Summary
여기서, 제어된 방울 크기를 갖는 고도로 단분산 에멀젼을 생성하기 위해 사용되는 유리 기반 미세유체 장치를 제조하기 위한 프로토콜이 제시된다.
Abstract
이 원고에서는 유리 기반 미세 유체학을 사용하여 고도로 단분산 된 에멀젼 방울을 생성하기위한 세 가지 단계별 프로토콜이 설명되어 있습니다. 첫 번째 장치는 중력에 의해 구동되는 간단한 방울의 생성을 위해 제작되었습니다. 두 번째 장치는 동시 흐름 방식으로 에멀젼 방울을 생성하도록 설계되었습니다. 세 번째 장치는 전기 접지 역할을하는 세 번째 액체를 첨가하여 연속적으로 배출되는 전기 방울을 형성 할 수있는 동시 연결 장치의 확장입니다. 이 설정에서 세 액체 중 두 개는 상당한 전기 전도성을 가지고 있습니다. 세 번째 액체는이 두 가지 사이를 매개하며 유전체입니다. 두 전도성 액체 사이에 가해지는 전압 차이는 흐르는 액체의 유체역학적 응력과 결합되는 전기장을 생성하여 제트 및 드롭 형성 공정에 영향을 미칩니다. 전기장의 추가는 단순한 코플로우 장치에서보다 작은 방울을 생성하고 광범위한 크기의 입자 및 섬유를 생성하는 경로를 제공합니다.
Introduction
좁은 크기 분포를 가진 미크론과 나노 스케일의 방울 생성을 제어하는 것은 어려운 작업입니다. 이 방울은 과학 기술 1,2,3,4,5,6에 많은 응용 프로그램을 가진 부드러운 재료의 엔지니어링에 관심이 있습니다.
방울의 높은 생산 속도를위한 가장 일반적인 장치는 믹서7 및 초음파 유화기8입니다. 이러한 방법은 간단하고 비용이 저렴하지만 일반적으로 다양한 크기의 다분산 방울을 초래합니다. 따라서 단분산 샘플을 생산하려면 추가 단계가 필요합니다. 미세유체 장치는 낙하 형성을 위한 효율적인 방법을 제공하기 위해 다르게 설계될 수 있다. 추가적으로, 관련된 보통 낮은 유량(즉, 낮은 레이놀즈 수)은 유체 유동에 대한 큰 제어를 허용한다.
미세 유체 장치는 일반적으로 폴리 (디메틸) 실록산 (PDMS)을 사용한 리소그래피 기술을 사용하여 제조되지만,이 원고는 유리 기반 모세관 장치에 중점을 둡니다. PDMS 장치는 일반적으로 복잡한 채널 패턴을 설계할 수 있는 능력과 확장성 때문에 선택됩니다. 반대로 유리 장치는 단단하며 PDMS 장치보다 용매 저항성이 큽니다. 또한, 유리는 복잡한 에멀젼의 생성을 제어 할 수있는 젖음성을 변경하도록 변형 될 수 있습니다. 노즐 및 채널 벽을 독립적으로 처리 할 수 있다는 것은 제어되고 재현 가능한 방식으로 방울의 형성을 가능하게하는 한편, 방울이 벽에 닿을 경우 결과 에멀젼의 안정성을 보장합니다9; 그렇지 않으면 방울이 합쳐져 벽에 축적 될 수 있습니다. 이 두 가지 유형의 장치 간의 또 다른 차이점은 유리 기반 장치에서는 흐름이 입체적이지만 기존 PDMS 장치에서는 평면적이라는 것입니다. 이러한 사실은 접촉 라인의 영향을 무시할 수 있도록 채널 벽과의 낙하 접촉을 최소화하여(10), 다수의 에멀젼 방울의 안정성을 보호한다.
그림 1: 다양한 미세유체 장치 구성. (A) T-접합부, (B) 동시 연결 장치, 및 (C) 흐름 집속 장치의 스케치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
사용되는 세 가지 주요 형상, 즉 T-접합 11, 흐름 초점12,13 및 코플로우14가 사용됩니다. T-접합 지오메트리에서, 채널에 포함된 분산상은 연속상을 수용하는 메인 채널과 수직으로 교차한다. 연속상에 의해 가해지는 전단 응력은 유입되는 분산된 액체를 파괴하여 방울을 발생시킨다. 생성된 방울들은 메인 채널(11)의 치수에 의해 더 낮은 크기로 제한된다. 흐름 초점 지오메트리에서 두 유체는 주입 튜브 앞쪽에있는 작은 오리피스를 통해 강제됩니다. 결과는 주입 튜브(12,13)보다 훨씬 작은 제트의 형성이다. 마지막으로, 코플로우 지오메트리는 두 개의 비혼화성 유체(14)의 동축 유동을 특징으로 하는 구성을 갖는다. 일반적으로, 점적 및 분사는 작동 조건에 따라 관찰될 수 있다. 물방울 정권은 낮은 유속에서 발생하며 결과 물방울은 매우 단분산되어 있으며 팁 크기에 비례하는 직경을 갖습니다. 단점은 낮은 생산 주파수입니다. 분사 정권은 물방울 정권에 비해 더 높은 유속으로 발생합니다. 이 경우, 낙하 직경은 제트의 직경에 직접적으로 비례하며, 이는 적절한 조건 하에서 팁의 직경보다 훨씬 작을 수 있다.
