Summary
ここでは、制御された滴サイズを有する高度に単分散エマルジョンを生成するために使用されるガラスベースのマイクロ流体デバイスを製造するためのプロトコルが提示される。
Abstract
この原稿では、ガラスベースのマイクロ流体を使用して高度に単分散のエマルジョン滴を生成するための3つの異なる段階的なプロトコルが説明されています。最初の装置は、重力によって駆動される単純な滴を生成するために構築されています。第2の装置は、コフロースキームでエマルジョン滴を生成するように設計されている。第3の装置は、電気グランドとして作用する第3の液体を添加したコフロー装置の延長であり、続いて排出される帯電滴の形成を可能にする。このセットアップでは、3つの液体のうち2つは、かなりの電気伝導率を有する。第3の液体はこれら2つの間を媒介し、誘電体である。2つの導電性液体間に印加される電圧差は、コフローする液体の流体力学的応力と結合する電界を生成し、ジェットおよびドロップ形成プロセスに影響を与えます。電界の追加は、単純なコフロー装置よりも小さな滴を生成し、広範囲のサイズの粒子および繊維を生成するための経路を提供する。
Introduction
ミクロンおよびナノスケールで狭いサイズ分布で制御された滴の生成は困難な作業です。これらの滴は、科学技術1,2,3,4,5,6における多くの用途を有する軟質材料の工学にとって興味深いものである。
滴の高い生成速度のための最も一般的な装置は、ミキサー7 および超音波乳化器8である。これらの方法は簡単で低コストですが、通常、幅広いサイズの多分散ドロップをもたらします。したがって、単分散サンプルを製造するには追加のステップが必要です。マイクロ流体デバイスは、落下形成の効率的な方法を提供するために、異なる方法で設計することができます。さらに、通常低流量(すなわち、低いレイノルズ数)により、流体の流れを大幅に制御できます。
マイクロ流体デバイスは、一般的にポリ(ジメチル)シロキサン(PDMS)を用いたリソグラフィ技術を使用して製造されるが、この原稿はガラスベースのキャピラリーデバイスに焦点を当てている。PDMSデバイスは、通常、複雑なチャネルパターンを設計する能力とスケーラビリティのために選択されます。それどころか、ガラスデバイスは剛性があり、PDMS対応物よりも優れた耐溶剤性を有する。さらに、ガラスは、その濡れ性を変更するように変更することができ、これにより、複雑なエマルジョンの生成を制御することができる。ノズルおよびチャネル壁を独立して処理することができるので、制御された再現性のある方法で滴の形成を可能にし、滴が壁9に触れた場合に得られたエマルジョンの安定性を保証する。さもなければ、滴は合体して壁に蓄積するかもしれません。これら2つのタイプのデバイスのもう1つの違いは、ガラスベースのデバイスでは流れが3次元であるのに対し、従来のPDMSデバイスでは平面的であることです。この事実は、接触線の影響を無視することができるようにチャネル壁とのドロップ接触を最小限に抑え、10、それによって複数のエマルジョンドロップの安定性を保護する。
図1:異なるマイクロ流体デバイス構成。 (A)T接合、(B)コフロー装置、および(C)フロー集束装置のスケッチ。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
使用される3つの主要な形状、すなわちT接合11、流れ集束12,13、およびコフロー14がある。T接合形状では、チャネルに含まれる分散位相は、連続相を収容するメインチャネルと垂直に交差する。連続相によって加えられる剪断応力は、入ってくる分散液体を壊し、その結果、落下する。生成された滴は、メインチャネル11の寸法によってより低いサイズに制限される。フローフォーカシングジオメトリでは、2つの流体は、注入チューブの前面にある小さなオリフィスを強制的に通過させます。その結果、噴射管12,13よりもはるかに小さいジェットの形成がもたらされる。最後に、コフロー幾何学は、2つの非混和性流体14の同軸流れによって特徴付けられる構成を有する。一般に、運転条件によっては滴下や噴出が観察できる。滴下レジームは低流速で発生し、結果として生じる液滴は非常に単分散であり、先端サイズに比例した直径を有する。欠点は、その低い生産頻度です。噴射レジームは、滴下レジームと比較してより高い流量で発生します。この場合、滴の直径はジェットの直径に正比例し、適切な条件下では先端の直径よりもはるかに小さくすることができます。
