Name: glass-based devices to generate drops and emulsions
Uploaded: 2022-04-05T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Glass-Based Devices to Generate Drops and Emulsions at JoVE.com

Agradecemos à PRF ACS (concessão 60302-UR9), Agrobio S.L. (contrato #311325) e MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE (outorga nº. PID2021-122369NB-I00).

1. Fazendo gotas simples
<ol><li>Para fazer gotas simples, use uma base de vidro feita com um slide de microscópio (76,2 mm x 25,4 mm) para construir o dispositivo. Isso permite fácil transporte e visualização dos líquidos através do vidro.</li>
	<li>Use um capilar de vidro redondo para a ponta. Para este protocolo, use capilares redondos de 1 mm de diâmetro (prontamente disponíveis em uma ampla gama de tamanhos).<ol>
<li>Para fazer uma dica com o diâmetro desejado, puxe o capilar usando uma m...

<ol>
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L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+methods+for+generating+continuous+droplet+streams.">Microfluidic methods for generating continuous droplet streams.</a> Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (19), 319 (2007).</li><li>Nunes, J. K., Tsai, S. S., Wan, J., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dripping+and+jetting+in+microfluidic+multiphase+flows+applied+to+particle+and+fiber+synthesis.">Dripping and jetting in microfluidic multiphase flows applied to particle and fiber synthesis.</a> Journal of Physics D: Applied Physics. 46 (11), 114002 (2013).</li></ol>

O protocolo para fabricar três dispositivos diferentes à base de vidro foi descrito acima. No caso do dispositivo gerar quedas simples, a vazão e as propriedades líquidas são cruciais para gerar quedas de forma controlada. Gotas se formarão na ponta do regime de gotejamento, ou no final do jato no regime de jatinho. A transição do gotejamento para o caimento é parametrizada pelo número de Weber adimensionado, We23. Este número representa a razão entre forças inerciais e de tensão sup...