이러한 유체 역학적 접근법에 대한 대안은 전기력의 추가 사용에 의존합니다. 전기 스프레이는 물방울을 생성하는 데 잘 알려져 있고 널리 사용되는 기술입니다. 그것은 유한 전기 전도성을 가진 액체가 강한 전기장이있는 상태에서 변형된다는 원칙에 근거합니다. 액체는 결국 전기 장력 응력(15)과 표면 장력 사이의 균형으로부터 기인하는 원뿔형 형상을 채택할 것이다. 이 과정은 액체에 전류를 유도하여 표면에 전하가 축적되는 전기장으로 시작됩니다. 전기장의 존재는 이러한 전하에 전기력을 발생시켜 액체를 끌어 당겨 메니스커스를 필드 방향으로 길게합니다. 상이한 조건하에서, 메니스커스는 충전된 방울을 흘릴 수 있거나, 하나 또는 여러 개의 제트기를 방출할 수 있고, 그 후 방울(15)로 침입할 수 있다. 이러한 전기적으로 보조되는 미세 유체 방법은 자연적으로 작은 방울의 생성을 허용하지만, 유제 단분산도를 손상시키는 정상 상태 작동의 부족으로 고통받습니다. 결과적으로 충전 된 강하량은 제한된 벽 및 / 또는 전기 전위가 부과 된 외부 전압보다 낮은 장치의 어느 곳에서나 방전되는 경향이 있습니다. 따라서, 전기화 된 메니스커스는 불안정 해지고, 궁극적으로 혼란스러운 방식으로 방울을 방출하고 통제되지 않은 생산과 단분산의 손실을 초래합니다.
전기 코플로우에서, 전기 및 유체역학적 응력은 이중 에멀젼(12)을 생성하는데 사용되는 것과 유사한 코플로우 미세유체 장치(16)에 결합된다. 두 가지 주요 특징은 전기 코플로우가 정상 상태 방출 체제에 도달하는 데 성공할 수 있게 한다: (i) 분산된 상은 다른 유동적인 점성 액체로 분출되고, (ii) 액체 상대전극 또는 접지의 사용. 유동하는 외부 액체를 갖는 것은 낙하 방출 공정(17)의 기하학적 특성을 변화시키는 것으로 입증되었다. 액체 상대 전극은 결과 방울의 방전 및 추출을 허용하여 방울의 정상 상태 생성을 보장합니다. 또한, 전기적 힘과 유체역학적 힘의 균형을 이용함으로써, 결과적인 낙하 크기는 잠재적으로 앞서 언급한 기술들 중 어느 것에 의해 커버될 수 있는 크기보다 더 넓은 범위 내에서 변할 수 있다.
이 상세한 비디오 프로토콜은 유리 기반 미세 유체 공학의 사용 및 제조에 새로운 실무자를 돕기위한 것입니다.
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Protocol
1. 간단한 방울 만들기
- 간단한 방울을 만들려면 현미경 슬라이드 (76.2mm x 25.4mm)로 만든 유리베이스를 사용하여 장치를 제작하십시오. 이를 통해 유리를 통해 액체를 쉽게 운반하고 시각화 할 수 있습니다.
- 팁에 둥근 유리 모세관을 사용하십시오. 이 프로토콜의 경우 직경 1mm 원형 모세혈관(다양한 크기로 쉽게 사용 가능)을 사용합니다.
- 원하는 직경의 팁을 만들기 위해, 매우 작은 팁(~1 μm)을 갖는 두 개의 반 모세혈관이 얻어질 때까지 마이크로피펫 당김 기계를 사용하여 모세관을 당긴다.
- 마이크로 단조를 사용하여 팁을 원하는 직경 (2-80 μm)으로 자릅니다. 더 큰 직경 (> 80 μm)의 경우 마이크로 포지가 이러한 크기를 자르지 않으면 세라믹 타일을 사용하십시오.
참고 : 원하는 액체에 따라 액체가 팁 바깥쪽을 따라 올라가지 않도록 유리를 처리해야합니다.
- 수성 액체의 경우 팁 소수성의 외부를 만드십시오. 유성 액체의 경우, 팁의 외부가 물과 접촉 할 때 팁의 외부를 친수성으로 만드십시오. 유리 처리에 대해서는 단계 2.3을 참조한다.
- 모세관 내로 액체를 도입하는 것을 용이하게 하기 위해 주사기 바늘(20 G)을 사용한다. 면도날이나 메스를 사용하여 바늘 바닥에 모세관의 외경 크기의 구멍을 조각하십시오.
- 바늘을 물로 헹구어 절단에서 먼지와 섬유를 제거하십시오. 공기 건조.
- 조립하려면 빠른 건조 에폭시를 사용하여 둥근 모세관을 현미경 슬라이드에 붙입니다. 모세관의 끝을 현미경 슬라이드의 끝 바깥쪽에 1-2cm 놓습니다. 모세관의 중앙에 에폭시 한 덩어리 만 사용하십시오. 이런 식으로, 그것은 시야 또는 주사기 바늘을 방해하지 않습니다.