これらの流体力学的アプローチの代替案は、電気力の追加使用に依存している。エレクトロスプレーは、液滴を生成するためのよく知られ、広く使用されている技術です。これは、有限の電気伝導度を有する液体が強い電界の存在下で変形するという原理に基づいている。液体は、最終的に、電気応力と表面張力応力15との間のバランスから生じる円錐形状を採用するであろう。このプロセスは、電界が液体中に電流を誘導し、電荷を表面に蓄積させることから始まります。電界の存在は、これらの電荷に電気力をもたらし、液体を一緒に引きずり、メニスカスを電界の方向に伸ばす。異なる条件下では、メニスカスは、帯電した滴を流すか、または1つまたは複数のジェットを放出し、次いで滴15に壊れる可能性がある。これらの電気的に支援されたマイクロ流体法は、当然のことながら小さな滴の発生を可能にするが、それらはエマルジョンの単分散性を損なう定常状態動作の欠如に苦しむ。結果として生じる電荷降下は、閉じ込められた壁および/または電位が課せられた外部電圧よりも低いデバイス内の任意の場所で放電する傾向がある。したがって、帯電したメニスカスは不安定になり、最終的には混沌とした方法で滴を放出し、制御不能な生産と単分散性の喪失を引き起こします。
エレクトロコフローでは、電気的および流体力学的応力は、二重エマルジョン12を生成するために使用されるものと同様のコフローマイクロ流体装置16において結合される。2つの主な特徴により、エレクトロコフローは定常状態の放出レジームに到達するのに成功することができます:(i)分散相が別のコフローする粘性液体に放出され、(ii)液体対極またはグランドの使用。流れる外側の液体を有することは、ドロップエミッションプロセス17の幾何学的特性を変化させることが証明されている。液体対極は、得られた滴の放電および抽出を可能にし、滴の定常状態の発生を保証する。さらに、電気力学的力と流体力学的力のバランスを利用することによって、結果として生じる落下サイズは、前述の技術のいずれかによってカバーできるサイズよりも広い範囲内で潜在的に変化し得る。
この詳細なビデオプロトコルは、ガラスベースのマイクロ流体の使用と製造において新しい開業医を支援することを目的としています。
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Protocol
1.簡単な滴を作る
- 簡単な滴を作るには、顕微鏡スライド(76.2 mm x 25.4 mm)で作られたガラスベースを使用してデバイスを構築します。これにより、ガラスを通して液体を簡単に輸送および視覚化できます。
- 先端には丸いガラスの毛細血管を使用してください。このプロトコルでは、直径1mmの丸い毛細血管(幅広いサイズで容易に入手可能)を使用してください。
- 所望の直径の先端を作るには、非常に小さな先端(〜1μm)を有する2つの半分の毛細血管が得られるまで、マイクロピペット引抜機を用いて毛細血管を引っ張る。
- マイクロフォージを使用して、先端を所望の直径(2〜80μm)に切断する。より大きな直径(>80μm)の場合、マイクロフォージがこれらのサイズを切断しない場合は、セラミックタイルを使用してください。
注:目的の液体に応じて、液体が先端の外側に沿って登らないように、ガラスを処理する必要があります。
- 水性液体の場合は、先端の外側を疎水性にします。油性液体の場合、先端の外側が水と接触しているときは、先端の外側を親水性にします。ガラス処理については、ステップ 2.3 を参照してください。
- シリンジ針(20G)を使用して、液体をキャピラリーに導入しやすくします。カミソリの刃またはメスを使用して針の根元に、毛細血管の外径の大きさの穴を彫る。
- 針を水ですすぎ、ほこりや繊維を切断から取り除きます。それらを空気乾燥させる。
- 組み立てるには、速乾性エポキシを使用して丸いキャピラリーを顕微鏡スライドに接着します。キャピラリーの先端を顕微鏡スライドの端から1〜2cm外側に置きます。毛細血管の中心にエポキシを1つだけ使用してください。このようにして、視野や注射針に干渉することはありません。
- 毛細血管の端が針の中心に座るようにシリンジ針を接着する。まず、針の底のリムの周りに、ほとんど硬化したエポキシを少量入れます。毛細血管の端がその基部の中心になるように針を置く。
