Summary
Aqui, é apresentado um protocolo para a fabricação de dispositivos microfluidos à base de vidro usados para gerar emulsões altamente monodisperses com tamanho de gota controlado.
Abstract
Neste manuscrito, são descritos três protocolos passo a passo diferentes para gerar gotas de emulsão altamente monodisperses usando microfluidos à base de vidro. O primeiro dispositivo é construído para a geração de gotas simples impulsionadas pela gravidade. O segundo dispositivo foi projetado para gerar quedas de emulsão em um esquema de cofluência. O terceiro dispositivo é uma extensão do dispositivo de cofluência com a adição de um terceiro líquido que atua como um solo elétrico, permitindo a formação de gotas eletrificadas que posteriormente descarregam. Nesta configuração, dois dos três líquidos têm uma condutividade elétrica considerável. O terceiro líquido media entre esses dois e é um dielétrico. Uma diferença de tensão aplicada entre os dois líquidos condutores cria um campo elétrico que acoplado a tensões hidrodinâmicas dos líquidos cofluing, afetando o processo de formação de jatos e gotas. A adição do campo elétrico fornece um caminho para gerar gotas menores do que em dispositivos simples de cofluxo e para gerar partículas e fibras com uma ampla gama de tamanhos.
Introduction
A geração controlada de gotas no micron e nanoescala com uma distribuição de tamanho estreito é uma tarefa desafiadora. Essas gotas são de interesse para a engenharia de materiais macios com muitas aplicações em ciência e tecnologia 1,2,3,4,5,6.
Os dispositivos mais comuns para a alta taxa de produção de gotas são misturadores7 e emulsificadores de ultrassom8. Esses métodos são simples e de baixo custo, mas normalmente resultam em quedas de polidisperse com uma ampla gama de tamanhos. Assim, são necessárias etapas adicionais para produzir amostras monodispersas. Dispositivos microfluidos podem ser projetados de forma diferente para fornecer uma maneira eficiente de formação de gotas. Além disso, as taxas de fluxo geralmente baixas envolvidas (ou seja, baixo número de Reynolds) permitem um grande controle sobre o fluxo de fluidos.
Enquanto dispositivos microfluidos são comumente feitos usando técnicas litográficas com siloxano poli (dimetil), este manuscrito se concentra em dispositivos capilares à base de vidro. Os dispositivos PDMS geralmente são escolhidos por sua capacidade de projetar padrões complexos de canais e por causa de sua escalabilidade. Os dispositivos de vidro, pelo contrário, são rígidos e têm maior resistência ao solvente do que suas contrapartes PDMS. Além disso, o vidro pode ser modificado para alterar sua capacidade de acotidade, o que permite controlar a geração de emulsões complexas. Ser capaz de tratar independentemente o bico e as paredes do canal permite a formação de gotas de forma controlada e reprodutível, garantindo a estabilidade das emulsões resultantes se as gotas tocarem as paredes9; caso contrário, as gotas podem se fundir e se acumular na parede. Outra diferença entre esses dois tipos de dispositivos é que em dispositivos à base de vidro, o fluxo é tridimensional, enquanto é planar em dispositivos PDMS convencionais. Este fato minimiza o contato de queda com as paredes do canal para que a influência das linhas de contato possa ser negligenciada10, protegendo assim a estabilidade das múltiplas gotas de emulsão.
Figura 1: Diferentes configurações de dispositivos microfluidos. Esboços de (A) uma junção T, (B) um dispositivo de coflução e (C) um dispositivo de foco de fluxo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Existem três geometrias principais utilizadas, a t-junção11, o fluxo com focoem 12,13 e o cofluo14. Na geometria da junção T, a fase dispersa contida no canal cruza perpendicularmente o canal principal que abriga a fase contínua. O estresse da tesoura exercido pela fase contínua quebra o líquido disperso de entrada resultando em quedas. As gotas geradas são limitadas em menor tamanho pelas dimensões do canal principal11. Na geometria de foco de fluxo, os dois fluidos são forçados através de um pequeno orifício que está localizado em frente ao tubo de injeção. O resultado é a formação de um jato, que é muito menor do que o tubo de injeção12,13. Finalmente, a geometria do coflu tem uma configuração caracterizada pelo fluxo coaxial de dois fluidos immiscíveis14. Em geral, o gotejamento e o caimento podem ser observados dependendo das condições de funcionamento. O regime de gotejamento ocorre a baixas taxas de fluxo e as gotículas resultantes são muito monodispersas e têm um diâmetro proporcional ao tamanho da ponta. A desvantagem é sua baixa frequência de produção. O regime de lançamento ocorre em taxas de fluxo mais elevadas em relação ao regime de gotejamento. Neste caso, o diâmetro da gota é diretamente proporcional ao diâmetro do jato que pode ser muito menor do que o diâmetro da ponta sob as condições certas.
