråber fast i glasset og forstyrre dannelsen af nye dråber.
    1. For at gøre glashydrofobe skal du rengøre kapillærerne ved at sætte dem i et hætteglas med acetone i ultralydbadet i 10-15 minutter. Skyl dem med acetone eller ethanol (aldrig vand). Tør dem.
    2. Der fremstilles et rent og tørt (knastørt) hætteglas indeholdende en 10 ml toluen (eller hexan) + 20 μL trimethoxy(octyl)silanopløsning. Opbevar kapillærerne i opløsningen i 2 timer. Skyl kapillærerne med det samme opløsningsmiddel, der anvendes til opløsningen.
    3. Skyl igen med acetone. Tør med luft. Bag dem i ovnen i 30 min ved ca. 70 °C.
      BEMÆRK: Denne proces er vanskelig at implementere for enhedens tip uden at bryde dem.
    4. For at behandle enhedens spidser dyppes dem i opløsningen af toluen og trimethoxy(octyl)silanopløsning i et par sekunder. Fjern overskydende opløsning. Lad det lufttørre.
    5. For at gøre glas hydrofilt gentages de samme trin (2.3.1-2.3.4) som i det hydrofobe tilfælde, men med en opløsning af 10 ml acetone + 20 μL 2-[methoxy(polyethyleneoxy)6-9propyl] trimethoxysilan.
  4. Brug en rund glaskapillær til spidsen. Match kapillærens ydre diameter med den indvendige størrelse af den firkantede kapillær. Dette sikrer, at begge kapillærer er koaksialt justeret. Sørg for, at længden af den runde kapillær er flere centimeter længere end den firkantede kapillær.
  5. Afhængigt af den dispergerede væske skal du behandle glasset, så væsken ikke klatrer langs ydersiden af spidsen.
  6. Saml ved at lime den firkantede kapillær på mikroskopets dias ved hjælp af hurtigtørret epoxy. Placer spidsen af kapillæren 1-2 cm uden for enden af mikroskopets dias (se figur 6A).
  7. Brug en dab epoxy i midten af kapillæren, så den ikke forstyrrer synsfeltet eller med sprøjtenålen. Vent, indtil det hærder helt. Bemærk, at selv for hurtig tør epoxy anbefaler producenten 24 timer for materialet at helbrede fuldstændigt.
  8. Indfør den runde kapillær i firkanten, således at enden forbliver et par centimeter uden for enden af den firkantede kapillær.
  9. Placer den anden ende (uden for mikroskopets dias) inde i den firkantede kapillær i en afstand, der omtrent falder sammen med enden af den firkantede kapillær (se figur 6B).
  10. Lim kapillæren ved hjælp af en dab epoxy i midten af afstanden mellem enden af kapillæren og begyndelsen af den firkantede. Vent, indtil det hærder helt.
  11. Foretag følgende ændringer i de to nåle, der kræves for at indføre væsken.
  12. For at huse kapillæren i bunden af nålen skal du skære et hul i bunden af den runde hætte, som er på størrelse med kapillærens ydre diameter (se figur 2). For at passe den anden nål i slutningen af den firkantede kapillær skal du skære runde og firkantede huller i bunden af nålen for at rumme samlingen.
  13. Sørg for, at begge huller er justeret, så de runde og firkantede kapillærer kan monteres inde i nålen. Skyl nålene med vand for at fjerne støv og fibre fra skæringen. Lufttør dem. Lim nålene, og følg den protokol, der allerede er beskrevet i 1.5.2 (se figur 6C).
  14. Tilslut slangen (kontroller diameter og kompatibelt materiale) til hver af nålene. Skyl slangen efter at have skåret dem, så snavs og fibre fjernes. Brug manuelt en sprøjte og en nål til at pumpe vandet. Test enheden for lækager som beskrevet nedenfor.
    1. Luk en af nålene ved at bøje et stykke slange og bruge en bindemiddelclips til effektivt at lukke den fra væskestrømmen. Pump deioniseret vand gennem den anden nål. Hvis der ikke observeres lækager, skal du pumpe gennem den anden nål.
    2. Hvis der findes en lækage, skal du tørre enheden grundigt, påføre epoxy og vente i mindst 1 time, før du tester igen.
  15. Til generering af dråber, som beskrevet i trin 1.8, skal du bruge en af de to måder at drive væskerne på: fastgør deres strømningshastigheder ved hjælp af sprøjtepumper eller fastgør deres tryk ved hjælp af trykbeholdere.

