Plattformen, die auf Mikrofabrikation und Mikrofluidik basieren, wurden bereits erfolgreich in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter unter anderem in der Wirkstoffforschung, bei der Polymerase-Kettenreaktion (PCR), bei der Analyse mittels „ single-cell “ oder bei der Proteinkristallisation. Bei all diesen Anwendungen erweisen sich die Erzeugung von Tröpfchen mit kontrollierten Größen sowie kontrollierten Erzeugungsraten als Schlüsselfaktoren, um aussagekräftige, zuverlässige und robuste Ergebnisse zu erzielen. Tatsächlich kann die Tröpfchengröße durch viele Faktoren wie beispielsweise die Grenzflächenspannung oder die Kanalgröße beeinflusst werden.
Mittlerweile wurde eine Vielzahl von Geometrien entwickelt, die die Erzeugung von Tröpfchen im passiven oder aktiven Modus ermöglichen. In diesem Überblick konzentrieren wir uns auf die am häufigsten verwendeten Konstruktionen zur Tröpfchenerzeugung.
Passiv- und Aktivmodus
Passivmodus
Mikrofluidische Verfahren zur Tröpfchenbildung können entweder passiv oder aktiv sein. Bei passiven Verfahren wird die mikrofluidische Zweiphasenströmung durch Spritzenpumpen (die konstante Durchflussraten liefern) oder Druckregler ohne zusätzlichen Energieeinsatz gesteuert. Während der Tröpfchenbildung wird ein Teil der von den Spritzenpumpen oder Druckreglern zugeführten Energie in Grenzflächenenergie umgewandelt und fördert so die Destabilisierung der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche, wodurch es zur Ablösung diskreter Tröpfchen aus der dispergierten Phase kommt [Seemann R. et al. 2012 Rep Prog Phys.]. In der Praxis wird die zu dispergierende Flüssigkeitsphase durch eine druckgetriebene Strömung in einen Mikrokanal geleitet, wobei der Volumenstrom oder der angelegte Druck zwangsläufig geregelt wird. Eine zweite, nicht mischbare Flüssigkeit wird über eine unabhängig geregelte Strömung in einen separaten Mikrokanal geleitet. Die beiden Ströme treffen an der Verbindungsstelle aufeinander. Die Geometrie der Verbindungsstelle und die Volumenströme der beiden Flüssigkeiten bestimmen das Strömungsfeld, das die Grenzfläche verformt [Christopher GF und Anna SL. 2007 J Phys Appl Phys].
Aktiver Modus
Im aktiven Modus lässt sich die Tröpfchenbildung durch zusätzliche Energiezufuhr mittels aktiver Steuerungen modulieren, darunter externe Kräfte wie elektrische, magnetische oder Zentrifugalkräfte sowie interne Kräfte wie viskose und kapillare Kräfte. Genauer gesagt moduliert das Energieungleichgewicht die Art des Kräftegleichgewichts an der Grenzfläche, wodurch die Tröpfchenbildung gesteuert wird.
Die aktive Tröpfchenbildung kann entweder durch zwei Arten von Kräften ausgelöst werden: durch die Veränderung der intrinsischen Kräfte oder durch die Einwirkung zusätzlicher Kräfte. Zusätzliche Kräfte werden durch das Anlegen externer elektrischer, magnetischer und zentrifugaler Felder genutzt, während die Modifizierung der intrinsischen Trägheits-, Viskositäts- und Kapillarkräfte durch die Manipulation der dynamischen Geschwindigkeit und der Materialeigenschaften, einschließlich Viskosität, Grenzflächenspannung, Benetzbarkeit des Kanals und Flüssigkeitsdichte, erfolgen kann [Chong ZZ et al. 2016 Lab Chip.].
Entwürfe für Chips zur Tröpfchenerzeugung
Querverbindung mit T-Verzweigung
Von Querströmung spricht man, wenn sich Flüssigkeiten der dispergierten und der kontinuierlichen Phase in einem Winkel θ zwischen 0 und 180° treffen (siehe Abb. 1). Im Allgemeinen ist die Querströmungsstruktur mit einer T-Verzweigung verbunden. Somit werden die Flüssigkeiten der dispergierten und der kontinuierlichen Phase orthogonal zugeführt.
Es gibt drei Betriebsarten der mikrofluidischen Tröpfchenerzeugung mit T-Verzweigung: den Tropfmodus, den Quetschmodus und den Strahlmodus (siehe Abb. 2). Grundsätzlich sind die im Tropfmodus erzeugten Tröpfchen kleiner als die Kanalabmessungen und hochmonodispers. Im Quetschmodus sind die Tröpfchen größer als der Kanal und monodispers. Schließlich erfolgt die Tröpfchenerzeugung im Strahlmodus polydispers.
Der erste Vorteil des Querstroms liegt in der einfachen Bildung von Tröpfchen und der Gleichmäßigkeit der entstehenden Tröpfchen. Tatsächlich lässt sich bei Verwendung eines einzelnen T-förmigen Kanals über einen großen Durchflussbereich hinweg eine regelmäßige und periodische Tröpfchenbildung erzielen. In einigen Studien [Garstecki P. et al. 2005, *Nature Phys*; Barbier et al. 2006, *Phys. Rev.*] zeigt sich jedoch, dass die Tröpfchen nicht unbedingt regelmäßig sind, wenn mehrere Tröpfchengeneratoren an einen einzigen Satz Spritzenpumpen gekoppelt sind; dies kann sich als kritisches Problem erweisen, wenn in einer Studie eine präzise Steuerung der Tröpfchengröße erforderlich ist.
