Plattformen auf Basis von Mikrofabrikation und Mikrofluidik wurden erfolgreich in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wie etwa in der Wirkstoffforschung, der Polymerase-Kettenreaktion (PCR), der single-cell-Analyse oder der Proteinkristallisation, um nur einige zu nennen. Für all diese Anwendungen sind die Erzeugung von Tröpfchen mit kontrollierter Größe sowie kontrollierte Erzeugungsraten entscheidende Faktoren, um interpretierbare, zuverlässige und robuste Ergebnisse zu erhalten. Tatsächlich kann die Tröpfchengröße durch viele Faktoren wie die Grenzflächenspannung oder die Kanalgröße beeinflusst werden.
Heute wurde eine breite Palette von Geometrien entwickelt, die die Erzeugung von Tröpfchen im passiven oder aktiven Modus ermöglichen. In diesem Übersichtsartikel konzentrieren wir uns auf die am häufigsten verwendeten Designs zur Tröpfchenerzeugung.
Passiver und aktiver Modus
Passiver Modus
Mikrofluidische Methoden zur Tröpfchenbildung können entweder passiv oder aktiv sein. Bei passiven Methoden wird die mikrofluidische Zweiphasenströmung durch Spritzenpumpen (die konstante Flussraten liefern) oder Druckregler ohne zusätzliche Energiezufuhr gesteuert. Während der Tröpfchenbildung wird ein Teil der von den Spritzenpumpen oder Druckreglern zugeführten Energie in Grenzflächenenergie umgewandelt und erleichtert so die Destabilisierung der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche, wodurch sich diskrete Tröpfchen von der dispersen Phase ablösen [Seemann R. et al. 2012 Rep Prog Phys.]. Praktisch wird die zu dispergierende Flüssigphase durch eine druckgesteuerte Strömung, bei der die Volumenstromrate oder der angelegte Druck zwingend kontrolliert wird, in einen Mikrokanal geleitet. Eine zweite, nicht mischbare Flüssigkeit wird über einen unabhängig gesteuerten Fluss in einen separaten Mikrokanal geleitet. Die beiden Ströme treffen an der Kreuzung aufeinander. Die Geometrie der Kreuzung und die Volumenstromraten der beiden Fluide bestimmen das Strömungsfeld, welches die Grenzfläche verformt [Christopher GF and Anna SL. 2007 J Phys Appl Phys].
Aktiver Modus
Im aktiven Modus ist es möglich, die Tröpfchenerzeugung durch eine zusätzliche Energiezufuhr über aktive Steuerungen zu modulieren, einschließlich externer Kräfte wie elektrischer, magnetischer oder zentrifugaler Felder sowie interner Kräfte wie viskoser und kapillarer Kräfte. Genauer gesagt moduliert das Energieungleichgewicht die Art des Kräftegleichgewichts an der Grenzfläche zur Tröpfchenerzeugung.
Die aktive Tröpfchenerzeugung kann durch zwei Arten von Kräften induziert werden: die Modifikation intrinsischer Kräfte oder die Einführung zusätzlicher Kräfte. Zusätzliche Kräfte werden durch das Anlegen externer elektrischer, magnetischer und zentrifugaler Felder genutzt, während die Modifikation der intrinsischen Trägheits-, Reibungs- und Kapillarkräfte durch die Manipulation der dynamischen Geschwindigkeit und der Materialeigenschaften, einschließlich Viskosität, Grenzflächenspannung, Kanalbenetzbarkeit und Fluiddichte, erfolgen kann [Chong ZZ et al. 2016 Lab Chip.].
Chips-Designs zur Tröpfchenerzeugung
Kreuzströmung mit T-Verzweigung
Man spricht von einer Kreuzströmung, wenn die Fluide der dispersen und der kontinuierlichen Phase in einem Winkel $\theta$ zwischen 0 und 180° aufeinander treffen (siehe Abb. 1). Im Allgemeinen ist die Kreuzströmungsstruktur mit einer T-Verzweigung verbunden. Folglich werden das disperse und das kontinuierliche Fluid orthogonal zugeführt.
Es gibt drei Regimes der mikrofluidischen Tröpfchenerzeugung mit einer T-Verzweigung: das Dripping-Regime, das Squeezing-Regime und das Jetting-Regime (siehe Abb. 2). Prinzipiell sind im Dripping-Modus erzeugte Tröpfchen kleiner als die Kanalabmessung und weisen eine hohe Monodispersität auf. Im Squeezing-Regime sind die Tröpfchen größer als der Kanal und ebenfalls monodisperse. Schließlich ist die Tröpfchenerzeugung im Jetting-Modus polydisperse.
Der erste Vorteil der Kreuzströmung ist die Leichtigkeit, mit der Tröpfchen gebildet werden können, sowie die Gleichmäßigkeit der resultierenden Tröpfchen. Tatsächlich ist es innerhalb eines großen Bereichs von Flussraten möglich, eine regelmäßige und periodische Tröpfchenbildung zu erreichen, wenn ein einzelner T-förmiger Kanal verwendet wird. In einigen Studien [Garstecki P et al. 2005 Nature Phys ; Barbier et al. 2006 Phys Rev.] zeigt sich jedoch, dass Tröpfchen nicht unbedingt regelmäßig sind, wenn mehrere Tröpfchengeneratoren mit einem einzigen Satz Spritzenpumpen gekoppelt werden. Dies kann zu einem kritischen Problem werden, wenn in einer Studie die Tröpfchengröße präzise kontrolliert werden muss.