Figure 5
Figur 5: Virkninger af den hydrofobe behandling. (A) og (C) Kapillær uden væske indeni. Den røde linje angiver enden af kapillæren. B) Ubehandlet kapillær. Væsken fugter kapillæren, da den er klatret over den røde linje. D) Behandlet kapillær med vand. Vand våder ikke kapillæren i dette tilfælde. Væske forbliver under den røde linje. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Coflowing-enhed. (A) Placer den firkantede kapillær på mikroskopets dias. (B) Anbring den runde kapillær inde i den firkantede. C) Det komplette udstyr med sprøjtenålene. (D) Fotografi af hele enheden. Klik her for at se en større version af denne figur.

3. Fremstilling af en elektro-coflow-enhed

  1. For at opbygge den mikrofluidiske enhed skal du bruge en glasbase lavet med mikroskopdias (76,2 mm x 25,4 mm). På grund af deres længde, for lang til at passe på et enkelt standard mikroskop dias, skal du bruge 1 1/2 eller to mikroskop dias.
    1. Klip to små stykker af en rutsjebane (ca. 1 cm) for at holde lysbillederne sammen som vist i figur 7A. Brug epoxy til at lime glasset. Vent, indtil det hærder.
  2. Juster to kapillærer koaksialt. For at undgå de ekstra omkostninger ved at justere to runde kapillærer med forskellige diametre skal du bruge en firkantet kapillær med en indvendig side, der matcher den ydre diameter af den runde kapillær. Til elektro-coflow-eksperimenter skal du bruge en 2 mm sidekapillær.
    BEMÆRK: Sidekapillæren på 2 mm får elektro-coflow-eksperimenterne til at fungere bedre, da afstanden mellem spidsjorden er mindre (eller lignende) end afstanden mellem spidsen og væggen på den firkantede kapillær. Ved brug af 1 mm sidekapillæren er kapillærvæggen tættere end jorden, og væsken har ofte tendens til at udlede der, hvilket fører til ikke-reproducerbare resultater.
    1. Brug en diamantskriver eller andet tilgængeligt værktøj til at skære den firkantede kapillær til en længde på ca. 4 cm. Skyl det med vand for at fjerne eventuelle glaspartikler. Lad det lufttørre. Gør det hydrofobt, hvis den dispergerede fase er en vandbaseret væske, ellers hydrofil.
    2. Træk en rund kapillær med en pipettetrækmaskine, indtil du får to halve kapillærer med en lille spids.
    3. Brug en mikrosmed til at skære spidsen af en af de halve kapillærer til den ønskede diameter (20-80 μm). For større diametre kan du bruge en keramisk flise. For vand i olieemulsioner skal ydersiden af spidsen hydrofob.
    4. Brug den anden halvdel kapillær som en samlerkapillær. For at gøre det skal du skære den trukne spids, så de originale flade ender genvindes.
    5. Skær de to runde kapillærer, så de er omkring 4-5 cm lange (hold dem kortere end diaset). Rengør dem for at fjerne eventuelle rester, der genereres under skæreprocessen. Skyl dem med deioniseret vand ved hjælp af en sprøjte. Lufttørre dem.
    6. Lim den firkantede kapillær på lysbillederne (se figur 7B). Centrer det ikke i forhold til diasene; samlingen af diasene bør ikke være i visningsområdet. Sæt en dab (for at forhindre spredning) af næsten hærdet epoxy på enderne.
    7. Placer spidsen og kollektorkapillærerne inde i den firkantede kapillær. Placer begge ender - spidsen og den ene ende af samleren - på det samme dias for at undgå samlingen mellem dias (se figur 7C). Afstanden mellem spidsen og opsamleren er ca. 2 mm. Brug et mikroskop til at måle denne afstand.
      BEMÆRK: Denne afstand afhænger af den teknik, du bruger til at pumpe væskerne. Det endelige mål er at have en afstand på ca. 1 mm mellem spidsen og den flydende modelektrode.