- 모세관의 끝이 바늘의 중앙에 앉을 수 있도록 주사기 바늘을 붙입니다. 먼저, 바늘 바닥의 테두리 주위에 소량의 거의 경화 된 에폭시를 넣으십시오. 모세관의 끝이 바닥의 중앙에 오도록 바늘을 놓습니다.
- 몇 분 후, 신선한 에폭시의 두 번째 층을 넣고 바늘 바닥을 덮고 구멍을 피하십시오. 마지막으로, 에폭시가 바늘 내부로 흐르는 것을 방지하기 위해 거의 경화 된 에폭시로 구멍을 덮으십시오. 경화 및 경화 시간에 대한 에폭시 제조업체의 지침을 따르십시오.
- 튜브 조각(I.D. x O.D. 0.86mm x 1.32mm)을 바늘에 부착합니다. 튜브를 부착하기 전에 청소하십시오. 튜빙이 절단되었을 때 생성된 임의의 잔류물을 제거하기 위해 주사기를 사용하여 수동으로 탈이온수를 플러시한다.
참고 : 튜브 재료는 실험에 사용되는 액체와 호환되어야합니다. 튜브는 장치와 펌핑 시스템을 연결할 수 있을 만큼 충분히 길어야 합니다. - 장치를 테스트하기 위해 바늘을 통해 탈 이온수를 펌핑하고 누출이 있는지 관찰하십시오. 주사기와 해당 바늘을 사용하여 수동으로 물을 펌핑하십시오. 누출이 발견되면 장치를 완전히 건조하십시오. 에폭시를 바르고 다시 테스트하기 전에 적어도 1 시간 동안 기다리십시오.
- 방울을 생성하려면 클램프를 사용하여 장치를 수직 위치에 배치하여 팁이 주방 수도꼭지처럼 아래로 향하게하십시오. 주사기 펌프 또는 압력 구동 설정을 사용하여 액체를 장치에 펌핑하십시오.
- 적절한 양의 계면활성제가 있는 액체가 있는 비커 또는 바이알 내부에 팁을 배치하여 방울을 수집합니다. 예를 들어, 내부 액체로서 10cSt 실리콘 오일의 경우, 물에 16 mM 소듐 도데실 설페이트 (SDS)의 연속 상을 사용한다.
- 물에 기름 방울의 경우, 방울의 안정성을 높이려면 에멀젼을 만들기 전에 수집 욕조 위에 점성 오일 층을 추가하십시오. 기름에 물방울이 떨어지면 오일에 비이온성 계면 활성제를 사용하여 방울을 안정화하십시오.
그림 2: 새겨진 바늘. 둥근 모세관에 맞게 바닥에 새겨진 구멍이있는 바늘. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 간단한 방울을 생성하는 장치. 간단한 방울을 생성하기위한 장치의 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 간단한 방울 수집 . (A) 비이커에서 방울을 수집하는 방법에 대한 스케치. (b) 10cSt 실리콘 오일 방울이 물 용액 중의 16 mM SDS에서 수집되고, 580 μm 팁으로 생산된 비이커의 상면도. 방울 크기는 (3.29 ± 0.08) mm입니다. (C) 10cSt 실리콘 오일 방울이 물 용액의 16 mM SDS에서 수집되고 86 μm 팁으로 생성 된 비이커의 윗모습. 드롭 크기는 (1.75 ± 0.04) mm입니다.이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 동시 흐름 방식을 사용하여 유제 방울 만들기
참고: 이 장치는 1단계에서 설명한 장치와 유사하게 빌드됩니다.
- 현미경 슬라이드로 만든 유리 베이스 (76.2mm x 25.4mm)에 장치를 만듭니다. 이를 통해 유리를 통해 액체를 쉽게 운반하고 시각화 할 수 있습니다.
- 길이가 약 5 cm인 외부 액체(에멀젼의 연속상)에 대해 정사각형 섹션(square capillary)을 갖는 모세관을 사용한다. 이 프로토콜의 경우 직경 1mm 원형 모세혈관(다양한 크기로 쉽게 사용 가능)을 사용합니다.
- 유리 처리의 경우, 선택한 내부 액체 (분산 된 상)에 따라 사각형 모세관의 안쪽을 소수성 또는 친수성으로 만듭니다. 이 치료법은 유리에 방울이 붙어 새로운 방울의 형성을 방해하는 것을 피하는 데 도움이됩니다.
- 유리 소수성을 만들기 위해 모세 혈관을 초음파 욕조에서 아세톤으로 바이알에 넣고 10-15 분 동안 청소하십시오. 아세톤 또는 에탄올로 헹구십시오 (결코 물로). 그들을 말리십시오.
- 10 mL 톨루엔 (또는 헥산) + 20 μL의 트리메톡시(옥틸)실란 용액을 함유하는 깨끗하고 건조한(골 건조) 바이알을 준비한다. 모세 혈관을 2 시간 동안 용액에 보관하십시오. 모세 혈관을 용액에 사용 된 것과 동일한 용매로 헹구십시오.
- 아세톤으로 다시 헹구십시오. 공기로 말리십시오. 약 70°C에서 30분 동안 오븐에서 구우십시오.
참고: 이 프로세스는 장치 팁을 깨뜨리지 않고 구현하기가 어렵습니다. - 장치 팁을 치료하려면 톨루엔과 트리메톡시 (옥틸) 실란 용액의 용액에 몇 초 동안 담그십시오. 초과 솔루션을 제거합니다. 공기 건조를 허용하십시오.
