התקנים מבוססי זכוכית ליצירת טיפות ותחליבים

Summary

כאן, מוצג פרוטוקול לייצור התקנים מיקרופלואידיים מבוססי זכוכית המשמשים ליצירת תחליבי מונודיספראז גבוהים עם גודל טיפה מבוקר.

Abstract

בכתב יד זה מתוארים שלושה פרוטוקולים שונים שלב אחר שלב ליצירת טיפות תחליב חד-ממדיות מאוד באמצעות מיקרופלואידיקה מבוססת זכוכית. המכשיר הראשון בנוי ליצירת טיפות פשוטות המונעות על ידי כוח הכבידה. המכשיר השני נועד ליצור טיפות תחליב בסכמת זרימה משותפת. המכשיר השלישי הוא הרחבה של התקן coflowing עם תוספת של נוזל שלישי הפועל כקרקע חשמלית, המאפשר היווצרות של טיפות חשמליות כי לאחר מכן לפרוק. במערך זה, לשניים משלושת הנוזלים יש מוליכות חשמלית ניכרת. הנוזל השלישי מתווך בין שני אלה והוא דיאלקטרי. הפרש מתח המופעל בין שני הנוזלים המוליכים יוצר שדה חשמלי המשתלב עם לחצים הידרודינמיים של הנוזלים הזורמים, ומשפיע על תהליך היווצרות הסילון והישורה. התוספת של השדה החשמלי מספקת נתיב ליצירת טיפות קטנות יותר מאשר בהתקני coflow פשוטים וליצירת חלקיקים וסיבים עם מגוון רחב של גדלים.

Introduction

ייצור מבוקר של טיפות בקנה מידה זעיר וננומטרי עם התפלגות גודל צרה היא משימה מאתגרת. טיפות אלה מעניינות את ההנדסה של חומרים רכים עם יישומים רבים במדע וטכנולוגיה 1,2,3,4,4,5,6.

המכשירים הנפוצים ביותר לשיעור הייצור הגבוה של טיפות הם מיקסרים⁷ ותחליבי אולטרסאונד⁸. שיטות אלה הן פשוטות ובעלות נמוכה, אך הן בדרך כלל גורמות לטיפות פולידיספרזה עם מגוון רחב של גדלים. לפיכך, נדרשים צעדים נוספים כדי לייצר דגימות מונודיספרזה. ניתן לתכנן התקנים מיקרופלואידיים באופן שונה כדי לספק דרך יעילה להפיל היווצרות. בנוסף, קצבי הזרימה הנמוכים בדרך כלל המעורבים (כלומר, מספר ריינולדס נמוך) מאפשרים שליטה רבה על זרימת הנוזל.

בעוד שהתקנים מיקרופלואידיים מיוצרים בדרך כלל באמצעות טכניקות ליתוגרפיות עם פולי(דימתיל) סילוקסן (PDMS), כתב יד זה מתמקד בהתקנים נימיים מבוססי זכוכית. התקני PDMS נבחרים בדרך כלל בשל יכולתם לתכנן תבניות ערוצים מורכבות ובגלל מדרגיותם. מכשירי זכוכית, לעומת זאת, הם קשיחים ובעלי עמידות ממסים גדולה יותר ממקביליהם ב- PDMS. בנוסף, ניתן לשנות זכוכית כדי לשנות את יציבות הרטיבות שלה, המאפשרת שליטה בדור של תחליבים מורכבים. היכולת לטפל באופן עצמאי בקירות הזרבובית והתעלה מאפשרת היווצרות של טיפות באופן מבוקר וניתן לשחזור, תוך הבטחת היציבות של האמולסיות המתקבלות אם הטיפות היו נוגעות בקירות⁹; אחרת הטיפות עלולות להתלכד ולהצטבר בקיר. הבדל נוסף בין שני סוגי ההתקנים הללו הוא שבהתקנים מבוססי זכוכית, הזרימה היא תלת-ממדית, בעוד שהיא מישורית בהתקני PDMS קונבנציונליים. עובדה זו ממזערת את המגע טיפתי עם דפנות הערוץ, כך שניתן להזניח את השפעת קווי המגע¹⁰, ובכך להגן על היציבות של טיפות תחליב מרובות.