- 数分後、新鮮なエポキシの第2の層を入れ、針の根元を覆い、穴を避けます。最後に、エポキシが針の内部に流れ込むのを防ぐために、ほとんど硬化したエポキシで穴を覆います。硬化および硬化時間に関するエポキシメーカーのガイドラインに従ってください。
- チューブ(内径 x 外径 0.86 mm x 1.32 mm)を針に取り付けます。チューブを取り付ける前に清掃してください。シリンジを使用して脱イオン水を手動でフラッシュし、チューブを切断したときに生じた残留物を除去します。
注:チューブ材料は、実験で使用されている液体と互換性がある必要があります。チューブは、装置とポンプシステムを接続できる十分な長さでなければなりません。 - 装置をテストするために、針を通して脱イオン水をポンプで送り、漏れがあるかどうかを観察します。シリンジとそれに対応する針を使用して、手動で水を汲み上げます。漏れが見つかった場合は、デバイスを完全に乾かしてください。エポキシを塗布し、少なくとも1時間待ってから再度テストしてください。
- 滴を生成するには、クランプを使用して、キッチンの蛇口のように先端が下を向くようにデバイスを垂直位置に置きます。シリンジポンプまたは圧力駆動セットアップを使用して、液体を装置に送り込みます。
- ビーカーまたはバイアルの内側に先端を適量の界面活性剤を含む液体を入れて滴を集める。例えば、内液としての10cStシリコーンオイルの場合、水中で16mMドデシル硫酸ナトリウム(SDS)の連続相を使用する。
- 水中の油滴の場合、滴の安定性を高めるために、エマルジョンを作る前に収集浴の上に粘性油の層を加える。油中の水滴の場合、油中の非イオン性界面活性剤を使用して滴を安定化させる。
図2:刻まれた針。 丸い毛細血管に合うように基部に穴があいた針。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:単純なドロップを生成するための装置。 単純な滴を発生させる装置の概略図。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 4: 簡単な滴を集める 。(A) ビーカーで滴を集める方法のスケッチ。(B)10cStシリコーンオイルドロップを16mM SDS水溶液に集め、580μmチップで製造したビーカーの上面図。±(C)10cStシリコーンオイルドロップを16mM SDS水溶液中に回収し、86μmの先端で製造したビーカーの上面図。ドロップサイズは(1.75 ± 0.04)mmです この図の拡大版を見るにはここをクリックしてください。
2. コフロースキームを使用したエマルジョンドロップの作成
メモ: デバイスは、手順 1 で説明したデバイスと同様に構築されています。
- 顕微鏡スライド(76.2 mm x 25.4 mm)で作られたガラスベース上にデバイスを構築します。これにより、ガラスを通して液体を簡単に輸送および視覚化できます。
- 長さ約5cmの外液(エマルジョンの連続相)には、正方形の断面(正方形のキャピラリー)を有するキャピラリーを使用する。このプロトコルでは、直径1mmの丸い毛細血管(幅広いサイズで容易に入手可能)を使用してください。
- ガラス処理の場合、選択された内液(分散相)に応じて、正方形の毛細血管の内側を疎水性または親水性にする。この治療は、滴がガラスに詰まり、新しい滴の形成を妨げるのを避けるのに役立ちます。
- ガラスを疎水性にするために、超音波浴中のアセトンを含むバイアルに10〜15分間入れて毛細血管をきれいにする。アセトンまたはエタノール(決して水ではない)ですすいでください。それらを乾燥させる。
- 10mLのトルエン(またはヘキサン)+20μLのトリメトキシ(オクチル)シラン溶液を含む清潔で乾燥した(絶乾性)バイアルを調製する。毛細血管を溶液中に2時間保持する。溶液に使用したのと同じ溶媒で毛細血管をすすいでください。
- アセトンでもう一度すすいでください。空気で乾燥させる。オーブンで約70°Cで30分間焼きます。
注:このプロセスは、デバイスヒントを壊さずに実装することは困難です。 - デバイスの先端を処理するには、トルエンとトリメトキシ(オクチル)シラン溶液の溶液に数秒間浸漬します。余分な溶液をすべて取り除きます。風乾させます。
- ガラスを親水性にするために、疎水性の場合と同じステップ(2.3.1-2.3.4)を繰り返すが、アセトン10mL+20μLの2-[メトキシ(ポリエチレンオキシ)6-9プロピル]トリメトキシシランの溶液で。
