Glasbasierte Geräte zur Erzeugung von Tropfen und Emulsionen

Zusammenfassung

Hier wird ein Protokoll zur Herstellung von glasbasierten mikrofluidischen Geräten vorgestellt, die zur Erzeugung von hochmonodispersen Emulsionen mit kontrollierter Tropfengröße verwendet werden.

Zusammenfassung

In diesem Manuskript werden drei verschiedene Schritt-für-Schritt-Protokolle zur Erzeugung hochmonodisperser Emulsionstropfen mittels glasbasierter Mikrofluidik beschrieben. Das erste Gerät ist für die Erzeugung von einfachen Tropfen gebaut, die durch die Schwerkraft angetrieben werden. Die zweite Vorrichtung ist so konzipiert, dass Emulsionstropfen in einem Coflow-Schema erzeugt werden. Die dritte Vorrichtung ist eine Erweiterung der Coflowing-Vorrichtung mit dem Zusatz einer dritten Flüssigkeit, die als elektrischer Boden fungiert und die Bildung von elektrifizierten Tropfen ermöglicht, die sich anschließend entladen. In diesem Aufbau haben zwei der drei Flüssigkeiten eine nennenswerte elektrische Leitfähigkeit. Die dritte Flüssigkeit vermittelt zwischen diesen beiden und ist ein Dielektrikum. Eine angelegte Spannungsdifferenz zwischen den beiden leitenden Flüssigkeiten erzeugt ein elektrisches Feld, das mit hydrodynamischen Spannungen der koströmenden Flüssigkeiten koppelt und den Strahl- und Tropfenbildungsprozess beeinflusst. Die Zugabe des elektrischen Feldes bietet einen Weg zur Erzeugung kleinerer Tropfen als in einfachen Coflow-Geräten und zur Erzeugung von Partikeln und Fasern mit einem breiten Größenbereich.

Einleitung

Die kontrollierte Erzeugung von Tropfen im Mikro- und Nanobereich mit einer engen Größenverteilung ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Diese Tropfen sind von Interesse für die Entwicklung weicher Materialien mit vielen Anwendungen in Wissenschaft und Technologie 1,2,3,4,5,6.

Die gebräuchlichsten Geräte für die hohe Produktionsrate von Tropfen sind Mischpulte⁷ und Ultraschallemulsifikatoren⁸. Diese Methoden sind einfach und kostengünstig, führen jedoch typischerweise zu polydispersen Tropfen mit einer Vielzahl von Größen. Daher sind zusätzliche Schritte erforderlich, um monodisperse Proben herzustellen. Mikrofluidische Geräte können unterschiedlich konstruiert werden, um eine effiziente Möglichkeit zur Drop-Formation zu bieten. Darüber hinaus ermöglichen die normalerweise niedrigen Durchflussraten (d. H. Niedrige Reynolds-Zahl) eine gute Kontrolle über den Flüssigkeitsfluss.

Während mikrofluidische Bauelemente üblicherweise mit lithographischen Techniken mit Poly(dimethyl)siloxan (PDMS) hergestellt werden, konzentriert sich dieses Manuskript auf glasbasierte Kapillarbauelemente. PDMS-Geräte werden in der Regel aufgrund ihrer Fähigkeit, komplexe Kanalmuster zu entwerfen, und aufgrund ihrer Skalierbarkeit ausgewählt. Glasgeräte hingegen sind starr und haben eine höhere Lösungsmittelbeständigkeit als ihre PDMS-Gegenstücke. Darüber hinaus kann Glas modifiziert werden, um seine Benetzbarkeit zu ändern, was die Kontrolle der Erzeugung komplexer Emulsionen ermöglicht. Die Fähigkeit, die Düsen- und Kanalwände unabhängig voneinander zu behandeln, ermöglicht die Bildung von Tropfen auf kontrollierte und reproduzierbare Weise und gewährleistet gleichzeitig die Stabilität der resultierenden Emulsionen, wenn die Tropfen die Wände berühren⁹; Andernfalls können die Tropfen zusammenwachsen und sich an der Wand ansammeln. Ein weiterer Unterschied zwischen diesen beiden Arten von Geräten besteht darin, dass bei glasbasierten Geräten der Fluss dreidimensional ist, während er bei herkömmlichen PDMS-Geräten planar ist. Diese Tatsache minimiert den Tropfenkontakt mit den Kanalwänden, so dass der Einfluss von Kontaktlinien vernachlässigt werden kann¹⁰, wodurch die Stabilität mehrerer Emulsionstropfen geschützt wird.