    8. Når kapillærerne er i den rigtige afstand, lim dem på diaset ved hjælp af en klat epoxy. Pas på ikke at dække området af interesse med epoxy, da det ville gøre visualiseringen i mikroskopet vanskelig.
  3. For at fremstille forbindelser til de åbne ender af kapillærerne skal du placere nåle, der dækker disse ender. Der kræves fire nåle pr. Enhed.
    1. Brug et barberblad eller en skalpel til at skære bunden af nålene, så de passer over kapillærerne. Lav et rundt hul i bunden af nålen for at passe til en nål i slutningen af de runde kapillærer.
    2. For at passe det i slutningen af den firkantede kapillær skal du lave runde og firkantede huller i bunden af nålen for at rumme dette led. Sørg for, at begge huller er justeret, så runde og firkantede kapillærer kan monteres inde i nålen.
    3. Skyl nålene med vand for at fjerne støv og fibre fra skæringen. Lufttørre dem.
  4. Lim nålene. Følg trinnene i 1.5.2. Lad epoxyen hærde natten over, før du tester enheden for lækager.
  5. Følg nedenstående trin for at teste enheden for lækager.
    1. Luk to af nålene ved hjælp af et bøjet stykke slange, der holdes af en bindemiddelclips. Pump deioniseret vand gennem en af nålene og brug den sidste som udgang. Brug en sprøjte og dens tilsvarende nål til manuelt at pumpe vand ind i enheden.
    2. Hvis der ikke observeres lækager, skal du pumpe gennem den næste nål. Gentag processen, indtil vandet er gennem alle fire nåle. Hvis der findes en lækage, skal du tørre enheden grundigt, anvende epoxy og vente i mindst 1 time, før du tester igen.
  6. Fyld enheden som beskrevet nedenfor, og fjern luftbobler, da de kan medføre uønskede svingninger i systemet. For at fjerne bobler skal du bruge to halvfyldte sprøjter med deioniseret vand. Skub og træk sprøjterne for at lede luften fanget inde i nåle og kapillærer ud af enheden.
    1. Forbered sprøjter med de væsker, der skal bruges i eksperimentet. Fjern eventuelle bobler fra sprøjterne som beskrevet ovenfor. Tilslut et stykke slange til sprøjtenålen og fyld det med væsken, der fjerner al luften.
    2. For at forbinde slangen til enheden skal du fjerne slangen, der bruges til test, fra en af enhedens nåle og pumpe vand ved hjælp af en af de tilsluttede vandsprøjter, så nålen drypper vand.
    3. På samme tid skal slangen dryppe med den ønskede væske. Fordi begge ender drypper, når de er tilsluttet, introduceres der ingen luft. Gentag denne proces med de to andre sprøjter, så den eneste frie nål i enheden er udgangen.
  7. Tilslut den indre væskesprøjte (dispergeret fase) til nål 1, den ydre væske (kontinuerlig fase) til nål 2 og kollektorvæsken (modelektrode) til nål 4. Nål 3 er udgangen (se figur 8).
  8. Tilslut strømforsyningen til nålene, der fodrer de indre væsker og kollektorvæsker (nåle 1 og 4 i figur 8) for at indstille en potentiel forskel mellem spidsen og opsamlervæsken.
    BEMÆRK: Fordi nålen er metallisk og i kontakt med disse ledende væsker, fungerer de som flydende ledninger, der indstiller den potentielle forskel mellem spidsen og kollektormenisken. For de nævnte enhedsdimensioner vil den potentielle forskel variere mellem 0 og 2,5 kV.
  9. Pump væskerne ved hjælp af en af de to mulige måder, afhængigt af laboratorieudstyret: Brug højtrykssprøjtepumper, der fastgør væskernes strømningshastighed, eller brug trykbeholdere, der fastgør væskernes tryk.
  10. Når en af disse metoder er valgt, skal du fastgøre de ydre og indre strømningshastigheder til de ønskede værdier og justere strømningshastigheden (eller trykket) for væskeopsamleren for at holde afstanden, L, konstant (se figur 9).