- 先端には丸いガラスの毛細血管を使用してください。キャピラリの外径を正方形のキャピラリの内寸に合わせます。これにより、両方の毛細血管が同軸に整列することが保証されます。丸い毛細血管の長さが四角い毛細血管より数センチメートル長くなっていることを確認してください。
- 分散した液体に応じて、液体が先端の外側に沿って登らないように、ガラスを処理します。
- 速乾性エポキシを使用して四角いキャピラリーを顕微鏡スライドに接着して組み立てます。キャピラリーの先端を顕微鏡スライドの端部の外側に1〜2cm置く( 図6A参照)。
- 毛細血管の中心にエポキシのダブを使用して、視野やシリンジ針に干渉しないようにします。それが完全に治るまで待ってください。速乾性エポキシであっても、製造業者は材料が完全に硬化するために24時間を推奨していることに注意してください。
- 四角い毛細血管の端から端が数センチメートル外側にとどまるように、丸い毛細血管を四角い毛細血管に導入します。
- もう一方の端(顕微鏡スライドの外側)を四角いキャピラリーの内側に、四角いキャピラリーの端とほぼ一致する距離に置きます( 図6B参照)。
- 毛細血管の端と正方形の毛細血管の始まりとの間の中間距離でエポキシのダブを使用して毛細血管を接着する。それが完全に治るまで待ってください。
- 液体の導入に必要な2本の針に以下の変更を加える。
- 針の付け根に毛細血管を収容するには、毛細血管の外径の大きさである丸いキャップの基部に穴を開ける( 図2参照)。もう一方の針を四角い毛細血管の端に合わせるために、針の付け根に丸い穴と四角い穴をあけて、ジョイントを収容します。
- 円形と正方形の毛細血管を針の内側に嵌め込むことができるように、両方の穴が揃っていることを確認します。針を水ですすぎ、ほこりや繊維を切断から取り除きます。それらを空気乾燥させる。針を接着し、1.5.2で既に説明したプロトコルに従います( 図6C参照)。
- チューブ(直径と互換性のある材料を確認してください)を各針に接続します。チューブを切断した後、チューブをすすぎ、破片や繊維が取り除かれるようにします。手動で、シリンジと針を使用して水を汲み上げます。以下で説明するように、デバイスのリークをテストします。
- チューブを曲げ、バインダークリップを使用して、流体の流れから効果的に閉じることによって、針の1つを閉じます。もう一方の針を通して脱イオン水をポンプで送ります。漏れが観察されない場合は、もう一方の針をポンプで送ります。
- 漏れが見つかった場合は、デバイスを完全に乾燥させ、エポキシを塗布し、少なくとも1時間待ってから再度テストしてください。
- 液滴を生成するには、ステップ1.8で説明したように、シリンジポンプを使用して流量を固定するか、加圧キャニスターを使用して圧力を固定するかの2つの方法のいずれかを使用して液体を駆動します。
図5:疎水化処理の効果(A)および(C)内部に液体を含まない毛細血管。赤い線は毛細血管の端部を示す。(b)未処理の毛細血管。液体は、赤い線の上に登った毛細血管を濡らしています。(d)毛細血管を水で処理する。この場合、水は毛細血管を濡らさない。液体は赤い線の下に留まります。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:コフロー装置。 (A)四角いキャピラリーを顕微鏡スライドの上に置きます。(B)丸い毛細血管を四角い毛細血管の内側に置きます。(C)シリンジ針を備えた完全な装置。(D)装置全体の写真。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
3. エレクトロコフロー装置の製作
- マイクロ流体装置を構築するには、顕微鏡スライド(76.2 mm x 25.4 mm)で作られたガラスベースを使用します。長さが長すぎて単一の標準顕微鏡スライドに収まらないため、1 1/2または2つの顕微鏡スライドを使用してください。
- スライドの 2 つの小さな部分 (約 1 cm) を切り取って、スライドを一緒に保ち ます (図 7A を参照)。エポキシを使用してガラスを接着します。それが治るまで待ってください。
- 2つの毛細血管を同軸に整列させる。直径の異なる 2 つの丸い毛細血管を整列させる余分なコストを回避するには、内側が丸い毛細血管の外径と一致する正方形の毛細血管を使用します。エレクトロコフロー実験では、2mmのサイドキャピラリーを使用します。
