Summary
Här presenteras ett protokoll för att tillverka glasbaserade mikrofluidiska enheter som används för att generera mycket monodispersa emulsioner med kontrollerad droppstorlek.
Abstract
I detta manuskript beskrivs tre olika steg-för-steg-protokoll för att generera mycket monodispersa emulsionsdroppar med hjälp av glasbaserad mikrofluidik. Den första enheten är byggd för generering av enkla droppar som drivs av tyngdkraften. Den andra anordningen är utformad för att generera emulsionsdroppar i ett samflödesschema. Den tredje anordningen är en förlängning av samflödesanordningen med tillsats av en tredje vätska som fungerar som en elektrisk jord, vilket möjliggör bildandet av elektrifierade droppar som därefter urladdning. I denna inställning har två av de tre vätskorna en märkbar elektrisk ledningsförmåga. Den tredje vätskan förmedlar mellan dessa två och är en dielektrisk. En spänningsskillnad applicerad mellan de två ledande vätskorna skapar ett elektriskt fält som kopplas samman med hydrodynamiska spänningar hos de samflödande vätskorna, vilket påverkar strål- och droppbildningsprocessen. Tillsatsen av det elektriska fältet ger en väg att generera mindre droppar än i enkla coflow-enheter och för att generera partiklar och fibrer med ett brett spektrum av storlekar.
Introduction
Kontrollerad generering av droppar i mikron och nanoskala med en smal storleksfördelning är en utmanande uppgift. Dessa droppar är av intresse för konstruktion av mjuka material med många tillämpningar inom vetenskap och teknik 1,2,3,4,5,6.
De vanligaste anordningarna för den höga produktionshastigheten för droppar är blandare7 och ultraljudsemulgeringsatorer8. Dessa metoder är enkla och billiga, men de resulterar vanligtvis i polydispersa droppar med ett brett spektrum av storlekar. Därför krävs ytterligare steg för att producera monodispersa prover. Mikrofluidiska enheter kan utformas annorlunda för att ge ett effektivt sätt att släppa bildning. Dessutom möjliggör de vanligtvis låga flödeshastigheterna (dvs. lågt Reynolds-tal) stor kontroll över vätskeflödet.
Medan mikrofluidiska enheter vanligtvis tillverkas med litografiska tekniker med poly (dimetyl) siloxan (PDMS), fokuserar detta manuskript på glasbaserade kapilläranordningar. PDMS-enheter väljs vanligtvis för sin förmåga att designa komplexa kanalmönster och på grund av deras skalbarhet. Glasanordningar är tvärtom styva och har större lösningsmedelsbeständighet än deras PDMS-motsvarigheter. Dessutom kan glas modifieras för att ändra dess vätbarhet, vilket gör det möjligt att styra genereringen av komplexa emulsioner. Att självständigt kunna behandla munstycket och kanalväggarna möjliggör bildning av droppar på ett kontrollerat och reproducerbart sätt, samtidigt som stabiliteten hos de resulterande emulsionerna säkerställs om dropparna skulle röra vid väggarna9; annars kan dropparna sammanfalla och ackumuleras vid väggen. En annan skillnad mellan dessa två typer av enheter är att i glasbaserade enheter är flödet tredimensionellt, medan det är plant i konventionella PDMS-enheter. Detta faktum minimerar droppkontakten med kanalväggarna så att påverkan av kontaktledningar kan försummas10, vilket skyddar stabiliteten hos flera emulsionsdroppar.
Bild 1: Olika mikrofluidiska enhetskonfigurationer. Skisser av (A) en T-korsning, (B) en samströmmande anordning och (C) en flödesfokuseringsanordning. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Det finns tre huvudgeometrier som används, nämligen T-korsning11, flödesfokus 12,13 och coflow14. I T-korsningsgeometrin skär den dispergerade fasen i kanalen vinkelrätt huvudkanalen som rymmer den kontinuerliga fasen. Skjuvspänningen som utövas av den kontinuerliga fasen bryter den inkommande dispergerade vätskan vilket resulterar i droppar. De genererade dropparna begränsas i lägre storlek av dimensionerna på huvudkanalen11. I flödesfokuseringsgeometrin tvingas de två vätskorna genom en liten öppning som ligger framför injektionsröret. Resultatet är bildandet av en stråle, som är mycket mindre än injektionsröret12,13. Slutligen har coflow-geometrin en konfiguration som kännetecknas av koaxialflödet av två oblandbara vätskor14. I allmänhet kan droppning och sprutning observeras beroende på driftsförhållandena. Droppregimen uppträder vid låga flödeshastigheter och de resulterande dropparna är mycket monodispersa och har en diameter som är proportionell mot spetsstorleken. Nackdelen är dess låga produktionsfrekvens. Strålningsregimen sker vid högre flödeshastigheter jämfört med droppregimen. I detta fall är droppdiametern direkt proportionell mot strålens diameter som kan vara mycket mindre än spetsens diameter under rätt förhållanden.