- 유리를 친수성으로 만들기 위해, 소수성 경우와 동일한 단계 (2.3.1-2.3.4)를 반복하되 2-[메톡시(폴리에틸렌옥시)6-9프로필]트리메톡시실란의 아세톤 + 20 μL의 용액 10 mL를 사용한다.
- 팁에 둥근 유리 모세관을 사용하십시오. 모세관의 외부 직경을 사각형 모세관의 내부 크기와 일치시킵니다. 이렇게하면 두 모세 혈관이 동축으로 정렬됩니다. 둥근 모세관의 길이가 사각형 모세관보다 몇 센티미터 더 길다는 것을 확인하십시오.
- 분산 된 액체에 따라 유리를 처리하여 액체가 팁 바깥쪽을 따라 올라가지 않도록하십시오.
- 빠른 건조 에폭시를 사용하여 현미경 슬라이드에 사각형 모세관을 접착하여 조립한다. 모세관의 끝을 현미경 슬라이드의 끝 바깥쪽에 1-2cm 놓습니다 ( 그림 6A 참조).
- 모세관의 중앙에 에폭시 댁을 사용하여 시야 또는 주사기 바늘에 방해가되지 않도록하십시오. 완전히 치료할 때까지 기다리십시오. 빠른 건조 에폭시의 경우에도 제조업체는 재료가 완전히 경화되도록 24 시간을 권장합니다.
- 둥근 모세관을 사각형에 도입하여 끝이 사각형 모세관의 끝 바깥쪽으로 몇 센티미터 떨어진 곳에 머무르도록하십시오.
- 사각형 모세관 내부의 반대쪽 끝(현미경 슬라이드 외부)을 사각형 모세관의 끝과 대략 일치하는 거리에 놓습니다( 그림 6B 참조).
- 모세관의 끝과 사각형의 시작 사이의 중간 거리에서 에폭시의 dab을 사용하여 모세관을 붙입니다. 완전히 치료할 때까지 기다리십시오.
- 액체를 도입하는 데 필요한 두 바늘을 다음과 같이 수정하십시오.
- 모세관을 바늘 바닥에 보관하려면 모세관 외경의 크기 인 둥근 캡의 바닥에 구멍을 뚫습니다 ( 그림 2 참조). 사각형 모세관의 끝에 다른 바늘을 맞추려면 바늘 바닥에 둥근 구멍과 사각형 구멍을 조각하여 관절을 수용하십시오.
- 둥근 모세혈관과 사각형 모세혈관이 바늘 안에 끼워질 수 있도록 두 구멍이 모두 정렬되어 있는지 확인하십시오. 바늘을 물로 헹구어 절단에서 먼지와 섬유를 제거하십시오. 공기 건조. 바늘을 붙이고 1.5.2에 이미 설명된 프로토콜을 따르십시오( 그림 6C 참조).
- 튜브(직경 및 호환 재료 확인)를 각 바늘에 연결합니다. 튜브를 절단 한 후 헹구어 이물질과 섬유가 제거되도록하십시오. 수동으로 주사기와 바늘을 사용하여 물을 펌핑하십시오. 아래에 설명된 대로 장치에 누수가 있는지 테스트합니다.
- 튜브 조각을 구부리고 바인더 클립을 사용하여 바늘 중 하나를 닫아 유체 흐름에서 효과적으로 닫습니다. 다른 바늘을 통해 탈이온수를 펌핑하십시오. 누출이 관찰되지 않으면 다른 바늘을 통해 펌핑하십시오.
- 누출이 발견되면 장치를 완전히 건조시키고 에폭시를 적용한 다음 다시 테스트하기 전에 적어도 1 시간 동안 기다리십시오.
- 방울을 생성하려면 단계 1.8에 설명 된 바와 같이 액체를 구동하는 두 가지 방법 중 하나를 사용하십시오 : 주사기 펌프를 사용하여 유량을 고정하거나 가압 캐니스터를 사용하여 압력을 고정하십시오.
도 5: 소수성 처리의 효과 . (A) 및 (C) 내부에 액체가 없는 모세관. 빨간색 선은 모세관의 끝을 나타냅니다. (B) 처리되지 않은 모세관. 액체는 붉은 선 위로 올라감에 따라 모세관을 적시고 있습니다. (D) 물로 모세관 처리. 이 경우 물은 모세관을 적시지 않습니다. 액체는 빨간색 선 아래에 머물러 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: Coflowing 장치 . (A) 현미경 슬라이드에 사각형 모세관을 배치합니다. (B) 둥근 모세관을 사각형 안에 위치시킨다. (C) 주사기 바늘을 가진 완전한 장치. (D) 전체 장치의 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 전기 coflow 장치 만들기
- 미세 유체 장치를 구축하려면 현미경 슬라이드 (76.2 mm x 25.4 mm)로 만든 유리베이스를 사용하십시오. 길이가 너무 길어서 단일 표준 현미경 슬라이드에 맞지 않기 때문에 1 1/2 또는 2 개의 현미경 슬라이드를 사용하십시오.
- 슬라이드의 두 개의 작은 조각(약 1cm)을 잘라 그림 7A와 같이 슬라이드를 함께 유지합니다. 유리를 붙이기 위해 에폭시를 사용하십시오. 그것이 치료될 때까지 기다리십시오.