איור 1: תצורות שונות של התקנים מיקרופלואידיים. שרטוטים של (A) צומת T, (B) התקן coflowing ו-(C) התקן ממוקד זרימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

ישנן שלוש גיאומטריות עיקריות בשימוש, כלומר T-צומת¹¹, מיקוד זרימה^12,13, ו coflow¹⁴. בגאומטריה של צומת T, הפאזה המפוזרת הכלולה בתעלה ניצבת מצטלבת בניצב עם הערוץ הראשי המאכלס את הפאזה הרציפה. לחץ הגזירה המופעל על ידי השלב הרציף שובר את הנוזל המפוזר הנכנס וכתוצאה מכך יורד. הטיפות הנוצרות מוגבלות בגודלן הנמוך יותר על ידי מידות הערוץ הראשי¹¹. בגאומטריה של מיקוד הזרימה, שני הנוזלים נדחפים דרך פתח קטן הממוקם מול צינור ההזרקה. התוצאה היא היווצרות של סילון, שהוא הרבה יותר קטן מצינור ההזרקה^12,13. לבסוף, לגיאומטריית הקו-זרימה יש תצורה המאופיינת בזרימה קואקסיאלית של שני נוזלים בלתי ניתנים להפרדה¹⁴. באופן כללי, ניתן לצפות בטפטוף ובטיסה בהתאם לתנאי ההפעלה. משטר הטפטוף מתרחש בקצבי זרימה נמוכים והטיפות המתקבלות הן חד-ממדיות מאוד וקוטרן פרופורציונלי לגודל הקצה. החיסרון הוא תדירות הייצור הנמוכה שלה. משטר הסילון מתרחש בקצבי זרימה גבוהים יותר בהשוואה למשטר הטפטוף. במקרה זה, קוטר הצניחה הוא ביחס ישר לקוטר הסילון אשר יכול להיות קטן בהרבה מקוטר הקצה בתנאים הנכונים.

חלופה לגישות הידרודינמיות אלה מסתמכת על שימוש נוסף בכוחות חשמליים. Electrospray היא טכניקה ידועה ונפוצה ליצירת טיפות. הוא מבוסס על העיקרון שנוזל בעל מוליכות חשמלית סופית יתעוות בנוכחות שדה חשמלי חזק. הנוזל יאמץ בסופו של דבר צורה חרוטית הנובעת מהאיזון בין מתח חשמלי למתח פני השטח¹⁵. התהליך מתחיל בכך שהשדה החשמלי גורם לזרם חשמלי בנוזל שגורם למטענים להצטבר על פני השטח. נוכחות השדה החשמלי גורמת לכוח חשמלי במטענים אלה, אשר גורר את הנוזל לאורך, ומאריך את המניסקוס לכיוון השדה. בתנאים שונים, המניסקוס יכול להשיל את הטיפות הטעונות או לפלוט סילון אחד או יותר אשר לאחר מכן לפרוץ לטיפות¹⁵. למרות ששיטות מיקרופלואידיות אלה בסיוע חשמלי מאפשרות באופן טבעי יצירת טיפות קטנות, הן סובלות מהיעדר פעולה במצב יציב הפוגעת במונודיספריות האמולסיה. הטיפות הטעונות המתקבלות נוטות לפרוק על הקירות המגבילים ו/או בכל מקום במכשיר שבו הפוטנציאל החשמלי נמוך מהמתח החיצוני המוטל. לפיכך, המניסקוס המחושמל הופך לבלתי יציב, ובסופו של דבר פולט טיפות בצורה כאוטית וגורם לייצורן הבלתי מבוקר ולאובדן המונודיספרסיות הבלתי מבוקרת שלהן.

ב- electro-coflow, הלחצים החשמליים וההידרודינמיים מצומדים בהתקן מיקרופלואידי של coflow¹⁶ הדומה לזה המשמש ליצירת תחליבים כפולים¹². שתי תכונות עיקריות מאפשרות לאלקטרו-קו-זרימה להצליח להגיע למשטר פליטה במצב יציב: (i) הפאזה המפוזרת נפלטת לנוזל צמיג אחר, ו-(2) שימוש באלקטרודה נגדית נוזלית או בקרקע. נוזל חיצוני זורם הוכיח את עצמו כמשנים את התכונות הגיאומטריות של תהליך פליטת הטיפה¹⁷. אלקטרודת הנגד הנוזלית מאפשרת פריקה ומיצוי של הטיפות המתקבלות, ומבטיחה יצירת מצב יציב של טיפות. בנוסף, על ידי ניצול האיזון בין הכוחות החשמליים וההידרודינמיים, גדלי הירידה המתקבלים יכולים להשתנות בטווח רחב יותר מהגדלים שניתן לכסות על ידי כל אחת מהטכניקות שהוזכרו קודם לכן.

