Yöntem makalesi

Damla ve Emülsiyon Üretmek için Cam Bazlı Cihazlar

2.9K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/63376

⸱

5 Nisan 2022

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Chemistry and Physics, Augusta University, 2Department of Condensed Matter Physics, University of Barcelona, 3Agrobío S.L., 4ICREA - Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats, 5Institute of Complex Systems (UBICS), University of Barcelona

Bu makalede

Özet

Burada, kontrollü damla boyutuna sahip yüksek monodispers emülsiyonlar üretmek için kullanılan cam bazlı mikroakışkan cihazların üretilmesine yönelik bir protokol sunulmaktadır.

Özet

Bu makalede, cam bazlı mikroakışkanlar kullanılarak yüksek monodisperse emülsiyon damlaları üretmek için üç farklı adım adım protokol açıklanmaktadır. İlk cihaz, yerçekimi tarafından tahrik edilen basit damlaların üretilmesi için üretilmiştir. İkinci cihaz, birlikte akan bir şemada emülsiyon damlaları üretmek için tasarlanmıştır. Üçüncü cihaz, elektrik toprağı görevi gören üçüncü bir sıvının eklenmesiyle birlikte akan cihazın bir uzantısıdır ve daha sonra boşalan elektrikli damlaların oluşumuna izin verir. Bu kurulumda, üç sıvıdan ikisi kayda değer bir elektriksel iletkenliğe sahiptir. Üçüncü sıvı bu ikisi arasında aracılık eder ve bir dielektriktir. İki iletken sıvı arasında uygulanan voltaj farkı, birlikte akan sıvıların hidrodinamik gerilmeleriyle birleşen ve jet ve damla oluşum sürecini etkileyen bir elektrik alanı yaratır. Elektrik alanın eklenmesi, basit coflow cihazlarından daha küçük damlalar üretmek ve çok çeşitli boyutlarda parçacıklar ve lifler üretmek için bir yol sağlar.

Giriş

Dar boyut dağılımına sahip mikron ve nano ölçekte kontrollü damla üretimi zorlu bir iştir. Bu düşüşler, bilim ve teknolojide birçok uygulaması olan yumuşak malzemelerin mühendisliği için ilgi çekicidir 1,2,3,4,5,6.

Yüksek damla üretim hızı için en yaygın cihazlar karıştırıcılar7 ve ultrason emülifikatörleri8'dir. Bu yöntemler basit ve düşük maliyetlidir, ancak tipik olarak çok çeşitli boyutlarda polidispers damlalara neden olurlar. Bu nedenle, monodispers numuneler üretmek için ek adımlar gereklidir. Mikroakışkan cihazlar, oluşumu düşürmek için etkili bir yol sağlamak için farklı şekilde tasarlanabilir. Ek olarak, genellikle düşük akış hızları (yani, düşük Reynolds sayısı), sıvı akışı üzerinde büyük kontrol sağlar.

Mikroakışkan cihazlar genellikle poli(dimetil) siloksan (PDMS) ile litografik teknikler kullanılarak yapılırken, bu makale cam bazlı kılcal cihazlara odaklanmaktadır. PDMS cihazları genellikle karmaşık kanal desenleri tasarlama yetenekleri ve ölçeklenebilirlikleri nedeniyle seçilir. Cam cihazlar, aksine, serttir ve PDMS muadillerinden daha fazla çözücü direncine sahiptir. Ek olarak, cam, karmaşık emülsiyonların oluşumunu kontrol etmeyi sağlayan ıslanabilirliğini değiştirmek için değiştirilebilir. Nozul ve kanal duvarlarını bağımsız olarak işleyebilmek, damlaların kontrollü ve tekrarlanabilir bir şekilde oluşumunu sağlarken, damlaların duvarlara temas etmesi durumunda ortaya çıkan emülsiyonların stabilitesini sağlar9; aksi takdirde damlalar birleşebilir ve duvarda birikebilir. Bu iki cihaz türü arasındaki bir diğer fark, cam bazlı cihazlarda, akışın üç boyutlu olması, geleneksel PDMS cihazlarında ise düzlemsel olmasıdır. Bu gerçek, kanal duvarlarıyla damla temasını en aza indirir, böylece temas hatlarının etkisi10 ihmal edilebilir, böylece çoklu emülsiyon damlalarının stabilitesini korur.