Abbildung 1: Verschiedene mikrofluidische Gerätekonfigurationen. Skizzen von (A) einem T-Übergang, (B) einem Coflow-Gerät und (C) einem Flow-Fokussiergerät. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Es werden drei Hauptgeometrien verwendet, nämlich T-Übergang¹¹, Strömungsfokussierung ^12,13 und Coflow¹⁴. In der T-Sperrschichtgeometrie schneidet die im Kanal enthaltene disperse Phase senkrecht den Hauptkanal, der die kontinuierliche Phase beherbergt. Die von der kontinuierlichen Phase ausgeübte Schubspannung unterbricht die einströmende dispergierte Flüssigkeit, was zu Tropfen führt. Die erzeugten Tropfen sind in geringerer Größe durch die Abmessungen des Hauptkanals¹¹ begrenzt. In der Strömungsfokussierungsgeometrie werden die beiden Flüssigkeiten durch eine kleine Öffnung gedrückt, die sich vor dem Einspritzrohr befindet. Das Ergebnis ist die Bildung eines Strahls, der viel kleiner ist als das Einspritzrohr^12,13. Schließlich hat die Coflow-Geometrie eine Konfiguration, die durch die koaxiale Strömung von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten¹⁴ gekennzeichnet ist. Generell kann je nach Betriebsbedingungen Tropfen und Jetting beobachtet werden. Das Tropfregime tritt bei niedrigen Durchflussraten auf und die resultierenden Tröpfchen sind sehr monodispers und haben einen Durchmesser, der proportional zur Spitzengröße ist. Der Nachteil ist die geringe Produktionsfrequenz. Das Jetting-Regime tritt bei höheren Durchflussraten im Vergleich zum Tropfregime auf. In diesem Fall ist der Falldurchmesser direkt proportional zum Durchmesser des Strahls, der unter den richtigen Bedingungen viel kleiner sein kann als der Durchmesser der Spitze.

Eine Alternative zu diesen hydrodynamischen Ansätzen beruht auf der zusätzlichen Nutzung elektrischer Kräfte. Elektrospray ist eine bekannte und weit verbreitete Technik zur Erzeugung von Tröpfchen. Es basiert auf dem Prinzip, dass sich eine Flüssigkeit mit einer endlichen elektrischen Leitfähigkeit in Gegenwart eines starken elektrischen Feldes verformt. Die Flüssigkeit nimmt schließlich eine konische Form an, die sich aus dem Gleichgewicht zwischen elektrischen und Oberflächenspannungsspannungen¹⁵ ergibt. Der Prozess beginnt mit dem elektrischen Feld, das einen elektrischen Strom in der Flüssigkeit induziert, der dazu führt, dass sich an der Oberfläche Ladungen ansammeln. Das Vorhandensein des elektrischen Feldes führt zu einer elektrischen Kraft auf diese Ladungen, die die Flüssigkeit mitzieht und den Meniskus in Richtung des Feldes verlängert. Unter verschiedenen Bedingungen kann der Meniskus entweder die geladenen Tropfen abwerfen oder einen oder mehrere Jets emittieren, die dann in Tropfen¹⁵ zerbrechen. Obwohl diese elektrisch unterstützten mikrofluidischen Methoden auf natürliche Weise die Erzeugung kleiner Tropfen ermöglichen, leiden sie unter einem Mangel an einem stationären Betrieb, der die Emulsionsmonodispersität beeinträchtigt. Die resultierenden geladenen Tropfen neigen dazu, sich an den einschließenden Wänden und / oder überall im Gerät zu entladen, wo das elektrische Potential niedriger ist als die auferlegte externe Spannung. So wird der elektrifizierte Meniskus instabil, emittiert schließlich auf chaotische Weise Tropfen und verursacht ihre unkontrollierte Produktion und den Verlust der Monodispersität.

Im Elektro-Coflow werden die elektrischen und hydrodynamischen Spannungen in einer coflow-Mikrofluidikvorrichtung¹⁶ gekoppelt, ähnlich der, die zur Erzeugung von Doppelemulsionen¹² verwendet wird. Zwei Hauptmerkmale ermöglichen es, dass der Elektro-Coflow erfolgreich ein stationäres Emissionsregime erreicht: (i) die dispergierte Phase wird in eine andere coflowende viskose Flüssigkeit ausgestoßen und (ii) die Verwendung einer flüssigen Gegenelektrode oder eines Mahlguts. Eine fließende äußere Flüssigkeit hat nachweislich die geometrischen Eigenschaften des Tropfenemissionsprozesses^{verändert 17}. Die flüssige Gegenelektrode ermöglicht die Entladung und Extraktion der resultierenden Tropfen, wodurch die stationäre Erzeugung von Tropfen sichergestellt wird. Darüber hinaus können die resultierenden Tropfengrößen durch die Ausnutzung des Gleichgewichts elektrischer und hydrodynamischer Kräfte möglicherweise in einem breiteren Bereich variieren als die Größen, die von einer der zuvor genannten Techniken abgedeckt werden können.