פרוטוקול וידאו מפורט זה נועד לסייע למתרגלים חדשים בשימוש וייצור של מיקרופלואידיקה מבוססת זכוכית.

Protocol

1. ביצוע טיפות פשוטות

1. להכנת טיפות פשוטות, השתמש בבסיס זכוכית המיוצר עם שקופית מיקרוסקופ (76.2 מ"מ x 25.4 מ"מ) כדי לבנות את המכשיר. זה מאפשר הובלה קלה והדמיה של הנוזלים דרך הזכוכית.
2. השתמש בנימי זכוכית עגולים עבור הקצה. עבור פרוטוקול זה, השתמש בנימים עגולים בקוטר 1 מ"מ (זמין במגוון רחב של גדלים).
   1. כדי ליצור קצה עם הקוטר הרצוי, משוך את הנימים באמצעות מכונת משיכת מיקרופיפט עד לקבלת שני נימים למחצה עם קצה קטן מאוד (~ 1 מיקרומטר).
   2. השתמש במיקרו-פורג' כדי לחתוך את הקצה לקוטר הרצוי (2-80 מיקרומטר). עבור קטרים גדולים יותר (> 80 מיקרומטר), השתמש באריח קרמיקה אם המיקרופורג ' אינו חותך גדלים אלה.
      הערה: בהתאם לנוזל הרצוי, יהיה צורך לטפל בכוס, כך שהנוזל לא יטפס לאורך החלק החיצוני של הקצה.
3. עבור נוזלים על בסיס מים, להפוך את החלק החיצוני של הקצה הידרופובי. עבור נוזלים על בסיס שמן, כאשר החלק החיצוני של הקצה נמצא במגע עם מים, להפוך את החלק החיצוני של הקצה הידרופילי. ראה שלב 2.3 לטיפול בזכוכית.
4. השתמש במחט מזרק (20 G) כדי להקל על החדרת הנוזל לתוך הנימים. גילפו חור - בגודל הקוטר החיצוני של הנימים - בבסיס המחט באמצעות סכין גילוח או אזמל.
5. שטפו את המחט במים כדי להסיר את כל האבק והסיבים מהחיתוך. ייבשו אותם באוויר.
6. כדי להרכיב, הדביקו את הנימים העגולים למגלשת המיקרוסקופ באמצעות אפוקסי יבש ומהיר. מקם את קצה הנימים 1-2 ס"מ מחוץ לקצה שקופית המיקרוסקופ. השתמש רק בגוש של אפוקסי במרכז הנימים. בדרך זו, זה לא יפריע לשדה הראייה או עם מחט המזרק.
   1. הדביקו את מחט המזרק באופן כזה שקצה הנימים יושב במרכז המחט. ראשית, שים כמות קטנה של אפוקסי כמעט מוקשה סביב השפה בתחתית המחט. מניחים את המחט כך שקצה הנימים נמצא במרכז בסיסו.
   2. לאחר מספר דקות, לשים שכבה שנייה של אפוקסי טרי, מכסה את בסיס המחט, הימנעות החור. לבסוף, כסו את החור באפוקסי כמעט מוקשה כדי למנוע מהאפוקסי לזרום בתוך המחטים. עקוב אחר הנחיות יצרן האפוקסי לזמני הקשחה וריפוי.
7. חברו חתיכת צינורות (I.D. x O.D. 0.86 מ"מ x 1.32 מ"מ) למחט. נקו את הצינור לפני שאתם מחברים אותו. יש לשטוף מים שעברו דה-יוניזציה באופן ידני באמצעות מזרק כדי להסיר את השאריות שיוצרו בעת חיתוך הצינורות.
   הערה: חומר הצינורות צריך להיות תואם לנוזל שבו נעשה שימוש בניסויים. הצינורות צריכים להיות ארוכים מספיק כדי להיות מסוגלים לחבר את המכשיר ואת מערכת השאיבה.
8. לבדיקת המכשיר, שאב מים שעברו דה-יוניזציה דרך המחט ובדקו אם יש דליפות. השתמש במזרק ובמחט המתאימה לו כדי לשאוב את המים באופן ידני. במקרה של דליפה, יש לייבש היטב את המכשיר. יש למרוח אפוקסי ולהמתין לפחות שעה אחת לפני הבדיקה שוב.
9. ליצירת טיפות, באמצעות מהדק, הניחו את המכשיר במצב אנכי כך שהקצה פונה כלפי מטה כמו בברז מטבח. השתמש במשאבת מזרק או בהתקנה מונעת לחץ כדי לשאוב את הנוזל לתוך המכשיר.
10. אספו טיפות על ידי הנחת הקצה בתוך או בקבוקון עם נוזל עם הכמות המתאימה של חומר פעילי שטח. לדוגמה, עבור שמן סיליקון 10cSt כנוזל פנימי, השתמש בפאזה רציפה של 16 mM נתרן דודציל סולפט (SDS) במים.
    1. עבור טיפות שמן במים, על מנת להגביר את יציבות הטיפות, יש להוסיף שכבה של שמן צמיג על גבי אמבט האיסוף לפני ביצוע האמולסיה. עבור טיפות מים בשמן, השתמש בחומר פעילי שטח שאינו יוני בשמן כדי לייצב את הטיפות.