figure-introduction-1
Resim 1: Farklı mikroakışkan cihaz konfigürasyonları. (A) bir T-bağlantısının, (B) bir birlikte akan cihazın ve (C) bir akış odaklama cihazının çizimleri. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Kullanılan üç ana geometri vardır: T-kavşağı 11, akış odaklama12,13 ve koakış14. T-kavşak geometrisinde, kanalda bulunan dağınık faz, sürekli fazı barındıran ana kanalla dik olarak kesişir. Sürekli faz tarafından uygulanan kesme gerilmesi, gelen dağınık sıvıyı kırarak düşmelere neden olur. Üretilen damlalar, ana kanal11'in boyutlarıyla daha düşük boyutta sınırlıdır. Akış odaklı geometride, iki akışkan enjeksiyon tüpünün önünde bulunan küçük bir delikten geçirilir. Sonuç, enjeksiyon tüpü 12,13'ten çok daha küçük olan bir jetin oluşumudur. Son olarak, koflow geometrisi, iki karışmaz akışkanın koaksiyel akışı ile karakterize edilen bir konfigürasyona sahiptir14. Genel olarak, çalışma koşullarına bağlı olarak damlama ve püskürtme gözlenebilir. Damlama rejimi düşük akış hızlarında gerçekleşir ve ortaya çıkan damlacıklar çok monodispers ve uç boyutuyla orantılı bir çapa sahiptir. Dezavantajı, düşük üretim sıklığıdır. Jetleme rejimi, damlama rejimine kıyasla daha yüksek akış hızlarında gerçekleşir. Bu durumda, damla çapı, doğru koşullar altında ucun çapından çok daha küçük olabilen jetin çapı ile doğru orantılıdır.

Bu hidrodinamik yaklaşımlara bir alternatif, elektrik kuvvetlerinin ek kullanımına dayanır. Elektrosprey, damlacık üretmek için iyi bilinen ve yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Sonlu bir elektrik iletkenliğine sahip bir sıvının, güçlü bir elektrik alanının varlığında deforme olacağı ilkesine dayanır. Sıvı sonunda elektrik ve yüzey gerilimi gerilimleri arasındaki dengeden kaynaklanan konik bir şekil alacaktır15. İşlem, elektrik alanının sıvıda yüklerin yüzeyde birikmesine neden olan bir elektrik akımı indüklemesiyle başlar. Elektrik alanın varlığı, bu yükler üzerinde, sıvıyı sürükleyen ve menisküsü alan yönünde uzatan bir elektrik kuvveti ile sonuçlanır. Farklı koşullar altında, menisküs yüklü damlaları dökebilir veya daha sonra15 damlasına ayrılan bir veya birkaç jet yayabilir. Bu elektrik destekli mikroakışkan yöntemler doğal olarak küçük damlaların üretilmesine izin vermesine rağmen, emülsiyon monodispersitesini tehlikeye atan kararlı bir durum operasyonunun eksikliğinden muzdariptirler. Ortaya çıkan yüklü düşüşler, sınırlama duvarlarında ve / veya cihazın herhangi bir yerinde, elektrik potansiyelinin uygulanan harici voltajdan daha düşük olduğu herhangi bir yerde boşalma eğilimindedir. Böylece, elektriklendirilmiş menisküs dengesiz hale gelir, sonuçta kaotik bir şekilde damlalar yayar ve kontrolsüz üretimlerine ve monodispersite kaybına neden olur.

Elektro-koakışta, elektriksel ve hidrodinamik gerilmeler, çift emülsiyon üretmek için kullanılana benzer bir koflow mikroakışkan cihaz16'da birleştirilir12. İki ana özellik, elektro-koflow'un kararlı hal emisyon rejimine ulaşmada başarılı olmasını sağlar: (i) dağılmış faz başka bir birlikte akan viskoz sıvıya atılır ve (ii) bir sıvı karşı elektrot veya topraklama kullanılması. Akan bir dış sıvıya sahip olmanın, damla emisyon prosesinin geometrik özelliklerini değiştirdiği kanıtlanmıştır17. Sıvı karşı elektrot, ortaya çıkan damlaların boşaltılmasına ve ekstraksiyonuna izin vererek, damlaların kararlı durum oluşumunu garanti eder. Ek olarak, elektriksel ve hidrodinamik kuvvetlerin dengesinden yararlanarak, ortaya çıkan damla boyutları, daha önce bahsedilen tekniklerden herhangi biri tarafından kapsanabilecek boyutlardan daha geniş bir aralıkta potansiyel olarak değişebilir.