注:2mm側のキャピラリーは、先端と地面の距離が正方形のキャピラリーの先端と壁の間の距離よりも小さい(または類似の)ため、エレクトロコフロー実験をより適切に機能させます。1mm側のキャピラリーを使用した場合、キャピラリー壁が地面よりも近く、液体がそこに排出される傾向が多く、再現性のない結果につながります。- ダイヤモンドスクライブまたはその他の使用可能なツールを使用して、正方形の毛細血管を約4cmの長さに切断します。水ですすぎ、ガラスの粒子を取り除きます。風乾させます。分散相が水性液体の場合は疎水性にし、それ以外の場合は親水性にします。
- ピペット牽引機で丸い毛細血管を引っ張り、小さな先端を持つ2つの半分の毛細血管を取得します。
- マイクロフォージを使用して、半毛細血管の1つの先端を所望の直径(20〜80μm)に切断する。より大きな直径のために、あなたはセラミックタイルを使うかもしれません。油エマルジョン中の水の場合は、先端の外側を疎水性にします。
- 残りの半分のキャピラリーをコレクタキャピラリーとして使用します。これを行うには、元の平らな端が回復するように、引っ張った先端を切り取ります。
- 2つの丸い毛細血管を約4〜5cmの長さに切ります(スライドよりも短くしてください)。切断プロセス中に発生した残留物を除去するためにそれらを洗浄します。シリンジを使用して脱イオン水でそれらを洗い流す。それらを空気乾燥させます。
- 四角いキャピラリーをスライドに接着します( 図7B参照)。スライドを基準にして中央揃えにしないでください。スライドのジョイントは表示領域にしないでください。両端にほぼ硬化したエポキシのダブ(広がりを防ぐために)を置きます。
- 先端とコレクター毛細血管を四角い毛細血管の内側に置きます。両端(コレクターの先端と一端)を同じスライドの上に置き、スライド間の接合部を避けます( 図7C参照)。先端とコレクタの間の距離は約2mmです。顕微鏡を使用してこの距離を測定します。
注:この距離は、液体をポンプで汲み上げるために使用している技術によって異なります。最終目標は、先端と液体対極との間に約1mmの距離を有することである。 - 毛細血管が適切な距離になったら、エポキシのダブを使用してスライドに接着します。顕微鏡での可視化を困難にするため、関心領域をエポキシで覆わないように注意してください。
- 毛細血管の開放端への接続を作製するには、これらの端部を覆う針を配置する。デバイスごとに4本の針が必要です。
- カミソリの刃またはメスを使用して、針の根元を毛細血管に収まるように切断します。丸い毛細血管の端に針を合わせるために、針の根元に丸い穴を開けます。
- 四角い毛細血管の端に収まるように、この関節を収容するために針の根元に丸い穴と四角い穴を開けます。円形および正方形の毛細血管が針の内側に嵌め込まれるように、両方の穴が揃っていることを確認してください。
- 針を水ですすぎ、ほこりや繊維を切断から取り除きます。それらを空気乾燥させます。
- 針を接着します。1.5.2 の手順に従ってください。デバイスの漏れをテストする前に、エポキシを一晩硬化させます。
- デバイスのリークをテストするには、次の手順に従います。
- バインダークリップで保持された曲がったチューブ片を使用して、2本の針を閉じます。脱イオン水を針の1つに通し、最後の針を出口として使用します。シリンジとそれに対応する針を使用して、手動で水を装置に送り込みます。
- 漏れが観察されない場合は、次の針を通します。水が4本の針すべてを通過するまでこのプロセスを繰り返します。漏れが見つかった場合は、デバイスを完全に乾燥させ、エポキシを塗布し、少なくとも1時間待ってから再度テストしてください。
- 後述するように装置を充填し、気泡がシステムに望ましくない振動を導入する可能性があるため、気泡を除去します。気泡を除去するには、脱イオン水を入れた2つの半充填シリンジを使用してください。シリンジを押したり引いたりして、針や毛細血管の内部に閉じ込められた空気を装置から引き出します。
- 実験に使用する液体を入れた注射器を用意する。上記のようにシリンジから気泡を取り除きます。チューブをシリンジ針に接続し、すべての空気を除去する液体で満たします。
- チューブをデバイスに接続するには、テストに使用したチューブをデバイスの針の1つから取り外し、接続されたウォーターシリンジの1つを使用して水をポンプで送り、針が水を滴下するようにします。