Ett alternativ till dessa hydrodynamiska tillvägagångssätt bygger på ytterligare användning av elektriska krafter. Elektrospray är en välkänd och allmänt använd teknik för att generera droppar. Det är baserat på principen att en vätska med en ändlig elektrisk ledningsförmåga kommer att deformeras i närvaro av ett starkt elektriskt fält. Vätskan kommer så småningom att anta en konisk form som härrör från balansen mellan elektriska och ytspänningsspänningar15. Processen börjar med att det elektriska fältet inducerar en elektrisk ström i vätskan som får laddningar att ackumuleras vid ytan. Närvaron av det elektriska fältet resulterar i en elektrisk kraft på dessa laddningar, som drar vätskan längs och förlänger menisken i fältets riktning. Under olika förhållanden kan menisken antingen kasta de laddade dropparna eller kan avge en eller flera strålar som sedan bryts i droppar15. Även om dessa elektriskt assisterade mikrofluidiska metoder naturligtvis tillåter generering av små droppar, lider de av brist på en steady-state-operation som äventyrar emulsionsmonodispersiteten. De resulterande laddade dropparna tenderar att laddas ut på de begränsande väggarna och / eller var som helst i enheten där den elektriska potentialen är lägre än den pålagda externa spänningen. Således blir den elektrifierade menisken instabil, vilket i slutändan avger droppar på ett kaotiskt sätt och orsakar deras okontrollerade produktion och förlust av monodispersitet.
I elektro-coflow är de elektriska och hydrodynamiska spänningarna kopplade i en coflow mikrofluidisk anordning16 som liknar den som används för att generera dubbla emulsioner12. Två huvuddrag gör det möjligt för elektro-coflow att lyckas nå en steady-state-emissionsregim: (i) den dispergerade fasen matas ut i en annan samflödande viskös vätska och (ii) användningen av en flytande motelektrod eller jord. Att ha en flytande yttre vätska har visat sig förändra de geometriska egenskaperna hos droppemissionsprocessen17. Den flytande motelektroden möjliggör urladdning och extraktion av de resulterande dropparna, vilket säkerställer steady-state-generering av droppar. Dessutom, genom att utnyttja balansen mellan elektriska och hydrodynamiska krafter, kan de resulterande fallstorlekarna potentiellt variera inom ett bredare intervall än de storlekar som kan täckas av någon av de tidigare nämnda teknikerna.
Detta detaljerade videoprotokoll är avsett att hjälpa nya utövare vid användning och tillverkning av glasbaserad mikrofluidik.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Gör enkla droppar
- För att göra enkla droppar, använd en glasbas gjord med en mikroskopglid (76,2 mm x 25,4 mm) för att bygga enheten. Detta möjliggör enkel transport och visualisering av vätskorna genom glaset.
- Använd en rund glaskapillär för spetsen. För detta protokoll, använd runda kapillärer med en diameter på 1 mm (lätt tillgänglig i ett brett spektrum av storlekar).
- För att göra en spets med önskad diameter, dra kapillären med en mikropipettdragningsmaskin tills två halva kapillärer med en mycket liten spets (~ 1 μm) erhålls.
- Använd en mikrosmedja för att skära spetsen till önskad diameter (2-80 μm). För större diametrar (> 80 μm), använd en keramisk platta om mikrosmedjan inte skär dessa storlekar.
OBS: Beroende på önskad vätska måste glaset behandlas så att vätskan inte klättrar längs utsidan av spetsen.
- För vattenbaserade vätskor, gör utsidan av spetsen hydrofob. För oljebaserade vätskor, när utsidan av spetsen är i kontakt med vatten, gör utsidan av spetsen hydrofil. Se steg 2.3 för glasbehandling.
- Använd en sprutnål (20 G) för att underlätta införandet av vätskan i kapillären. Skär ett hål - av storleken på kapillärens ytterdiameter - vid nålens botten med ett rakblad eller en skalpell.
- Skölj nålen med vatten för att ta bort damm och fibrer från skärning. Lufttorka dem.
- För att montera, limma den runda kapillären på mikroskopbilden med snabbtorkande epoxi. Placera kapillärens spets 1-2 cm utanför slutet av mikroskopbilden. Använd bara en klick epoxi i mitten av kapillären. På detta sätt kommer det inte att störa synfältet eller med sprutnålen.
- Limma sprutnålen på ett sådant sätt att kapillärens ände sitter i mitten av nålen. Lägg först en liten mängd nästan härdad epoxi runt fälgen längst ner på nålen. Placera nålen så att kapillärens ände ligger i mitten av basen.
- Efter några minuter lägger du ett andra lager färsk epoxi, täcker nålens botten och undviker hålet. Slutligen täck hålet med nästan härdad epoxi för att förhindra att epoxin flyter inuti nålarna. Följ epoxitillverkarens riktlinjer för härdnings- och härdningstider.