איור 2: מחט מגולפת. מחט עם חור חקוק בבסיסו כדי להתאים לנימי עגול. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 3: התקן ליצירת טיפות פשוטות. סכמות של מכשיר ליצירת טיפות פשוטות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 4: איסוף טיפות פשוטות. (B) מבט עליון על שבה נאספו טיפות שמן סיליקון 10cSt ב-16 mM SDS בתמיסת מים, המיוצרת עם קצה של 580 מיקרומטר. גודל הטיפה הוא (3.29 ± 0.08) ממ. (C) מבט עליון על שבה נאספו טיפות שמן סיליקון 10cSt בתמיסת מים 16 mM, המיוצר עם קצה 86 מיקרומטר. גודל הירידה הוא (1.75 ± 0.04) מ"מ אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

2. ביצוע טיפות תחליב באמצעות ערכת זרימה משותפת

הערה: ההתקן בנוי באופן דומה למכשיר המתואר בשלב 1.

1. בנה את המכשיר על בסיס זכוכית העשוי משקופית מיקרוסקופ (76.2 מ"מ x 25.4 מ"מ). זה מאפשר הובלה קלה והדמיה של הנוזלים דרך הזכוכית.
2. השתמש בנימי עם חתך מרובע (נימי ריבוע) לנוזל החיצוני (פאזה רציפה של האמולסיה) באורך של כ -5 ס"מ. עבור פרוטוקול זה, השתמש בנימים עגולים בקוטר 1 מ"מ (זמין במגוון רחב של גדלים).
3. עבור טיפול בזכוכית, בהתאם לנוזל הפנימי שנבחר (פאזה מפוזרת), להפוך את הצד הפנימי של הנימים הריבוע הידרופוביים או הידרופיליים. הטיפול יעזור למנוע טיפות תקועות בכוס ומפריעות להיווצרותן של טיפות חדשות.
   1. להכנת זכוכית הידרופובית, נקו את הנימים על ידי הכנסתם לבקבוקון עם אצטון באמבט האולטרסאונד למשך 10-15 דקות. יש לשטוף אותם באצטון או באתנול (אף פעם לא במים). יבשו אותם.
   2. הכינו בקבוקון נקי ויבש (יבש בעצמות) המכיל טולואן (או הקסאן) של 10 מ"ל + 20 μL של תמיסת טרימתוקסי(אוקטיל)סילאן. שמור את הנימים בתמיסה במשך 2 שעות. יש לשטוף את הנימים באותו ממס המשמש לתמיסה.
   3. יש לשטוף שוב באצטון. יבש עם אוויר. אופים אותם בתנור במשך 30 דקות בערך 70 מעלות צלזיוס.
      הערה: קשה ליישם תהליך זה עבור עצות המכשיר מבלי לשבור אותם.
   4. כדי לטפל בקצות המכשיר, טבלו אותם בתמיסה של תמיסת טולואן וטרימתוקסי(אוקטיל)סילאן למשך מספר שניות. הסר כל פתרון עודף. אפשרו לייבש את האוויר.
   5. להכנת זכוכית הידרופילית, חזור על אותם שלבים (2.3.1-2.3.4) כמו במקרה ההידרופובי אך עם תמיסה של 10 מ"ל של אצטון + 20 μL של 2-[מתוקסי(פוליאתילנוקסי)6-9 פרופיל] טרימתוקסיסיסילן.