- 同時に、チューブに目的の液体を滴下させます。両端が垂れ下がっているので、接続しても空気は入らない。他の2つのシリンジでこのプロセスを繰り返すので、装置内の唯一の自由な針は出口です。
- 内側の液体(分散相)シリンジを針1に、外側の液体(連続相)を針2に、集電液(対極)を針4に接続する。針3は出口である( 図8参照)。
- 内部およびコレクタ液体( 図8のニードル1および4)に給電する針に接続し、先端とコレクタ液体との間の電位差を設定する。
メモ:針は金属質であり、これらの導電性液体と接触するため、先端とコレクタメニスカスの電位差を設定する液体ワイヤとして機能します。上記のデバイス寸法の場合、電位差は0~2.5kVの範囲です。 - 実験装置に応じて、2つの可能な方法のいずれかを使用して液体をポンプで送ります:液体の流量を固定する高圧シリンジポンプを使用するか、液体の圧力を固定する圧力キャニスターを使用します。
- これらの方法のいずれかを選択したら、外側と内側の流量を所望の値に固定し、液体コレクタの流量(または圧力)を調整して、距離Lを一定に保ちます( 図9参照)。
図7:エレクトロコフロー装置上に毛細血管を段階的に配置する方法。 (A)2つの顕微鏡スライドを接合する装置用のガラスベースを構築する方法。着色された部分は、接着された後、2つの顕微鏡スライドを一緒に保持するガラスの切断片です。(B)2つの組み立てられた顕微鏡スライド上の正方形のキャピラリーの最適な位置。(C)エレクトロコフロー実験のための丸い毛細血管の位置決め。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図8:エレクトロコフロー装置(A)エレクトロコフロー装置の写真。(B)エレクトロコフロー装置のスケッチ。数字は、(1)内側の液体、(2)外側の液体、(3)デバイスの出口、および(4)液体コレクタ/グランドの入力を示します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図9:エレクトロコフロー実験中の先端と液体対極の画像。 チップ コレクター間の距離 L がマークされます。スケールバーは100μmに相当する。顕微鏡の倍率は 4 倍です。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
4. クリーニング手順
- 毛細血管と顕微鏡スライドをアセトンに入れて、ほこりや油をすべて取り除きます。油の粒子やほこりがミクロンサイズの先端を詰まらせる可能性があります。製造中の各ステップの後に、4倍から20倍の倍率顕微鏡でチップのサイズが10〜100μmの間で目詰まりがないか確認してください。
- 使用前にチューブを通して脱イオン水をポンプで汲み上げてください。シリンジと針を使用し、手動で水をポンプで汲み上げて、望ましくない粒子がチューブの内側から装置内に移動し、先端を詰まらせるのを防ぎます。
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Representative Results
この原稿では、3つの異なる装置が滴を生成するように設計されています。ステップ1で説明したデバイスを使用して、(3.29 ± 0.08) mm(図4B)および(1.75 ± 0.04)mm(図4C)のサイズのドロップを生成しました。エマルジョン滴は、コフローおよびエレクトロコフロー装置を使用して生成することができる。後者の場合、図 9に滴下を示し、コーンジェットモードとホイップモードを 図10 と 図11にそれぞれ示します。 図9 にインナー液及びコレクタ液と同じ液体を用いた結果を示す。実験の目的がこれらの滴を集めることである場合、異なる導電性液体をコレクターとして使用する必要があり(詳細については18 を参照)、そうでなければ、滴は接触するとコレクターと合流する。
コーンジェットモードとホイップモードは、複数の実用的なアプリケーションで最も研究されています。それらは、エレクトロコフロー19、20、21、22に現れる他の多くのモードのうちの2つです。実験パラメータ(流量と印加電圧)の効果のより系統的なレビューについては、ディスカッションのセクションと22を参照してください。これらのモードは、原稿に記載されているデバイスで生成されると、時間的に安定しています。これらのモードの安定性により、顕微鏡による高速イメージングおよび関連する画像処理を使用して特性評価を行うことができます。