- Fäst en bit slang (I.D. x O.D. 0,86 mm x 1,32 mm) på nålen. Rengör röret innan du fäster det. Spola avjoniserat vatten manuellt med en spruta för att ta bort eventuella rester som producerades när slangen skars.
OBS: Slangmaterialet ska vara kompatibelt med vätskan som används i experimenten. Slangen ska vara tillräckligt lång för att kunna ansluta enheten och pumpsystemet. - För att testa enheten, pumpa avjoniserat vatten genom nålen och observera om det finns några läckor. Använd en spruta och motsvarande nål för att manuellt pumpa vattnet. Om en läcka hittas, torka enheten noggrant. Applicera epoxi och vänta i minst 1 timme innan du testar igen.
- För att generera droppar, med hjälp av en klämma, placera enheten i vertikalt läge så att spetsen är vänd nedåt som i en kökskran. Använd en sprutpump eller en tryckdriven inställning för att pumpa vätskan in i enheten.
- Samla droppar genom att placera spetsen i en bägare eller en injektionsflaska med en vätska med lämplig mängd ytaktivt medel. Till exempel, för 10cSt silikonolja som inre vätska, använd en kontinuerlig fas av 16 mM natriumdodecylsulfat (SDS) i vatten.
- För oljedroppar i vatten, för att öka dropparnas stabilitet, tillsätt ett lager viskös olja ovanpå uppsamlingsbadet innan du gör emulsionen. För vattendroppar i olja, använd ett icke-joniskt ytaktivt medel i oljan för att stabilisera dropparna.
Figur 2: Snidad nål. Nål med ett hål huggen i basen för att passa en rund kapillär. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Anordning för att generera enkla droppar. Schematisk av en anordning för att generera enkla droppar. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Samla enkla droppar. (A) Skiss över hur man samlar droppar i en bägare. (B) Toppvy av en bägare där 10cSt silikonoljedroppar samlades i 16 mM SDS i vattenlösning, producerad med en 580 μm spets. Droppstorleken är (3.29 ± 0.08) mm. (C) Toppvy av en bägare där 10cSt silikonoljedroppar samlades i 16 mM SDS i vattenlösning , producerad med en 86 μm spets. Fallstorleken är (1,75 ± 0,04) mm Klicka här för att se en större version av denna figur.
2. Göra emulsionsdroppar med ett samflödesschema
OBS: Enheten är byggd på samma sätt som den enhet som beskrivs i steg 1.
- Bygg enheten på en glasbas gjord med en mikroskopbild (76,2 mm x 25,4 mm). Detta möjliggör enkel transport och visualisering av vätskorna genom glaset.
- Använd en kapillär med kvadratisk sektion (kvadratisk kapillär) för den yttre vätskan (emulsionens kontinuerliga fas) med en längd av ca 5 cm. För detta protokoll, använd runda kapillärer med en diameter på 1 mm (lätt tillgänglig i ett brett spektrum av storlekar).
- För glasbehandling, beroende på den valda inre vätskan (dispergerad fas), gör insidan av kvadratisk kapillär hydrofob eller hydrofil. Behandlingen hjälper till att undvika att droppar fastnar i glaset och stör bildandet av nya droppar.
- För att göra glas hydrofob, rengör kapillärerna genom att lägga dem i en injektionsflaska med aceton i ultraljudsbadet i 10-15 min. Skölj dem med aceton eller etanol (aldrig vatten). Torka dem.
- Förbered en ren och torr (bentorr) injektionsflaska innehållande en 10 ml toluen (eller hexan) + 20 μL trimetoxi(oktyl)silanlösning. Håll kapillärerna i lösningen i 2 timmar. Skölj kapillärerna med samma lösningsmedel som används för lösningen.
- Skölj igen med aceton. Torka med luft. Grädda dem i ugnen i 30 min vid ca 70 °C.
OBS: Denna process är svår att implementera för enhetstipsen utan att bryta dem. - För att behandla enhetsspetsarna, doppa dem i lösningen av toluen och trimetoxi (oktyl) silanlösning i några sekunder. Ta bort eventuell överflödig lösning. Låt lufttorka.
- För att göra glashydrofilt, upprepa samma steg (2.3.1-2.3.4) som i det hydrofoba fallet men med en lösning av 10 ml aceton + 20 μL 2-[metoxi(polyetenoxi)6-9propyl] trimetoxisilan.
- Använd en rund glaskapillär för spetsen. Matcha kapillärens ytterdiameter till den inre storleken på den fyrkantiga kapillären. Detta säkerställer att båda kapillärerna är koaxiellt inriktade. Se till att längden på den runda kapillären är flera centimeter längre än den fyrkantiga kapillären.
- Beroende på den dispergerade vätskan, behandla glaset så att vätskan inte klättrar längs utsidan av spetsen.
- Montera genom att limma den fyrkantiga kapillären på mikroskopbilden med snabbtorkande epoxi. Placera kapillärspetsen 1-2 cm utanför änden av mikroskopbilden (se figur 6A).
