Sie haben es wahrscheinlich alle schon erlebt: Die Bildung von Luftblasen in der Mikrofluidik ist ein weit verbreitetes Phänomen und kann im schlimmsten Fall ein mehrtägiges Experiment völlig zunichte machen.
In anderen Fällen, ohne das Experiment direkt zu ruinieren, können Luftblasen das erzielte Ergebnis beeinflussen, was bei Veröffentlichungen problematisch sein kann. Diese Blasen treten zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf: beim Beladen des mikrofluidischen Chips, bei Eingriffen an demselben mikrofluidischen Gerät oder nach einer Ruhephase im Inkubator. Glücklicherweise gibt es mittlerweile Geräte, mit denen Sie Ihren Chip manipulieren und dabei Luftblasen vermeiden können.
In diesem Beitrag betrachten wir zunächst die Ursachen für die Entstehung dieser Luftblasen. Anschließend stellen wir Tipps und Tricks vor, um sie zu vermeiden, sowie Geräte, die sicherstellen, dass Ihr mikrofluidisches System blasenfrei bleibt.
Warum entstehen Luftblasen?
Bei der Entscheidung, Mikrofluidik als Hauptwerkzeug für wissenschaftliche Experimente zu nutzen, müssen zahlreiche Parameter berücksichtigt werden. Tatsächlich neigt sich eine Luftblase besonders dann zur Bildung, wenn kleine Oberflächenunregelmäßigkeiten (Harvey-Kerne) als „Katalysator“ wirken und einige Nanoliter Luft einschließen können. Diese wenigen Nanoliter Luft können unter der alleinigen Bedingung eingeschlossen werden, dass der Kontaktwinkel der an dieser Stelle eingefüllten Flüssigkeit eine geringe Benetzbarkeit aufweist. Die Größe dieser Blase variiert, wenn sich Temperatur- und Druckbedingungen ändern.
Die Wahl der Materialien, die Herstellungsart und die Beschichtung sind ausschlaggebend für das Auftreten von Luftblasen. Diese Faktoren sind umso wichtiger, wenn das mikrofluidische Gerät im Eigenbau (Home-made) hergestellt wurde.
Leider ist dies nicht die einzige Möglichkeit, Luftblasen im mikrofluidischen Gerät zu erzeugen. Eine andere Ursache besteht darin, Luftblasen unbeabsichtigt in das System einzubringen, beispielsweise bei Eingriffen am Chip. Das häufigste Beispiel hierbei ist die Zufuhr einer zweiten Lösung (Wirkstoffe, Farbstoffe, Zellen usw.) über eine tube-Verbindung. Dieser Schritt ist kritisch, da eine im tube übersehene Luftblase eingetragen wird und möglicherweise in andere Bereiche des Geräts wandert, wodurch das Experiment beeinträchtigt wird.
Luftblasen können bei mikrofluidischen Experimenten auftreten, wenn eine oder mehrere Verschraubungen undicht sind. Mehrere Anwender haben zudem berichtet, dass PDMS, ein poröses Material, insbesondere bei langwierigen Versuchen Luftblasen in das mikrofluidische System einbringen kann.
Ein weiterer kritischer Punkt ist schließlich das gelöste Gas. Tatsächlich kann das in den verwendeten Flüssigkeiten gelöste Gas bei plötzlichen Temperatur- und Druckänderungen zur Bildung von Luftblasen führen.
Druckänderungen können zudem die Desorption eines an der Wand eines Mikrokanals vorhandenen Luftfilms verursachen.
💡Tipps und Tricks zur Vermeidung von Luftblasen
- Beim Hinzufügen einer zweiten Flüssigkeit zum Chip sollte man deren Temperatur an die der ersten Flüssigkeit im Chip angleichen. Ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Flüssigkeiten könnte die Größe bereits vorhandener Blasen aufgrund der Harvey-Kerne vergrößern.