4. השתמש בנימי זכוכית עגולים עבור הקצה. התאימו את הקוטר החיצוני של הנימים לגודל הפנימי של הנימים המרובעים. זה מבטיח ששני הנימים מיושרים באופן קואקסיאלי. ודא שאורך הנימי העגול ארוך בכמה סנטימטרים מהנימי המרובע.
5. בהתאם לנוזל המפוזר, טפלו בזכוכית, כך שהנוזל לא יטפס לאורך החלק החיצוני של הקצה.
6. הרכיבו על ידי הדבקת הנימים המרובעים לשקופית המיקרוסקופ באמצעות אפוקסי יבש ומהיר. מקם את קצה הנימים 1-2 ס"מ מחוץ לקצה שקופית המיקרוסקופ (ראו איור 6A).
7. השתמש בדאב של אפוקסי במרכז הנימים, כך שהוא לא יפריע בשדה הראייה או במחט המזרק. חכו עד שזה ירפא לגמרי. שימו לב שגם עבור אפוקסי יבש מהיר, היצרן ממליץ על 24 שעות עבור החומר כדי לרפא לחלוטין.
8. הכניסו את הנימים העגולים לתוך הנימים המרובעים כך שהקצה יישאר כמה סנטימטרים מחוץ לקצה הנימים המרובעים.
9. מקם את הקצה השני (מחוץ לשקופית המיקרוסקופ) בתוך הנימים המרובעים במרחק החופף בערך לקצה הנימים המרובעים (ראו איור 6B).
10. הדביקו את הנימים באמצעות דאב של אפוקסיה באמצע המרחק שבין סוף הנימי לתחילתו של הנימי הריבועי. חכו עד שזה ירפא לגמרי.
11. בצע את השינויים הבאים בשתי המחטים הנדרשות כדי להציג את הנוזל.
12. כדי לשכן את הנימי בבסיס המחט, תגלפו חור בבסיס הכובע העגול, שגודלו בקוטר החיצוני של הנימים (ראו איור 2). כדי להתאים את המחט השנייה בקצה הנימים המרובעים, גלפו חורים עגולים ומרובעים בבסיס המחט כדי להכיל את המפרק.
13. יש לוודא ששני החורים מיושרים כך שניתן יהיה להתקין את הנימים העגולים והמרובעים בתוך המחט. יש לשטוף את המחטים במים כדי להסיר את כל האבק והסיבים מהחיתוך. ייבשו אותם באוויר. הדביקו את המחטים ועקבו אחר הפרוטוקול שכבר תואר ב-1.5.2 (ראו איור 6C).
14. חברו את הצינורות (קוטר הבדיקה והחומר התואם) לכל אחת מהמחטים. יש לשטוף את הצינורות לאחר חיתוך אותם כך שכל פסולת וסיבים יוסרו. באופן ידני, השתמש במזרק ובמחט כדי לשאוב את המים. בדוק את המכשיר לאיתור דליפות כמתואר להלן.
    1. סגרו את אחת המחטים על ידי כיפוף חתיכת צינורית ושימוש בתפס קלסר כדי לסגור אותה ביעילות מזרימת נוזלים. לשאוב מים שעברו דה-יוניזציה דרך המחט השנייה. אם לא נצפו דליפות, שאבו דרך המחט השנייה.
    2. אם נמצאה דליפה, יש לייבש היטב את המכשיר, למרוח אפוקסי ולהמתין לפחות שעה אחת לפני הבדיקה שוב.
15. ליצירת טיפות, כמתואר בשלב 1.8, השתמש באחת משתי הדרכים להניע את הנוזלים: תיקון קצבי הזרימה שלהם באמצעות משאבות מזרק, או תיקון הלחץ שלהם באמצעות מיכלים בלחץ.