Bu ayrıntılı video protokolü, cam bazlı mikroakışkanların kullanımı ve üretiminde yeni uygulayıcılara yardımcı olmayı amaçlamaktadır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. Basit damlalar yapmak

  1. Basit damlalar yapmak için, cihazı oluşturmak için mikroskop kaydırağı (76,2 mm x 25,4 mm) ile yapılmış bir cam taban kullanın. Bu, sıvıların camdan kolayca taşınmasını ve görselleştirilmesini sağlar.
  2. Uç için yuvarlak bir cam kılcal damar kullanın. Bu protokol için, 1 mm çapında yuvarlak kılcal damarlar kullanın (çok çeşitli boyutlarda kolayca temin edilebilir).
    1. İstenilen çapa sahip bir uç yapmak için, kılcal damarı bir mikropipet çekme makinesi kullanarak çok küçük bir ucu (~ 1 μm) olan iki yarım kılcal damar elde edilene kadar çekin.
    2. Ucu istenen çapa (2-80 μm) kesmek için bir mikroforge kullanın. Daha büyük çaplar için (> 80 μm), mikrodövme bu boyutları kesmezse seramik karo kullanın.
      NOT: İstenilen sıvıya bağlı olarak, camın işlenmesi gerekecektir, böylece sıvı ucun dışına tırmanmaz.
  3. Su bazlı sıvılar için, ucun dışını hidrofobik yapın. Yağ bazlı sıvılar için, ucun dış kısmı suyla temas ettiğinde, ucun dışını hidrofilik yapın. Cam tedavisi için adım 2.3'e bakınız.
  4. Sıvının kılcal damara girmesini kolaylaştırmak için bir şırınga iğnesi (20 G) kullanın. Bir tıraş bıçağı veya neşter kullanarak iğnenin tabanında - kılcal damarın dış çapının büyüklüğünde - bir delik açın.
  5. Toz ve lifleri kesimden uzaklaştırmak için iğneyi suyla durulayın. Onları hava ile kurutun.
  6. Montaj için, yuvarlak kılcal damarı hızlı kuru epoksi kullanarak mikroskop slaytına yapıştırın. Kılcal damarın ucunu mikroskop slaytının ucunun 1-2 cm dışına yerleştirin. Kılcal damarın merkezinde sadece bir parça epoksi kullanın. Bu şekilde, görüş alanına veya şırınga iğnesine müdahale etmeyecektir.
    1. Şırınga iğnesini, kılcal damarın ucu iğnenin ortasına oturacak şekilde yapıştırın. İlk önce, iğnenin altındaki jantın etrafına az miktarda neredeyse sertleşmiş epoksi koyun. İğneyi, kılcal damarın ucu tabanının merkezinde olacak şekilde yerleştirin.
    2. Birkaç dakika sonra, iğnenin tabanını kaplayan ve delikten kaçınan ikinci bir taze epoksi tabakası koyun. Son olarak, epoksinin iğnelerin içine akmasını önlemek için deliği neredeyse sertleşmiş epoksi ile örtün. Sertleşme ve kürlenme süreleri için epoksi üreticisinin yönergelerine uyun.
  7. İğneye bir parça boru (ID x O.D. 0,86 mm x 1,32 mm) takın. Takmadan önce tüpü temizleyin. Boru kesildiğinde ortaya çıkan kalıntıları gidermek için bir şırınga kullanarak deiyonize suyu manuel olarak yıkayın.
    NOT: Boru malzemesi, deneylerde kullanılan sıvı ile uyumlu olmalıdır. Boru, cihazı ve pompalama sistemini bağlayabilecek kadar uzun olmalıdır.
  8. Cihazı test etmek için, deiyonize suyu iğneden pompalayın ve herhangi bir sızıntı olup olmadığını gözlemleyin. Suyu manuel olarak pompalamak için bir şırınga ve ilgili iğneyi kullanın. Bir sızıntı bulunması durumunda, cihazı iyice kurulayın. Epoksi uygulayın ve tekrar test etmeden önce en az 1 saat bekleyin.
  9. Damla üretmek için, bir kelepçe kullanarak, cihazı dikey bir konuma getirin, böylece uç bir mutfak musluğunda olduğu gibi aşağı bakacaktır. Sıvıyı cihaza pompalamak için bir şırınga pompası veya basınçla çalışan bir kurulum kullanın.
  10. Ucu bir beherin içine veya uygun miktarda yüzey aktif madde içeren bir sıvı içeren bir şişeye yerleştirerek damlaları toplayın. Örneğin, iç sıvı olarak 10cSt silikon yağı için, suda sürekli 16 mM sodyum dodesil sülfat (SDS) fazı kullanın.
    1. Sudaki yağ damlaları için, damlaların stabilitesini arttırmak için, emülsiyonu yapmadan önce toplama banyosunun üzerine bir viskoz yağ tabakası ekleyin. Yağdaki su damlaları için, damlaları stabilize etmek için yağda iyonik olmayan bir yüzey aktif madde kullanın.

