Tenside sind für die mikrofluidische Tröpfchenerzeugung unverzichtbar, bei der eine präzise Steuerung der Tröpfchenbildung und -stabilität von entscheidender Bedeutung ist. Durch die Verringerung der Grenzflächenspannung und die Stabilisierung von Emulsionen ermöglichen Tenside die Herstellung gleichmäßiger Tröpfchen und sind daher in Branchen wie der Pharmaindustrie, der Kosmetikindustrie, der Biotechnologie und der Lebensmittelindustrie unverzichtbar.
In diesem Blogbeitrag werden wir einige der am häufigsten verwendeten Tenside für die mikrofluidische Tröpfchenerzeugung näher betrachten und die Vorteile von FluoSurf™ hervorheben, den Hochleistungstensiden von Emulseo.
Überblick über gängige Tenside zur Tröpfchenerzeugung
Die Wahl des richtigen Tensids ist entscheidend für eine stabile und gleichmäßige Tropfenbildung in der Mikrofluidik. Je nach Emulsionstyp werden unterschiedliche Tenside verwendet, um entweder Öl-in-Wasser- (O/W) oder Wasser-in-Öl- (W/O) Systeme zu stabilisieren.
- O/W-Emulgatoren helfen dabei, Öltröpfchen in einer kontinuierlichen Wasserphase zu dispergieren. Dabei handelt es sich in der Regel um hydrophile Tenside mit einem hohen HLB-Wert (Hydrophilic-Lipophilic Balance).
- W/O-Emulgatoren stabilisieren Wassertröpfchen in einer Ölphase, wofür lipophilere Tenside mit einem niedrigeren HLB-Wert erforderlich sind.
In den folgenden Unterabschnitten werden einige der am häufigsten verwendeten Tenside für die O/W- und W/O-Emulgierung bei der mikrofluidischen Tröpfchenerzeugung vorgestellt.
Gängige Tenside für die Bildung von Öl-in-Wasser-Tröpfchen
In O/W-Emulsionen ist Wasser die kontinuierliche Phase, während Öl die disperse Phase darstellt. Daher erfordern diese Emulsionen hydrophile Tenside mit einem hohen hydrophil-lipophilen Gleichgewicht (HLB) (typischerweise über 8 oder 9), um die Tröpfchen wirksam zu stabilisieren und eine Koaleszenz zu verhindern. Die Stabilisierung erfolgt je nach Formulierung durch elektrostatische Abstoßung (geladene Tenside) oder sterische Hinderung (nichtionische Tenside). Viele O/W-Tenside sind biokompatibel und eignen sich daher für pharmazeutische und biologische Anwendungen.
Zu den gängigen Tensiden für Öl-in-Wasser-Emulsionen gehören:
- Tween 20 (Polysorbat 20) – Ein weit verbreitetes nichtionisches Tensid, das für seine Biokompatibilität und seine Wirksamkeit bei der Stabilisierung von Emulsionen bekannt ist und häufig in biologischen Assays, bei der Arzneimittelverabreichung und in Lebensmittelemulsionen eingesetzt wird.
- Tween 80 (Polysorbat 80) – Ähnlich wie Tween 20, jedoch mit höherer Hydrophobie, wodurch es sich zur Emulgierung eines breiteren Spektrums an Ölen eignet; wird häufig in pharmazeutischen Formulierungen und Kosmetika eingesetzt.
- Natriumdodecylsulfat (SDS) – Ein anionisches Tensid, das eine starke elektrostatische Stabilisierung bewirkt, die Koaleszenz von Tröpfchen verhindert und häufig bei der Solubilisierung von Proteinen sowie bei der DNA-/RNA-Extraktion eingesetzt wird.
- Pluronic F-68 – Ein nichtionisches Triblock-Copolymer-Tensid, das häufig in biologischen und pharmazeutischen Anwendungen eingesetzt wird, darunter Zellkulturmedien und die Arzneimittelverabreichung.
- CTAB (Cetyltrimethylammoniumbromid) – Ein kationisches Tensid, das in speziellen Anwendungen eingesetzt wird, bei denen kontrollierte Oberflächenladungen erforderlich sind; es wird häufig bei der Synthese von Nanopartikeln, der DNA-Extraktion und in antimikrobiellen Formulierungen verwendet.