Uma alternativa a essas abordagens hidrodinâmicas depende do uso adicional de forças elétricas. O eletropray é uma técnica bem conhecida e amplamente utilizada para gerar gotículas. Baseia-se no princípio de que um líquido com uma condutividade elétrica finita se deformará na presença de um forte campo elétrico. O líquido eventualmente adotará uma forma cônica resultante do equilíbrio entre tensões elétricas e superficiais15. O processo começa com o campo elétrico induzindo uma corrente elétrica no líquido que faz com que as cargas se acumulem na superfície. A presença do campo elétrico resulta em uma força elétrica nessas cargas, que arrasta o líquido junto, alongando o menisco na direção do campo. Em condições diferentes, o menisco pode derramar as gotas carregadas ou pode emitir um ou vários jatos que, em seguida, arrombam emgotas 15. Embora esses métodos microfluidos eletricamente assistidos naturalmente permitam a geração de pequenas gotas, eles sofrem com a falta de uma operação de estado estável que comprometa a monodispersidade de emulsão. As gotas carregadas resultantes tendem a descarregar nas paredes de confinamento e/ou em qualquer lugar do dispositivo onde o potencial elétrico é menor do que a tensão externa imposta. Assim, o menisco eletrificado torna-se instável, emitindo gotas de forma caótica e causando sua produção descontrolada e perda de monodispersidade.
No eletro-cofluxo, as tensões elétricas e hidrodinâmicas são acopladas em um dispositivo microfluido de cofluidic16 semelhante ao usado para gerar emulsões duplas12. Duas características principais permitem que o eletro-cofluxo seja bem sucedido em alcançar um regime de emissão de estado estável: (i) a fase dispersa é ejetada em outro líquido viscoso cofluing, e (ii) o uso de um contra-eletrodo líquido ou solo. Ter um líquido externo fluindo provou alterar as propriedades geométricas do processo de emissão de queda17. O contra-eletrodo líquido permite a descarga e extração das gotas resultantes, assegurando a geração de quedas de estado estável. Além disso, explorando o equilíbrio das forças elétricas e hidrodinâmicas, os tamanhos de queda resultantes podem potencialmente variar dentro de uma faixa mais ampla do que os tamanhos que podem ser cobertos por qualquer uma das técnicas mencionadas anteriormente.
Este protocolo de vídeo detalhado destina-se a ajudar novos profissionais no uso e fabricação de microfluidos à base de vidro.
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Protocol
1. Fazendo gotas simples
- Para fazer gotas simples, use uma base de vidro feita com um slide de microscópio (76,2 mm x 25,4 mm) para construir o dispositivo. Isso permite fácil transporte e visualização dos líquidos através do vidro.
- Use um capilar de vidro redondo para a ponta. Para este protocolo, use capilares redondos de 1 mm de diâmetro (prontamente disponíveis em uma ampla gama de tamanhos).
- Para fazer uma dica com o diâmetro desejado, puxe o capilar usando uma máquina de puxar micropipette até que dois capilares meio com uma ponta muito pequena (~ 1 μm) sejam obtidos.
- Use um microforge para cortar a ponta ao diâmetro desejado (2-80 μm). Para diâmetros maiores (> 80 μm), use uma telha cerâmica se o microforge não cortar esses tamanhos.
NOTA: Dependendo do líquido desejado, o vidro precisará ser tratado, para que o líquido não suba ao longo da parte externa da ponta.
- Para líquidos à base de água, faça o exterior da ponta hidrofóbico. Para líquidos à base de óleo, quando o exterior da ponta estiver em contato com a água, faça o exterior da ponta hidrofílica. Veja o passo 2.3 para tratamento de vidro.
- Use uma agulha de seringa (20 G) para facilitar a introdução do líquido no capilar. Esculpe um orifício - do tamanho do diâmetro externo do capilar - na base da agulha usando uma lâmina de barbear ou um bisturi.
- Enxágüe a agulha com água para remover qualquer poeira e fibras do corte. Secá-los ao ar.
- Para montar, cole o capilar redondo ao slide do microscópio usando epóxi seco rápido. Coloque a ponta do capilar de 1 a 2 cm fora da extremidade do deslizamento do microscópio. Use apenas um pouco de epóxi no centro do capilar. Desta forma, não interferirá no campo da visão ou com a agulha da seringa.