איור 5: ההשפעות של הטיפול ההידרופובי. הקו האדום מציין את קצה הנימים. (ב) נימים לא מטופלים. הנוזל מרטיב את הנימים כשהוא מטפס מעל הקו האדום. (ד) מטופלים בנימים במים. מים אינם מרטיבים את הנימים במקרה זה. הנוזל נשאר מתחת לקו האדום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 6: התקן זרימה משותפת.(A) מקם את הנימים המרובעים על שקופית המיקרוסקופ. (B) מקם את הנימים העגולים בתוך הריבוע. (C) המכשיר השלם עם מחטי המזרק. (ד) תצלום של המכשיר השלם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

3. יצירת התקן אלקטרו-קו-זרימה

1. כדי לבנות את המכשיר המיקרופלואידי השתמשו בבסיס זכוכית העשוי משקופיות מיקרוסקופ (76.2 מ"מ x 25.4 מ"מ). בשל אורכם, זמן רב מכדי להתאים לשקופית מיקרוסקופ סטנדרטית אחת, השתמש בשקופית מיקרוסקופ אחת וחצי או שתיים.
   1. חתכו שתי חתיכות קטנות של שקופית (כ-1 ס"מ) כדי לשמור על השקופיות יחד, כפי שמוצג באיור 7A. השתמשו באפוקסי כדי להדביק את הכוס. חכו עד שזה ירפא.
2. יישור שני נימים באופן קואקסיאלי. כדי להימנע מהעלות הנוספת של יישור שני נימים עגולים בקטרים שונים, השתמש בנימי ריבוע עם צד פנימי התואם את הקוטר החיצוני של הנימים העגולים. לניסויים באלקטרו-קו-זרימה, השתמש בנימי צד בקוטר 2 מ"מ.
   הערה: נימי הצד של 2 מ"מ גורמים לניסויים האלקטרו-קו-זרימה לעבוד טוב יותר מכיוון שמרחק קצה הקרקע קטן (או דומה) יותר מהמרחק בין הקצה לדופן של הנימים המרובעים. בעת שימוש בנימי הצד של 1 מ"מ, הדופן הנימית קרובה יותר מהקרקע והנוזל נוטה לעתים קרובות לפרוק שם, מה שמוביל לתוצאות שאינן ניתנות לשחזור.
   1. השתמש בסופר יהלום או בכלי זמין אחר כדי לחתוך את הנימים המרובעים לאורך של כ-4 ס"מ. יש לשטוף אותו במים כדי להסיר חלקיקי זכוכית. אפשרו לייבש את האוויר. הפוך אותו להידרופובי אם השלב המפוזר הוא נוזל על בסיס מים, אחרת, הידרופילי.
   2. משכו נימים עגולים עם מכונת משיכה פיפטה עד שתקבלו שני נימים למחצה עם קצה קטן.
   3. השתמש במיקרו-פורג' כדי לחתוך את קצהו של אחד מחצי הנימים לקוטר הרצוי (20-80 מיקרומטר). עבור קטרים גדולים יותר, אתה יכול להשתמש באריח קרמיקה. עבור מים בתחליבי שמן, להפוך את החלק החיצוני של הקצה הידרופובי.
   4. השתמש בחצי השני נימי כנימי אספן. לשם כך, חתכו את הקצה שנמשך כך שהקצוות השטוחים המקוריים יתאוששו.
   5. חותכים את שני הנימים העגולים כך שאורכם יהיה כ-4-5 ס"מ (יש לשמור אותם קצרים יותר מהמגלשה). נקו אותם כדי להסיר את כל השאריות שנוצרו במהלך תהליך החיתוך. שטפו אותם במים שעברו דה-יוניזציה באמצעות מזרק. אוויר לייבש אותם.
   6. הדביקו את הנימים המרובעים לשקופיות (ראו איור 7B). אין למרכז אותו ביחס לשקופיות; המפרק של השקופיות לא צריך להיות באזור הצפייה. שים דאב (כדי למנוע התפשטות) של אפוקסי כמעט נרפא בקצוות.
   7. מניחים את הקצה ואת נימי האספן בתוך הנימים המרובעים. מקם את שני הקצוות - קצה וקצה אחד של האספן - על אותה שקופית, כדי להימנע מהמפרק שבין השקופיות (ראו איור 7C). המרחק בין הקצה לאספן הוא סביב 2 מ"מ. השתמש במיקרוסקופ כדי למדוד מרחק זה.
      הערה: מרחק זה יהיה תלוי בטכניקה שבה אתה משתמש כדי לשאוב את הנוזלים. המטרה הסופית היא שיהיה מרחק של כ-1 מ"מ בין הקצה לאלקטרודה הנגדית הנוזלית.