figure-protocol-1
Resim 2: Oyma iğne. Yuvarlak bir kılcal damara sığacak şekilde tabanına oyulmuş bir delikli iğne. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-2
Şekil 3: Basit damlalar oluşturmak için cihaz. Basit damlalar oluşturmak için bir cihazın şeması. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-3
Şekil 4: Basit damlaların toplanması. (A) Bir beherde damlaların nasıl toplanacağına dair taslak. (B) 580 μm uçla üretilen su çözeltisinde 10cSt silikon yağ damlalarının 16 mM SDS'de toplandığı bir beherin üstten görünümü. Damla boyutu (3,29 ± 0,08) mm'dir. (C) 86 μm uçla üretilen su çözeltisinde 10cSt Silikon yağı damlalarının 16 mM SDS'de toplandığı bir beherin üstten görünümü. Damla boyutu (1.75 ± 0.04) mm Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

2. Bir birlikte akan şema kullanarak emülsiyon damlaları yapmak

NOT: Aygıt, adım 1'de açıklanan aygıta benzer şekilde üretilmiştir.

  1. Cihazı mikroskop kaydırağı (76,2 mm x 25,4 mm) ile yapılmış bir cam taban üzerine yerleştirin. Bu, sıvıların camdan kolayca taşınmasını ve görselleştirilmesini sağlar.
  2. Dış sıvı (emülsiyonun sürekli fazı) için yaklaşık 5 cm uzunluğunda kare kesitli (kare kılcal damar) bir kılcal damar kullanın. Bu protokol için, 1 mm çapında yuvarlak kılcal damarlar kullanın (çok çeşitli boyutlarda kolayca temin edilebilir).
  3. Cam tedavisi için, seçilen iç sıvıya (dağılmış faz) bağlı olarak, kare kılcal hidrofobik veya hidrofilik iç tarafını yapın. Tedavi, damlaların cama sıkışmasını ve yeni damlaların oluşumuna müdahale etmesini önlemeye yardımcı olacaktır.
    1. Cam hidrofobik yapmak için, kılcal damarları 10-15 dakika boyunca ultrason banyosunda asetonlu bir şişeye koyarak temizleyin. Aseton veya etanol ile durulayın (asla su kullanmayın). Onları kurutun.
    2. 10 mL toluen (veya hekzan) + 20 μL trimetoksi (oktil) silan çözeltisi içeren temiz ve kuru (kemik kuru) bir şişe hazırlayın. Kılcal damarları 2 saat boyunca çözelti içinde tutun. Kılcal damarları, çözelti için kullanılan çözücü ile durulayın.
    3. Aseton ile tekrar durulayın. Hava ile kurutun. Onları fırında yaklaşık 70 ° C'de 30 dakika pişirin.
      NOT: Bu işlemin, cihaz ipuçlarını bozmadan uygulanması zordur.
    4. Cihaz uçlarını tedavi etmek için, birkaç saniye boyunca toluen ve trimethoxy (oktil) silan çözeltisine batırın. Fazla çözümü kaldırın. Havanın kurumasına izin verin.
    5. Cam hidrofilik yapmak için, hidrofobik durumda olduğu gibi aynı adımları (2.3.1-2.3.4) tekrarlayın, ancak 10 mL aseton + 20 μL 2-[metoksi (polietilenoksi)6-9propil] trimetoksisilan çözeltisi ile.