Flow-Focusing
Flow-Focusing entspricht der Bildung dispergierter Tröpfchen einer Flüssigkeit in einem kontinuierlichen Strom einer anderen Flüssigkeit. Es gibt zwei Varianten geometrischer mikrofluidischer Flow-Focusing-Systeme: die einfache Kreuzungsstelle und die Kreuzungsstelle mit nachgeschalteter Verengung (auch Düse genannt). Darüber hinaus lässt sich zwischen einer quasi-zweidimensionalen planaren Konfiguration (siehe Abb. 3 (i) (ii)) und einer achsensymmetrischen 3D-Konfiguration (siehe Abb. 3 (iii) (iv)) unterscheiden.
Im Vergleich zu planaren Flow-Focusing-Vorrichtungen vermeiden 3D-achsensymmetrische Flow-Focusing-Vorrichtungen Probleme wie das Benetzen der Kanalwände durch die dispergierte Phase und erzeugen dadurch monodisperse Tröpfchen bei höheren Durchsätzen.
Wie bei der Kreuzströmungsgeometrie kann man auch hier drei verschiedene Modi unterscheiden: Squeezing-, Dripping- und Jetting-Modus (siehe Abb. 4). Der Vorteil der Verwendung von Flow-Focusing liegt in seiner geometrischen Einfachheit, was zu zahlreichen Designvarianten führt. Es gibt jedoch kein einfaches mechanistisches Modell, das die Tröpfchengröße über einen großen Bereich von Strömungsbedingungen vorhersagen kann. Ein weiteres bekanntes Problem ist das unerwünschte Verschmelzen von Tröpfchen, das durch den Einsatz von Tensiden verhindert werden kann. Tenside können jedoch auch biochemische Reaktionen beeinträchtigen oder hemmen.
Mehrkanalige dynamische Grenzfläche
Die klassischsten Geometrien bei mikrofluidischen Tröpfchen sind Flow-Focusing und T-Stücke. Es ist zu beachten, dass diese Techniken erhöhte technische Fähigkeiten und spezialisierte Ausrüstung erfordern, was eine Hürde für Labore darstellen kann, die nicht auf Mikrofluidik spezialisiert sind. Außerdem kann die Tröpfchengröße durch viele Faktoren wie Flüssigkeitsviskosität, Grenzflächenspannung, Kanalgröße usw. beeinflusst werden.
Hier wird eine einfache aktive (elektrische) Technik zur Tröpfchenerzeugung eingesetzt, die auf dynamischer Grenzflächenscherung beruht, welche durch eine mechanische Vorrichtung drive wird (siehe Abb. 1). Praktisch gesehen konvergieren flüssige Komponenten an der Düse und erzeugen Tröpfchen durch die Grenzflächenscherung infolge der Vibration einer Mehrkanalkapillare.
Einer der ersten Vorteile besteht darin, dass das Gerät einfach auf einem kostengünstigen Vibrator und einer handgefertigten, konischen Mehrkanalkapillare basiert, die leicht zu montieren und von jedermann ohne Fachkenntnisse in der Tröpfchenerzeugung nutzbar ist. Der andere Vorteil liegt in der hervorragenden Leistung der Technik bei der Erzeugung einheitlicher Tröpfchen mit vorgegebenen Größen und Komponenten. Obwohl die Herstellung und Montage einfach sind, kann die Tatsache, dass die Mikrokanäle von Hand hergestellt werden, eine Fehlerquelle für die Reproduzierbarkeit des Geräts darstellen und auch die Größe der Tröpfchen beeinflussen, die von zwei verschiedenen Geräten mit denselben Einstellungen erzeugt werden. Darüber hinaus ist diese Technik auf eine kleine Anzahl biologischer Anwendungen wie Bakterienstudien beschränkt, da der Tröpfchendurchmesser mit steigender Kapillarzahl abnimmt, was auf erhöhte viskose Schubspannungen zurückzuführen ist, die auf die Verformung des Tröpfchens wirken.
Fazit
In diesem Übersichtsartikel haben wir nur einen sehr kleinen Teil der existierenden Geometrien und deren Varianten zur Erzeugung mikrofluidischer Tröpfchen gesehen. Jede davon weist einzigartige Eigenschaften hinsichtlich Strömungsinstabilitäten, Tröpfchengröße oder Tröpfchenverhalten auf. Für eine effektive Tröpfchenproduktion mit dem gewünschten Ergebnis ist ein tiefes Verständnis der Auswirkungen von viskosen, Trägheits- und Kapillarkräften von großer Bedeutung. Da die genaue Abhängigkeit der Tröpfchengröße von den Strömungsparametern von der jeweiligen Geometrie abhängt, ist es wichtig, die genauen Anforderungen und Einschränkungen der angestrebten Forschungsanwendung zu berücksichtigen, um das ideale Design für die Tröpfchenerzeugung auszuwählen.