- Använd en dab epoxi i mitten av kapillären, så att den inte stör synfältet eller med sprutnålen. Vänta tills det härdar helt. Observera att även för snabbtorkande epoxi rekommenderar tillverkaren 24 timmar för att materialet ska bota helt.
- För in den runda kapillären i den fyrkantiga så att änden stannar några centimeter utanför änden av kvadratkapillären.
- Placera den andra änden (utanför mikroskopbilden) inuti den fyrkantiga kapillären på ett avstånd som ungefär sammanfaller med änden av den fyrkantiga kapillären (se figur 6B).
- Limma kapillären med en klick epoxi på mittavstånd mellan kapillärens ände och början av kvadraten. Vänta tills det härdar helt.
- Gör följande ändringar i de två nålarna som krävs för att införa vätskan.
- För att hysa kapillären i nålens botten, hugga ett hål i basen av det runda locket som är av storleken på kapillärens ytterdiameter (se figur 2). För att passa den andra nålen i slutet av den fyrkantiga kapillären, hugga runda och fyrkantiga hål vid nålens botten för att rymma fogen.
- Se till att båda hålen är inriktade så att de runda och fyrkantiga kapillärerna kan monteras inuti nålen. Skölj nålarna med vatten för att ta bort damm och fibrer från skärning. Lufttorka dem. Limma nålarna och följ det protokoll som redan beskrivits i 1.5.2 (se figur 6C).
- Anslut slangen (kontrollera diameter och kompatibelt material) till var och en av nålarna. Skölj slangen efter att ha klippt dem så att eventuella skräp och fibrer tas bort. Använd manuellt en spruta och en nål för att pumpa vattnet. Testa enheten för läckor enligt beskrivningen nedan.
- Stäng en av nålarna genom att böja en bit slang och använda en bindemedelsklämma för att effektivt stänga den från vätskeflödet. Pumpa avjoniserat vatten genom den andra nålen. Om inga läckor observeras, pumpa genom den andra nålen.
- Om en läcka upptäcks, torka enheten noggrant, applicera epoxi och vänta i minst 1 timme innan du testar igen.
- För att generera droppar, som beskrivs i steg 1.8, använd ett av de två sätten att driva vätskorna: fixera deras flödeshastigheter med sprutpumpar eller fixera deras tryck med trycksatta behållare.
Figur 5: Effekter av den hydrofoba behandlingen. (A) och (C) Kapillär utan någon vätska inuti. Den röda linjen indikerar kapillärens ände. B) Obehandlad kapillär. Vätskan vättar kapillären när den har klättrat över den röda linjen. D) Behandlad kapillär med vatten. Vatten blöter inte kapillären i detta fall. Vätska håller sig under den röda linjen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Samflödningsanordning. (A) Placera den fyrkantiga kapillären på mikroskopbilden. (B) Placera den runda kapillären inuti den fyrkantiga. (C) Den kompletta anordningen med sprutnålarna. (D) Fotografi av hela produkten. Klicka här för att se en större version av denna figur.
3. Skapa en elektro-coflow-enhet
- För att bygga den mikrofluidiska enheten använd en glasbas gjord med mikroskopglas (76,2 mm x 25,4 mm). På grund av deras längd, för lång för att passa på en enda standardmikroskopbild, använd 1 1/2 eller två mikroskopbilder.
- Klipp två små bitar av en rutschkana (ca 1 cm) för att hålla ihop rutschkanorna enligt figur 7A. Använd epoxi för att limma glaset. Vänta tills det botar.
- Rikta in två kapillärer koaxiellt. För att undvika den extra kostnaden för att justera två runda kapillärer med olika diametrar, använd en kvadratisk kapillär med en inre sida som matchar den runda kapillärens ytterdiameter. För elektro-coflow-experiment, använd en 2 mm sidokapillär.
OBS: Sidokapillären på 2 mm gör att elektro-coflow-experimenten fungerar bättre eftersom spetsavståndet är mindre (eller liknande) än avståndet mellan spetsen och väggen i den fyrkantiga kapillären. Vid användning av 1 mm sidokapillären är kapillärväggen närmare än marken och vätskan tenderar ofta att släppa ut där, vilket leder till icke-reproducerbara resultat.- Använd en diamantskrivare eller annat tillgängligt verktyg för att skära den fyrkantiga kapillären till en längd av ca 4 cm. Skölj det med vatten för att ta bort eventuella glaspartiklar. Låt lufttorka. Gör det hydrofobt om den dispergerade fasen är en vattenbaserad vätska, annars hydrofil.
- Dra en rund kapillär med en pipettdragmaskin tills du får två halva kapillärer med en liten spets.
- Använd en mikrosmedja för att skära spetsen på en av de halva kapillärerna till önskad diameter (20-80 μm). För större diametrar kan du använda en keramisk platta. För vatten i oljeemulsioner, gör utsidan av spetsen hydrofob.