  4. Uç için yuvarlak bir cam kılcal damar kullanın. Kılcal damarın dış çapını kare kılcal damarın iç boyutuyla eşleştirin. Bu, her iki kılcal damarın da koaksiyel olarak hizalanmasını sağlar. Yuvarlak kılcal damarın uzunluğunun kare kılcal damardan birkaç santimetre daha uzun olduğundan emin olun.
  5. Dağınık sıvıya bağlı olarak, camı tedavi edin, böylece sıvı ucun dışına tırmanmaz.
  6. Hızlı kuru epoksi kullanarak kare kılcal damarı mikroskop sürgüsüne yapıştırarak birleştirin. Kılcal damarın ucunu mikroskop slaytının ucunun 1-2 cm dışına yerleştirin (bkz. Şekil 6A).
  7. Kılcal damarın merkezinde bir miktar epoksi kullanın, böylece görüş alanına veya şırınga iğnesine müdahale etmez. Tamamen iyileşene kadar bekleyin. Hızlı kuru epoksi için bile, üreticinin malzemenin tamamen kürlenmesi için 24 saat önerdiğini unutmayın.
  8. Yuvarlak kılcal damarı kare olana sokun, böylece uç kare kılcal damarın ucunun birkaç santimetre dışında kalır.
  9. Diğer ucunu (mikroskop slaytının dışında) kare kılcal damarın içine yaklaşık olarak kare kılcal damarın ucuna denk gelecek bir mesafeye yerleştirin (bkz. Şekil 6B).
  10. Kılcal damarı, kılcal damarın ucu ile kare olanın başlangıcı arasındaki orta mesafede bir epoksi damlası kullanarak yapıştırın. Tamamen iyileşene kadar bekleyin.
  11. Sıvıyı tanıtmak için gereken iki iğnede aşağıdaki değişiklikleri yapın.
  12. Kılcal damarı iğnenin tabanına yerleştirmek için, yuvarlak kapağın tabanında, kılcal damarın dış çapının büyüklüğünde bir delik açın (bkz. Şekil 2). Diğer iğneyi kare kılcal damarın sonuna sığdırmak için, eklemi yerleştirmek için iğnenin tabanında yuvarlak ve kare delikler açın.
  13. Her iki deliğin de hizalandığından emin olun, böylece yuvarlak ve kare kılcal damarlar iğnenin içine takılabilir. Toz ve lifleri kesimden uzaklaştırmak için iğneleri suyla durulayın. Onları hava ile kurutun. İğneleri yapıştırın ve 1.5.2'de daha önce açıklanan protokolü izleyin (bkz. Şekil 6C).
  14. Boruyu (çapı ve uyumlu malzemeyi kontrol edin) iğnelerin her birine bağlayın. Boruyu kestikten sonra durulayın, böylece döküntüler ve lifler çıkarılır. Manuel olarak, suyu pompalamak için bir şırınga ve iğne kullanın. Cihazı aşağıda açıklandığı gibi sızıntılara karşı test edin.
    1. Bir boru parçasını bükerek ve sıvı akışından etkili bir şekilde kapatmak için bir bağlayıcı klips kullanarak iğnelerden birini kapatın. Deiyonize suyu diğer iğneden pompalayın. Herhangi bir sızıntı gözlenmezse, diğer iğneden pompalayın.
    2. Bir sızıntı bulunursa, cihazı iyice kurulayın, epoksi uygulayın ve tekrar test etmeden önce en az 1 saat bekleyin.
  15. Damla üretmek için, adım 1.8'de açıklandığı gibi, sıvıları sürmenin iki yolundan birini kullanın: şırınga pompaları kullanarak akış hızlarını sabitlemek veya basınçlı bidonlar kullanarak basınçlarını sabitlemek.

