Ein in der Mikrofluidik weit verbreiteter Ansatz zur Erzeugung von Emulsionen basiert auf der Produktion von Tropfen einer Flüssigkeit, die in einer anderen, nicht mischbaren Flüssigkeit (hauptsächlich Ölen) dispergiert ist, und das bei Frequenzen in der Größenordnung von einem bis zu Tausenden von Tropfen pro Sekunde. Die tröpfchenbasierte Mikrofluidik nutzt das Zusammenspiel von Grenzflächenspannung und fluidischer Schubspannung, um kontinuierliche Flüssigkeiten in einem Mikrokanal in Segmente einheitlicher Größe zu zerlegen. Aus diesem Grund kann die Viskosität von Öl entscheidende Parameter wie Wasser-in-Öl-Emulsionen und insbesondere die Auswirkungen auf Tropfengröße und Tropfenerzeugungsrate maßgeblich beeinflussen.
Mit dem Aufkommen der Mikrofluidik ist der Markt für Öle in diesem Bereich beträchtlich gewachsen. Ziel dieses Übersichtsartikels ist es, die in der Mikrofluidik verwendeten Öle anhand ihrer unterschiedlichen physikochemischen Eigenschaften und ihres Einflusses auf die Tropfenparameter zu kategorisieren.
Was ist ein Tensid?
Die Mikrofluidik ist ein Verfahren, bei dem Tausende von Tropfen pro Sekunde erzeugt werden, indem zwei nicht mischbare Flüssigkeiten in einem Netzwerk von Mikrokanälen über einen Chip geleitet werden, wodurch eine Emulsion entsteht. Zur Stabilisierung dieser Tropfen ist der Zusatz eines Tensids erforderlich. Ein Tensid ist eine amphiphile Verbindung, die die Oberflächenspannung herabsetzt. Da es aus einem hydrophilen und einem hydrophoben Teil besteht, lagert es sich von Natur aus an Grenzflächen an. In diesem Zusammenhang müssen Öle gefunden werden, die sowohl mit dem Tensid als auch mit dem verwendeten Material (z. B. Zellen) kompatibel sind.
Die verschiedenen Öltypen
Typischerweise wurden Mineralöle in Kombination mit Zellen eingesetzt. Dies gilt beispielsweise für die Kapselungsmechanismen [Chaber M und Viovy JL. 2008 Proc Natl Acad Sci; Um E et al. 2010 Appl Phys Lett] sowie als zweifaches Bakterienemulgierungssystem für Screenings mit Inkubationszeiten von wenigen Minuten bis hin zu etwa 2 Stunden [Aharoni et al. 2005 Chem Biol]. Zu den Mineralölen gehören Kohlenwasserstofföle. Sie sind daher auf Anwendungen wie die PCR beschränkt, bei denen die Zielobjekte (die DNA- oder RNA-Fragmente) nicht zwischen den Tropfen ausgetauscht werden. Fluorierte Öle sind die einzigen Beispiele, bei denen das Überleben und die Proliferation von Zellen bei langfristiger Inkubation von Organismen nachgewiesen wurden [Schmitz CHJ et al. 2009 Lab Chip], wobei der Gasaustausch entscheidend wird. Die Wahl fluorierter Öle wird hauptsächlich durch zwei Punkte drive: Erstens sind sie attraktiv, da die meisten organischen Verbindungen in diesen Ölen unlöslich sind. Die im Tropfen eingekapselten Verbindungen erfahren keine Phasenseparation und verbleiben folglich im Tropfen, was die Austauschbeschränkungen organischer und Silikonöle löst. Der zweite Vorteil fluorierter Öle ist ihre Biokompatibilität [Baret C. 2012 Lab Chip]. Darüber hinaus sind fluorierte Öle in der Lage, Gase zu lösen, was für die Lebensfähigkeit von Zellen von entscheidender Bedeutung ist. In geringerem Maße ist die Verwendung von Silikonölen möglich, allerdings sind sie aufgrund der Inkompatibilität mit PDMS in der Mikrofluidik nach wie vor wenig verbreitet.Welche Anwendung für welches Öl?