Gängige Tenside für die Bildung von Wasser-in-Öl-Tröpfchen
In W/O-Emulsionen ist die kontinuierliche Phase Öl, während die disperse Phase aus wässrigen Tröpfchen besteht. Diese Emulsionen erfordern lipophile Tenside mit einem niedrigen hydrophil-lipophilen Gleichgewicht (HLB) (typischerweise unter 7), um die Wassertröpfchen zu stabilisieren und deren Zusammenwachsen zu verhindern. Die Stabilisierungsmechanismen variieren: Nichtionische Tenside sorgen für sterische Hinderung, während spezielle fluorierte Tenside eine verbesserte Tröpfchenkontrolle ermöglichen.
Zu den gängigen Tensiden für W/O-Emulsionen gehören:
- Span 80 (Sorbitanmonooleat) – Ein weit verbreitetes nichtionisches Tensid, das für seine Wirksamkeit bei der Stabilisierung von Wassertropfen in Öl bekannt ist und häufig in Lebensmittelemulsionen und pharmazeutischen Formulierungen eingesetzt wird.
- Sonstige Sorbitanester (z. B. Span 60, Span 85 …) – Eine Gruppe von Tensiden mit hervorragenden Emulgierungseigenschaften, die in der Kosmetik, Pharmazie und in industriellen Anwendungen weit verbreitet sind.
- PGPR (Polyglycerin-Polyricinoleat – E476) – Wird häufig in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie eingesetzt, insbesondere bei der Schokoladenherstellung und in Arzneimittelabgabesystemen.
💡 In manchen Anwendungen kann die Kombination mehrerer Tenside die Tröpfchenstabilität und die Leistungsfähigkeit verbessern. Durch die sorgfältige Auswahl und Mischung von Tensiden mit sich ergänzenden Eigenschaften– wie beispielsweise einem nichtionischen Tensid zur sterischen Stabilisierung und einem ionischen Tensid zur elektrostatischen Abstoßung – lassen sich die Stabilität der Emulsion, die Tröpfchengröße und die Grenzflächeneigenschaften genau auf die jeweiligen experimentellen Anforderungen abstimmen.
Die Auswahl des geeigneten Tensids ist entscheidend für eine stabile und effiziente Tröpfchenbildung. Das untenstehende Tool bietet eine einfache Möglichkeit, geeignete Tenside anhand des Emulsionstyps (O/W oder W/O) zu identifizieren und zeigt gleichzeitig wichtige physikalisch-chemische Eigenschaften wie die kritische Mizellkonzentration (CMC), den hydrophil-lipophilen Gleichgewichtskoeffizienten (HLB) und das Molekulargewicht an. Es dient als Schnellreferenz zur Unterstützung mikrofluidischer Anwendungen, die eine präzise Tensidauswahl erfordern.
🚨 Das HLB -System ( Hydrophilic-Lipophilic Balance ) reicht traditionell von 0 bis 20, doch einige Tenside überschreiten diesen Wert aufgrund alternativer Berechnungsmethoden oder extremer Hydrophilie. Stark wasserlöslichen Tensiden, insbesondere ionischen, können höhere HLB-Werte zugewiesen werden, um ihre Emulgierungseigenschaften besser klassifizieren zu können. Während die Standard-HLB-Skala nach wie vor weit verbreitet ist, helfen diese erweiterten Werte dabei, stark hydrophile Tenside besser zu unterscheiden.
FluoSurf vonEmulseo
FluoSurf™-Tenside sind hochentwickelte fluorierte nichtionische Tenside, die speziell zur Stabilisierung wässriger Tröpfchen in fluorierten Ölen (W/O) für chemische und biotechnologische Anwendungen entwickelt wurden. Diese von Emulseo entwickelten Hochleistungstenside eignen sich besonders für tröpfchenbasierte mikrofluidische Experimente, darunter die Tröpfchen-Digital-PCR (ddPCR) und die Analyse mittels „ single-cell “.
Dank ihrer außergewöhnlichen Stabilität, Biokompatibilität und Reinheit gewährleisten FluoSurf-Tenside eine zuverlässige Tröpfchenbildung, minimieren gleichzeitig Leckagen und sorgen für gleichbleibende Ergebnisse über alle Experimente hinweg. Ihre skalierbare Herstellung und strenge Qualitätskontrolle garantieren Reproduzierbarkeit und machen sie zur idealen Wahl für Forscher und Industrieunternehmen, die Präzision und Effizienz in mikrofluidischen Arbeitsabläufen benötigen.