- Das Vorhandensein von Harvey-Kernen tritt häufig bei der Verwendung von PDMS zur Herstellung mikrofluidischer Geräte auf. Eine Möglichkeit, eine geringe Benetzbarkeit des Kontaktwinkels der Flüssigkeit an der Wand zu verhindern, besteht darin, die Hydrophilie durch eine Sauerstoffplasmabehandlung zu erhöhen oder die Oberfläche durch das Hinzufügen hydrophiler Gruppen zu funktionalisieren (Oberflächenbehandlung).
- Überprüfen Sie die Dichtigkeit des Systems zwischen den verschiedenen Teilen des Chips sowie des gesamten Aufbaus (Konnektoren usw.). Wie in der Übersicht über mikrofluidische Volumina zu sehen ist, stellen Konnektoren Quellen für Totvolumina und Luftblasen dar. Um eine korrekte Abdichtung sicherzustellen, können Sie Klebstoffe oder Epoxidharze verwenden.
- Ein weiterer Punkt bezüglich der Konnektoren ist die Reduzierung ihrer Anzahl auf ein absolutes Minimum.
Vorrichtungen zur Vermeidung von Luftblasen in Ihren mikrofluidischen Chips
Wenn Sie es leid sind, dass Ihre mikrofluidischen Experimente durch Luftblasen beeinträchtigt werden, sind diese Vorrichtungen genau das Richtige für Sie! In diesem Abschnitt hat Darwin Microfluidics speziell für Sie drei Vorrichtungen zur Begrenzung von Luftblasen ausgewählt.
Blasenfangsystem
Die Blasenallee (Bubble Trap) ist eine passive Vorrichtung mit mehreren Vorteilen, darunter:
- Inline-Entfernung von Blasen, mit oder ohne vide-Anschluss
- Vermeidet Luftblasen in der Nähe Ihrer Zellen
- Einfacher Membranwechsel zur Vermeidung von Kontaminationen
Dieser Blasenfang verfügt über eine ptfe-Membran. Die blasenhaltige Lösung wird in den Abscheider gedrückt, und die Blasen werden über eine mikroporöse Teflonmembran entfernt. Optional können Sie eine Vakuumpumpe an den hinteren Auslass des Abscheiders anschließen (aktiver Modus), um die Leistung des Blasenfangs zu erhöhen. In den meisten Aufbauten zeigt der Abscheider jedoch auch ohne angeschlossene Pumpe eine erhebliche Blasenabscheideleistung (passiver Modus).
Injektions- / Absperrventil
Dieses Ventil ermöglicht es Ihnen, an Ihrem Aufbau zu arbeiten, ohne Ihr tube trennen und wieder anschließen zu müssen, wodurch Luftblasen entstehen können.
Manuelle 4-Wege-Umschaltventile
Diese manuellen Ventile eignen sich für Anwendungen, die eine Bedienkontrolle und Verbindungen zwischen mehreren Fluidsystemen erfordern. Sie ermöglichen es Ihnen, an Ihrem Gerät zu arbeiten, ohne es zu stark zu handhaben, und begrenzen so das Einbringen von Luftblasen. Sie ermöglichen ein einfaches Umschalten zwischen zwei Fluidpfaden durch Drehen des Bedienelements, ohne die Leitungen zu trennen. Je nach Schaltoption sind drei Versionen verfügbar: diagonal flow, right angle “L” flow und Single “T” flow.
Das Verständnis der Funktionsweise eines mikrofluidischen Systems ist eine Grundvoraussetzung, um Wege zur Vermeidung von Luftblasen zu finden. Von der Auswahl der Flüssigkeit bis zum Design des Chips müssen alle Schritte mit dem Bewusstsein durchgeführt werden, dass in jeder dieser Phasen genau Blasen auftreten können. Es ist wichtig zu beachten, dass es keinen einzigen Weg gibt, Blasen zu vermeiden oder zu eliminieren, da es keine einzelne Ursache für die Blasenbildung gibt. Jeder Anwender muss sein System analysieren, um den besten Weg zur Herstellung eines robusten Geräts zu finden. Glücklicherweise kommen immer mehr kommerzielle Geräte auf den Markt, die die Arbeit des Forschers erleichtern.