- 두 모세 혈관을 동축으로 정렬하십시오. 직경이 다른 두 개의 둥근 모세 혈관을 정렬하는 추가 비용을 피하려면 둥근 모세 혈관의 외부 직경과 일치하는 안쪽이있는 사각형 모세관을 사용하십시오. 전기 코플로우 실험의 경우 2mm 측면 모세관을 사용하십시오.
참고: 2mm 측면 모세관은 팁-접지 거리가 팁과 사각형 모세관의 벽 사이의 거리보다 작거나 유사하기 때문에 전기 코플로우 실험이 더 잘 작동하도록 합니다. 1mm 측면 모세관을 사용하는 경우, 모세관 벽은 지면보다 가깝고 액체는 종종 거기에서 배출되는 경향이 있으므로 재현 할 수없는 결과를 초래합니다.- 다이아몬드 스크라이브 또는 기타 사용 가능한 도구를 사용하여 사각형 모세관을 약 4cm 길이로 자릅니다. 물로 헹구어 유리 입자를 제거하십시오. 공기 건조를 허용하십시오. 분산상이 수성 액체인 경우 소수성으로 만들고, 그렇지 않으면 친수성으로 만드십시오.
- 작은 팁이있는 두 개의 반 모세 혈관을 얻을 때까지 피펫 당김 기계로 둥근 모세 혈관을 당깁니다.
- 마이크로 단조를 사용하여 반 모세 혈관 중 하나의 팁을 원하는 직경 (20-80 μm)으로 자릅니다. 직경이 더 큰 경우 세라믹 타일을 사용할 수 있습니다. 오일 에멀젼의 물의 경우, 팁 소수성의 외부를 만드십시오.
- 나머지 절반 모세관을 수집기 모세관으로 사용하십시오. 이렇게하려면 원래 평평한 끝이 복구되도록 당겨진 팁을 자릅니다.
- 두 개의 둥근 모세 혈관을 약 4-5cm 길이로 자릅니다 (슬라이드보다 짧게 유지하십시오). 절단 공정 중에 생성 된 잔류 물을 제거하기 위해 청소하십시오. 주사기를 사용하여 탈이온수로 씻어 내십시오. 공기가 그들을 건조시킵니다.
- 사각형 모세관을 슬라이드에 붙입니다( 그림 7B 참조). 슬라이드를 기준으로 가운데에 맞추지 마십시오. 슬라이드의 조인트가 보기 영역에 있으면 안 됩니다. 끝에 거의 경화 된 에폭시의 dab (확산을 방지하기 위해)을 넣으십시오.
- 팁과 컬렉터 모세 혈관을 사각형 모세관 안에 넣으십시오. 컬렉터의 양쪽 끝(팁과 한쪽 끝)을 동일한 슬라이드에 배치하여 슬라이드 사이의 조인트를 방지합니다( 그림 7C 참조). 팁과 컬렉터 사이의 거리는 약 2mm입니다. 현미경을 사용하여이 거리를 측정하십시오.
참고 :이 거리는 액체를 펌핑하는 데 사용하는 기술에 따라 다릅니다. 최종 목표는 팁과 액체 상대전극 사이의 거리를 약 1mm로 하는 것이다. - 모세 혈관이 올바른 거리에 있으면 에폭시를 사용하여 슬라이드에 붙입니다. 관심 영역을 에폭시로 덮지 않도록 주의하면 현미경에서의 시각화가 어려워집니다.
- 모세 혈관의 열린 끝으로의 연결을 제작하려면 이러한 끝을 덮는 바늘을 배치하십시오. 장치 당 네 개의 바늘이 필요합니다.
- 면도날이나 메스를 사용하여 바늘 바닥을 잘라 모세 혈관 위에 맞도록하십시오. 둥근 모세 혈관의 끝에 바늘을 맞추기 위해 바늘 바닥에 둥근 구멍을 만드십시오.
- 사각형 모세관의 끝에 맞추려면이 관절을 수용 할 수 있도록 바늘 바닥에 둥근 사각형 구멍을 만드십시오. 둥근 모세혈관과 사각형의 모세혈관이 바늘 안에 끼워질 수 있도록 두 구멍이 모두 정렬되어 있는지 확인하십시오.
- 바늘을 물로 헹구어 절단에서 먼지와 섬유를 제거하십시오. 공기가 그들을 건조시킵니다.
- 바늘을 붙입니다. 1.5.2의 단계를 따릅니다. 누출이 있는지 테스트하기 전에 에폭시가 밤새 경화되도록 하십시오.
- 장치에 누수가 있는지 테스트하려면 아래에 설명된 단계를 따르십시오.
- 바인더 클립으로 고정되는 구부러진 튜브 조각을 사용하여 바늘 두 개를 닫습니다. 바늘 중 하나를 통해 탈 이온수를 펌핑하고 마지막 바늘을 출구로 사용하십시오. 주사기와 해당 바늘을 사용하여 수동으로 물을 장치에 펌핑하십시오.
- 누출이 관찰되지 않으면 다음 바늘을 통해 펌핑하십시오. 물이 네 개의 바늘을 모두 통과 할 때까지 과정을 반복하십시오. 누출이 발견되면 장치를 완전히 건조시키고 에폭시를 적용한 다음 다시 테스트하기 전에 적어도 1 시간 동안 기다리십시오.