Figure 7
Figur 7: Sådan placeres kapillærerne på en elektro-coflow-enhed trin for trin. (A) Opbygning af glasbasen til enheden, der forbinder to mikroskopdias. De farvede dele er de udskårne glasstykker, der efter limning holder sammen på de to mikroskopdias. (B) Den optimale placering af den firkantede kapillær på to samlede mikroskopdias. C) Placering af de runde kapillærer til elektro-coflow-eksperimenter. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 8
Figur 8: Elektro-coflow-enhed. (A) Fotografi af en elektro-coflow-enhed. B) Skitse af en elektro-coflow-anordning. Tallene angiver inputtet for (1) den indre væske, (2) den ydre væske, (3) udgangen af anordningen og (4) væskeopsamleren/jorden. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 9
Figur 9: Billede af spidsen og væskemodelektroden under et elektro-coflow-eksperiment. Tipopsamlerafstanden, L, er markeret. Skalabjælken svarer til 100 μm. Mikroskopforstørrelse er 4x. Klik her for at se en større version af denne figur.

4. Rengøringsprocedurer

  1. Hold kapillærerne og mikroskopet dias i acetone for at fjerne alt støv og olie. Enhver oliepartikel eller støv kan tilstoppe mikronstørrelsesspidserne. Kontroller tipene til træsko efter hvert trin under fremstillingen med et 4x til 20x forstørrelsesmikroskop for spidsstørrelser mellem 10 og 100 μm.
  2. Pump deioniseret vand gennem slangen før brug. Brug en sprøjte og en nål og pump vandet manuelt for at forhindre, at uønskede partikler bevæger sig fra indersiden af røret ind i enheden og tilstopper spidsen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

I dette manuskript er tre forskellige enheder designet til at generere dråber. Vi har genereret dråber med en størrelse på (3,29 ± 0,08) mm (figur 4B) og (1,75 ± 0,04) mm (figur 4C) ved hjælp af enheden beskrevet i trin 1. Emulsionsdråberne kan genereres ved hjælp af coflow og elektro-coflow-enhederne. For sidstnævnte viser vi dryp i figur 9, mens keglestråle- og pisketilstande er vist i henholdsvis figur 10 og figur 11. I figur 9 viser vi resultater ved hjælp af den samme væske som indre væsker og kollektorvæsker. Hvis målet med eksperimenterne er at indsamle disse dråber, skal en anden ledende væske anvendes som opsamler (se 18 for flere detaljer), da dråberne ellers vil fusionere med samleren, når de rører ved.

Keglestråle- og pisketilstandene er de mest studerede for deres mange praktiske anvendelser; de er to af de mange andre tilstande, der vises i elektro-coflow 19,20,21,22. For en mere systematisk gennemgang af effekten af de eksperimentelle parametre (strømningshastigheder og påført spænding), se afsnittet Diskussion og 22. Disse tilstande er stabile i tiden, når de genereres i de enheder, der er beskrevet i manuskriptet. Stabiliteten af disse tilstande tillader deres karakterisering ved hjælp af højhastighedsbilleddannelse med et mikroskop og relateret billedbehandling.