In den folgenden Tabellen finden Sie die für die jeweiligen Anwendungen erforderlichen Öle sowie die dazugehörigen Tenside. Diese Tabellen wurden Baret 2012 Lab Chip entnommen.Silikonöl
| Tensid | DC200 | PDMS | AR20 |
| Triton X-100 | PCR (komplexe Ölmischung) | ||
| SDS (in Wasser) | Öl-in-Wasser-Emulgierung | ||
| ABIL EM90 | Gerichtete Evolution | ||
| Ohne Tensid | Lagerung chemischer Verbindungen Emulgierung | Raman-Messung |
Kohlenwasserstofföl
| Tensid | Hexadecan | Tetra-/Octa-/Dodecan | Mineralöl | Isopar M | Pflanzlich / organisch |
| Span 80 | Emulgierung Koaleszenz Droplet-Splitting Grenzflächeninstabilitäten Lasermanipulation Elektrokoaleszenz Droplet-Sorting | Emulgierung Droplet-Patterns Chemische Kopplung | Proteinexpression Droplet-Patterns Molekularer Austausch Zellverkapselung Chemische Reaktionen Elektrisch unterstützte Emulgierung Elektrowetting-Emulgierung | Emulgierung Droplet-Pairing Elektrokoaleszenz | |
| Monolein Ölsäure | Tip-Streaming | Doppelschichten (Squalan) | |||
| Tween 20/80 | Dynamische Oberflächenspannung Emulgierung | ||||
| Synperonic PEF C12E8 | Dynamische Oberflächenspannung | Tip-Streaming | |||
| SDS | Dynamische Oberflächenspannung Emulgierung | ||||
| n-Butanol | Grenzflächenrheologie | ||||
| ABIL EM90 | Tröpfchen-PCR Gerichtete Evolution | ||||
| Phospholipid | Lipiddoppelschicht | ||||
| Ohne Tensid | Tröpfchenhydrodynamik Tröpfchen-PCR | Tröpfchenhydrodynamik (Sonnenblumenöl) |
Fluoriertes Öl
| Tensid | PFH/PFC/PFD/PFPH | Trägeröl (Raindance Technologies) | HFE/Novec | FC40 | FC70/FC77 | FC3283 |
| PF-Octanol | Reaktions- kinetik Proteinkristallisation | microPIV | Wirkstoffscreening Zellsortierung | Proteinkristallisation | ||
| PF-Decanol PF-TD-Säure | Tröpfchen-PCR | Proteinadsorption | ||||
| PF-TD OEG | Proteinadsorption Chemistrode | |||||
| PFPE- COOH | Tröpfchenteilung Droplet Detection | Elektrokoaleszenz | ||||
| PFPE- COONH4 | Zellen in Tröpfchen | Mehrfache Emulsionen | Zellen in Tröpfchen Tröpfchenhydrodynamik Chemische Reaktion | |||
| PFPE-PEG | Zellen in Tröpfchen PCR Diagnostik | Gezielte Evolutionsforschung Picoinjector PCR und Diagnostik DNA- Amplifikation Sortierung von Mikroorganismen Hefen in Tröpfchen | Zellen in Tröpfchen Dropspot Koaleszenz Chemische Gradienten Tröpfschentrennung Elektrokoaleszenz | Molekularer Austausch Chemische Gradienten | ||
| PFPE-DMP | Zellen in Tröpfchen Koaleszenz | Bakterien in Tröpfchen | ||||
| Kurze Ketten | Oberflächenspannung und Emulgierung | |||||
| Ohne Tensid | Bakterien/Antibiotika | |||||
| FluoSurf | Zellen in Tröpfchen PCR Diagnostik | Generierung von Wasser-in-Öl-Tröpfchen Kapselung Alginat-/Polyacrylat-/Agarose-/Epoxid-Beads 3D-Zellkultur im Tröpfchen PCR und Diagnostik DNA Einzelzellanalyse Zellsortierung | Generierung von Wasser-in-Öl-Tröpfchen Kapselung Alginat-/Polyacrylat-/Agarose-/Epoxid-Beads 3D-Zellkultur im Tröpfchen PCR und Diagnostik DNA Einzelzellanalyse Zellsortierung |
Kompatibilität zwischen Ölen und Chipmaterialien
Die Wahl des Öls in Abhängigkeit vom Material des mikrofluidischen Chips ist ebenfalls ein nicht zu vernachlässigender Parameter. Das Öl steht in direktem Kontakt mit den Kanalwänden, und eine chemische Reaktion zwischen ihnen könnte kritisch für das erwartete Endergebnis sein (z. B. die Bildung von Tröpfchen einer präzisen Größe). Daher erfordert ein Materialwechsel des mikrofluidischen Systems auch einen Wechsel des verwendeten Öls. Es ist zwingend erforderlich, dass das Öl die Wände benetzt, um Wasser-in-Öl-Tröpfchen und keine Öl-in-Wasser-Tröpfchen zu bilden. Dieser kurze Abschnitt soll Ihnen daher helfen, das passende Öl für die Materialien Ihrer mikrofluidischen Chips auszuwählen.Fluorierte Öle