- 아래에 설명된 대로 장치를 채우고 시스템에 바람직하지 않은 진동이 발생할 수 있으므로 기포를 제거합니다. 거품을 제거하려면 탈이온수로 반쯤 채워진 주사기 두 개를 사용하십시오. 주사기를 밀고 당겨 바늘과 모세혈관 안에 갇힌 공기를 장치 밖으로 안내합니다.
- 실험에 사용할 액체로 주사기를 준비하십시오. 상기와 같이 주사기로부터 임의의 기포를 제거한다. 튜브 조각을 주사기 바늘에 연결하고 모든 공기를 제거하는 액체로 채 웁니다.
- 튜브를 장치에 연결하려면 장치 바늘 중 하나에서 테스트에 사용되는 튜브를 제거하고 연결된 물 주사기 중 하나를 사용하여 물을 펌핑하여 바늘이 물을 떨어 뜨리도록하십시오.
- 동시에, 원하는 액체로 튜브를 떨어 뜨립니다. 양쪽 끝이 떨어지기 때문에 연결되면 공기가 유입되지 않습니다. 다른 두 개의 주사기로이 과정을 반복하면 장치의 유일한 자유 바늘이 출구입니다.
- 내부 액체(분산상) 주사기를 바늘 1에 연결하고, 외부 액체(연속상)를 바늘 2에 연결하고, 집전체액(상대전극)을 바늘(4)에 연결한다. 바늘 3은 출구입니다( 그림 8 참조).
- 전원 공급 장치를 내부 및 콜렉터 액체( 그림 8의 바늘 1 및 4)를 공급하는 바늘에 연결하여 팁과 콜렉터 액체 간의 전위 차이를 설정합니다.
참고 : 바늘은 금속성이며 이러한 전도성 액체와 접촉하기 때문에 팁과 컬렉터 메니스커스 사이의 잠재적 인 차이를 설정하는 액체 와이어 역할을합니다. 언급 된 장치 치수의 경우 전위 차이는 0에서 2.5kV 사이입니다. - 실험실 장비에 따라 두 가지 가능한 방법 중 하나를 사용하여 액체를 펌핑하십시오 : 액체의 유량을 고정시키는 고압 주사기 펌프를 사용하거나 액체의 압력을 고정시키는 압력 캐니스터를 사용하십시오.
- 이러한 방법 중 하나를 선택하면 외부 및 내부 유량을 원하는 값으로 고정하고 액체 수집기의 유량 (또는 압력)을 조정하여 거리 L을 일정하게 유지합니다 ( 그림 9 참조).
그림 7 : 모세 혈관을 전기 코플로우 장치 위에 단계별로 배치하는 방법. (A) 두 개의 현미경 슬라이드를 접합하는 장치를위한 유리 받침대를 구축하십시오. 착색 된 부분은 접착 된 후 두 개의 현미경 슬라이드를 함께 고정시키는 유리 조각입니다. (B) 두 개의 조립된 현미경 슬라이드 상의 사각형 모세관의 최적 위치. (C) 전기 코플로우 실험을 위한 둥근 모세혈관의 위치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 8: 전기 코플로우 장치. (A) 전기 코플로우 장치의 사진. (B) 전기 코플로우 장치의 스케치. 숫자는 (1) 내부 액체, (2) 외부 액체, (3) 장치의 출구 및 (4) 액체 수집기 / 접지에 대한 입력을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: 전기 코플로우 실험 동안의 팁과 액체 상대전극의 사진. 팁 콜렉터 거리(L)가 표시됩니다. 스케일 바는 100 μm에 해당한다. 현미경 배율은 4x입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
4. 청소 절차
- 모세 혈관과 현미경 슬라이드를 아세톤에 보관하여 모든 먼지와 기름을 제거하십시오. 오일 입자나 먼지가 미크론 크기의 팁을 막힐 수 있습니다. 10 ~ 100 μm 사이의 팁 크기에 대해 4x ~ 20x 배율 현미경으로 제작하는 동안 각 단계 후 나막신에 대한 팁을 확인하십시오.
- 사용하기 전에 튜브를 통해 탈이온수를 펌핑하십시오. 주사기와 바늘을 사용하고 수동으로 물을 펌핑하여 바람직하지 않은 입자가 튜브 내부에서 장치로 이동하여 팁이 막히는 것을 방지합니다.
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Representative Results
이 원고에서는 방울을 생성하도록 세 가지 장치가 설계되었습니다. 1단계에서 설명한 장치를 사용하여 (3.29 ± 0.08) mm (그림 4B) 및 (1.75 ± 0.04) mm (그림 4C) 크기의 방울을 생성했습니다. 에멀젼 방울은 코플로우 및 전기 코플로우 장치를 사용하여 생성 될 수 있습니다. 후자의 경우 그림 9에서 물방울을 보여 주며 원뿔 제트 및 휘핑 모드는 각각 그림 10과 그림 11에 나와 있습니다. 그림 9에서는 내부 및 콜렉터 액체와 동일한 액체를 사용한 결과를 보여줍니다. 실험의 목표가 이러한 방울을 수집하는 것이라면 다른 전도성 액체를 수집기로 사용해야합니다 (자세한 내용은 18 참조), 그렇지 않으면 방울이 만질 때 수집기와 병합됩니다.