A geração controlada de gotas no micron e nanoescala com uma distribuição de tamanho estreito é uma tarefa desafiadora. Essas gotas são de interesse para a engenharia de materiais macios com muitas aplicações em ciência e tecnologia 1,2,3,4,5,6.
Os dispositivos mais comuns para a alta taxa de produção de gotas são misturadores7 e emulsificadores de ultrassom8. Esses métodos são simples e de baixo custo, mas normalmente resultam em quedas de polidisperse com uma ampla gama de tamanhos. Assim, são necessárias etapas adicionais para produzir amostras monodispersas. Dispositivos microfluidos podem ser projetados de forma diferente para fornecer uma maneira eficiente de formação de gotas. Além disso, as taxas de fluxo geralmente baixas envolvidas (ou seja, baixo número de Reynolds) permitem um grande controle sobre o fluxo de fluidos.
Enquanto dispositivos microfluidos são comumente feitos usando técnicas litográficas com siloxano poli (dimetil), este manuscrito se concentra em dispositivos capilares à base de vidro. Os dispositivos PDMS geralmente são escolhidos por sua capacidade de projetar padrões complexos de canais e por causa de sua escalabilidade. Os dispositivos de vidro, pelo contrário, são rígidos e têm maior resistência ao solvente do que suas contrapartes PDMS. Além disso, o vidro pode ser modificado para alterar sua capacidade de acotidade, o que permite controlar a geração de emulsões complexas. Ser capaz de tratar independentemente o bico e as paredes do canal permite a formação de gotas de forma controlada e reprodutível, garantindo a estabilidade das emulsões resultantes se as gotas tocarem as paredes9; caso contrário, as gotas podem se fundir e se acumular na parede. Outra diferença entre esses dois tipos de dispositivos é que em dispositivos à base de vidro, o fluxo é tridimensional, enquanto é planar em dispositivos PDMS convencionais. Este fato minimiza o contato de queda com as paredes do canal para que a influência das linhas de contato possa ser negligenciada10, protegendo assim a estabilidade das múltiplas gotas de emulsão.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63376/63376fig01.jpg"> Figura 1: Diferentes configurações de dispositivos microfluidos. Esboços de (A) uma junção T, (B) um dispositivo de coflução e (C) um dispositivo de foco de fluxo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63376/63376fig01large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
Existem três geometrias principais utilizadas, a t-junção11, o fluxo com focoem 12,13 e o cofluo14. Na geometria da junção T, a fase dispersa contida no canal cruza perpendicularmente o canal principal que abriga a fase contínua. O estresse da tesoura exercido pela fase contínua quebra o líquido disperso de entrada resultando em quedas. As gotas geradas são limitadas em menor tamanho pelas dimensões do canal principal11. Na geometria de foco de fluxo, os dois fluidos são forçados através de um pequeno orifício que está localizado em frente ao tubo de injeção. O resultado é a formação de um jato, que é muito menor do que o tubo de injeção12,13. Finalmente, a geometria do coflu tem uma configuração caracterizada pelo fluxo coaxial de dois fluidos immiscíveis14. Em geral, o gotejamento e o caimento podem ser observados dependendo das condições de funcionamento. O regime de gotejamento ocorre a baixas taxas de fluxo e as gotículas resultantes são muito monodispersas e têm um diâmetro proporcional ao tamanho da ponta. A desvantagem é sua baixa frequência de produção. O regime de lançamento ocorre em taxas de fluxo mais elevadas em relação ao regime de gotejamento. Neste caso, o diâmetro da gota é diretamente proporcional ao diâmetro do jato que pode ser muito menor do que o diâmetro da ponta sob as condições certas.
Uma alternativa a essas abordagens hidrodinâmicas depende do uso adicional de forças elétricas. O eletropray é uma técnica bem conhecida e amplamente utilizada para gerar gotículas. Baseia-se no princípio de que um líquido com uma condutividade elétrica finita se deformará na presença de um forte campo elétrico. O líquido eventualmente adotará uma forma cônica resultante do equilíbrio entre tensões elétricas e superficiais15. O processo começa com o campo elétrico induzindo uma corrente elétrica no líquido que faz com que as cargas se acumulem na superfície. A presença do campo elétrico resulta em uma força elétrica nessas cargas, que arrasta o líquido junto, alongando o menisco na direção do campo. Em condições diferentes, o menisco pode derramar as gotas carregadas ou pode emitir um ou vários jatos que, em seguida, arrombam emgotas 15. Embora esses métodos microfluidos eletricamente assistidos naturalmente permitam a geração de pequenas gotas, eles sofrem com a falta de uma operação de estado estável que comprometa a monodispersidade de emulsão. As gotas carregadas resultantes tendem a descarregar nas paredes de confinamento e/ou em qualquer lugar do dispositivo onde o potencial elétrico é menor do que a tensão externa imposta. Assim, o menisco eletrificado torna-se instável, emitindo gotas de forma caótica e causando sua produção descontrolada e perda de monodispersidade.