- Cole a agulha da seringa de tal forma que a extremidade do capilar fica no centro da agulha. Primeiro, coloque uma pequena quantidade de epóxi quase endurecido ao redor da borda na parte inferior da agulha. Coloque a agulha de tal forma que a extremidade do capilar esteja no centro de sua base.
- Depois de alguns minutos, coloque uma segunda camada de epóxi fresco, cobrindo a base da agulha, evitando o orifício. Por fim, cubra o orifício com epóxi quase endurecido para evitar que o epóxi flua dentro das agulhas. Siga as diretrizes do fabricante epóxi para endurecer e curar os tempos.
- Anexar um pedaço de tubo (I.D. x O.D. 0,86 mm x 1,32 mm) à agulha. Limpe o tubo antes de anexá-lo. Lave a água desionizada manualmente usando uma seringa para remover quaisquer resíduos produzidos quando a tubulação foi cortada.
NOTA: O material de tubulação deve ser compatível com o líquido utilizado nos experimentos. O tubo deve ser longo o suficiente para ser capaz de conectar o dispositivo e o sistema de bombeamento. - Para testar o dispositivo, bombeie água deionizada através da agulha e observe se há algum vazamento. Use uma seringa e sua agulha correspondente para bombear manualmente a água. Caso seja encontrado um vazamento, seque completamente o dispositivo. Aplique epóxi e espere pelo menos 1h antes de testar novamente.
- Para gerar gotas, usando um grampo, coloque o dispositivo em uma posição vertical para que a ponta fique virada para baixo como em uma torneira de cozinha. Use uma bomba de seringa ou uma configuração acionada por pressão para bombear o líquido para dentro do dispositivo.
- Colete gotas colocando a ponta dentro de um béquer ou um frasco com um líquido com a quantidade apropriada de surfactante. Por exemplo, para o óleo de silicone 10cSt como líquido interno, use uma fase contínua de sulfato de dodecyl de sódio de 16 mM (SDS) na água.
- Para gotas de óleo na água, a fim de aumentar a estabilidade das gotas, adicione uma camada de óleo viscoso em cima do banho de coleta antes de fazer a emulsão. Para gotas de água no óleo, use um surfactante não iônico no óleo para estabilizar as gotas.
Figura 2: Agulha esculpida. Agulha com um buraco esculpido em sua base para caber um capilar redondo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Dispositivo para gerar gotas simples. Esquema de um dispositivo para gerar gotas simples. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Coleta de gotas simples. (A) Esboço de como coletar gotas em um béquer. (B) Vista superior de um béquer onde foram coletadas gotas de óleo de silicone de 10cSt em SDS de 16 mM em solução de água, produzidas com uma ponta de 580 μm. O tamanho da queda é (3,29 ± 0,08) mm. (C) Visão superior de um béquer onde foram coletadas gotas de óleo de silicone de 10cSt em 16 mM SDS em solução de água, produzidas com uma ponta de 86 μm. O tamanho da queda é (1,75 ± 0,04) mm Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
2. Fazer gotas de emulsão usando um esquema de cofluência
NOTA: O dispositivo é construído semelhante ao dispositivo descrito na etapa 1.
- Construa o dispositivo em uma base de vidro feita com um slide de microscópio (76,2 mm x 25,4 mm). Isso permite fácil transporte e visualização dos líquidos através do vidro.
- Use um capilar com seção quadrada (capilar quadrado) para o líquido externo (fase contínua da emulsão) com um comprimento de cerca de 5 cm. Para este protocolo, use capilares redondos de 1 mm de diâmetro (prontamente disponíveis em uma ampla gama de tamanhos).
- Para o tratamento de vidro, dependendo do líquido interno escolhido (fase dispersa), faça o lado interno do hidrofóbico capilar quadrado ou hidrofílico. O tratamento ajudará a evitar ter gotas presas no vidro e interferir na formação de novas gotas.
- Para fazer hidrofóbicas de vidro, limpe os capilares colocando-os em um frasco com acetona no banho de ultrassom por 10-15 min. Enxágüe-os com acetona ou etanol (nunca água). Seque-os.
- Prepare um frasco limpo e seco (seco ósseo) contendo um tolueno de 10 mL (ou hexano) + 20 μL de solução de silano trimetil (octil). Mantenha os capilares na solução por 2h. Enxágüe os capilares com o mesmo solvente usado para a solução.
- Enxágüe novamente com acetona. Seque com ar. Asse-os no forno por 30 min a cerca de 70 °C.
NOTA: Este processo é difícil de implementar para as pontas do dispositivo sem quebrá-las. - Para tratar as pontas do dispositivo, mergulhe-as na solução de solução de tolueno e trimetil (octila)silano por alguns segundos. Remova qualquer solução em excesso. Deixe secar o ar.