Figure 10
Figur 10: Kegle-jet-tilstand. Indre og samlervæske: ethylenglycol; ydre væske: 0,65 cSt silikoneolie; indre strømningshastighed er 16 μL/h; ydre strømningshastighed er 30 ml/h; påført spænding er 750 V. Skalabjælken svarer til 100 μm. Mikroskopforstørrelse er 20x. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 11
Figur 11: Pisketilstand. Indre og samlervæske: ethylenglycol; ydre væske: 10 cSt silikoneolie; indre strømningshastighed er 240 μL/h; ydre strømningshastighed er 20 ml / h; påført spænding er 1200 V. Skalabjælken svarer til 100 μm. Mikroskopforstørrelse er 20x. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen til fremstilling af tre forskellige glasbaserede enheder er beskrevet ovenfor. I tilfælde af at enheden genererer enkle dråber, er strømningshastigheden og væskeegenskaberne afgørende for at generere dråber på en kontrolleret måde. Dråber dannes ved spidsen i drypperegimet eller i slutningen af strålen i jettingregimet. Overgangen fra dryp til jetting parametriseres af det dimensionsløse Weber-nummer, We23. Dette tal repræsenterer forholdet mellem inerti- og overfladespændingskræfter, Equation 1hvor ρ er væskens densitet, γ er grænsefladespændingen, Q er strømningshastigheden ogd-spidsen er spidsens diameter. Når vi < 1, opstår der dryp. For Vi > 1 overvinder inertikræfter overfladespændingskræfter, der holder dråben i spidsen, og der dannes en stråle. Til sidst vil strålen bryde i dråber på grund af Rayleigh-Plateau ustabiliteter. For en fast væske- og eksperimentel opsætning er strømningshastigheden således den parameter, der styrer overgangen fra dryp til jetting. Det dryppende regime er kendetegnet ved at resultere i næsten monodisperse dråber, så det er ønskeligt for dråbegenerering, selvom produktionsfrekvensen er højere, når der genereres dråber i jettingregimet.

Til coflow-enheden bruges en firkant og en rund kapillær til at få de to væsker til at strømme koaksialt på en nem og overkommelig måde. Bemærk, at spidsstørrelsen er meget mindre end størrelsen på den firkantede kapillær. Adfærden i coflow er rigere end den, der observeres i de eksperimenter, der er beskrevet i trin 1. En detaljeret diskussion om dryp og jetting i coflow kan findes i23. Flere detaljer om drop size control kan findes i24.

Tilføjelse af en tredje væske til coflowing-ordningen ville føre til det, vi kaldte elektro-coflow. Tilslutning af en strømforsyning til de metalliske dele af nålene, der anvendes til de indre væsker og kollektorvæsker, gør det muligt at skabe et elektrisk felt i området mellem dem. Fordi nålene er i kontakt med ledende væsker (indre og kollektorvæsker), fungerer disse som flydende ledninger, der indstiller den potentielle forskel mellem spidsen og kollektormenisken. Ændring af egenskaberne af den ydre væske, som dens viskositet eller strømningshastigheden, øger tilstandenes rigdom og egenskaber i forhold til det, der observeres i standard elektrospray22. For eksempel viser figur 11 , at pisketilstanden har en ordnet struktur under visse eksperimentelle betingelser17. Dette gør det muligt at undersøge dets geometriske egenskaber, hvilket typisk ikke er muligt i elektrospray.

Elektro-coflow-teknikken er i stand til at overvinde de fleste af de problemer, der gør andre elektrisk assisterede teknikker ustabile. Et af de problemer, der præsenteres i elektrisk assisterede teknikker, er, at de udsendte ladede dråber har tendens til at aflade overalt, hvor det elektriske potentiale er lavere end det, der påføres ved spidsen, før de når modelektroden. Dette er grunden til, at der foreslås 2 mm kapillærer til vores opsætning. Den hydrofobe behandling af den firkantede kapillær undgår, at dråber sidder fast på væggene, så de kan rejse uforstyrret, indtil de når væskeopsamleren, hvor de udleder. Brug af en flydende modelektrode (se figur 9) i stedet for de mere typiske metalliske elektroder eliminerer ladningsakkumulering og betydelige forvrængninger i det elektriske felt, som i sidste ende ville påvirke dråbeproduktionsprocessen og alvorligt påvirke emulsionsmonodispersiteten.

En vigtig praktisk detalje i forbindelse med fremstillingen af enhederne er den tid, det tager at bygge dem. I alle tilfælde tager processen et par timer (endnu mindre, hvis glasbehandlingen udføres på forhånd), men desværre har epoxyen brug for ca. 10 timer for at helbrede. Det anbefales derfor at vente til næste dag med at teste og bruge enhederne.

Et af de kritiske trin til fremstilling af disse tre enheder og sikring af reproducerbarhed er glasbehandlingen. Glas skal gøres hydrofobt eller hydrofilt afhængigt af de anvendte væsker. Undgå befugtning langs ydersiden af spidsen hjælper med at opnå steady-state produktion af dråber.