Dieses detaillierte Videoprotokoll soll neuen Praktikern bei der Verwendung und Herstellung von glasbasierter Mikrofluidik helfen.

Protokoll

1. Einfache Tropfen machen

1. Um einfache Tropfen herzustellen, verwenden Sie eine Glasbasis mit einem Objektträger (76,2 mm x 25,4 mm), um das Gerät zu bauen. Dies ermöglicht einen einfachen Transport und eine Visualisierung der Flüssigkeiten durch das Glas.
2. Verwenden Sie eine runde Glaskapillare für die Spitze. Verwenden Sie für dieses Protokoll runde Kapillaren mit einem Durchmesser von 1 mm (in einer Vielzahl von Größen erhältlich).
   1. Um eine Spitze mit dem gewünschten Durchmesser herzustellen, ziehen Sie die Kapillare mit einer Mikropipetten-Zugmaschine, bis zwei halbe Kapillaren mit einer sehr kleinen Spitze (~ 1 μm) erhalten sind.
   2. Verwenden Sie eine Mikroschmiede, um die Spitze auf den gewünschten Durchmesser (2-80 μm) zu schneiden. Für größere Durchmesser (> 80 μm) verwenden Sie eine Keramikfliese, wenn die Mikroschmiede diese Größen nicht schneidet.
      HINWEIS: Abhängig von der gewünschten Flüssigkeit muss das Glas behandelt werden, damit die Flüssigkeit nicht an der Außenseite der Spitze entlang klettert.
3. Für Flüssigkeiten auf Wasserbasis machen Sie das Äußere der Spitze hydrophob. Bei Flüssigkeiten auf Ölbasis, wenn die Außenseite der Spitze in Kontakt mit Wasser ist, machen Sie die Außenseite der Spitze hydrophil. Siehe Schritt 2.3 für die Glasbehandlung.
4. Verwenden Sie eine Spritzennadel (20 G), um das Einbringen der Flüssigkeit in die Kapillare zu erleichtern. Schnitzen Sie ein Loch - von der Größe des Außendurchmessers der Kapillare - an der Basis der Nadel mit einer Rasierklinge oder einem Skalpell.
5. Spülen Sie die Nadel mit Wasser ab, um Staub und Fasern vom Schneiden zu entfernen. Trocknen Sie sie an der Luft.
6. Um zu montieren, kleben Sie die runde Kapillare mit schnell trocknendem Epoxidharz auf den Objektträger. Legen Sie die Spitze der Kapillare 1-2 cm außerhalb des Endes des Objektträgers. Verwenden Sie nur einen Klecks Epoxidharz in der Mitte der Kapillare. Auf diese Weise wird es das Sichtfeld oder die Spritzennadel nicht stören.
   1. Kleben Sie die Spritzennadel so, dass das Ende der Kapillare in der Mitte der Nadel sitzt. Legen Sie zuerst eine kleine Menge fast gehärtetes Epoxidharz um den Rand an der Unterseite der Nadel. Platzieren Sie die Nadel so, dass sich das Ende der Kapillare in der Mitte ihrer Basis befindet.
   2. Nach einigen Minuten eine zweite Schicht frisches Epoxidharz auftragen, die den Nadelboden bedeckt und das Loch vermeidet. Decken Sie schließlich das Loch mit fast gehärtetem Epoxidharz ab, um zu verhindern, dass das Epoxidharz in die Nadeln fließt. Befolgen Sie die Richtlinien des Epoxidherstellers für Härte- und Aushärtungszeiten.
7. Befestigen Sie ein Stück Schlauch (I.D. x O.D. 0,86 mm x 1,32 mm) an der Nadel. Reinigen Sie das Rohr, bevor Sie es anbringen. Spülen Sie deionisiertes Wasser manuell mit einer Spritze, um alle Rückstände zu entfernen, die beim Schneiden des Schlauches entstanden sind.
   HINWEIS: Das Schlauchmaterial sollte mit der in den Experimenten verwendeten Flüssigkeit kompatibel sein. Der Schlauch sollte lang genug sein, um das Gerät und das Pumpsystem anschließen zu können.
8. Um das Gerät zu testen, pumpen Sie deionisiertes Wasser durch die Nadel und beobachten Sie, ob es Lecks gibt. Verwenden Sie eine Spritze und die entsprechende Nadel, um das Wasser manuell zu pumpen. Falls ein Leck gefunden wird, trocknen Sie das Gerät gründlich ab. Tragen Sie Epoxidharz auf und warten Sie mindestens 1 Stunde, bevor Sie erneut testen.
9. Um Tropfen zu erzeugen, platzieren Sie das Gerät mit einer Klemme in einer vertikalen Position, so dass die Spitze wie in einem Küchenhahn nach unten zeigt. Verwenden Sie eine Spritzenpumpe oder ein druckgetriebenes Setup, um die Flüssigkeit in das Gerät zu pumpen.
10. Sammeln Sie Tropfen, indem Sie die Spitze in ein Becherglas oder eine Durchstechflasche mit einer Flüssigkeit mit der entsprechenden Menge Tensid geben. Verwenden Sie beispielsweise für 10cSt-Silikonöl als innere Flüssigkeit eine kontinuierliche Phase von 16 mM Natriumdodecylsulfat (SDS) in Wasser.
    1. Für Öltropfen in Wasser, um die Stabilität der Tropfen zu erhöhen, fügen Sie eine Schicht viskoses Öl auf das Sammelbad hinzu, bevor Sie die Emulsion machen. Verwenden Sie für Wassertropfen in Öl ein nichtionisches Tensid im Öl, um die Tropfen zu stabilisieren.