- Para fazer hidrofílico de vidro, repita os mesmos passos (2.3.1-2.3.4) como na caixa hidrofóbica, mas com uma solução de 10 mL de acetona + 20 μL de 2-[metoxi (polietilenoxixy)6-9propil] trimetoxisilano.
- Use um capilar de vidro redondo para a ponta. Combine o diâmetro externo do capilar com o tamanho interno do capilar quadrado. Isso garante que ambos os capilares estejam coaxialmente alinhados. Certifique-se de que o comprimento do capilar redondo é vários centímetros mais longo do que o capilar quadrado.
- Dependendo do líquido disperso, trate o vidro, para que o líquido não suba ao longo da parte externa da ponta.
- Monte colando o capilar quadrado ao slide do microscópio usando epóxi seco rápido. Coloque a ponta do capilar de 1 a 2 cm fora da extremidade do slide do microscópio (ver Figura 6A).
- Use um dab de epóxi no centro do capilar, para que não interfira no campo de visão ou com a agulha da seringa. Espere até que cure completamente. Note que mesmo para epóxi seco rápido, o fabricante recomenda 24 horas para que o material cure completamente.
- Introduza o capilar redondo no quadrado de tal forma que o final fique alguns centímetros fora do final do capilar quadrado.
- Coloque a outra extremidade (fora do deslizamento do microscópio) dentro do capilar quadrado a uma distância que coincide aproximadamente com o fim do capilar quadrado (ver Figura 6B).
- Cole o capilar usando um dab de epóxi a meio-distância entre o final do capilar e o início do quadrado. Espere até que cure completamente.
- Faça as seguintes modificações nas duas agulhas necessárias para introduzir o líquido.
- Para abrigar o capilar na base da agulha, esculpe um orifício na base da tampa redonda que é do tamanho do diâmetro externo do capilar (ver Figura 2). Para encaixar a outra agulha no final do capilar quadrado, esculpe furos redondos e quadrados na base da agulha para acomodar a articulação.
- Certifique-se de que ambos os orifícios estejam alinhados para que os capilares redondos e quadrados possam ser instalados dentro da agulha. Enxágüe as agulhas com água para remover qualquer poeira e fibras do corte. Secá-los ao ar. Cole as agulhas e siga o protocolo já descrito em 1.5.2 (ver Figura 6C).
- Conecte a tubulação (diâmetro de verificação e material compatível) a cada uma das agulhas. Enxágüe a tubulação depois de cortá-las para que quaisquer detritos e fibras sejam removidos. Manualmente, use uma seringa e uma agulha para bombear a água. Teste o dispositivo para vazamentos conforme descrito abaixo.
- Feche uma das agulhas dobrando um pedaço de tubo e usando um clipe de aglutinante para fechá-la efetivamente do fluxo de fluidos. Bombeie água deionizada através da outra agulha. Se não forem observados vazamentos, bombeie a outra agulha.
- Se um vazamento for encontrado, seque completamente o dispositivo, aplique epóxi e espere pelo menos 1h antes de testar novamente.
- Para gerar gotas, conforme descrito na etapa 1.8, use uma das duas maneiras de conduzir os líquidos: fixar suas taxas de fluxo usando bombas de seringa ou fixar sua pressão usando recipientes pressurizados.
Figura 5: Efeitos do tratamento hidrofóbico. (A) e (C) Capilar sem qualquer líquido dentro. A linha vermelha indica o fim do capilar. (B) Capilar não tratado. O líquido está molhando o capilar como ele subiu acima da linha vermelha. (D) Capilar tratado com água. A água não molha o capilar neste caso. O líquido fica abaixo da linha vermelha. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Dispositivo de cofluência. (A) Posicione o capilar quadrado no slide do microscópio. (B) Posicione o capilar redondo dentro do quadrado. (C) O dispositivo completo com as agulhas de seringa. (D) Fotografia do dispositivo completo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. Fazer um dispositivo de eletro-cofluxo
- Para construir o dispositivo microfluido use uma base de vidro feita com lâminas de microscópio (76,2 mm x 25,4 mm). Devido ao seu comprimento, muito tempo para caber em um único slide de microscópio padrão, use 1 1/2 ou dois slides de microscópio.
- Corte dois pequenos pedaços de um slide (cerca de 1 cm) para manter os slides juntos, como mostrado na Figura 7A. Use epóxi para colar o vidro. Espere até curar.