Et vigtigt spørgsmål for alle tre enheder vedrører, hvordan man pumper væskerne: om der skal anvendes en sprøjtepumpe (fast strømningshastighed) eller en trykdrevet opsætning (fast trykforskel). En sprøjtepumpe tillader strømningshastighedskontrol af væskerne. En ulempe for sprøjtepumperne er indførelsen af vibrationer i systemet, der kommer fra pumpemotorens trinstørrelse. For tryksystemet er ulempen væskernes ukendte strømningshastigheder. Kalibreringen af systemet er en mulighed, der måler volumenet af den opsamlede væske i en given tid for forskellige tryk. Nogle ulemper ved denne metode er, at slangens dimensioner skal forblive konstante, hver gang de ændres, og mætningen af filtrene i linjerne (hvis de anvendes) kan ændre kalibreringen. Et alternativ er at beregne strømningshastigheden for den indre væske ved at måle dråbeproduktionshastigheden; måling af størrelsen af de udsendte dråber under dryppetilstanden og dens emissionsfrekvens giver strømningshastigheden. For strømningshastigheden af den ydre væske kan volumenet af væske opsamlet i løbet af eksperimentet måles. En ulempe ved at gøre dette er, at disse strømningshastigheder er kendt efterfølgende, og ikke under udførelsen af eksperimenterne.

Der er mange anvendelser 38,39,40 af de teknologier, der præsenteres her inden for områder som kosmetik, fødevareindustri og lægemiddellevering blandt mange andre, som brugen af de resulterende emulsioner som skabeloner til geler, der anvendes i intensivt landbrug. En stigning i anvendelsen af mikrofluidiske teknologier er udviklingen af innovative fodringssystemer til gavnlige leddyr, der vil bidrage til at udvikle alternativt regenerativt landbrug. I dag står de globale fødevareproduktionssystemer over for udfordringen med at opfylde kravene til øget produktivitet og samtidig bevare deres miljømæssige og økonomiske bæredygtighed25. Frigivelsen af masseopdrættede naturlige fjender, rovdyr og parasitoider af skadedyr på afgrøder har vist sig at være et gennemførligt og ønsket alternativ til pesticidanvendelse ud fra et miljømæssigt og økonomisk perspektiv. Der er opnået store resultater i drivhuse, der introducerer polyfagiske rovdyr 13,27,34. Anvendelsen af supplerende fødevarer i afgrøder fremmer den tidlige og langsigtede etablering af disse rovdyr, når naturlige byttedyr er knappe 26,28,30, hvilket forbedrer deres modstandsdygtighed over for forskellige stressfaktorer. Dette betragtes som en værdifuld biologisk kontrolstøttende strategi, der vil optimere og udvide biokontrolprogrammer, både i beskyttede og åbne markafgrøder.