Abbildung 2: Geschnitzte Nadel. Nadel mit einem Loch, das in seine Basis geschnitzt ist, um eine runde Kapillare zu passen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Gerät zum Erzeugen einfacher Tropfen. Schematische Darstellung eines Geräts zur Erzeugung einfacher Tropfen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Sammeln einfacher Tropfen. (A) Skizze, wie man Tropfen in einem Becherglas sammelt. (B) Draufsicht auf ein Becherglas, in dem 10cSt Silikonöltropfen in 16 mM SDS in Wasserlösung gesammelt wurden, hergestellt mit einer 580 μm Spitze. Die Tropfengröße beträgt (3,29 ± 0,08) mm. (C) Draufsicht eines Becherglases, in dem 10cSt Silikonöltropfen in 16 mM SDS in Wasserlösung gesammelt wurden, hergestellt mit einer 86 μm Spitze. Die Tropfengröße beträgt (1,75 ± 0,04) mm Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Herstellung von Emulsionstropfen mit einem Coflowing-Schema

HINWEIS: Das Gerät ist ähnlich aufgebaut wie das in Schritt 1 beschriebene Gerät.

1. Bauen Sie das Gerät auf einem Glassockel mit einem Objektträger (76,2 mm x 25,4 mm). Dies ermöglicht einen einfachen Transport und eine Visualisierung der Flüssigkeiten durch das Glas.
2. Verwenden Sie eine Kapillare mit quadratischem Querschnitt (quadratische Kapillare) für die äußere Flüssigkeit (kontinuierliche Phase der Emulsion) mit einer Länge von ca. 5 cm. Verwenden Sie für dieses Protokoll runde Kapillaren mit einem Durchmesser von 1 mm (in einer Vielzahl von Größen erhältlich).
3. Für die Glasbehandlung, abhängig von der gewählten inneren Flüssigkeit (dispergierte Phase), machen Sie die Innenseite der quadratischen Kapillare hydrophob oder hydrophil. Die Behandlung wird dazu beitragen, dass Tropfen im Glas stecken bleiben und die Bildung neuer Tropfen stören.
   1. Um Glas hydrophob zu machen, reinigen Sie die Kapillaren, indem Sie sie in eine Durchstechflasche mit Aceton im Ultraschallbad für 10-15 min geben. Spülen Sie sie mit Aceton oder Ethanol (niemals Wasser). Trocknen Sie sie.
   2. Bereiten Sie eine saubere und trockene (knochentrockene) Durchstechflasche vor, die eine 10 ml Toluol (oder Hexan) + 20 μL Trimethoxy(Octyl)silanlösung enthält. Halten Sie die Kapillaren für 2 Stunden in der Lösung. Spülen Sie die Kapillaren mit dem gleichen Lösungsmittel, das für die Lösung verwendet wird.
   3. Nochmals mit Aceton abspülen. Mit Luft trocknen. Im Ofen 30 min bei ca. 70 °C backen.
      HINWEIS: Dieser Prozess ist für die Gerätetipps schwer zu implementieren, ohne sie zu brechen.
   4. Um die Gerätespitzen zu behandeln, tauchen Sie sie für einige Sekunden in die Lösung von Toluol und Trimethoxy(Octyl)silanlösung. Entfernen Sie alle überschüssigen Lösungen. An der Luft trocknen lassen.
   5. Um Glas hydrophil zu machen, sind die gleichen Schritte (2.3.1-2.3.4) wie im hydrophoben Fall zu wiederholen, jedoch mit einer Lösung von 10 ml Aceton + 20 μL 2-[Methoxy(Polyethylenoxy)6-9propyl]trimethoxysilan.
4. Verwenden Sie eine runde Glaskapillare für die Spitze. Passen Sie den Außendurchmesser der Kapillare an die Innengröße der quadratischen Kapillare an. Dadurch wird sichergestellt, dass beide Kapillaren koaxial ausgerichtet sind. Stellen Sie sicher, dass die Länge der runden Kapillare mehrere Zentimeter länger ist als die der quadratischen Kapillare.