No eletro-cofluxo, as tensões elétricas e hidrodinâmicas são acopladas em um dispositivo microfluido de cofluidic16 semelhante ao usado para gerar emulsões duplas12. Duas características principais permitem que o eletro-cofluxo seja bem sucedido em alcançar um regime de emissão de estado estável: (i) a fase dispersa é ejetada em outro líquido viscoso cofluing, e (ii) o uso de um contra-eletrodo líquido ou solo. Ter um líquido externo fluindo provou alterar as propriedades geométricas do processo de emissão de queda17. O contra-eletrodo líquido permite a descarga e extração das gotas resultantes, assegurando a geração de quedas de estado estável. Além disso, explorando o equilíbrio das forças elétricas e hidrodinâmicas, os tamanhos de queda resultantes podem potencialmente variar dentro de uma faixa mais ampla do que os tamanhos que podem ser cobertos por qualquer uma das técnicas mencionadas anteriormente.
Este protocolo de vídeo detalhado destina-se a ajudar novos profissionais no uso e fabricação de microfluidos à base de vidro.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>2-[methoxy(polyethyleneoxy)6-9propyl] trimethoxysilane.</td>
			<td>Gelest</td>
			<td>SIM6492.7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ceramic tile</td>
			<td>Sutter</td>
			<td>CTS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethylene glycol</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>BP230</td>
			<td>These can be found at other companies like Sigma-Aldrich</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hexane</td>
			<td>Sigma- Aldrich</td>
			<td>34859</td>
			<td>Available in other vendors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ITW Polymers Adhesives Devcon 5 Minute Epoxy Adhesive 25 mL Dev-Tube</td>
			<td>Ellsworth adhesives</td>
			<td>470740</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microforge</td>
			<td>Narishige</td>
			<td>MF 830</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette puller</td>
			<td>Sutter</td>
			<td>P97</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope slides</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>12-544-1</td>
			<td>Available in other vendors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Needle 20 Gauge, .0255&#34; ID, .0355&#34; OD, 1/2&#34; Long</td>
			<td>McMaster</td>
			<td>75165A677</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SDS</td>
			<td>Sigma-aldrich</td>
			<td>428015</td>
			<td>Surfactant</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone oil</td>
			<td>Clearco</td>
			<td>PSF-10cSt</td>
			<td>The catalog number correspond to the 10cSt viscosity oil. Different viscosity oils can be found at this company</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Span 80</td>
			<td>Fisher</td>
			<td>S0060500G</td>
			<td>non-ionic surfactant</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Square glass capillary 2mm ID (borosillicate 300 or 600 mm long)</td>
			<td>VitroCom</td>
			<td>S 102</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Standard Glass Capillaries, 6 in., 2 / 1.12 OD/ID</td>
			<td>World Precision instruments</td>
			<td>1B200-6</td>
			<td>These can be found at other companies like Sutter or Vitrocom</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>Chemyx</td>
			<td>FUSION 100-X</td>
			<td>This model has a good quality/price ratio</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringes (it will depend on the compatibility with the liquids)</td>
			<td>Fisher</td>
			<td></td>
			<td>Catalog number will depend on the size</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trimethoxy(octyl)silane</td>
			<td>Sigma- Aldrich</td>
			<td>376221</td>
			<td>Available in other vendors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tubing ( it will depend on the compatibility with the liquids)</td>
			<td>Scientific commodities</td>
			<td>BB3165-PE/5</td>
			<td>This reference is for polyethylene micro tubing. The size fits the needle size listed here</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