콘 제트 및 휘핑 모드는 여러 실제 응용 분야에서 가장 많이 연구됩니다. 그들은 전기 coflow 19,20,21,22에 나타나는 많은 다른 모드 중 두 가지입니다. 실험 파라미터(유속 및 인가 전압)의 효과에 대한 보다 체계적인 검토를 위해서는 토론 섹션과 22를 참조한다. 이러한 모드는 원고에 설명 된 장치에서 생성 될 때 시간이 지남에 따라 일정합니다. 이러한 모드의 꾸준함은 현미경 및 관련 이미지 처리를 통한 고속 이미징을 사용하여 특성을 지정할 수 있습니다.
그림 10: 콘젯 모드. 내부 및 수집기 액체: 에틸렌 글리콜; 외부 액체: 0.65 cSt 실리콘 기름; 내부 유량은 16 μL / h입니다. 외부 유속은 30 mL/h이다; 인가 전압은 750V입니다. 스케일 바는 100 μm에 해당한다. 현미경 배율은 20x입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 11: 휘핑 모드. 내부 및 수집기 액체: 에틸렌 글리콜; 외부 액체: 10 cSt 실리콘 기름; 내부 유량은 240 μL / h입니다. 외부 유속은 20 mL/h이다; 인가 전압은 1200V입니다. 스케일 바는 100 μm에 해당한다. 현미경 배율은 20x입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
세 가지 다른 유리 기반 장치를 제작하는 프로토콜은 위에서 설명되었습니다. 간단한 방울을 생성하는 장치의 경우, 유량 및 액체 특성은 제어 된 방식으로 방울을 생성하는 데 중요합니다. 방울은 물방울 정권의 끝이나 제트기 정권의 제트기 끝에서 형성 될 것입니다. 물방울에서 분사로의 전환은 무차원 웨버 번호 인 We23에 의해 매개 변수화됩니다. 이 숫자는 관성 및 표면 장력 사이의 비율을 나타내며, 여기서 ρ는 액체의 밀도, γ는 계면 장력, Q는 유량, 
d 팁은팁의 직경입니다. 1<면 물방울이 발생합니다. We > 1의 경우, 관성력은 팁에서 낙하를 유지하는 표면 장력과 제트 형태를 극복합니다. 결국, 제트기는 레일리 - 고원 불안정으로 인해 방울로 부서질 것입니다. 따라서, 고정된 액체 및 실험 셋업을 위해, 유속은 물방울에서 분사로의 전환을 제어하는 파라미터이다. 물방울 정권은 거의 단분산 방울을 초래하는 특징이 있으므로 분사 정권에서 방울이 생성 될 때 생산 빈도가 높지만 낙하 발생에 바람직합니다.
코플로우 장치의 경우, 사각형과 둥근 모세관이 두 유체를 쉽고 저렴한 방식으로 동축으로 흐르게하는 데 사용됩니다. 팁 크기는 사각형 모세관의 크기보다 훨씬 작습니다. 코플로우에서의 거동은 단계 1에서 설명된 실험에서 관찰된 것보다 더 풍부하다. coflow의 물방울 및 분사에 대한 자세한 논의는23에서 찾을 수 있습니다. 드롭 크기 제어에 대한 자세한 내용은24에서 찾을 수 있습니다.
동시 흐름 체계에 세 번째 액체를 추가하면 우리가 전기 coflow라고 부르는 것으로 이어질 것입니다. 내부 및 콜렉터 액체에 사용되는 바늘의 금속 부분에 전원 공급 장치를 연결하면 그 사이의 영역에 전기장을 만들 수 있습니다. 바늘이 전도 액체 (내부 및 수집기 액체)와 접촉하기 때문에 이들은 팁과 콜렉터 메니스커스 사이의 잠재적 인 차이를 설정하는 액체 와이어 역할을합니다. 점도 또는 유속과 같은 외부 유체의 특성을 변경하면, 표준 전기 분무(22)에서 관찰되는 것에 비해 모드의 풍부함 및 특징이 증가한다. 예를 들어, 도 11은 휘핑 모드가 특정 실험 조건(17) 하에서 정렬된 구조를 갖는다는 것을 보여준다. 이것은 전기 분무에서 일반적으로 가능하지 않은 기하학적 특성에 대한 연구를 허용합니다.
전기 coflow 기술은 다른 전기 보조 기술을 불안정하게 만드는 대부분의 문제를 극복 할 수 있습니다. 전기 보조 기술에서 제시되는 문제점 중 하나는 방출된 충전된 방울이 상대전극에 도달하기 전에 팁에 적용된 전위보다 전기 전위가 낮은 곳에서는 방전되는 경향이 있다는 것입니다. 이것이 우리의 설정에 2mm 모세 혈관이 제안되는 이유입니다. 사각형 모세관의 소수성 처리는 벽에 붙어있는 방울을 피하여 액체 수집기에 도달 할 때까지 방해받지 않고 여행 할 수 있습니다. 보다 일반적인 금속 전극 대신 액체 상대 전극( 그림 9 참조)을 사용하면 궁극적으로 낙하 생산 공정에 영향을 미치고 에멀젼 단분산도에 심각한 영향을 미치는 전하 축적 및 전기장의 상당한 왜곡을 제거합니다.