5. Behandeln Sie je nach dispergierter Flüssigkeit das Glas, damit die Flüssigkeit nicht an der Außenseite der Spitze entlang klettert.
6. Montieren Sie, indem Sie die quadratische Kapillare mit schnell trocknendem Epoxidharz auf den Objektträger kleben. Platzieren Sie die Spitze der Kapillare 1-2 cm außerhalb des Endes des Objektträgers (siehe Abbildung 6A).
7. Verwenden Sie einen Klecks Epoxidharz in der Mitte der Kapillare, damit es nicht in das Sichtfeld oder in die Spritzennadel eingreift. Warten Sie, bis es vollständig geheilt ist. Beachten Sie, dass der Hersteller selbst für schnell trocknendes Epoxidharz 24 h empfiehlt, damit das Material vollständig ausgehärtet ist.
8. Führen Sie die runde Kapillare in die quadratische Kapillare ein, so dass das Ende einige Zentimeter außerhalb des Endes der quadratischen Kapillare bleibt.
9. Platzieren Sie das andere Ende (außerhalb des Objektträgers) innerhalb der quadratischen Kapillare in einem Abstand, der ungefähr mit dem Ende der quadratischen Kapillare übereinstimmt (siehe Abbildung 6B).
10. Kleben Sie die Kapillare mit einem Klecks Epoxidharz in mittlerer Entfernung zwischen dem Ende der Kapillare und dem Anfang der quadratischen Kapillare. Warten Sie, bis es vollständig geheilt ist.
11. Nehmen Sie die folgenden Änderungen an den beiden Nadeln vor, die zum Einbringen der Flüssigkeit erforderlich sind.
12. Um die Kapillare in der Nadelbasis unterzubringen, schnitzen Sie ein Loch in die Basis der runden Kappe, das die Größe des Außendurchmessers der Kapillare hat (siehe Abbildung 2). Um die andere Nadel am Ende der quadratischen Kapillare zu montieren, schnitzen Sie runde und quadratische Löcher an der Basis der Nadel, um die Verbindung aufzunehmen.
13. Stellen Sie sicher, dass beide Löcher so ausgerichtet sind, dass die runden und quadratischen Kapillaren in die Nadel eingepasst werden können. Spülen Sie die Nadeln mit Wasser ab, um Staub und Fasern vom Schneiden zu entfernen. Trocknen Sie sie an der Luft. Kleben Sie die Nadeln und befolgen Sie das bereits in 1.5.2 beschriebene Protokoll (siehe Abbildung 6C).
14. Verbinden Sie den Schlauch (Prüfdurchmesser und kompatibles Material) mit jeder der Nadeln. Spülen Sie die Schläuche nach dem Schneiden, damit Ablagerungen und Fasern entfernt werden. Verwenden Sie manuell eine Spritze und eine Nadel, um das Wasser zu pumpen. Testen Sie das Gerät wie unten beschrieben auf Lecks.
    1. Schließen Sie eine der Nadeln, indem Sie ein Stück Schlauch biegen und mit einem Bindemittelclip effektiv vor dem Flüssigkeitsfluss schließen. Pumpen Sie deionisiertes Wasser durch die andere Nadel. Wenn keine Leckagen beobachtet werden, pumpen Sie durch die andere Nadel.
    2. Wenn ein Leck gefunden wird, trocknen Sie das Gerät gründlich ab, tragen Sie Epoxidharz auf und warten Sie mindestens 1 Stunde, bevor Sie erneut testen.
15. Verwenden Sie zum Erzeugen von Tropfen, wie in Schritt 1.8 beschrieben, eine der beiden Möglichkeiten, die Flüssigkeiten anzutreiben: Fixieren der Durchflussraten mit Spritzenpumpen oder Fixieren des Drucks mit unter Druck stehenden Kanistern.