Bioproducenterne af disse rovdyr har hurtigt bevæget sig fra en håndværksmæssig til en professionel industri32, og den nylige anvendelse af avancerede analytiske teknikker med en holistisk tilgang vil give os mulighed for bedre at forstå rovdyrenes ernæringsmæssige behov36. Selv om pendling mellem forskellige fødekilder for nogle arter kan væregavnligt 31, er de fleste af de kostvaner, der i øjeblikket anvendes, stadig baseret på et enkelt faktisk bytte. Supplerende kunstig flydende kost bør overvejes for at sikre en afbalanceret kost. Flydende kostvaner skal indkapsles til deres præsentation. Denne strategi giver flere fordele såsom beskyttelse af de bioaktive ingredienser mod abiotiske faktorer i miljøet (fugt, temperatur, lys, luft osv.), Forebyggelse af oxidations- og fordampningstab, forbedring af stabiliteten og forøgelse af biotilgængeligheden, blandt andre29,33. Nogle patenter baseret på indkapslede kunstige kostvaner til fodringsformål af gavnlige entomophagous insekter er blevet rapporteret (US Patent Nos. 5.799.607 og 6.129.935), men den kommercielle opskalering af disse applikationer skal vokse parallelt med den fremkomne viden om ernæringsmæssige sammensætninger af fødevarer og rovdyrkrav sammen med mikrofluidiske teknologier justeret for disse betingelser for frigivelse af afgrøder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Vi er taknemmelige for ACS PRF (tilskud 60302-UR9), Agrobio S.L. (kontrakt #311325) og MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE (tilskudsnr. 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Basaran, O. A. Small-scale free surface flows with break-up: drop formation and emerging applications. American Institute of Chemical Engineers. 48 (9), 1842-1848 (2004).
  2. Squires, T. M., Quake, S. R. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Reviews of Modern Physics. 77 (3), 977-1026 (2005).
  3. Stone, H. A., Stroock, A. D., Adjari, A. Engineering Flows in Small Devices: Microfluidics Toward a Lab-on-a-Chip. Annual Review of Fluid Mechanics. 36 (1), 381-411 (2004).
  4. Gunther, A., Jensen, K. F. Multiphase microfluidics: from flow characteristics to chemical and materials synthesis. Lab on a Chip. 6, 1487-1503 (2006).
  5. Barrero, A., Loscertales, I. G. Micro- and Nanoparticles via Capillary Flows. Annual Review of Fluid Mechanics. 39, 89-106 (2007).
  6. Clift, R., Grace, J. R., Weber, M. E. Bubbles, Drops, and Particles. , Dover Pubs. USA. (2005).
  7. Othmer, K. Encyclopedia of Chemical Technology. 4th edition. 9, John Wiley and sons. (1994).
  8. Kentish, S., et al. The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 9 (2), 170-175 (2008).
  9. Kumar, A., Li, S., Cheng, C. M., Lee, D. Flow-induced phase inversion of emulsions in tapered microchannels. Lab on a Chip. 16 (21), 4173-4180 (2016).
  10. Atencia, J., Beebe, D. J. Controlled microfluidic interfaces. Nature. 437, 648-655 (2005).
  11. Garstecki, P., Fuerstman, M. J., Stone, H. A., Whitesides, G. M. Formation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junctions scaling and mechanism of break-up. Lab on a Chip. 6 (3), 437-446 (2006).
  12. Utada, A. S., et al. Monodisperse Double Emulsions Generated from a Microcapillary Device. Science. 308 (5721), 537-541 (2005).
  13. Gañan-Calvo, A. M. Generation of Steady Liquid Microthreads and Micron-Sized Monodisperse Sprays in Gas Streams. Physical Review Letters. 80 (2), 285-288 (1998).
  14. Shah, R. K., et al. Designer emulsions using microfluidics. Materials Today. 11 (4), 18-27 (2008).
  15. Taylor, G. I. Disintegration of water drops in an electric field. Proceedings of the Royal Society A, Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 280 (1382), (1964).
  16. Gundabala, V. R., Vilanova, N., Fernández-Nieves, A. Current-voltage characteristic of electrospray processes in microfluidics. Physical Review Letters. 105 (15), 154503 (2010).
  17. Guerrero, J., Rivero, J., Gundabala, V. R., Perez-Saborid, M., Fernández-Nieves, A. Whipping of electrified liquid jets. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (38), 13763-13767 (2014).
  18. Vilanova, N., Gundabala, V. R., Fernandez-Nieves, A. Drop size control in electro-coflow. Applied Physics Letters. 99 (2), 021910 (2011).