glass-based devices to generate drops and emulsions

Neste manuscrito, são descritos três protocolos passo a passo diferentes para gerar gotas de emulsão altamente monodisperses usando microfluidos à base de vidro. O primeiro dispositivo é construído para a geração de gotas simples impulsionadas pela gravidade. O segundo dispositivo foi projetado para gerar quedas de emulsão em um esquema de cofluência. O terceiro dispositivo é uma extensão do dispositivo de cofluência com a adição de um terceiro líquido que atua como um solo elétrico, permitindo a formação de gotas eletrificadas que posteriormente descarregam. Nesta configuração, dois dos três líquidos têm uma condutividade elétrica considerável. O terceiro líquido media entre esses dois e é um dielétrico. Uma diferença de tensão aplicada entre os dois líquidos condutores cria um campo elétrico que acoplado a tensões hidrodinâmicas dos líquidos cofluing, afetando o processo de formação de jatos e gotas. A adição do campo elétrico fornece um caminho para gerar gotas menores do que em dispositivos simples de cofluxo e para gerar partículas e fibras com uma ampla gama de tamanhos.

Neste manuscrito, três dispositivos diferentes foram projetados para gerar gotas. Geramos quedas com um tamanho de (3,29 ± 0,08) mm (Figura 4B) e (1,75 ± 0,04) mm (Figura 4C) usando o dispositivo descrito na etapa 1. As gotas de emulsão podem ser geradas usando o cofluxo e os dispositivos de eletro-cofluo. Para este último, mostramos gotejamento na Figura 9, enquanto os modos cone-jet e whipping são mostrados na <strong class=...