Abbildung 5: Auswirkungen der hydrophoben Behandlung . (A) und (C) Kapillare ohne Flüssigkeit im Inneren. Die rote Linie zeigt das Ende der Kapillare an. (B) Unbehandelte Kapillare. Die Flüssigkeit benetzt die Kapillare, da sie über die rote Linie geklettert ist. D) Kapillaren mit Wasser behandelt. Wasser benetzt die Kapillare in diesem Fall nicht. Flüssigkeit bleibt unter der roten Linie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 6: Coflowing-Gerät . (A) Positionieren Sie die quadratische Kapillare auf dem Objektträger. (B) Positionieren Sie die runde Kapillare innerhalb der quadratischen Kapillare. (C) Das vollständige Gerät mit den Spritzennadeln. (D) Foto des gesamten Geräts. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

3. Herstellung eines Elektro-Coflow-Geräts

1. Um das mikrofluidische Gerät zu bauen, verwenden Sie eine Glasbasis mit Objektträgern (76,2 mm x 25,4 mm). Aufgrund ihrer Länge, die zu lang ist, um auf einen einzigen Standard-Objektträger zu passen, verwenden Sie 1 1/2 oder zwei Objektträger.
   1. Schneiden Sie zwei kleine Teile einer Folie (ca. 1 cm) aus, um die Folien zusammenzuhalten, wie in Abbildung 7A dargestellt. Verwenden Sie Epoxidharz, um das Glas zu kleben. Warten Sie, bis es heilt.
2. Richten Sie zwei Kapillaren koaxial aus. Um die zusätzlichen Kosten für die Ausrichtung von zwei runden Kapillaren mit unterschiedlichem Durchmesser zu vermeiden, verwenden Sie eine quadratische Kapillare mit einer Innenseite, die dem Außendurchmesser der runden Kapillare entspricht. Verwenden Sie für Elektro-Coflow-Experimente eine 2 mm seitliche Kapillare.
   HINWEIS: Die 2-mm-Seitenkapillare sorgt dafür, dass die Elektro-Coflow-Experimente besser funktionieren, da der Spitze-Boden-Abstand kleiner (oder ähnlich) ist als der Abstand zwischen der Spitze und der Wand der quadratischen Kapillare. Bei Verwendung der 1-mm-Seitenkapillare ist die Kapillarwand näher als der Boden und die Flüssigkeit neigt oft dazu, sich dort zu entladen, was zu nicht reproduzierbaren Ergebnissen führt.
   1. Verwenden Sie einen Diamantschreiber oder ein anderes verfügbares Werkzeug, um die quadratische Kapillare auf eine Länge von etwa 4 cm zu schneiden. Spülen Sie es mit Wasser ab, um Glaspartikel zu entfernen. An der Luft trocknen lassen. Machen Sie es hydrophob, wenn die dispergierte Phase eine Flüssigkeit auf Wasserbasis ist, ansonsten hydrophil.
   2. Ziehen Sie eine runde Kapillare mit einer Pipettenziehmaschine, bis Sie zwei halbe Kapillaren mit einer kleinen Spitze erhalten.
   3. Verwenden Sie eine Mikroschmiede, um die Spitze einer der Halbkapillaren auf den gewünschten Durchmesser (20-80 μm) zu schneiden. Für größere Durchmesser können Sie eine Keramikfliese verwenden. Für Wasser in Ölemulsionen machen Sie die Außenseite der Spitze hydrophob.
   4. Verwenden Sie die andere halbe Kapillare als Kollektorkapillare. Schneiden Sie dazu die gezogene Spitze ab, so dass die ursprünglichen flachen Enden wiederhergestellt werden.
   5. Schneiden Sie die beiden runden Kapillaren so ab, dass sie etwa 4-5 cm lang sind (halten Sie sie kürzer als die Schiene). Reinigen Sie sie, um alle Rückstände zu entfernen, die während des Schneidvorgangs entstehen. Spülen Sie sie mit einer Spritze mit deionisiertem Wasser. Trocknen Sie sie an der Luft.
   6. Kleben Sie die quadratische Kapillare auf die Objektträger (siehe Abbildung 7B). Zentrieren Sie es nicht relativ zu den Folien. Das Gelenk der Folien sollte sich nicht im Betrachtungsbereich befinden. Legen Sie einen Tupfer (um eine Ausbreitung zu verhindern) von fast ausgehärtetem Epoxidharz an die Enden.
   7. Platzieren Sie die Spitze und die Kollektorkapillaren in der quadratischen Kapillare. Platzieren Sie beide Enden - Spitze und ein Ende des Kollektors - auf demselben Objektträger, um die Verbindung zwischen den Objektträgern zu vermeiden (siehe Abbildung 7C). Der Abstand zwischen Spitze und Kollektor beträgt ca. 2 mm. Verwenden Sie ein Mikroskop, um diese Entfernung zu messen.
      HINWEIS: Dieser Abstand hängt von der Technik ab, die Sie zum Pumpen der Flüssigkeiten verwenden. Das Endziel ist ein Abstand von etwa 1 mm zwischen der Spitze und der flüssigen Gegenelektrode.