- Alinhe dois capilares coaximente. Para evitar o custo extra de alinhar dois capilares redondos de diâmetros diferentes, use um capilar quadrado com um lado interno que corresponda ao diâmetro externo do capilar redondo. Para experimentos de eletro-cofluxo, use um capilar lateral de 2 mm.
NOTA: O capilar lateral de 2 mm faz com que os experimentos de eletro-cofluto funcionem melhor, pois a distância do solo é menor (ou semelhante) do que a distância entre a ponta e a parede do capilar quadrado. Ao usar o capilar lateral de 1 mm, a parede capilar fica mais próxima do que o solo e o líquido muitas vezes tende a descarregar lá, levando a resultados não reprodutíveis.- Use um escriba de diamante ou outra ferramenta disponível para cortar o capilar quadrado a um comprimento de cerca de 4 cm. Enxágüe-o com água para remover qualquer partícula de vidro. Deixe secar o ar. Torná-lo hidrofóbico se a fase dispersa for um líquido à base de água, caso contrário, hidrofílico.
- Puxe um capilar redondo com uma máquina de puxar pipeta até obter dois capilares meio com uma pequena ponta.
- Use um microforge para cortar a ponta de um dos meios capilares ao diâmetro desejado (20-80 μm). Para diâmetros maiores, você pode usar uma cerâmica. Para a água em emulsões de óleo, faça o exterior da ponta hidrofóbico.
- Use a outra metade capilar como capilar coletora. Para isso, corte a ponta puxada para que as extremidades planas originais sejam recuperadas.
- Corte os dois capilares redondos para ter cerca de 4-5 cm de comprimento (mantenha-os mais curtos que o slide). Limpe-os para remover qualquer resíduo gerado durante o processo de corte. Lave-os com água deionizada usando uma seringa. Secá-los.
- Cole o capilar quadrado aos slides (ver Figura 7B). Não centralizar em relação aos slides; a articulação dos slides não deve estar na região de visualização. Coloque um dab (para evitar a propagação) de epóxi quase curado nas extremidades.
- Coloque a ponta e os capilares coletores dentro do capilar quadrado. Coloque ambas as extremidades - ponta e uma extremidade do coletor - no mesmo slide, para evitar a articulação entre slides (ver Figura 7C). A distância entre a ponta e o coletor é de cerca de 2 mm. Use um microscópio para medir essa distância.
NOTA: Esta distância dependerá da técnica que você está usando para bombear os líquidos. O objetivo final é ter uma distância de cerca de 1 mm entre a ponta e o contra-eletrodo líquido. - Uma vez que os capilares estejam à distância certa, cole-os ao slide usando um dab de epóxi. Tenha cuidado para não cobrir a região de interesse com epóxi, pois dificultaria a visualização no microscópio.
- Para fabricar conexões para as extremidades abertas dos capilares, posicione agulhas que cobrem essas extremidades. São necessárias quatro agulhas por dispositivo.
- Use uma lâmina de barbear ou um bisturi para cortar a base das agulhas para que elas se encaixem sobre os capilares. Faça um orifício redondo na base da agulha para colocar uma agulha no final dos capilares redondos.
- Para encaixá-lo no final do capilar quadrado, faça furos redondos e quadrados na base da agulha para acomodar esta articulação. Certifique-se de que ambos os orifícios estejam alinhados para que os capilares redondos e quadrados possam ser instalados dentro da agulha.
- Enxágüe as agulhas com água para remover qualquer poeira e fibras do corte. Secá-los.
- Cole as agulhas. Siga os passos em 1.5.2. Permita que o epóxi cure durante a noite antes de testar o dispositivo em busca de vazamentos.
- Para testar o dispositivo em busca de vazamentos, siga os passos descritos abaixo.
- Feche duas das agulhas usando um pedaço dobrado de tubo segurado por um clipe de aglutinante. Bombeie água deionizada através de uma das agulhas e use a última como saída. Use uma seringa e sua agulha correspondente para bombear água manualmente para dentro do dispositivo.
- Se não forem observados vazamentos, bombeie através da próxima agulha. Repita o processo até que a água passe pelas quatro agulhas. Caso seja encontrado um vazamento, seque completamente o dispositivo, aplique epóxi e espere pelo menos 1h antes de testar novamente.
- Encha o dispositivo conforme descrito abaixo e remova bolhas de ar, pois elas podem introduzir oscilações indesejáveis no sistema. Para remover bolhas, use duas seringas semi-cheias com água deionizada. Empurre e puxe as seringas para guiar o ar preso dentro das agulhas e capilares para fora do dispositivo.