  19. Cloupeau, M., Prunet-Foch, B. Electrostatic spraying of liquids: Main functioning modes. Journal of Electrostatics. 25 (2), 165-184 (1990).
  20. Jaworek, A., Krupa, A. Main modes of electrohydrodynamic spraying of liquids. Third International Conference on Multiphase Flow ICMF. , (1998).
  21. Juraschek, R., Röllgen, F. W. Pulsation phenomena during electrospray ionization. International Journal of Mass Spectrometry. 177 (1), 1-15 (1998).
  22. Guerrero, J., et al. Emission modes in electro co-flow. Physics of Fluids. 31 (8), 082009 (2019).
  23. Utada, A. S., Fernández-Nieves, A., Stone, H. A., Weitz, D. A. Dripping to jetting transitions in coflowing liquid streams. Physical Review Letters. 99 (9), 094502 (2007).
  24. Castro-Hernández, E., Gundabala, V., Fernández-Nieves, A., Gordillo, J. M. Scaling the drop size in coflow experiments. New Journal of Physics. 11, 075021 (2009).
  25. Godfray, H. C. J., et al. Food Security: the challenge of feeding 9 billion people. Science. 327 (5967), New York, N.Y. 812-818 (2010).
  26. Labbé, R., Gagnier, D., Kostic, A., Shipp, L. The function of supplemental foods for improved crop establishment of generalist predators Orius insidiosus and Dicyphus hesperus. Scientific Reports. 8 (1), 17790 (2018).
  27. Pilkington, L. J., Messelink, G., van Lenteren, J. C., Le Mottee, K. 34;Protected Biological Control" - Biological pest management in the greenhouse industry. Biological Control. 52 (3), 216-220 (2010).
  28. Benson, C. M., Labbe, R. M. Exploring the Role of Supplemental Foods for Improved Greenhouse Biological Control. Annals of the Entomological Society of America. 114 (3), 302-321 (2021).
  29. Temiz, U., Öztürk, E. Encapsulation methods and use in animal nutrition. Selcuk Journal of Agricultural and Food Sciences. 32 (3), 624-631 (2018).
  30. Messelink, G. J., et al. Approaches to conserving natural enemy populations in greenhouse crops: current methods and future prospects. BioControl. 59, 377-393 (2014).
  31. Muñoz-Cárdenas, K., et al. Generalist red velvet mite predator (Balaustium sp.) performs better on a mixed diet. Experimental & Applied Acarology. 62 (1), 19-32 (2014).
  32. van Lenteren, J. C., Bolckmans, K., Köhl, J., Ravensberg, W. J., Urbaneja, A. Biological control using invertebrates and microorganisms: plenty of new opportunities. BioControl. 63, 39-59 (2018).
  33. Urbaneja-Bernat, P., Alonso, M., Tena, A., Bolckmans, K., Urbaneja, A. Sugar as nutritional supplement for the zoophytophagous predator Nesidiocoris tenuis. BioControl. 58 (1), 57-64 (2013).
  34. Vila, E., Cabello, T. Biosystems Engineering Applied to Greenhouse Pest Control. Biosystems Engineering: Biofactories for Food Production in the Century XXI. Guevara-Gonzalez, R., Torres-Pacheco, I. , Springer International Publishing. Switzerland, Cham. (2014).
  35. Riudavets, J., Moerman, E., Vila, E. Implementation of Integrated Pest and Disease Management in Greenhouses: From Research to the Consumer. Integrated Pest and Disease Management in Greenhouse Crops. Plant Pathology in the 21st Century. LodovicaGullino, M., Albajes, R. C., Nicot, P. , Springer International Publishing. Switzerland, Cham. (2020).
  36. Cohen, A. C. Insect diets: Science and technology. Second edition. , Taylor & Francis Group, CRC Press. (2015).
  37. Sullivan, M. T., Stone, H. A. The role of feedback in microfluidic flow-focusing devices. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. 366 (1873), 2131-2143 (2008).
  38. Shang, L., Cheng, Y., Zhao, Y. Emerging droplet microfluidics. Chemical Reviews. 117 (12), 7964-8040 (2017).
  39. Christopher, G. F., Anna, S. L. Microfluidic methods for generating continuous droplet streams. Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (19), 319 (2007).
  40. Nunes, J. K., Tsai, S. S., Wan, J., Stone, H. A. Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis. Journal of Physics D: Applied Physics. 46 (11), 114002 (2013).

Tags

Ingeniørarbejde udgave 182
Glasbaserede enheder til generering af dråber og emulsioner
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Guerrero, J., Rojo, J., de la Cotte, … More

Guerrero, J., Rojo, J., de la Cotte, A., Aguilera-Sáez, L. M., Vila, E., Fernandez-Nieves, A. Glass-Based Devices to Generate Drops and Emulsions. J. Vis. Exp. (182), e63376, doi:10.3791/63376 (2022).

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