figure-protocol-4
Şekil 5: Hidrofobik tedavinin etkileri . (A) ve (C) İçinde sıvı bulunmayan kılcal damarlar. Kırmızı çizgi kılcal damarın sonunu gösterir. (B) Tedavi edilmemiş kılcal damar. Sıvı, kırmızı çizginin üzerine tırmandığı için kılcal damarı ıslatıyor. (D) Su ile arıtılmış kılcal damar. Su bu durumda kılcal damarı ıslatmaz. Sıvı kırmızı çizginin altında kalır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-5
Resim 6: Birlikte akan cihaz . (A) Kare kılcal damarı mikroskop sürgüsü üzerine yerleştirin. (B) Yuvarlak kılcal damarı kare olanın içine yerleştirin. (C) Şırınga iğneleri ile komple cihaz. (D) Tüm cihazın fotoğrafı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

3. Elektro-koflow cihazı yapımı

  1. Mikroakışkan cihazı inşa etmek için mikroskop slaytlarıyla (76.2 mm x 25.4 mm) yapılmış bir cam taban kullanın. Uzunlukları nedeniyle, tek bir standart mikroskop slaydına sığmayacak kadar uzun, 1 1/2 veya iki mikroskop slaytı kullanın.
    1. Slaytları Şekil 7A'da gösterildiği gibi bir arada tutmak için slaytın iki küçük parçasını (yaklaşık 1 cm) kesin. Camı yapıştırmak için epoksi kullanın. İyileşene kadar bekleyin.
  2. İki kılcal damarı koaksiyel olarak hizalayın. Farklı çaplardaki iki yuvarlak kılcal damarı hizalamanın ekstra maliyetinden kaçınmak için, yuvarlak kılcal damarın dış çapıyla eşleşen bir iç tarafı olan kare bir kılcal damar kullanın. Elektro-koflow deneyleri için, 2 mm'lik bir yan kılcal damar kullanın.
    NOT: 2 mm'lik yan kılcal damar, uç-zemin mesafesi uç ile kare kılcal damarın duvarı arasındaki mesafeden daha küçük (veya benzer) olduğu için elektro-koflow deneylerinin daha iyi çalışmasını sağlar. 1 mm'lik yan kılcal damarı kullanırken, kılcal duvar yerden daha yakındır ve sıvı genellikle orada boşalma eğilimindedir ve bu da tekrarlanamayan sonuçlara yol açar.
    1. Kare kılcal damarı yaklaşık 4 cm uzunluğa kadar kesmek için bir elmas yazıcı veya başka bir alet kullanın. Cam parçacıklarını çıkarmak için suyla durulayın. Havanın kurumasına izin verin. Dağılmış faz su bazlı bir sıvı, aksi takdirde hidrofilik ise hidrofobik hale getirin.
    2. Küçük bir ucu olan iki yarım kılcal damar elde edene kadar pipet çekme makinesi ile yuvarlak bir kılcal damar çekin.
    3. Yarım kılcal damarlardan birinin ucunu istenen çapa (20-80 μm) kesmek için bir mikroforge kullanın. Daha büyük çaplar için seramik karo kullanabilirsiniz. Yağ emülsiyonlarındaki su için, ucun dışını hidrofobik hale getirin.
    4. Diğer yarım kılcal damarı toplayıcı kılcal damar olarak kullanın. Bunu yapmak için, orijinal düz uçların geri kazanılması için çekilen ucu kesin.
    5. İki yuvarlak kılcal damarı yaklaşık 4-5 cm uzunluğunda olacak şekilde kesin (slayttan daha kısa tutun). Kesme işlemi sırasında oluşan kalıntıları gidermek için bunları temizleyin. Bir şırınga kullanarak onları deiyonize suyla yıkayın. Hava onları kurutur.
    6. Kare kılcal damarı slaytlara yapıştırın (bkz. Şekil 7B). Slaytlara göre ortalamayın; slaytların eklemi görüntüleme bölgesinde olmamalıdır. Uçlarına neredeyse kürlenmiş epoksinin bir dabını (yayılmasını önlemek için) koyun.
    7. Ucu ve toplayıcı kılcal damarları kare kılcal damarın içine yerleştirin. Slaytlar arasındaki eklemi önlemek için her iki ucu da - kollektörün ucu ve bir ucu - aynı slayda yerleştirin (bkz. Şekil 7C). Uç ve toplayıcı arasındaki mesafe yaklaşık 2 mm'dir. Bu mesafeyi ölçmek için mikroskop kullanın.
      NOT: Bu mesafe, sıvıları pompalamak için kullandığınız tekniğe bağlı olacaktır. Nihai hedef, uç ile sıvı karşı elektrot arasında yaklaşık 1 mm'lik bir mesafeye sahip olmaktır.