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Glass-Based Devices to Generate Drops and Emulsions

Aqui, é apresentado um protocolo para a fabricação de dispositivos microfluidos à base de vidro usados para gerar emulsões altamente monodisperses com tamanho de gota controlado.

Dispositivos baseados em vidro para gerar gotas e emulsões

In this manuscript, three different step-by-step protocols to generate highly monodisperse emulsion drops using glass-based microfluidics are described. ...

Este protocolo descreve em detalhes como fabricar dispositivos microfluidos à base de vidro. Seguir este protocolo permitirá que qualquer pessoa sem experiência construa e use esses dispositivos. Com vidro, podemos facilmente tornar superfícies hidrofóbicas ou hidrofílicas, tornando assim dispositivos à base de vidro atraentes para gerar gotas de emulsão estáveis.Existem várias aplicações para gotas e emulsões em campos tão diversos quanto cosméticos, a indústria alimentícia e a entrega de medicamentos. Neste manuscrito, enfatizamos um pouco mais sobre seu uso na agricultura intensiva. Recomendamos ser pacientes a cada passo.Verifique também se a ponta está limpa e não quebrada. Não espere até que o dispositivo esteja concluído para verificar estes. Para fazer gotas simples, use uma base de vidro feita com um slide de microscópio para construir o dispositivo.Para a ponta, use capilares de vidro redondo de um milímetro de diâmetro. Em seguida, use uma agulha de seringa calibre 20 para facilitar a introdução do líquido no capilar. Usando uma lâmina de barbear ou um bisturi, esculpe um orifício igual ao tamanho do diâmetro externo do capilar na base da agulha.Enxágüe a agulha com água para remover qualquer poeira e fibras do corte e deixe a agulha secar. Para montar o dispositivo, cole o capilar redondo ao slide do microscópio colocando a ponta do capilar de um a dois centímetros fora da extremidade do slide do microscópio e adicionando um dab de epóxi no centro do capilar de tal forma que não vai interferir com o campo de visão ou com a agulha de seringa. Em seguida, coloque a agulha de seringa de tal forma que a extremidade do capilar fique no centro da agulha e coloque uma pequena quantidade de epóxi endurecido ao redor da borda na parte inferior da agulha.Após alguns minutos, aplique a segunda camada de epóxi fresco, cobrindo a base da agulha e evitando o orifício. Em seguida, cubra o orifício com epóxi endurecido para evitar que o epóxi flua dentro das agulhas. Para gerar gotas, coloque o dispositivo em uma posição vertical usando um grampo de tal forma que a ponta esteja virada para baixo como uma torneira de cozinha.Use uma bomba de seringa ou uma configuração acionada por pressão para bombear o líquido para dentro do dispositivo. Para fazer gotas de emulsão, use um capilar quadrado quadrado de cinco centímetros de comprimento para o líquido externo e um capilar redondo de um milímetro de diâmetro. Certifique-se de que o comprimento do capilar redondo é vários centímetros mais longo do que o capilar quadrado.Combine o diâmetro externo do capilar redondo com o tamanho interno do capilar quadrado para garantir que ambos os capilares estejam coaxialmente alinhados. Em seguida, para montar o dispositivo, cole o capilar quadrado ao deslizamento do microscópio colocando a ponta do capilar de um a dois centímetros fora da extremidade do slide do microscópio e aplicando um pouco de epóxi no centro do capilar. Espere até que o epóxi cure completamente.Em seguida, introduza o capilar redondo no capilar quadrado de tal forma que o final do capilar redondo no slide esteja a poucos centímetros do final do capilar quadrado. A outra extremidade do capilar redondo que está dentro do capilar quadrado deve estar a uma distância aproximadamente igual ao diâmetro do capilar redondo a partir do final do capilar quadrado. Cole o capilar redondo usando um dab de epóxi a meio-distância entre o final do capilar redondo e o início do capilar quadrado e espere até que a epóxi cure completamente.Para abrigar o capilar na base da agulha, esculpe um orifício na base da tampa redonda que é do tamanho do diâmetro externo do capilar. Em seguida, para encaixar a outra agulha no final do capilar quadrado, esculpe uma rodada e um orifício quadrado na base da agulha para acomodar a articulação. Depois de cortar, enxágue as agulhas com água e deixe-as secar.Em seguida, cole-os como demonstrado anteriormente. Para construir o dispositivo microfluido, corte dois pequenos pedaços de um slide e usando epóxi, cole-os em dois slides de microscópio para manter os slides juntos. Espere até que o epóxi cure completamente.Usando um escriba de diamante, corte o capilar quadrado para um comprimento de aproximadamente quatro centímetros. Use o capilar quadrado com um lado interno que corresponda ao diâmetro externo do capilar redondo para alinhar os capilares coaximente. Para este protocolo, use um capilar lateral de dois milímetros.Em seguida, usando uma máquina de puxar pipeta, puxe um capilar redondo para obter dois capilares meio com uma ponta fina. Em seguida, usando uma micro forja, corte a ponta de um dos meios capilares ao diâmetro desejado. Para usar a outra metade como capilar coletor, corte a ponta puxada para que as extremidades planas originais sejam recuperadas.Cole o capilar quadrado nos slides. Não coloque o capilar no meio dos slides, pois as juntas dos slides não devem estar na região de visualização. Em seguida, coloque a ponta e o capilar de colecionador dentro do capilar quadrado em torno de dois milímetros de distância.Para evitar a articulação, coloque as extremidades tanto da ponta quanto dos capilares coletores do mesmo lado. Para fabricar conexões às extremidades abertas dos capilares, coloque quatro agulhas cobrindo essas extremidades e cole as agulhas como demonstrado anteriormente. Para testar o dispositivo em busca de vazamentos, feche duas agulhas usando um pedaço dobrado de tubo segurado por um clipe de aglutinante.Em seguida, usando uma seringa, bombeie manualmente água desionizada para dentro do dispositivo através de uma das agulhas usando a última agulha como saída. Se não forem observados vazamentos, bombeie a água através da próxima agulha repetindo o processo para todas as quatro agulhas. Se um vazamento for encontrado, seque completamente o dispositivo, aplique epóxi e espere por uma hora antes de testar novamente.Depois de confirmar que não há vazamento, encha o dispositivo com líquido experimental e remova bolhas de ar. Em seguida, conecte o líquido interno ou a seringa de fase dispersa à agulha um, o líquido exterior ou fase contínua à agulha dois, e o líquido coletor ou contra-eletrodo à agulha quatro. Agulha três é para a saída.Por fim, conecte a fonte de alimentação às agulhas que alimentam os líquidos internos e coletores para definir uma diferença potencial entre a ponta e o líquido coletor. Neste estudo, foram geradas aproximadamente 3,3 milímetros gotas de óleo de silicone por meio de uma ponta de 580 micrômetros. E quedas de 1,75 milímetros foram geradas com uma ponta de 86 micrômetros.Além disso, gotas de emulsão foram geradas usando dispositivos de fluxo eletro co nos modos de gotejamento, jato cone e chicoteamento. Nestes resultados, o mesmo líquido é usado como líquidos internos e coletores. No entanto, se o objetivo dos experimentos é coletar essas gotas, um líquido condutor diferente deve ser usado como coletor.Seja paciente e espere até que a epóxi cure. Se ficar molhado, nunca secará e você precisará começar todo o procedimento novamente. Várias emulsões podem ser geradas usando em combinações de foco de fluxo em uma série de esquemas.Cada esquema extra adicionará uma concha à queda de movimento. Seções de foco de fluxo também podem ser usadas.

Research

JoVE Journal

Engineering

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Engenharia

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