Fluorierte Öle bleiben die naheliegendste Wahl, da sie mit den meisten Metallen, Kunststoffen und Elastomeren kompatibel sind; das bekannteste darunter ist FC 40. Sie werden zudem für Systeme aus Teflon/PEEK dringend empfohlen, insbesondere für Anwendungen zur Tröpfchennukleation, um sich der homogenen Nukleation anzunähern [Ildefonso et al. 2013 J. Am. Chem. Soc.]. In diesem Fall empfiehlt sich die Verwendung eines fluorierten Öls vom Typ FMS.Silikonöle
Silikonöle sind selbstverständlich für mikrofluidische Chips aus Silikon zu empfehlen. Sie sind außerdem kompatibel mit PDMS oder dem neuartigen Material COC (Cyclic Olefin Copolymer).Mineralöle
Zu Mineralölen liegen nur sehr wenige Informationen hinsichtlich ihrer Materialverträglichkeit mit mikrofluidischen Komponenten vor. Es wurde jedoch berichtet, dass diese Öle problemlos mit Systemen aus Polycarbonat (PC) eingesetzt werden können.Beispiele für den Einfluss von Öl auf Tröpfchenparameter
Auswirkung der Ölviskosität auf die Tröpfchengröße
In der Arbeit von Yao et al. (2019) wurden deionisiertes Wasser mit rotem Farbstoff sowie Mineralöl (Zhanhong Chemical Industry, Guangzhou, China), versetzt mit einem Tensid (Span-80, 7,5 g/L, Sigma-Aldrich, St. Louis, MI, USA), als disperse beziehungsweise kontinuierliche Phase verwendet. Es wurden vier verschiedene Viskositäten (5, 7, 10 und 15 cSt) der Mineralöle untersucht, um zu analysieren, wie sich die unterschiedlichen Viskositäten der kontinuierlichen Phase auf die Tröpfchengröße und die Tröpfchengenerierungsrate in einer Wasser-in-Öl-Emulsion auswirken. Wie in Abbildung 2 und Tabelle 4 zu sehen ist, nahm die Tröpfchengröße mit steigender Ölviskosität ab.| Pw :Po (mbar) | 5 cSt | 7 cSt | 10 cSt | 15 cSt |
|
30 :40 60 :80 90 :120 120 :160 150 :200 |
68,3 ± 2,0 43,6 ± 2,1 37,1 ± 1,8 34,0 ± 1,9 32,1 ± 1,0 |
57,0 ± 1,7 39,5 ± 1,8 33,4 ± 2,0 30,7 ± 0,9 29,1 ± 1,1 |
51,0 ± 1,7 35,5 ± 1,7 31,0 ± 1,0 28,1 ± 1,0 26,9 ± 1,1 |
46,3 ± 1,8 32,2 ± 0,9 28,9 ± 0,9 26,0 ± 1,1 25,1 ± 1,3 |
Tabelle 4 : Durchschnittlicher Durchmesser von Tröpfchen bei unterschiedlicher Ölviskosität undem Strömungsdruck (µm), entnommen aus Yao et al. 2019 Micromachines
Einfluss der Ölviskosität auf die Tröpfchengenerierungsrate
Wie in Tabelle 5 und Abbildung 3 gezeigt, belegen Yao et al. (2019), dass die Anzahl der pro Zeiteinheit erzeugten Tröpfchen bei Verwendung viskoserer Öle unter allen getesteten Strömungsdruckbedingungen abnahm, wobei starke lineare Korrelationen beobachtet wurden (R2 > 0,99 für alle Strömungsdruckbedingungen).| Pw :Po (mbar) | 5 cSt | 7 cSt | 10 cSt | 15 cSt |
|
30 :40 60 :80 90 :120 120 :160 150 :200 |
76 ± 1 157 ± 0 239 ± 8 275 ± 3 581 ± 12 |
66 ± 1 126 ± 2 215 ± 6 334 ± 6 499 ± 12 |
54 ± 1 107 ± 3 182 ± 6 283 ± 3 411 ± 12 |
45 ± 0 93 ± 2 149 ± 1 223 ± 3 305 ± 8 |
Tabelle 4 : Durchschnittliche Tröpfchengenerierungsrate bei unterschiedlicher Ölviskosität und Fließdruck (µm), entnommen aus Yao et al. 2019, Micromachine.
Fazit
Die Wahl des Öls hängt im Wesentlichen von Ihrer Anwendung ab. Es müssen jedoch weitere Parameter wie die Kompatibilität zwischen Öl und Surfactant sowie Öl und Material berücksichtigt werden. Da die physikalischen Parameter der kontinuierlichen Phase das erwartete Ergebnis beeinflussen können, ist es wichtig, beispielsweise die Viskosität des Öls zu berücksichtigen.