장치의 제작과 관련된 중요한 실용적인 세부 사항은 장치를 구축하는 데 걸리는 시간입니다. 모든 경우에, 공정은 몇 시간이 걸리지 만 (유리 처리가 미리 수행 된 경우 더 적음), 불행히도 에폭시는 경화에 약 10 시간이 필요합니다. 따라서 장치를 테스트하고 사용하기 위해 다음 날까지 기다리는 것이 좋습니다.
이 세 가지 장치를 제조하고 재현성을 보장하는 중요한 단계 중 하나는 유리 처리입니다. 유리는 사용 된 액체에 따라 소수성 또는 친수성으로 렌더링되어야합니다. 팁 바깥쪽을 따라 젖는 것을 피하면 방울의 정상 상태 생산을 달성하는 데 도움이됩니다.
세 가지 장치 모두에 대한 중요한 질문은 액체를 펌핑하는 방법과 관련이 있습니다 : 주사기 펌프 (고정 유량) 또는 압력 구동 설정 (고정 압력 차이)을 사용해야하는지 여부. 주사기 펌프는 액체의 유량 제어를 허용합니다. 주사기 펌프의 단점은 펌프 모터의 스텝 크기에서 오는 시스템에 진동이 도입된다는 것입니다. 압력 시스템의 경우, 단점은 액체의 알려지지 않은 유속입니다. 시스템의 교정은 다른 압력에 대해 주어진 시간 동안 수집 된 액체의 부피를 측정하는 옵션입니다. 이 방법의 몇 가지 불편 함은 튜브의 치수가 변경 될 때마다 일정하게 유지되어야하며 라인의 필터 포화 (사용 된 경우)가 교정을 변경할 수 있다는 것입니다. 대안은 낙하 생성 속도를 측정하여 내부 액체의 유속을 계산하는 단계; 드립 모드 동안 방출 된 방울의 크기와 방출 주파수를 측정하면 유속이 제공됩니다. 외부 액체의 유속을 위해, 실험 시간 동안 수집된 액체의 부피가 측정될 수 있다. 이렇게하는 불편 함은 이러한 유속이 실험 실행 중이 아니라 후방으로 알려져 있다는 것입니다.
화장품, 식품 산업 및 약물 전달과 같은 분야에서 여기에 제시된 기술 중 38,39,40 가지가 집중적 인 농업에 적용되는 젤 용 템플릿으로 결과 에멀젼을 사용하는 것과 같은 많은 응용 분야가 있습니다. 미세 유체 관련 기술의 급증 적용은 대체 재생 농업 개발에 기여할 유익한 절지 동물을위한 혁신적인 먹이 시스템의 개발입니다. 오늘날 세계 식량 생산 시스템은 환경 및 경제적 지속 가능성을 유지하면서 생산성 향상에 대한 요구를 충족시키는 도전에 직면 해 있습니다25. 대량 사육 된 천적, 포식자 및 농작물에 해충의 기생충을 방출하는 것은 환경 및 경제적 관점에서 살충제 사용에 대한 실현 가능하고 바람직한 대안으로 나타났습니다. 주요 업적은 폴리 파고스 포식자13,27,34를 도입 한 온실에서 얻어졌습니다. 작물에 보충 식품을 적용하면 자연 먹이가 부족할 때 이러한 포식자의 조기 및 장기 설립을 촉진하여 26,28,30 다른 스트레스 요인에 대한 탄력성을 향상시킵니다. 이것은 보호 및 개방 된 필드 작물 모두에서 생물 제어 프로그램을 최적화하고 확장 할 수있는 귀중한 생물학적 제어 지원 전략으로 간주됩니다.
이러한 포식자의 바이오 생산자는 장인에서 전문 산업(32)으로 신속하게 이동했으며, 최근 전체론적 접근법을 이용한 고급 분석 기술의 적용은 포식자(36)의 영양 요건을 더 잘 이해할 수 있게 해줄 것이다. 일부 종의 경우 서로 다른 식량원간에 통근하는 것이 유익 할 수 있지만31, 현재 사용되는 대부분의 식단은 여전히 하나의 사실적인 먹이를 기반으로합니다. 균형 잡힌 식단을 보장하기 위해 보완적인 인공 액체 다이어트를 고려해야합니다. 액체 다이어트는 프리젠 테이션을 위해 캡슐화되어야합니다. 이 전략은 환경의 비생물적 요인 (수분, 온도, 빛, 공기 등)으로부터 생리 활성 성분의 보호, 산화 및 증발 손실의 방지, 안정성의 향상 및 생체 이용률의 증가와 같은 몇 가지 이점을 제공합니다29,33. 유익한 엔토모파고스 곤충의 먹이 목적을위한 캡슐화 된 인공 식단에 기초한 일부 특허가 보고되었지만 (미국 특허 번호 5,799,607 및 6,129,935), 이러한 응용 프로그램의 상업적 확장은 이러한 작물 내 방출 조건에 맞게 조정 된 미세 유체 기술과 함께 식품 및 포식자 요구 사항의 영양 조성에 대한 출현 된 지식과 병행하여 성장해야합니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
ACS PRF (그랜트 60302-UR9), Agrobio S.L. (계약 # 311325) 및 MCIN / AEI / 10.13039 / 501100011033 / FEDER, UE (보조금 번호. 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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