図10:コーンジェットモード インナーおよびコレクター液体:エチレングリコール;外側の液体:0.65 cStシリコーンオイル;内部流量は16μL/hです。外側の流量は30mL / hです。印加電圧は750Vです。スケールバーは100μmに相当する。顕微鏡の倍率は 20 倍です。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図11:ホイップモード インナーおよびコレクター液体:エチレングリコール;外側の液体: 10 cStのシリコーンオイル;内部流量は240μL/hです。外側の流量は20mL / hです。印加電圧は1200Vです。スケールバーは100μmに相当する。顕微鏡の倍率は 20 倍です。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
3つの異なるガラスベースのデバイスを作製するためのプロトコルは、上記で説明されている。単純な液滴を生成する装置の場合、流量および液体特性は、制御された方法で滴を生成するために極めて重要である。滴は、滴下体制の先端、または噴射体制におけるジェットの終わりに形成される。滴下から噴出への移行は、無次元のウェーバー数We23によってパラメータ化されます。この数値は慣性力と表面張力の比を表し、 
ここでρは液体の密度、γ は界面張力、Qは流量、dは先端 の直径である。私たちが1<とき、滴り落ちが起こります。We > 1では、慣性力が先端の落下を保持する表面張力に打ち勝ち、ジェットが形成されます。最終的に、ジェット機はレイリー・プラトーの不安定性のために落下に壊れるでしょう。したがって、固定液体および実験セットアップの場合、流量は滴下から噴射への移行を制御するパラメータです。滴下レジームは、ほぼ単分散の滴を生じるという特徴があるため、滴の発生には望ましいが、噴射レジームで滴が発生すると生産頻度が高くなる。
コフロー装置では、正方形と円形のキャピラリーを使用して、2つの流体を簡単かつ手頃な価格で同軸に流します。先端のサイズは、正方形の毛細血管のサイズよりもはるかに小さいことに注意してください。コフローの動作は、ステップ 1 で説明した実験で観察されたものよりも豊富です。コフローでの滴下と噴出に関する詳細な議論は、23で見つけることができます。ドロップサイズ制御の詳細については、24を参照してください。
コフロースキームに3番目の液体を追加すると、エレクトロコフローと呼ばれるものになります。インナー液や集光液に使用される針の金属部分に電源を接続することで、その間の領域に電界を作り出すことができます。針は導電性液体(内部およびコレクタ液体)と接触しているため、これらは先端とコレクタメニスカスとの間の電位差を設定する液体ワイヤとして機能します。外側の流体の特性を、その粘度または流量のように変化させることは、標準的なエレクトロスプレー22で観察されるものに対して、モードの豊かさおよび特徴を増加させる。例えば、 図11 は、ホイップモードが特定の実験条件17の下で秩序構造を有することを示す。これにより、エレクトロスプレーでは典型的に不可能であるその幾何学的特性の研究が可能になる。
エレクトロコフロー技術は、他の電気アシスト技術を不安定にする問題のほとんどを克服することができます。電気アシスト技術で提示される問題の1つは、放出された電荷降下が、電位が対極に到達する前に先端に印加された電位よりも低い場所であればどこでも放電する傾向があることである。これが、2 mmの毛細血管が私たちのセットアップに提案されている理由です。正方形の毛細血管の疎水性処理は、滴が壁に引っかかるのを防ぎ、液体コレクターに到達するまで動揺することなく移動し、そこで排出する。より典型的な金属電極の代わりに液体対極( 図9参照)を使用すると、電荷蓄積と電界の著しい歪みを排除し、最終的に液滴生成プロセスに影響を与え、エマルジョンの単分散度に深刻な影響を与えます。
デバイスの製造に関連する重要な実用的な詳細は、デバイスを構築するのにかかる時間です。いずれの場合も、このプロセスには数時間かかりますが(ガラス処理を事前に行えばさらに少なくなります)、残念ながら、エポキシは硬化するのに約10時間かかります。したがって、デバイスをテストして使用するには、翌日まで待つことをお勧めします。