- Prepare seringas com os líquidos a serem usados no experimento. Remova quaisquer bolhas das seringas descritas acima. Conecte um pedaço de tubo à agulha da seringa e encha-a com o líquido removendo todo o ar.
- Para conectar a tubulação ao dispositivo, remova a tubulação usada para testar de uma das agulhas do dispositivo e bombeie água usando uma das seringas de água conectadas, de modo que a agulha esteja pingando água.
- Ao mesmo tempo, faça o tubo escorrer com o líquido desejado. Como ambas as extremidades estão pingando, quando conectadas, nenhum ar é introduzido. Repita este processo com as outras duas seringas, de modo que a única agulha livre no dispositivo é a saída.
- Conecte a seringa líquida interna (fase dispersa) à agulha 1, o líquido externo (fase contínua) à agulha 2 e o líquido coletor (contra-eletrodo) à agulha 4. Agulha 3 é a saída (ver Figura 8).
- Conecte a fonte de alimentação às agulhas que alimentam os líquidos internos e coletores (agulhas 1 e 4 na Figura 8) para definir uma diferença potencial entre a ponta e o líquido coletor.
NOTA: Como a agulha é metálica e em contato com esses líquidos condutores, eles atuam como fios líquidos, estabelecendo a diferença potencial entre a ponta e o menisco coletor. Para as dimensões mencionadas do dispositivo, a diferença potencial vai variar entre 0 e 2,5 kV. - Bombeie os líquidos usando uma das duas formas possíveis, dependendo do equipamento de laboratório: use bombas de seringa de alta pressão que vão fixar a taxa de fluxo dos líquidos ou usar recipientes de pressão que vão corrigir a pressão dos líquidos.
- Uma vez escolhido um desses métodos, fixar as taxas de fluxo externo e interno aos valores desejados e ajustar a taxa de fluxo (ou pressão) do coletor líquido para manter a distância, L, constante (ver Figura 9).
Figura 7: Como posicionar os capilares em um dispositivo de eletro-cofluxo passo a passo. (A) Construindo a base de vidro para o dispositivo que une dois slides de microscópio. As partes coloridas são os pedaços cortados de vidro que, após serem colados, seguram os dois slides do microscópio. (B) A posição ideal do capilar quadrado em dois slides de microscópio montados. (C) Posicionamento dos capilares redondos para experimentos de eletro-cofluxo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: Dispositivo de eletro-cofluxo. (A) Fotografia de um dispositivo de eletro-cofluto. (B) Esboço de um dispositivo de eletro-cofluxo. Os números indicam a entrada para (1) o líquido interno, (2) o líquido externo, (3) a saída do dispositivo e (4) o coletor/aterramento líquido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: Imagem da ponta e contra-eletrodo líquido durante um experimento de eletro-cofluto. A distância do colecionador de gorjetas, L, está marcada. A barra de escala corresponde a 100 μm. A ampliação do microscópio é 4x. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
4. Procedimentos de limpeza
- Mantenha os capilares e os slides do microscópio em acetona para remover toda a poeira e óleo. Qualquer partícula de óleo ou poeira pode entupir as pontas do tamanho de míccro. Verifique as dicas para tamancos após cada etapa durante a fabricação com um microscópio de ampliação de 4x a 20x para tamanhos de ponta entre 10 e 100 μm.
- Bombeie água deionizada através da tubulação antes de usar. Use uma seringa e uma agulha e bombeie manualmente a água para evitar que qualquer partícula indesejável viaje de dentro do tubo para dentro do dispositivo e entupindo a ponta.
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Representative Results
Neste manuscrito, três dispositivos diferentes foram projetados para gerar gotas. Geramos quedas com um tamanho de (3,29 ± 0,08) mm (Figura 4B) e (1,75 ± 0,04) mm (Figura 4C) usando o dispositivo descrito na etapa 1. As gotas de emulsão podem ser geradas usando o cofluxo e os dispositivos de eletro-cofluo. Para este último, mostramos gotejamento na Figura 9, enquanto os modos cone-jet e whipping são mostrados na Figura 10 e Figura 11, respectivamente. Na Figura 9 mostramos resultados usando o mesmo líquido que líquidos internos e coletores. Se o objetivo dos experimentos é coletar essas gotas, um líquido condutor diferente deve ser usado como coletor (ver 18 para mais detalhes), caso contrário, as gotas se fundirão com o coletor à medida que tocarem.
Os modos cone-jet e whipping são os mais estudados para suas múltiplas aplicações práticas; são dois dos muitos outros modos que aparecem no eletro-cofluto 19,20,21,22. Para uma revisão mais sistemática do efeito dos parâmetros experimentais (taxas de fluxo e tensão aplicada), consulte a seção Discussão e 22. Esses modos são constantes no tempo quando gerados nos dispositivos descritos no manuscrito. A firmeza desses modos permite sua caracterização usando imagens de alta velocidade com um microscópio e processamento de imagem relacionado.