Jede FluoSurf-Variante ist für spezifische Anwendungen konzipiert und bietet dabei stets die wesentlichen Vorteile einer hohen Monodispersität, Tröpfchenstabilität und Biokompatibilität. Im Folgenden stellen wir die verschiedenen von Emulseo angebotenen FluoSurf-Tenside vor und gehen dabei insbesondere auf ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften und Anwendungsbereiche ein.
FluoSurf™ – Neat
Neat FluoSurf™ ist die reine, unverdünnte Form von FluoSurf und ermöglicht es Forschern, die Tensidkonzentrationen genau auf ihre spezifischen experimentellen Anforderungen abzustimmen. Vor der Verwendung sollte es in einem fluorierten Öl verdünnt werden – beispielsweise in EmulseosFluo-Oil 7500 oder Fluo-Oil 40von Emulseo – verdünnt und über Nacht stehen gelassen werden, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Für zusätzlichen Komfort ist es auch als vorverdünnte, gebrauchsfertige Formulierung in der gewünschten Konzentration erhältlich.
FluoSurf-C™
FluoSurf-C™ ist ein hochleistungsfähiges fluoriertes Tensid, das speziell zur Stabilisierung von wässrigen Tröpfchen in fluorierten Ölen optimiert wurde. Es eignet sich ideal für mikrofluidische Anwendungen, darunter die digitale Tröpfchen-PCR (ddPCR) und die „ single-cell “-Analyse, und gewährleistet eine stabile, reproduzierbare Tröpfchenbildung. Mit derselben bewährten Formulierung wie das Original FluoSurf™, bietet es zuverlässige Leistung für eine Vielzahl chemischer und biotechnologischer Anwendungen.
FluoSurf-O™
FluoSurf-O™ wurde für fluoreszenzbasierte Anwendungen entwickelt, bei denen ein minimales Hintergrundsignal unerlässlich ist. Es bietet alle Vorteile von FluoSurf-C™ und zeichnet sich gleichzeitig durch eine extrem geringe Autofluoreszenz aus, wodurch es sich besonders für Experimente eignet, die eine präzise optische Detektion bei niedrigen Farbstoffkonzentrationen erfordern.
FluoSurf-S™
FluoSurf-S™ wurde für anspruchsvolle Anwendungen entwickelt, die eine hochfrequente Tröpfchenbildung und Stabilität unter extremen Bedingungen erfordern, wie beispielsweise beim Thermocycling in der ddPCR. Sein niedrigeres Molekulargewicht verbessert die Verträglichkeit mit viskosen wässrigen Lösungen. Aufgrund einer möglichen Kreuzkontamination wird jedoch von der Verwendung mit Farbstoffen abgeraten.
Um ein besseres Verständnis der wichtigsten Eigenschaften zu vermitteln, die die Leistung der FluoSurf™ -Tenside beeinflussen, finden Sie im Folgenden eine Tabelle mit einer Zusammenfassung der wesentlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften.
| Tensid | FluoSurf™ | FluoSurf-C™ | FluoSurf-O™ | FluoSurf-S™ |
|---|---|---|---|---|
| CMC in HFE 7500 (Gew.-%) | 0.03 | 0.2 | 0.2 | 0.03 |
| HLB-Wert | 3.9 | 1.5 | 1.5 | 3.9 |
| Molekulargewicht (kg/mol) | 7–13 | 7–13 | 7–13 | 3–5 |
| Grenzflächenspannung bei 4 Gew.-% in HFE 7500 (mN/m) | 4 | 10 | 10 | 4 |
💡 FluoSurf™ -Tenside müssen vor der Verwendung ordnungsgemäß inEmulseos Fluo-Oil 7500, Fluo-Oil 40, Fluo-Oil 200 oder Fluo-Oil 135 verdünnt werden. Der Einfachheit halber können diese Tenside auch bereits in der gewünschten Konzentration vorverdünnt geliefert werden.
Welches FluoSurf™-Tensid eignet sich am besten für Ihre Anwendung?