   8. ברגע שהנימים נמצאים במרחק הנכון, הדביקו אותם למגלשה באמצעות גוש של אפוקסי. היזהרו לא לכסות את אזור העניין עם אפוקסי, מכיוון שזה יקשה על ההדמיה במיקרוסקופ.
3. כדי לייצר חיבורים לקצוות הפתוחים של הנימים, מקם מחטים המכסות את הקצוות הללו. נדרשות ארבע מחטים לכל מכשיר.
   1. השתמשו בסכין גילוח או באזמל כדי לחתוך את בסיס המחטים כך שיתאימו מעל הנימים. צור חור עגול בבסיס המחט כדי להתאים מחט בקצה הנימים העגולים.
   2. כדי להתאים אותו בקצה הנימים המרובעים, צרו חורים עגולים ומרובעים בבסיס המחט כדי להכיל את המפרק הזה. ודא ששני החורים מיושרים כך שניתן יהיה להתקין נימים עגולים ומרובעים בתוך המחט.
   3. יש לשטוף את המחטים במים כדי להסיר את כל האבק והסיבים מהחיתוך. אוויר לייבש אותם.
4. הדביקו את המחטים. בצע את השלבים ב- 1.5.2. אפשרו לאפוקסיה לרפא לילה לפני בדיקת המכשיר לאיתור דליפות.
5. כדי לבדוק אם קיימות דליפות במכשיר, בצע את השלבים המפורטים להלן.
   1. סגרו שתיים מהמחטים באמצעות פיסת צינורות כפופה המוחזקת על ידי קליפס קלסר. לשאוב מים שעברו דה-יוניזציה דרך אחת המחטים ולהשתמש באחרונה כיציאה. השתמש במזרק ובמחט המתאימה לו כדי לשאוב מים באופן ידני לתוך המכשיר.
   2. אם לא נצפו דליפות, שאבו דרך המחט הבאה. חזרו על התהליך עד שהמים יגיעו דרך כל ארבע המחטים. במקרה של דליפה, יש לייבש היטב את המכשיר, למרוח אפוקסי ולהמתין לפחות שעה אחת לפני הבדיקה שוב.
6. מלאו את המכשיר כמתואר להלן והסירו בועות אוויר מכיוון שהן עלולות להכניס תנודות לא רצויות במערכת. כדי להסיר בועות, השתמשו בשני מזרקים מלאים למחצה עם מים שעברו דה-יוניזציה. לדחוף ולמשוך את המזרקים כדי להנחות את האוויר הכלוא בתוך המחטים והנימים אל מחוץ למכשיר.
   1. הכינו מזרקים עם הנוזלים שישמשו בניסוי. הסר את כל הבועות מהמזרקים כמתואר לעיל. חברו חתיכת צינורות למחט המזרק ומלאו אותה בנוזל המוציא את כל האוויר.
   2. כדי לחבר את הצינורות למכשיר, יש להסיר את הצינורות המשמשים לבדיקה מאחת ממחטי המכשיר ולשאוב מים באמצעות אחד ממזרקי המים המחוברים, כך שהמחט תטפטף מים.
   3. במקביל, להפוך את הצינורות לטפטף עם הנוזל הרצוי. מכיוון ששני הקצוות מטפטפים, כאשר הם מחוברים, לא מכניסים אוויר. חזור על תהליך זה עם שני המזרקים האחרים, כך שהמחט החינמית היחידה במכשיר היא היציאה.
7. חברו את מזרק הנוזל הפנימי (פאזה מפוזרת) למחט 1, את הנוזל החיצוני (פאזה רציפה) למחט 2, ואת נוזל הקולט (אלקטרודה נגדית) למחט 4. מחט 3 היא היציאה (ראו איור 8).
8. חברו את ספק הכוח למחטים המזינות את הנוזלים הפנימיים והאספנים (מחטים 1 ו-4 באיור 8) כדי לקבוע הבדל פוטנציאלי בין הקצה לנוזל הקולט.
   הערה: מכיוון שהמחט היא מתכתית, ובמגע עם נוזלים מוליכים אלה, הם פועלים כחוטי נוזל הקובעים את ההבדל הפוטנציאלי בין הקצה לבין המניסקוס של האספן. עבור מידות המכשיר שהוזכרו, ההבדל הפוטנציאלי ינוע בין 0 ל-2.5 קילו-וולט.
9. לשאוב את הנוזלים באמצעות אחת משתי הדרכים האפשריות, בהתאם לציוד המעבדה: השתמש במשאבות מזרק בלחץ גבוה שיקבעו את קצב הזרימה של הנוזלים או ישתמשו במכלי לחץ שיקבעו את לחץ הנוזלים.
10. לאחר שנבחרה אחת מהשיטות הללו, קבעו את קצבי הזרימה החיצוניים והפנימיים לערכים הרצויים והתאימו את קצב הזרימה (או הלחץ) של אספן הנוזלים כדי לשמור על המרחק, L, קבוע (ראו איור 9).