これら3つのデバイスの製造と再現性を確保するための重要なステップの1つは、ガラス処理です。ガラスは、使用する液体に応じて疎水性または親水性にする必要があります。先端の外側に沿った濡れを避けることは、滴の定常状態の生産を達成するのに役立ちます。
3つの装置すべてにとって重要な質問は、液体をポンプで汲み上げる方法に関連しています:シリンジポンプ(固定流量)または圧力駆動セットアップ(固定圧力差)を使用するかどうか。シリンジポンプは、液体の流量制御を可能にします。シリンジポンプの欠点は、ポンプモータのステップサイズに起因するシステム内の振動の導入である。圧力システムの場合、欠点は液体の未知の流量である。システムの校正はオプションであり、異なる圧力に対して一定時間、収集された液体の体積を測定します。この方法の不便さは、チューブの寸法が変更されるたびに一定に保たれるべきであり、ライン内のフィルタの飽和(使用されている場合)によって較正が変更される可能性があることです。別の方法として、滴生成速度を測定することによって内部液体の流量を計算することが挙げられる。滴下モード中に放出される滴のサイズとその放射周波数を測定すると、流量が得られます。外側の液体の流量については、実験中に採取した液体の体積を測定することができる。これを行うことの不便さは、これらの流量が実験の実行中ではなく、事後的に知られていることです。
化粧品、食品産業、ドラッグデリバリーなどの分野でここに提示された技術の多くの用途38,39,40は、集約農業に適用されるゲルのテンプレートとして得られたエマルジョンの使用など、他の多くのものの中であります。マイクロ流体関連技術の急増は、代替再生農業の開発に貢献する有益な節足動物のための革新的な給餌システムの開発である。今日、世界の食糧生産システムは、環境的および経済的持続可能性を維持しながら生産性の向上に対する要求を満たすという課題に直面しています25。大量飼育された天敵、捕食者、および害虫の寄生生物の作物への放出は、環境的および経済的観点から農薬使用の実現可能かつ望ましい代替手段であることが示されている。多食性捕食者を導入した温室で大きな成果が得られている 13,27,34.作物への補助食品の適用は、天然の獲物が26,28,30個乏しいときにこれらの捕食者の早期かつ長期的な確立を促進し、異なるストレッサーに対する回復力を改善する。これは、保護作物と野外作物の両方でバイオコントロールプログラムを最適化および拡大する貴重な生物学的防除支援戦略と考えられています。
これらの捕食者のバイオ生産者は、職人から専門産業に急速に移行しており32、全体的なアプローチによる高度な分析技術の最近の適用により、捕食者の栄養要件をよりよく理解することができます36。いくつかの種にとって、異なる食料源間の通勤は有益であり得る31が、現在使用されている食事のほとんどは、依然として単一の事実に基づく獲物に基づいている。補完的な人工流動食は、バランスの取れた食事を確保するために考慮されるべきである。流動食は、プレゼンテーションのためにカプセル化する必要があります。この戦略は、環境の非生物的要因(水分、温度、光、空気など)からの生物活性成分の保護、酸化および蒸発損失の防止、安定性の改善、およびバイオアベイラビリティの増加など、いくつかの利点を提供する29,33。有益な昆虫食性昆虫の摂食目的のためのカプセル化された人工食に基づくいくつかの特許が報告されているが(米国特許第5,799,607号および6,129,935号)、これらの用途の商業的スケールアップは、食品の栄養組成物および捕食者要件に関する出現した知識と並行して、これらの作物内野放散条件のために調整されたマイクロ流体技術と共に成長する必要がある。
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Disclosures
著者らは開示するものは何もありません。
Acknowledgments
ACS PRF(助成金60302-UR9)、アグロビオS.L.(契約番号311325)、MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER、UE(助成金番号。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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