- Använd den andra halvan kapillär som kollektorkapillär. För att göra det, skär den dragna spetsen så att de ursprungliga plana ändarna återvinns.
- Skär de två runda kapillärerna så att de är cirka 4-5 cm långa (håll dem kortare än rutschkanan). Rengör dem för att ta bort eventuella rester som genereras under skärprocessen. Spola dem med avjoniserat vatten med en spruta. Lufttorka dem.
- Limma den fyrkantiga kapillären på diabilderna (se figur 7B). Centrera inte den i förhållande till bilderna; fogen på bilderna ska inte vara i visningsområdet. Sätt en dab (för att förhindra spridning) av nästan härdad epoxi på ändarna.
- Placera spetsen och kollektorkapillärerna inuti den fyrkantiga kapillären. Placera båda ändarna - spetsen och ena änden av kollektorn - på samma bild för att undvika fogen mellan bilderna (se figur 7C). Avståndet mellan spetsen och kollektorn är cirka 2 mm. Använd ett mikroskop för att mäta detta avstånd.
OBS: Detta avstånd beror på vilken teknik du använder för att pumpa vätskorna. Det slutliga målet är att ha ett avstånd på ca 1 mm mellan spetsen och den flytande motelektroden. - När kapillärerna är på rätt avstånd, lim dem på bilden med en klick epoxi. Var försiktig så att du inte täcker det intressanta området med epoxi, eftersom det skulle göra visualiseringen i mikroskopet svår.
- För att tillverka anslutningar till kapillärernas öppna ändar, placera nålar som täcker dessa ändar. Fyra nålar per enhet krävs.
- Använd ett rakblad eller en skalpell för att skära nålens botten så att de passar över kapillärerna. Gör ett runt hål vid nålens botten för att passa en nål i slutet av de runda kapillärerna.
- För att passa den i slutet av kvadratkapillären, gör runda och fyrkantiga hål vid nålens botten för att rymma denna fog. Se till att båda hålen är inriktade så att runda och fyrkantiga kapillärer kan monteras inuti nålen.
- Skölj nålarna med vatten för att ta bort damm och fibrer från skärning. Lufttorka dem.
- Limma nålarna. Följ stegen i 1.5.2. Låt epoxin härda över natten innan du testar enheten för läckage.
- Följ stegen nedan för att testa enheten för läckor.
- Stäng två av nålarna med hjälp av en böjd slang som hålls av en bindemedelsklämma. Pumpa avjoniserat vatten genom en av nålarna och använd den sista som utgång. Använd en spruta och motsvarande nål för att manuellt pumpa vatten in i enheten.
- Om inga läckor observeras, pumpa genom nästa nål. Upprepa processen tills vattnet är genom alla fyra nålarna. Om en läcka upptäcks, torka enheten noggrant, applicera epoxi och vänta i minst 1 timme innan du testar igen.
- Fyll enheten enligt beskrivningen nedan och ta bort luftbubblor eftersom de kan införa oönskade svängningar i systemet. För att ta bort bubblor, använd två halvfyllda sprutor med avjoniserat vatten. Tryck och dra sprutorna för att styra luften som fångas inuti nålarna och kapillärerna ut ur enheten.
- Förbered sprutor med vätskorna som ska användas i experimentet. Ta bort eventuella bubblor från sprutorna enligt beskrivningen ovan. Anslut en bit slang till sprutnålen och fyll den med vätskan som tar bort all luft.
- För att ansluta slangen till enheten, ta bort slangen som används för testning från en av enhetens nålar och pumpa vatten med en av de anslutna vattensprutorna så att nålen droppar vatten.
- Gör samtidigt slangen droppande med önskad vätska. Eftersom båda ändarna droppar, när de är anslutna, införs ingen luft. Upprepa denna process med de andra två sprutorna, så den enda fria nålen i enheten är utgången.
- Anslut den inre vätskan (dispergerad fas) spruta till nål 1, den yttre vätskan (kontinuerlig fas) till nål 2 och kollektorvätskan (motelektrod) till nål 4. Nål 3 är utgången (se figur 8).
- Anslut strömförsörjningen till nålarna som matar inner- och kollektorvätskorna (nålar 1 och 4 i figur 8) för att ställa in en potentiell skillnad mellan spetsen och kollektorvätskan.
OBS: Eftersom nålen är metallisk och i kontakt med dessa ledande vätskor fungerar de som flytande ledningar som ställer in potentialskillnaden mellan spetsen och kollektormenisken. För de nämnda enhetsdimensionerna kommer potentialskillnaden att variera mellan 0 och 2,5 kV. - Pumpa vätskorna på ett av de två möjliga sätten, beroende på laboratorieutrustningen: använd högtryckssprutor som fixerar vätskans flödeshastighet eller använd tryckbehållare som fixerar vätskans tryck.
- När en av dessa metoder har valts, fixera de yttre och inre flödeshastigheterna till önskade värden och justera flödeshastigheten (eller trycket) för vätskeuppsamlaren för att hålla avståndet, L, konstant (se figur 9).