איור 7: כיצד למקם את הנימים על התקן אלקטרו-קו-זרימה צעד אחר צעד. החלקים הצבעוניים הם פיסות הזכוכית החתוכות שלאחר ההדבקה, מחזיקות יחד את שתי שקופיות המיקרוסקופ. (B) המיקום האופטימלי של הנימים המרובעים על שתי שקופיות מיקרוסקופ מורכבות. (C) מיקום הנימים העגולים לניסויים באלקטרו-קו-זרימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 8: התקן אלקטרו-קו-זרימה. (A) תצלום של התקן אלקטרו-קו-זרימה. (B) שרטוט של התקן אלקטרו-קו-זרימה. המספרים מציינים את הקלט עבור (1) הנוזל הפנימי, (2) הנוזל החיצוני, (3) יציאת המכשיר ו-(4) האספן/הקרקע הנוזלי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 9: תמונה של אלקטרודת הנגד של הקצה והנוזל במהלך ניסוי אלקטרו-קו-זרימה. מרחק איסוף הטיפים, L, מסומן. סרגל קנה המידה מתאים ל-100 מיקרומטר. הגדלה של מיקרוסקופ היא 4x. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

4. נהלי ניקיון

1. שמור את הנימים ואת שקופיות המיקרוסקופ באצטון כדי להסיר את כל האבק והשמן. כל חלקיק שמן או אבק עלולים לסתום את הקצוות בגודל מיקרון. בדוק את העצות עבור סתימות לאחר כל שלב במהלך הייצור עם מיקרוסקופ הגדלה של 4x עד 20x עבור גדלי קצה בין 10 ל-100 מיקרומטר.
2. שאבו מים שעברו דה-יוניזציה דרך הצינורות לפני השימוש. השתמשו במזרק ובמחט ושאפו את המים באופן ידני כדי למנוע מכל חלקיק לא רצוי לנסוע מתוך הצינור לתוך המכשיר ולסתום את הקצה.

תוצאות

בכתב יד זה תוכננו שלושה מכשירים שונים ליצירת טיפות. יצרנו טיפות בגודל של (3.29 ± 0.08) מ"מ (איור 4B) ו-(1.75 ± 0.04) מ"מ (איור 4C) באמצעות המכשיר המתואר בשלב 1. ניתן ליצור את טיפות האמולסיה באמצעות הקו-זרימה והתקני האלקטרו-קו-זרימה. עבור האחרונים, אנו מראים טפטוף ...

Discussion

הפרוטוקול לייצור שלושה התקנים שונים מבוססי זכוכית תואר לעיל. במקרה של המכשיר כדי ליצור נפילות פשוטות, קצב הזרימה ותכונות הנוזלים חיוניים ליצירת טיפות באופן מבוקר. טיפות ייווצרו בקצה משטר הטפטוף, או בסוף המטוס במשטר הסילון. המעבר מטפטוף לסילון הוא פרמטריזציה על ידי מספר וובר חסר הממדים, We

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