Figura 10: Modo cone-jato. Líquido interno e coletor: etileno glicol; líquido externo: 0,65 cSt óleo de silicone; a taxa de fluxo interno é de 16 μL/h; a vazão externa é de 30 mL/h; tensão aplicada é de 750 V. A barra de escala corresponde a 100 μm. A ampliação do microscópio é 20x. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 11: Modo de chicotear. Líquido interno e coletor: etileno glicol; líquido externo: 10 cSt óleo de silicone; a taxa de fluxo interno é de 240 μL/h; a vazão externa é de 20 mL/h; tensão aplicada é de 1200 V. A barra de escala corresponde a 100 μm. A ampliação do microscópio é 20x. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
O protocolo para fabricar três dispositivos diferentes à base de vidro foi descrito acima. No caso do dispositivo gerar quedas simples, a vazão e as propriedades líquidas são cruciais para gerar quedas de forma controlada. Gotas se formarão na ponta do regime de gotejamento, ou no final do jato no regime de jatinho. A transição do gotejamento para o caimento é parametrizada pelo número de Weber adimensionado, We23. Este número representa a razão entre forças inerciais e de tensão superficial, 
onde ρ é a densidade do líquido, γ é a tensão interfacial, Q é a taxa de fluxo ed ponta é o diâmetro da ponta. Quando < 1, ocorre gotejamento. Para nós > 1, forças de inércia superam as forças de tensão superficial segurando a queda na ponta, e um jato se forma. Eventualmente, o jato vai quebrar em gotas devido às instabilidades Rayleigh-Plateau. Assim, para uma configuração líquida fixa e experimental, a taxa de fluxo é o parâmetro que controla a transição do gotejamento para o caimento. O regime de gotejamento é caracterizado por resultar em quedas quase monodispersas, por isso é desejável para a geração de queda, embora a frequência de produção seja maior quando as gotas são geradas no regime de cais.
Para o dispositivo de cofluo, um quadrado e um capilar redondo são usados para fazer os dois fluidos fluírem de forma fácil e acessível. Note que o tamanho da ponta é muito menor do que o tamanho do capilar quadrado. O comportamento no cofluxo é mais rico do que o observado nos experimentos descritos na etapa 1. Uma discussão detalhada sobre gotejamento e jato no cofluto pode ser encontrada em23. Mais detalhes sobre o controle do tamanho da gota podem ser encontrados em24.
Adicionar um terceiro líquido ao esquema de coflução levaria ao que chamamos de eletro-cofluxo. Conectar uma fonte de alimentação às partes metálicas das agulhas utilizadas para os líquidos internos e coletores permite criar um campo elétrico na região entre eles. Como as agulhas estão em contato com líquidos condutores (líquidos internos e coletores), estes atuam como fios líquidos estabelecendo a diferença potencial entre a ponta e o menisco coletor. Alterar as propriedades do fluido externo, como sua viscosidade ou taxa de fluxo, aumenta a riqueza e características dos modos em relação ao observado no eletrospray padrão22. Por exemplo, a Figura 11 mostra que o modo de chicotear tem uma estrutura ordenada sob certas condições experimentais17. Isso permite o estudo de suas propriedades geométricas, o que normalmente não é possível em eletrospray.
A técnica de eletro-cofluxo é capaz de superar a maioria dos problemas que torna outras técnicas assistidas eletricamente instáveis. Um dos problemas apresentados nas técnicas eletricamente assistidas é que as gotas carregadas emitidas tendem a descarregar em qualquer lugar onde o potencial elétrico seja menor do que o aplicado na ponta antes de atingir o contra-eletrodo. Esta é a razão pela qual 2 mm capilares são sugeridos para nossa configuração. O tratamento hidrofóbico do capilar quadrado evita qualquer gota de ficar preso nas paredes permitindo que eles viajem sem perturbação até chegarem ao coletor líquido, onde descarregam. Usando um contra-eletrodo líquido (ver Figura 9) em vez dos eletrodos metálicos mais típicos, elimina o acúmulo de carga e distorções significativas no campo elétrico que afetariam o processo de produção de queda e afetariam severamente a monodispersidade da emulsão.
Um detalhe prático importante relacionado à fabricação dos dispositivos é o tempo que leva para construí-los. Em todos os casos, o processo leva algumas horas (ainda menos, se o tratamento de vidro for feito de antemão), mas infelizmente, o epóxi precisa de cerca de 10h para curar. Assim, é aconselhável esperar até o dia seguinte para testar e usar os dispositivos.
