Die Stufenemulgierung ist eine Variante der Co-Flow genannten Tröpfchenerzeugungstechnik. Diese neue Technik basiert auf der Instabilität eines zweiphasigen Flüssigkeitsfadens, die durch eine abrupt geänderte Fließbegrenzung ausgelöst wird (Abbildung 1). Sie ist stärker direkt von der Mikrokanal-Emulgierung inspiriert, da sie mikrostrukturierte Kanalnetzwerke nutzt, die eine bemerkenswert präzise geometrische Kontrolle der Tröpfchengröße ermöglichen.
Mechanismus der Stufenemulgierung
Die Technik der Stufenemulgierung wird eingesetzt, um Tröpfchen mit Durchmessern von Nanometern bis zu mehreren Hundert Mikrometern zu erzeugen. Zur Durchführung dieses Prozesses besteht die notwendige Ausrüstung aus einem Kanal für die disperse Phase, einem Reservoir für die kontinuierliche Phase und einer Düse, deren Höhe sich deutlich von der des Reservoirs unterscheidet.
Zur Charakterisierung dieser Technik wurden mehrere geometrische Modelle aufgestellt. Unter diesen Modellen wird der quasistatische Mechanismus von den meisten Forschern herangezogen, um zu verstehen, wie die Tropfen entstehen. Nach Dangla et al. 2013 J Phys D Appl Phys wird dieses Modell durch drei Hypothesen bedingt:
- die disperse Phase kann die Kanalwände für die Tröpfchenbildung nicht benetzen,
- Gravitationseffekte sind vernachlässigbar,
- das System entwickelt sich auf quasistatische Weise.
Um Tröpfchen erfolgreich durch Stufenemulgierung zu erzeugen, muss zunächst die kontinuierliche Phase mit dem Tensid injiziert werden, um das Reservoir zu füllen. Anschließend wird die disperse, nicht mischbare Phase in den Kanal injiziert. Wenn der Faden der disperse Phase nun die Stufe passiert, entsteht stromabwärts der Stufe eine Ausbuchtung (Bulb). Da die disperse Phase kontinuierlich injiziert wird, nimmt die mittlere Krümmung der Ausbuchtung ab, während ihre Größe zunimmt (Abbildung 2).
Typen von Stufenemulgier-Designs
Die mit Nuten versehene Mikrokanal-Emulgierungsstufe wird bei der Verwendung von Druck oder Durchflussrate durch die Grenzflächenspannung für die Tröpfchenbildung gesteuert. Klassischerweise umfasst der genutete Mikrokanal einen Kanal für die disperse Phase, eine Düse, eine Terrasse und ein Reservoir für die kontinuierliche Phase (Abbildung 3a). Diese Art von Vorrichtung kann mittels Photolithographie und orientierungsabhängigem Ätzen auf einem Siliziumwafer hergestellt werden.
Ein zweites Beispiel ist die Verwendung eines geraden Mikrokanals für die schrittweise Emulgierung, dessen Struktur längliche gerade Löcher für die Tröpfchenbildung umfasst (Abbildung 3b). Der Tröpfchendurchmesser steht in einem linearen Verhältnis zur Tiefe des geraden Lochs, die in etwa einem Vielfachen von 4 entspricht. Zur Herstellung dieser Vorrichtung kann das tiefenreaktive Ionenätzen (DRIE) auf einem Siliziumwafer verwendet werden.
Eine weitere Stufenemulgierungsstruktur, die die Erzeugung von Tröpfchen bei hohen Flussraten ermöglicht, ist das Edge Droplet Generation Device (EDGE). Hierbei handelt es sich nicht mehr um ein gerades Loch, sondern um ein breites, flaches Plateau als Düse, in dem parallele Tröpfchen gleichzeitig aus einer einzigen Düse erzeugt werden (Abbildung 3c). Zur Herstellung dieses Geräts wird ein Siliziumwafer mittels der DRIE-Technik (Deep Reactive Ion Etching) geätzt und anschließend mit einer Glasplatte gebondet.
Bisher wurden in den oben genannten Vorrichtungen ausschließlich rechteckige Düsen verwendet. Dreieckige Düsen haben jedoch eine wesentlich bessere Leistung gezeigt. Die dreieckige Düse fungiert dann als Terrasse für den Rückfluss der kontinuierlichen Phase mit dem gedehnten Querschnitt (Abbildung 3d). Auf diese Weise bietet die dreieckige Düse einen unabhängigen lokalen Bereich für die Tröpfchenbildung, um unerwünschte Interferenzen zwischen der dispersen und der kontinuierlichen Phase zu vermeiden.
Bei der Stufenemulgierung ist zu beachten, dass die Größe der monodispersen Tröpfchen mit den geometrischen Merkmalen des Mikrokanals zusammenhängt, was bedeutet, dass der Tröpfchendurchmesser nach dem Design des Mikrokanals nur schwer angepasst werden kann.
Obwohl die Tröpfchengröße durch die Geometrie begrenzt ist, stellt die Stufenemulgierung ein robustes Werkzeug dar, insbesondere in Kombination mit Detektions-, Identifizierungs- und Informationstechnologien, welche die Messung von Bioinformationen verbessern.