   8. Sobald sich die Kapillaren im richtigen Abstand befinden, kleben Sie sie mit einem Klecks Epoxidharz auf den Objektträger. Achten Sie darauf, den interessierenden Bereich nicht mit Epoxidharz abzudecken, da dies die Visualisierung im Mikroskop erschweren würde.
3. Um Verbindungen zu den offenen Enden der Kapillaren herzustellen, positionieren Sie Nadeln, die diese Enden abdecken. Pro Gerät werden vier Nadeln benötigt.
   1. Verwenden Sie eine Rasierklinge oder ein Skalpell, um die Basis der Nadeln so zu schneiden, dass sie über die Kapillaren passen. Machen Sie ein rundes Loch an der Basis der Nadel, um eine Nadel am Ende der runden Kapillaren zu montieren.
   2. Um es am Ende der quadratischen Kapillare zu montieren, machen Sie runde und quadratische Löcher an der Basis der Nadel, um dieses Gelenk unterzubringen. Stellen Sie sicher, dass beide Löcher so ausgerichtet sind, dass runde und quadratische Kapillaren in die Nadel eingesetzt werden können.
   3. Spülen Sie die Nadeln mit Wasser ab, um Staub und Fasern vom Schneiden zu entfernen. Trocknen Sie sie an der Luft.
4. Kleben Sie die Nadeln. Führen Sie die Schritte in 1.5.2 aus. Lassen Sie das Epoxidharz über Nacht aushärten, bevor Sie das Gerät auf Leckagen testen.
5. Um das Gerät auf Lecks zu testen, führen Sie die unten beschriebenen Schritte aus.
   1. Schließen Sie zwei der Nadeln, indem Sie ein gebogenes Stück Schlauch verwenden, das von einem Bindemittelclip gehalten wird. Pumpen Sie deionisiertes Wasser durch eine der Nadeln und verwenden Sie die letzte als Ausgang. Verwenden Sie eine Spritze und die entsprechende Nadel, um Wasser manuell in das Gerät zu pumpen.
   2. Wenn keine Leckagen beobachtet werden, pumpen Sie durch die nächste Nadel. Wiederholen Sie den Vorgang, bis das Wasser durch alle vier Nadeln ist. Falls ein Leck gefunden wird, trocknen Sie das Gerät gründlich ab, tragen Sie Epoxidharz auf und warten Sie mindestens 1 Stunde, bevor Sie erneut testen.
6. Füllen Sie das Gerät wie unten beschrieben und entfernen Sie Luftblasen, da sie unerwünschte Schwingungen im System verursachen können. Um Blasen zu entfernen, verwenden Sie zwei halb gefüllte Spritzen mit entionisiertem Wasser. Drücken und ziehen Sie die Spritzen, um die in den Nadeln und Kapillaren eingeschlossene Luft aus dem Gerät zu leiten.
   1. Bereiten Sie Spritzen mit den Flüssigkeiten vor, die im Experiment verwendet werden sollen. Entfernen Sie alle Blasen aus den Spritzen wie oben beschrieben. Verbinden Sie ein Stück Schlauch mit der Spritzennadel und füllen Sie es mit der Flüssigkeit, die die gesamte Luft entfernt.
   2. Um den Schlauch mit dem Gerät zu verbinden, entfernen Sie den zum Testen verwendeten Schlauch von einer der Gerätenadeln und pumpen Sie Wasser mit einer der angeschlossenen Wasserspritzen, so dass die Nadel Wasser tropft.
   3. Lassen Sie gleichzeitig den Schlauch mit der gewünschten Flüssigkeit tropfen. Da beide Enden tropfen, wird bei Verbindung keine Luft eingebracht. Wiederholen Sie diesen Vorgang mit den anderen beiden Spritzen, so dass die einzige freie Nadel im Gerät der Ausgang ist.
7. Verbinden Sie die Spritze für die innere Flüssigkeit (disperse Phase) mit der Nadel 1, die äußere Flüssigkeit (kontinuierliche Phase) mit der Nadel 2 und die Kollektorflüssigkeit (Gegenelektrode) mit der Nadel 4. Nadel 3 ist der Ausgang (siehe Abbildung 8).
8. Schließen Sie die Stromversorgung an die Nadeln an, die die Innen- und Kollektorflüssigkeiten (Nadeln 1 und 4 in Abbildung 8) versorgen, um eine Potentialdifferenz zwischen der Spitze und der Kollektorflüssigkeit festzulegen.
   HINWEIS: Da die Nadel metallisch ist und mit diesen leitenden Flüssigkeiten in Kontakt kommt, fungieren sie als flüssige Drähte, die die Potentialdifferenz zwischen der Spitze und dem Kollektormeniskus festlegen. Für die genannten Geräteabmessungen liegt die Potentialdifferenz zwischen 0 und 2,5 kV.
9. Pumpen Sie die Flüssigkeiten mit einer der beiden möglichen Möglichkeiten, abhängig von der Laborausstattung: Verwenden Sie Hochdruckspritzenpumpen, die den Durchfluss der Flüssigkeiten fixieren, oder verwenden Sie Druckbehälter, die den Druck der Flüssigkeiten fixieren.
10. Sobald eine dieser Methoden gewählt wurde, fixieren Sie die äußeren und inneren Durchflussraten auf die gewünschten Werte und passen Sie die Durchflussrate (oder den Druck) des Flüssigkeitssammlers an, um den Abstand L konstant zu halten (siehe Abbildung 9).

