In diesem Übersichtsartikel untersuchen wir zwei der am häufigsten verwendeten Designs für die Tröpfchenerzeugung: T-Junction und Flow-Focusing. Zuerst besprechen wir, wie es möglich ist, die Tröpfchengröße in der Mikrofluidik vorherzusagen. Anschließend stellen wir die Ergebnisse vor, die wir für zwei Chips mit zwei gängigen fluorierten Ölen erzielt haben, basierend auf der Verwendung eines Druckreglersystems und mikrofluidischer Chips von Darwin Microfluidics.
Material
Für unsere Charakterisierung wählten wir einen Druckregler und zwei Chip-Typen: einen PDMS-Chip mit einer Flow-Focusing-Geometrie und einen Polycarbonat-Chip mit verschiedenen T-Junction-Designs (siehe Abbildung 1).
Diese Experimente ermöglichten es uns, die Größe der Tröpfchen in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Geometrien der tröpfchenerzeugenden Systeme sowie von der Art des verwendeten Öls zu bewerten (FluoDrop 40 und FluoDrop 7500 (mit 2% FluoSurf), bei denen es sich um die am häufigsten verwendeten fluorierten Öle in der Mikrofluidik handelt).
Wie lässt sich die Tröpfchengröße vorhersagen?
Der erforderliche Schritt in allen tröpfchenbasierten Systemen ist die Tröpfchenbildung. Ein Tröpfchengenerator muss eine anwendungsspezifische Leistung erbringen, die eine vorgeschriebene Tröpfchengröße und Er Frequenz umfasst und gleichzeitig monodisperse Tröpfchen erzeugt. Die gewünschte Leistung wird in der Regel durch mehrere kosten- und zeitintensive Designiterationen erreicht.
Um diese Phase der Tröpfchenerzeugung zu erleichtern, wurden verschiedene Studien durchgeführt, um die Größe der Tröpfchen in Abhängigkeit von der Geometrie des Tröpfchengenerators und der Viskosität der verwendeten kontinuierlichen Phase vorherzusagen.
Beispielsweise zeigen Prileszky und Mitarbeiter, dass die Größe der in einem T-Junction erzeugten Tröpfchen gamma-verteilt ist (siehe Abbildung 2), was zusätzliche Einblicke in die Physik des Aufbrechprozesses und die Eigenschaften von in der Mikrofluidik erzeugten Emulsionen liefert. Sie zeigen, dass die Größe der in einer T-Junction erzeugten Tröpfchen durch eine Gammastrahlung verteilt wird, was ein besseres Verständnis der Physik des Aufbrechprozesses und der Eigenschaften der in der Mikrofluidik erzeugten Emulsionen ermöglicht. Die Kenntnis der zugrundeliegenden Wahrscheinlichkeitsverteilung ermöglicht die Steuerung der Tröpfchengröße für Tröpfchen aus viskosen Materialien. Das Verständnis, wie die Viskosität der dispersen Phase die Tröpfchengröße beeinflusst, ist entscheidend, um Tröpfchen mit der korrekten Geometrie und den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen [Prileszky et al. 2016 AIChE Journal].
Die Gamma-Verteilung scheint das am besten geeignete Modell zu sein und übertrifft sogar die weitaus häufiger verwendete log-normale Verteilung, was durch die große Diskrepanz zwischen den Anderson-Darling-Statistiken (dieser Test misst den Abstand zwischen einer hypothetischen Verteilung und dem empirischen Modell über die gesamte kumulative Verteilungsfunktion (CDF) der hypothetischen Verteilung) und den zugehörigen p-Werten aus repräsentativen Wahrscheinlichkeitsdiagrammen belegt wird.
Die Entwicklung einer probabilistischen Beschreibung eines physikalischen Prozesses führt zur Korrelation der Messungen mit den physikalischen Parametern. Ohne das Verständnis der Form der Verteilung einer Zufallsvariablen führt systematisches Rauschen in experimentellen Daten direkt zu systematischen Fehlern in einer vorgeschlagenen Korrelation. Durch das Herausfiltern des Rauschens durch Vergleich einer experimentellen Verteilung mit einer theoretischen Verteilung ist es jedoch möglich, den Mittelwert der realen Verteilung besser zu schätzen, indem die Fehlerfortpflanzung durch Regressionsanalysen minimiert wird. Folglich ermöglicht die Identifizierung der Gamma-Verteilung als repräsentativ für die Variabilität der Größe von Tröpfchen, die in einer T-Junction gebildet werden, eine genauere Korrelation der Tröpfchengröße mit der Viskosität und der Durchflussrate der dispersen Phase [Prileszky et al. 2016 AIChE Journal].
Eine weitere Methode zur Vorhersage der Tropfengröße ist die numerische Simulation mittels der COMSOL-Software. In diesem Beispiel wird der Prozess der Tröpfchenbildung in einer mikrofluidischen Flow-Focusing-Struktur untersucht. Dabei wurden mehrere Erkenntnisse gewonnen: Es zeigte sich, dass die Genauigkeit der numerischen Lösung mit der Wasserflussrate zunimmt. So sank der durchschnittliche Fehler von 14,6 auf 6,96 %, als die Wasserflussrate von 0,3 auf 0,6 µL/min erhöht wurde. Anschließend wurde die Variation des Tröpfchenradius als Funktion des Flussverhältnisses und der Anzahl der Kapillaren untersucht. Es wurde festgestellt, dass diese beiden Parameter – und nicht der Wasser- und Ölfluss – die Hauptfaktoren sind, welche die Tröpfchengröße beeinflussen. Schließlich zeigte sich, dass die Kapillarzahl im Vergleich zum Flussverhältnis eine dominantere Rolle bei der Bestimmung des Tröpfchenradius spielt [Lashkaripour et al. 2015 JAMECH].
Charakterisierung der Tröpfchengröße für zwei Standard-Chips (Flow-Focusing und T-Junction)
Zur Durchführung dieser Charakterisierung haben wir uns entschieden, die Größe der durch Flow-Focusing und T-junction erzeugten Tröpfchen mit zwei in der Mikrofluidik weit verbreiteten fluorierten Ölen zu evaluieren. In der folgenden Tabelle sind die erzielten Ergebnisse aufgeführt.
| Geometrie des Tröpfchengenerators | Tröpfchengröße (µm) mit FluoDrop 40* Öl | Tröpfchengröße (µm) mit FluoDrop 7500* Öl |
| Flow-Focusing (DG-DM1-45) | 20 → 79 | 21 → 93 |
| T-junction (CS-10000176) Design 1 | 98 → 312 | 60 → 494 |
| T-junction (CS-10000176) Design 2 | 18 → 70,002 | 12 → 70 |
| T-junction (CS-10000176) Design 3 | 11 → 79 | 22 → 78 |
| T-junction (CS-10000176) Design 4 | 94 → 484 | 96 → 387 |
| T-junction (CS-10000176) Design 5 | 270 → 876 | 345 → 700 |
*Die Viskosität von HFE beträgt 0,77 cSt und die Viskosität von FC40 beträgt 2,2 cSt
Gemäß der Publikation von Nekouei und Vanapalli (2017) zeigt die Interpretation dieser Ergebnisse, dass die Tröpfchengröße der erzeugten Tröpfchen umso kleiner ist, je höher die Viskosität der kontinuierlichen Phase ist.