Strömungsfokussierung
Die Strömungsfokussierung entspricht der Bildung von dispergierten Tröpfchen einer Flüssigkeit in einem kontinuierlichen Strom einer anderen Flüssigkeit. Es gibt zwei Varianten geometrischer mikrofluidischer Strömungsfokussierungssysteme: die einfache Kreuzverbindung und die Kreuzverbindung, an die sich eine Verengung (auch Düse genannt) anschließt. Darüber hinaus lässt sich zwischen einer quasi-zweidimensionalen planaren Konfiguration (siehe Abb. 3 (i) (ii)) und einer achsensymmetrischen dreidimensionalen Konfiguration (siehe Abb. 3 (iii) (iv)) unterscheiden.
Im Vergleich zu planaren Strömungsfokussiervorrichtungen vermeiden 3D-axialsymmetrische Strömungsfokussiervorrichtungen Probleme wie die Benetzung der Kanalwände durch die disperse Phase und erzeugen so monodisperse Tröpfchen bei höheren Durchsätzen.
Was die Querstromgeometrie betrifft, lassen sich drei verschiedene Betriebsarten unterscheiden: Squeezing-, Dripping- und Jetting-Modus (siehe Abb. 4). Der Vorteil der Strömungsfokussierung liegt in ihrer einfachen Geometrie und damit in den zahlreichen Konstruktionsvarianten. Es gibt jedoch kein einfaches mechanistisches Modell, mit dem sich die Tröpfchengröße über einen weiten Bereich von Strömungsbedingungen vorhersagen lässt. Ein weiteres bekanntes Problem ist das unerwünschte Zusammenfließen von Tröpfchen, das durch den Einsatz von Tensiden verhindert werden kann. Tenside können jedoch auch die biochemischen Reaktionen stören oder hemmen.
Dynamische Mehrkanal-Schnittstelle
Die klassischsten Geometrien bei mikrofluidischen Tröpfchen sind die Strömungsfokussierung und T-Verzweigungen. Es ist zu beachten, dass diese Techniken erhöhte technische Fähigkeiten und spezielle Ausrüstung erfordern, was für Labore, die nicht auf Mikrofluidik spezialisiert sind, eine Hürde darstellen kann. Außerdem kann die Tröpfchengröße durch viele Faktoren wie die Viskosität der Flüssigkeit, die Grenzflächenspannung, die Kanalgröße usw. beeinflusst werden.
Hier kommt eine einfache aktive (elektrische) Technik zur Erzeugung von Tröpfchen zum Einsatz, bei der die dynamische Scherung an der Grenzfläche durch eine mechanische Vorrichtung angetrieben wird (siehe Abb. 1). In der Praxis laufen die Flüssigkeitskomponenten an der Düse zusammen und erzeugen durch die Grenzflächenscherung, die durch die Schwingung einer Mehrkanal-Kapillare hervorgerufen wird, Tröpfchen.
Einer der ersten Vorteile besteht darin, dass das Gerät lediglich auf einem kostengünstigen Vibrator und einer handgefertigten, sich verjüngenden Mehrkanal-Kapillare basiert, die einfach zusammenzubauen ist und von jedem ohne Fachkenntnisse in der Tröpfchenerzeugung genutzt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Technik bei der Erzeugung gleichmäßiger Tröpfchen mit vorab festgelegten Größen und Zusammensetzungen eine hervorragende Leistung zeigt. Obwohl die Herstellung und der Zusammenbau einfach sind, kann die Tatsache, dass die Mikrokanäle von Hand gefertigt werden, zu Abweichungen bei der Reproduzierbarkeit des Geräts führen und auch die Größe der von zwei verschiedenen Geräten bei gleichen Einstellungen erzeugten Tröpfchen beeinflussen. Darüber hinaus ist diese Technik auf eine geringe Anzahl biologischer Anwendungen wie beispielsweise Bakterienuntersuchungen beschränkt, da der Tröpfchendurchmesser mit steigender Kapillaranzahl abnimmt, was auf erhöhte viskose Spannungen zurückzuführen ist, die eine Verformung des Tröpfchens bewirken.
Fazit
In diesem Überblick haben wir nur einen sehr kleinen Ausschnitt der vorhandenen Geometrien und ihrer Varianten zur Erzeugung mikrofluidischer Tröpfchen betrachtet. Jede davon weist hinsichtlich Strömungsinstabilitäten, Tröpfchengröße oder Tröpfchenverhalten ihre eigenen charakteristischen Merkmale auf. Für eine effektive Tröpfchenerzeugung mit dem gewünschten Ergebnis ist es wichtig, die Auswirkungen von Viskositäts-, Trägheits- und Kapillarkräften genau zu verstehen. Da die genaue Abhängigkeit der Tröpfchengröße von den Strömungsparametern von der jeweiligen Geometrie abhängt, ist es wichtig, die genauen Anforderungen und Einschränkungen der gewünschten Forschungsanwendung zu berücksichtigen, um das optimale Design für die Tröpfchenerzeugung auszuwählen.