FluoSurf™-Tenside wurden entwickelt, um ein breites Spektrum an mikrofluidischen Anwendungen zu unterstützen, und zeichnen sich durch außergewöhnliche Stabilität, Biokompatibilität und Reinheit aus. Sie eignen sich ideal für die Erzeugung von Wasser-in-Öl-Tröpfchen, die „single-cell “-Analyse, die Zellsortierung, die Verkapselung sowie PCR-basierte Verfahren. Darüber hinaus stabilisieren FluoSurf™-Tenside Tröpfchen, die zur Bildung von Alginat-, Polyacrylat-, Agarose- und Epoxid-Beads sowie für Anwendungen in der 3D-Zellkultur verwendet werden. Ob in der Grundlagenforschung oder bei fortschrittlichen biotechnologischen Prozessen – sie gewährleisten zuverlässige Leistung und Reproduzierbarkeit über vielfältige experimentelle Arbeitsabläufe hinweg.
Die nachstehenden Tabellen zeigen die Eignung von FluoSurf™-Tensiden für verschiedene Anwendungen auf der Grundlage ihrer spezifischen Formulierungen – wobei sich jede auf eine FluoSurf™-Variante (C, O oder S) bezieht, die in verschiedenen Emulseo Fluo-Oil-Lösungsmittel (Fluo-Oil 40, Fluo-Oil 135, Fluo-Oil 200 oder Fluo-Oil 7500) verdünnt. Diese Formulierungen bestimmen die Leistungsfähigkeit des Tensids in den verschiedenen Anwendungsbereichen.
💡 Die Bewertungen – A, B, C und D – helfen dabei, die am besten geeignete Formulierung zu ermitteln, wobei:
- A steht für die oberste Empfehlung,
- B steht für eine hohe Eignung,
- C deutet auf eine akzeptable, aber nicht optimale Leistung hin,
- „D“ bedeutet, dass die Formulierung für diese Anwendung nicht empfohlen wird.
Eignung von FluoSurf™-C-Formulierungen für verschiedene Anwendungsbereiche
Verdünnungsöl Anwendung | Fluo-Oil 40 | Fluo-Oil 135 | Fluo-Oil 200 | Fluo-Oil 7500 |
|---|---|---|---|---|
| ddPCR (30 PCR-Zyklen) | D | A | D | A |
| ddPCR (40 PCR-Zyklen) | D | D | D | D |
| Verkapselung von Small- -Farbstoffen / Probleme mit dem Austreten | A | B | A | C |
| Fluoreszenzmessungen | C | C | C | C |
Eignung von FluoSurf™-O-Formulierungen für verschiedene Anwendungsbereiche
Verdünnungsöl Anwendung | Fluo-Oil 40 | Fluo-Oil 135 | Fluo-Oil 200 | Fluo-Oil 7500 |
|---|---|---|---|---|
| ddPCR (30 PCR-Zyklen) | D | A | D | A |
| ddPCR (40 PCR-Zyklen) | D | D | D | D |
| Verkapselung von Small- -Farbstoffen / Probleme mit dem Austreten | A | B | A | C |
| Fluoreszenzmessungen | A | A | A | A |
Eignung von FluoSurf™-S-Formulierungen für verschiedene Anwendungsbereiche
Verdünnungsöl Anwendung | Fluo-Oil 40 | Fluo-Oil 135 | Fluo-Oil 200 | Fluo-Oil 7500 |
|---|---|---|---|---|
| ddPCR (30 PCR-Zyklen) | D | A | D | A |
| ddPCR (40 PCR-Zyklen) | D | A | D | A |
| Verkapselung von Small- -Farbstoffen / Probleme mit dem Austreten | D | D | D | D |
| Fluoreszenzmessungen | B | B | B | B |
💡 Fazit
Tenside spielen eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung von Tröpfchen in der Mikrofluidik und gewährleisten Tröpfchenstabilität, Präzision und Reproduzierbarkeit in einem breiten Anwendungsspektrum. Die Wahl des richtigen Tensids hängt von der jeweiligen Emulsionsart, den Versuchsbedingungen und den gewünschten Leistungseigenschaften ab. Ein umfassendes Verständnis der Tensideigenschaften ermöglicht es Forschern, ihre Arbeitsabläufe zu optimieren – sei es für biologische Assays, die Materialsynthese oder fortschrittliche Lab-on-a-Chip-Technologien.
Bleibt dran für weitere Einblicke in mikrofluidische Innovationen und praktische Lösungen zur Optimierung von Experimenten mit Tröpfchen. Bis dahin: Lasst eure Tröpfchen nicht platzen 🫧!
📧 Wenn Sie Fragen oder Anregungen haben, können Sie sich gerne unter contact@darwin-microfluidics.com an uns wenden.