Abbildung 7: So positionieren Sie die Kapillaren Schritt für Schritt auf einem Elektro-Coflow-Gerät . (A) Aufbau der Glasbasis für das Gerät, das zwei Objektträger verbindet. Die farbigen Teile sind die geschnittenen Glasstücke, die nach dem Kleben die beiden Objektträger zusammenhalten. (B) Die optimale Position der quadratischen Kapillare auf zwei montierten Objektträgern. (C) Positionierung der runden Kapillaren für Elektro-Coflow-Experimente. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 8: Elektro-Coflow-Gerät. (A) Foto eines Elektro-Coflow-Geräts. (B) Skizze einer Elektro-Coflow-Vorrichtung. Die Zahlen geben den Eingang für (1) die innere Flüssigkeit, (2) die äußere Flüssigkeit, (3) den Ausgang des Geräts und (4) den Flüssigkeitssammler / -boden an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 9: Abbildung der Spitze und der flüssigen Gegenelektrode während eines Elektro-Coflow-Experiments. Der Tip-Collector-Abstand, L, ist markiert. Der Maßstabsbalken entspricht 100 μm. Die Vergrößerung des Mikroskops beträgt 4x. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

4. Reinigungsverfahren

1. Bewahren Sie die Kapillaren und Objektträger in Aceton auf, um Staub und Öl zu entfernen. Jedes Ölpartikel oder Staub könnte die mikrometergroßen Spitzen verstopfen. Überprüfen Sie die Spitzen nach jedem Schritt während der Herstellung mit einem 4x bis 20x Vergrößerungsmikroskop auf Verstopfungen für Spitzengrößen zwischen 10 und 100 μm.
2. Pumpen Sie vor Gebrauch deionisiertes Wasser durch den Schlauch. Verwenden Sie eine Spritze und eine Nadel und pumpen Sie das Wasser manuell ab, um zu verhindern, dass unerwünschte Partikel aus dem Inneren des Rohres in das Gerät gelangen und die Spitze verstopfen.

Ergebnisse

In diesem Manuskript wurden drei verschiedene Geräte entwickelt, um Tropfen zu erzeugen. Wir haben Tropfen mit einer Größe von (3,29 ± 0,08) mm (Abbildung 4B) und (1,75 ± 0,04) mm (Abbildung 4C) mit dem in Schritt 1 beschriebenen Gerät erzeugt. Die Emulsionstropfen können mit den Coflow- und den Elektro-Coflow-Geräten erzeugt werden. Für letzteres zeigen wir das Tropfen in Abbildung 9, während die Kegelstrahl- und Peitsche...

Diskussion

Das Protokoll zur Herstellung von drei verschiedenen glasbasierten Geräten wurde oben beschrieben. Im Falle der Vorrichtung zur Erzeugung einfacher Tropfen sind die Durchflussrate und die flüssigen Eigenschaften entscheidend, um Tropfen kontrolliert zu erzeugen. Tropfen bilden sich an der Spitze im Tropfregime oder am Ende des Jets im Jetting-Regime. Der Übergang vom Tropfen zum Jetting wird durch die dimensionslose Weber-Nummer We²³ parametrisiert. Diese Zahl stellt das Verhältnis zwischen Tr...

Materialien

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