    8. Kılcal damarlar doğru mesafede olduğunda, bir miktar epoksi kullanarak slayta yapıştırın. İlgilenilen bölgeyi epoksi ile örtmemeye dikkat edin, çünkü mikroskopta görselleştirmeyi zorlaştırır.
  3. Kılcal damarların açık uçlarına bağlantılar oluşturmak için, bu uçları kaplayan iğneleri konumlandırın. Cihaz başına dört iğne gereklidir.
    1. İğnelerin tabanını kılcal damarların üzerine sığacak şekilde kesmek için bir tıraş bıçağı veya neşter kullanın. Yuvarlak kılcal damarların ucuna bir iğne sığdırmak için iğnenin tabanında yuvarlak bir delik açın.
    2. Kare kılcal damarın sonuna sığdırmak için, bu eklemi yerleştirmek için iğnenin tabanında yuvarlak ve kare delikler açın. Her iki deliğin de hizalandığından emin olun, böylece yuvarlak ve kare kılcal damarlar iğnenin içine takılabilir.
    3. Toz ve lifleri kesimden uzaklaştırmak için iğneleri suyla durulayın. Hava onları kurutur.
  4. İğneleri yapıştırın. 1.5.2'deki adımları izleyin. Cihazı sızıntılara karşı test etmeden önce epoksinin gece boyunca iyileşmesine izin verin.
  5. Cihazı sızıntılara karşı test etmek için aşağıda özetlenen adımları izleyin.
    1. Bir bağlayıcı klips tarafından tutulan bükülmüş bir boru parçası kullanarak iğnelerden ikisini kapatın. İğnelerden birinden deiyonize su pompalayın ve sonuncusunu çıkış olarak kullanın. Suyu cihaza manuel olarak pompalamak için bir şırınga ve ilgili iğneyi kullanın.
    2. Herhangi bir sızıntı gözlenmezse, bir sonraki iğneden pompalayın. Su dört iğnenin hepsinden geçene kadar işlemi tekrarlayın. Bir sızıntı bulunması durumunda, cihazı iyice kurutun, epoksi uygulayın ve tekrar test etmeden önce en az 1 saat bekleyin.
  6. Cihazı aşağıda açıklandığı gibi doldurun ve sistemde istenmeyen salınımlara neden olabileceğinden hava kabarcıklarını çıkarın. Kabarcıkları çıkarmak için, deiyonize su ile iki yarı dolu şırınga kullanın. İğnelerin ve kılcal damarların içinde sıkışan havayı cihazdan dışarı yönlendirmek için şırıngaları itin ve çekin.
    1. Deneyde kullanılacak sıvılarla şırıngalar hazırlayın. Yukarıda açıklandığı gibi şırıngalardan kabarcıkları çıkarın. Şırınga iğnesine bir tüp parçası bağlayın ve tüm havayı gideren sıvı ile doldurun.
    2. Boruyu cihaza bağlamak için, test için kullanılan boruyu cihaz iğnelerinden birinden çıkarın ve bağlı su şırıngalarından birini kullanarak su pompalayın, böylece iğne su damlıyor.
    3. Aynı zamanda, borunun istenen sıvı ile damlamasını sağlayın. Her iki uç da damlamakta olduğundan, bağlandığında hava girmez. Bu işlemi diğer iki şırıngayla tekrarlayın, böylece cihazdaki tek serbest iğne çıkıştır.
  7. İç sıvı (dağılmış faz) şırıngayı iğne 1'e, dış sıvıyı (sürekli faz) iğne 2'ye ve toplayıcı sıvıyı (karşı elektrot) iğne 4'e bağlayın. İğne 3 çıkıştır (bkz. Şekil 8).
  8. Güç kaynağını, uç ve toplayıcı sıvı arasında potansiyel bir fark belirlemek için iç ve toplayıcı sıvıları besleyen iğnelere ( Şekil 8'deki iğne 1 ve 4) bağlayın.
    NOT: İğne metalik olduğundan ve bu iletken sıvılarla temas ettiğinden, uç ile toplayıcı menisküs arasındaki potansiyel farkı belirleyen sıvı teller gibi davranırlar. Bahsedilen cihaz boyutları için, potansiyel fark 0 ila 2,5 kV arasında değişecektir.
  9. Laboratuvar ekipmanına bağlı olarak sıvıları iki olası yoldan birini kullanarak pompalayın: sıvıların akış hızını sabitleyecek yüksek basınçlı şırınga pompaları kullanın veya sıvıların basıncını sabitleyecek basınç kutuları kullanın.
  10. Bu yöntemlerden biri seçildikten sonra, dış ve iç akış hızlarını istenen değerlere sabitleyin ve mesafeyi, L'yi sabit tutmak için sıvı toplayıcının akış hızını (veya basıncını) ayarlayın (bkz. Şekil 9).