Figur 7: Hur man placerar kapillärerna på en elektro-coflow-enhet steg för steg. (A) Bygga glasbasen för enheten som förenar två mikroskopbilder. De färgade delarna är de skurna glasbitarna som efter limning håller ihop de två mikroskopbilderna. (B) Den optimala positionen för den fyrkantiga kapillären på två monterade mikroskopglas. (C) Placering av de runda kapillärerna för elektro-coflow-experiment. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 8: Elektro-coflow-anordning. (A) Fotografi av en elektro-coflow-enhet. (B) Skiss över en elektro-coflow-anordning. Siffrorna anger ingången för (1) den inre vätskan, (2) den yttre vätskan, (3) utgången av anordningen och (4) vätskeuppsamlaren/marken. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 9: Bild av spetsen och flytande motelektrod under ett elektro-coflow-experiment. Spetsuppsamlaravståndet, L, är markerat. Skalstången motsvarar 100 μm. Mikroskopförstoring är 4x. Klicka här för att se en större version av denna figur.
4. Rengöringsprocedurer
- Håll kapillärerna och mikroskopglasen i aceton för att ta bort allt damm och olja. Varje oljepartikel eller damm kan täppa till mikronstorleksspetsarna. Kontrollera tipsen för träskor efter varje steg under tillverkningen med ett 4x till 20x förstoringsmikroskop för spetsstorlekar mellan 10 och 100 μm.
- Pumpa avjoniserat vatten genom slangen före användning. Använd en spruta och en nål och pumpa vattnet manuellt för att förhindra att oönskade partiklar reser från insidan av röret in i enheten och täpper till spetsen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I detta manuskript har tre olika enheter utformats för att generera droppar. Vi har genererat droppar med en storlek på (3,29 ± 0,08) mm (figur 4B) och (1,75 ± 0,04) mm (figur 4C) med hjälp av enheten som beskrivs i steg 1. Emulsionsdropparna kan genereras med användning av coflow och elektro-coflow-anordningarna. För det senare visar vi dropp i figur 9, medan konstråle- och vispningslägen visas i figur 10 respektive figur 11. I figur 9 visar vi resultat med samma vätska som inner- och kollektorvätskor. Om målet med experimenten är att samla dessa droppar, bör en annan ledande vätska användas som en samlare (se 18 för mer information), eftersom dropparna annars kommer att smälta samman med kollektorn när de berör.
Konstråle- och vispningslägena är de mest studerade för sina många praktiska tillämpningar; de är två av de många andra lägena som förekommer i elektro-coflow 19,20,21,22. För en mer systematisk genomgång av effekten av de experimentella parametrarna (flödeshastigheter och tillämpad spänning), se avsnittet Diskussion och 22. Dessa lägen är stabila i tid när de genereras i de enheter som beskrivs i manuskriptet. Stabiliteten hos dessa lägen möjliggör deras karakterisering med hjälp av höghastighetsavbildning med ett mikroskop och relaterad bildbehandling.
Figur 10: Konstråleläge. Inre och kollektorvätska: etylenglykol; yttre vätska: 0,65 cSt silikonolja; inre flödeshastighet är 16 μL/h; Yttre flödeshastigheten är 30 ml/h. applicerad spänning är 750 V. Skalstången motsvarar 100 μm. Mikroskopförstoring är 20x. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 11: Vispningsläge. Inre och kollektorvätska: etylenglykol; yttre vätska: 10 cSt silikonolja; inre flödeshastigheten är 240 μL/h; Yttre flödeshastighet är 20 ml/h. applicerad spänning är 1200 V. Skalstången motsvarar 100 μm. Mikroskopförstoring är 20x. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollet för att tillverka tre olika glasbaserade enheter har beskrivits ovan. När det gäller anordningen för att generera enkla droppar är flödeshastigheten och vätskeegenskaperna avgörande för att generera droppar på ett kontrollerat sätt. Droppar kommer att bildas vid spetsen i droppregimen, eller i slutet av strålen i strålregimen. Övergången från droppande till jetting parametriseras av det dimensionslösa Weber-numret, We23. Detta nummer representerar förhållandet mellan tröghets- och ytspänningskrafter, 
), där ρ är vätskans densitet, γ är gränssnittsspänningen, Q är flödeshastigheten ochd-spetsen är spetsens diameter. När vi < 1 uppstår dropp. För We > 1 övervinner tröghetskrafterna ytspänningskrafterna som håller droppen vid spetsen och en stråle bildas. Så småningom kommer strålen att bryta sig i droppar på grund av Rayleigh-Plateau instabiliteter. Således, för en fast flytande och experimentell inställning, är flödeshastigheten parametern som styr övergången från droppande till sprutning. Droppregimen kännetecknas av att resultera i nästan monodispersa droppar, så det är önskvärt för droppgenerering, även om produktionsfrekvensen är högre när droppar genereras i strålregimen.