Um dos passos críticos para a fabricação desses três dispositivos e garantir a reprodutibilidade é o tratamento de vidro. O vidro deve ser tornado hidrofóbico ou hidrofílico, dependendo dos líquidos utilizados. Evitar molhar ao longo da parte externa da ponta ajuda a alcançar a produção de quedas de estado estável.
Uma questão importante para todos os três dispositivos diz respeito a como bombear os líquidos: se uma bomba de seringa (taxa de fluxo fixo) ou uma configuração orientada por pressão (diferença de pressão fixa) deve ser usada. Uma bomba de seringa permitirá o controle da taxa de fluxo dos líquidos. Uma desvantagem para as bombas de seringa é a introdução de vibrações no sistema provenientes do tamanho do passo do motor da bomba. Para o sistema de pressão, a desvantagem são as taxas de fluxo desconhecidas dos líquidos. A calibração do sistema é uma opção, medindo o volume do líquido coletado por um determinado período de tempo para diferentes pressões. Alguns inconvenientes deste método são que as dimensões da tubulação devem permanecer constantes cada vez que são alteradas, e a saturação dos filtros nas linhas (se utilizadas) pode alterar a calibração. Uma alternativa é calcular a taxa de fluxo do líquido interno medindo a taxa de produção de queda; medir o tamanho das gotas emitidas durante o modo de gotejamento e sua frequência de emissão fornecerá a taxa de fluxo. Para a taxa de fluxo do líquido externo, o volume de líquido coletado durante o tempo do experimento pode ser medido. Um inconveniente de fazer isso é que essas taxas de fluxo são conhecidas como posteriori, e não durante a execução dos experimentos.
Existem muitas aplicações 38,39,40 das tecnologias apresentadas aqui em áreas como cosméticos, indústria alimentícia e entrega de medicamentos, entre muitas outras, como o uso das emulsões resultantes como modelos para géis aplicados na agricultura intensiva. Uma aplicação de upsurge de tecnologias microfluidicas é o desenvolvimento de sistemas de alimentação inovadores para artrópodes benéficos que contribuirão para o desenvolvimento de agricultura regenerativa alternativa. Atualmente, os sistemas globais de produção de alimentos enfrentam o desafio de satisfazer as demandas por aumento de produtividade, mantendo sua sustentabilidade ambiental e econômica25. A liberação de inimigos naturais criados em massa, predadores e parasitoides de pragas nas culturas tem se mostrado uma alternativa viável e desejada ao uso de pesticidas de uma perspectiva ambiental e econômica. Grandes conquistas foram obtidas em estufas que introduzem predadores polifagosos 13,27,34. A aplicação de alimentos suplementares nas culturas promove o estabelecimento precoce e de longo prazo desses predadores quando as presas naturais são escassasde 26,28,30, melhorando sua resiliência a diferentes estressores. Trata-se de uma valiosa estratégia de apoio ao controle biológico que otimizará e expandirá programas de biocontrole, tanto em culturas protegidas quanto em campo aberto.
Os bioestores desses predadores mudaram rapidamente de uma indústria artesanal para uma indústria profissional32, e a recente aplicação de técnicas analíticas avançadas com uma abordagem holística nos permitirá entender melhor as exigências nutricionais dos predadores36. Embora para algumas espécies o deslocamento entre diferentes fontes de alimentos possa ser benéfico31, a maioria das dietas utilizadas atualmente ainda são baseadas em uma única presa factícia. Dietas líquidas artificiais complementares devem ser consideradas para garantir uma dieta equilibrada. Dietas líquidas precisam ser encapsuladas para sua apresentação. Essa estratégia oferece diversos benefícios, como a proteção dos ingredientes bioativos de fatores abióticos do meio ambiente (umidade, temperatura, luz, ar, etc.), prevenção da perda de oxidação e evaporação, melhoria da estabilidade e aumento da biodisponibilidade, entre outros29,33. Algumas patentes baseadas em dietas artificiais encapsuladas para fins alimentares de insetos entomofágicos benéficos foram relatadas (patente dos EUA nº 5.799.607 e 6.129.935), mas a escala comercial dessas aplicações precisa crescer em paralelo com o conhecimento emergido das composições nutricionais de alimentos e requisitos pretridicos, juntamente com tecnologias microfluidas ajustadas para essas condições de liberação de campo de culturas.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Agradecemos à PRF ACS (concessão 60302-UR9), Agrobio S.L. (contrato #311325) e MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE (outorga nº. 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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