figure-protocol-6
Şekil 7: Kılcal damarlar bir elektro-koflow cihazı üzerinde adım adım nasıl konumlandırılır . (A) İki mikroskop slaytını birleştiren cihaz için cam tabanın oluşturulması. Renkli parçalar, yapıştırıldıktan sonra iki mikroskop slaytını bir arada tutan kesilmiş cam parçalarıdır. (B) Kare kılcal damarın iki monte edilmiş mikroskop slaytı üzerindeki optimal konumu. (C) Elektro-koflow deneyleri için yuvarlak kılcal damarların konumlandırılması. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-7
Şekil 8: Elektro-koakış cihazı . (A) Bir elektro-koflow cihazının fotoğrafı. (B) Bir elektro-koflow cihazının taslağı. Sayılar (1) iç sıvının, (2) dış sıvının, (3) cihazın çıkışının ve (4) sıvı toplayıcının/toprağının girişini gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-8
Şekil 9: Bir elektro-koflow deneyi sırasında uç ve sıvı karşı elektrotun resmi. Uç toplayıcı mesafesi, L, işaretlenmiştir. Ölçek çubuğu 100 μm'ye karşılık gelir. Mikroskop büyütme 4x. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

4. Temizleme prosedürleri

  1. Tüm toz ve yağı temizlemek için kılcal damarları ve mikroskop slaytlarını asetonda tutun. Herhangi bir yağ parçacığı veya toz, mikron boyutundaki uçları tıkayabilir. 10 ila 100 μm arasındaki uç boyutları için 4x ila 20x büyütme mikroskobu ile imalat sırasında her adımdan sonra tıkanma uçlarını kontrol edin.
  2. Kullanmadan önce deiyonize suyu borudan pompalayın. Bir şırınga ve iğne kullanın ve istenmeyen herhangi bir parçacığın tüpün içinden cihaza geçmesini ve ucun tıkanmasını önlemek için suyu manuel olarak pompalayın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Bu yazıda, damla üretmek için üç farklı cihaz tasarlanmıştır. Adım 1'de açıklanan cihazı kullanarak (3,29 ± 0,08) mm (Şekil 4B) ve (1,75 ± 0,04) mm (Şekil 4C) boyutunda damlalar ürettik. Emülsiyon damlaları, coflow ve elektro-coflow cihazları kullanılarak üretilebilir. İkincisi için, Şekil 9'da damlamayı gösterirken, koni-jet ve kırbaç modları sırasıyla Şekil 10 ve Şekil 11'de

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Üç farklı cam bazlı cihaz üretme protokolü yukarıda açıklanmıştır. Cihazın basit damlalar üretmesi durumunda, akış hızı ve sıvı özellikleri, kontrollü bir şekilde damlalar üretmek için çok önemlidir. Damlama rejiminde uçta veya jetleme rejiminde jetin sonunda damlalar oluşacaktır. Damlamadan püskürtmeye geçiş, boyutsuz Weber sayısı We23 tarafından parametrize edilir. Bu sayı, atalet ve yüzey gerilim kuvvetleri arasındaki oranı temsil eder), burada ρ sıvının yoğunluğudur, γ ara yüzey geril...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.

Teşekkürler

ACS PRF (hibe 60302-UR9), Agrobio S.L. (sözleşme No. 311325) ve MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE (hibe No. PID2021-122369NB-I00).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
2- [metoksi (polietilenoksi) 6-9propil] trimetoksisilan.GelestSIM6492.7
Seramik karoSutterCTS
Etilen glikolFisherBP230Bunlar Sigma-Aldrich
HexaneSigma- Aldrich34859şirketlerde bulunabilir Diğer satıcılarda mevcuttur
ITW Polimerler Yapıştırıcılar Devcon 5 Dakika Epoksi Yapıştırıcı 25 mL Dev-TubeEllsworth yapıştırıcılar470740
MicroforgeNarishigeMF 830
Mikropipet çektirme SutterP97
Mikroskop slaytlarıFisher12-544-1Diğer satıcılarda mevcut
İğne 20 Ölçer, .0255 "ID, .0355" OD, 1/2 "UzunMcMaster75165A677
SDSSigma-aldrich428015Yüzey Aktif
Madde Silikonu yağClearcoPSF-10cStKatalog numarası 10cSt viskozite yağına karşılık gelir. Bu şirkette farklı viskozite yağları bulunabilir
Span 80FisherS0060500Giyonik olmayan yüzey aktif madde
Kare cam kılcal 2 mm iç çap (borosilikat 300 veya 600 mm uzunluğunda)VitroComS 102
Standart Cam Kılcal Damarlar, 6 inç, 2 / 1.12 OD/IDDünya Hassas aletler1B200-6Bunlar Sutter veya Vitrocom gibi diğer şirketlerde bulunabilir
Şırınga pompasıChemyxFUSION 100-XBu model iyi bir kalite/fiyat oranına sahiptir
Şırıngalar (sıvılarla uyumluluğa bağlı olacaktır)FisherKatalog numarası boyuta bağlı olacaktır
Trimetoksi (oktil) silanSigma- Aldrich376221Diğer satıcılarda mevcuttur
Boru (sıvılarla uyumluluğa bağlı olacaktır)Bilimsel ürünlerBB3165-PE / 5Bu referans polietilen mikro borular içindir. Boyut, burada listelenen iğne boyutuna uyar
gibi diğer .

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Cam Mikroak kanlarEm lsiyon Damlac klarDamlac k retimiE Ak l CihazElektrikli E AkHidrofobik Y zeylerr nga PompasK lcal HizalamaAk OdaklamaMonodispers Em lsiyonlar

İlgili makaleler