För coflow-anordningen används en kvadratisk och en rund kapillär för att få de två vätskorna att koaxiellt flöda på ett enkelt och prisvärt sätt. Observera att spetsstorleken är mycket mindre än storleken på den fyrkantiga kapillären. Beteendet i coflow är rikare än det som observerats i experimenten som beskrivs i steg 1. En detaljerad diskussion om droppning och sprutning i coflow finns i23. Mer information om droppstorlekskontroll finns i24.
Att tillsätta en tredje vätska till samflödesschemat skulle leda till vad vi kallade elektro-coflow. Genom att ansluta en strömförsörjning till metalldelarna av nålarna som används för de inre och kollektorvätskorna kan man skapa ett elektriskt fält i regionen mellan dem. Eftersom nålarna är i kontakt med ledande vätskor (inre och kollektorvätskor) fungerar dessa som flytande ledningar som ställer in potentialskillnaden mellan spetsen och kollektormenisken. Att ändra egenskaperna hos den yttre vätskan, som dess viskositet eller flödeshastigheten, ökar modets rikedom och egenskaper i förhållande till vad som observeras i standard elektrospray22. Figur 11 visar till exempel att vispningsläget har en ordnad struktur under vissa experimentella förhållanden17. Detta möjliggör studier av dess geometriska egenskaper, vilket vanligtvis inte är möjligt i elektrospray.
Elektro-coflow-tekniken kan övervinna de flesta problem som gör andra elektriskt assisterade tekniker ostadiga. Ett av problemen som presenteras i elektriskt assisterade tekniker är att de emitterade laddade dropparna tenderar att ladda ur var som helst där den elektriska potentialen är lägre än den som appliceras vid spetsen innan de når motelektroden. Detta är anledningen till att 2 mm kapillärer föreslås för vår installation. Den hydrofoba behandlingen av den fyrkantiga kapillären undviker att några droppar fastnar på väggarna så att de kan resa ostörda tills de når vätskeuppsamlaren, där de släpper ut. Genom att använda en flytande motelektrod (se figur 9) istället för de mer typiska metallelektroderna elimineras laddningsackumulering och signifikanta snedvridningar i det elektriska fältet som i slutändan skulle påverka droppproduktionsprocessen och allvarligt påverka emulsionsmonodispersiteten.
En viktig praktisk detalj relaterad till tillverkningen av enheterna är den tid det tar att bygga dem. I alla fall tar processen några timmar (ännu mindre, om glasbehandlingen görs i förväg), men tyvärr behöver epoxin cirka 10 timmar för att bota. Det är därför lämpligt att vänta till nästa dag för att testa och använda enheterna.
Ett av de kritiska stegen för tillverkningen av dessa tre enheter och säkerställa reproducerbarhet är glasbehandlingen. Glas bör göras hydrofobt eller hydrofilt beroende på vilka vätskor som används. Att undvika vätning längs utsidan av spetsen hjälper till att uppnå steady-state produktion av droppar.
En viktig fråga för alla tre enheterna gäller hur man pumpar vätskorna: om en sprutpump (fast flödeshastighet) eller en tryckdriven inställning (fast tryckskillnad) ska användas. En sprutpump möjliggör flödeshastighetskontroll av vätskorna. En nackdel för sprutpumparna är införandet av vibrationer i systemet som kommer från pumpmotorns stegstorlek. För trycksystemet är nackdelen de okända flödeshastigheterna för vätskorna. Kalibreringen av systemet är ett alternativ som mäter volymen av den uppsamlade vätskan under en given tid för olika tryck. Några olägenheter med denna metod är att slangens dimensioner ska förbli konstanta varje gång de ändras, och mättnaden av filtren i linjerna (om de används) kan förändra kalibreringen. Ett alternativ är att beräkna flödeshastigheten för den inre vätskan genom att mäta droppproduktionshastigheten; mätning av storleken på de emitterade dropparna under droppläget och dess utsläppsfrekvens ger flödeshastigheten. För flödeshastigheten för den yttre vätskan kan volymen vätska som samlats in under experimentets tid mätas. Ett besvär med att göra detta är att dessa flödeshastigheter är kända i efterhand och inte under utförandet av experimenten.
Det finns många tillämpningar 38,39,40 av de tekniker som presenteras här inom områden som kosmetika, livsmedelsindustri och läkemedelsleverans bland många andra, som användningen av de resulterande emulsionerna som mallar för geler som appliceras i intensivt jordbruk. En uppsvingstillämpning av mikrofluidisk relaterad teknik är utvecklingen av innovativa utfodringssystem för fördelaktiga leddjur som kommer att bidra till att utveckla alternativt regenerativt jordbruk. Numera står de globala livsmedelsproduktionssystemen inför utmaningen att uppfylla kraven på ökad produktivitet samtidigt som de bibehåller sin miljömässiga och ekonomiska hållbarhet25. Utsläpp av massuppfödda naturliga fiender, rovdjur och parasitoider av skadedjur på grödor har visat sig vara ett genomförbart och önskat alternativ till användning av bekämpningsmedel ur ett miljömässigt och ekonomiskt perspektiv. Stora prestationer har uppnåtts i växthus som introducerar polyfagiska rovdjur 13,27,34. Tillämpningen av kompletterande livsmedel i grödor främjar tidig och långsiktig etablering av dessa rovdjur när naturliga byten är knappa 26,28,30, vilket förbättrar deras motståndskraft mot olika stressfaktorer. Detta anses vara en värdefull biologisk kontrollstödjande strategi som kommer att optimera och utöka biokontrollprogram, både i skyddade och öppna fältgrödor.
Bioproducenterna av dessa rovdjur har snabbt gått från en hantverksmässig till en professionell industri32, och den senaste tidens tillämpning av avancerade analystekniker med en helhetssyn kommer att göra det möjligt för oss att bättre förstå rovdjurens näringsbehov36. Även om det för vissa arter kan vara fördelaktigt att pendla mellan olika matkällor31, är de flesta dieter som för närvarande används fortfarande baserade på ett enda faktiskt byte. Kompletterande artificiella flytande dieter bör övervägas för att säkerställa en balanserad kost. Flytande dieter måste inkapslas för deras presentation. Denna strategi erbjuder flera fördelar såsom skydd av de bioaktiva ingredienserna från abiotiska faktorer i miljön (fukt, temperatur, ljus, luft, etc.), förebyggande av oxidation och avdunstningsförlust, förbättring av stabiliteten och ökningen av biotillgängligheten, bland annat29,33. Vissa patent baserade på inkapslade konstgjorda dieter för utfodringsändamål av fördelaktiga entomofagousinsekter har rapporterats (US Patent Nos. 5,799,607 och 6,129,935), men den kommersiella uppskalningen av dessa applikationer måste växa parallellt med den framkomna kunskapen om näringskompositioner av livsmedel och rovdjurskrav, tillsammans med mikrofluidisk teknik anpassad för dessa villkor för frisättning av grödor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Vi är tacksamma för ACS PRF (bidrag 60302-UR9), Agrobio S.L. (kontrakt #311325) och MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE (bidragsnr. 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
- 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).
- Squires, T. M., Quake, S. R. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale. Reviews of Modern Physics. 77 (3), 977-1026 (2005).
- 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).
- Gunther, A., Jensen, K. F. Multiphase microfluidics: from flow characteristics to chemical and materials synthesis. Lab on a Chip. 6, 1487-1503 (2006).
- Barrero, A., Loscertales, I. G. Micro- and Nanoparticles via Capillary Flows. Annual Review of Fluid Mechanics. 39, 89-106 (2007).
- Clift, R., Grace, J. R., Weber, M. E. Bubbles, Drops, and Particles. , Dover Pubs. USA. (2005).
- Othmer, K. Encyclopedia of Chemical Technology. 4th edition. 9, John Wiley and sons. (1994).
- Kentish, S., et al. The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation. Innovative Food Science & Emerging Technologies. 9 (2), 170-175 (2008).
- 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).
- Atencia, J., Beebe, D. J.
- 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).
- Utada, A. S., et al. Monodisperse Double Emulsions Generated from a Microcapillary Device. Science. 308 (5721), 537-541 (2005).
- 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).
- Shah, R. K., et al.
- 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).
- Gundabala, V. R., Vilanova, N., Fernández-Nieves, A. Current-voltage characteristic of electrospray processes in microfluidics. Physical Review Letters. 105 (15), 154503 (2010).
- Guerrero, J., Rivero, J., Gundabala, V. R., Perez-Saborid, M., Fernández-Nieves, A.
- Vilanova, N., Gundabala, V. R., Fernandez-Nieves, A.
- Cloupeau, M., Prunet-Foch, B. Electrostatic spraying of liquids: Main functioning modes. Journal of Electrostatics. 25 (2), 165-184 (1990).
- Jaworek, A., Krupa, A.
- Juraschek, R., Röllgen, F. W. Pulsation phenomena during electrospray ionization. International Journal of Mass Spectrometry. 177 (1), 1-15 (1998).
- Guerrero, J., et al.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Temiz, U., Öztürk, E. Encapsulation methods and use in animal nutrition. Selcuk Journal of Agricultural and Food Sciences. 32 (3), 624-631 (2018).
- Messelink, G. J., et al. Approaches to conserving natural enemy populations in greenhouse crops: current methods and future prospects. BioControl. 59, 377-393 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cohen, A. C. Insect diets: Science and technology. Second edition. , Taylor & Francis Group, CRC Press. (2015).
- 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).
- Shang, L., Cheng, Y., Zhao, Y.
- Christopher, G. F., Anna, S. L. Microfluidic methods for generating continuous droplet streams. Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (19), 319 (2007).
- 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).
