La emulsificación escalonada es una variante de la técnica de generación de gotas denominada co-flujo. Esta nueva técnica se basa en la inestabilidad de un hilo líquido bifásico desencadenada por un cambio abrupto en el confinamiento del flujo (Figura 1). Se inspira más directamente en la emulsificación por microcanales, ya que utiliza redes de canales microfabricados que permiten un control geométrico notablemente estricto del tamaño de las gotas.
Mecanismo de la emulsificación escalonada
La técnica de emulsificación escalonada se utiliza para generar gotas con diámetros que van desde nanómetros hasta cientos de micrómetros. Para llevar a cabo este proceso, el equipo necesario consta de un canal de fase dispersa, un depósito de fase continua y una boquilla con una altura significativamente diferente a la del depósito.
Para caracterizar esta técnica, se han establecido varios modelos geométricos. Entre estos modelos, es el mecanismo cuasiestático el que ha sido retenido por la mayoría de los investigadores para comprender cómo se generan las gotas. Según Dangla et al. 2013 J Phys D Appl Phys, este modelo está condicionado por tres hipótesis:
- la fase dispersa no es capaz de mojar las paredes del canal para la formación de gotas,
- el efecto gravitacional es despreciable,
- el sistema evoluciona de manera cuasiestática.
Para generar con éxito gotas mediante emulsificación escalonada, se debe inyectar primero la fase continua que contiene el tensioactivo para llenar el depósito. A continuación, se inyecta la fase inmiscible dispersa en el canal. Así, a medida que el hilo de la fase dispersa atraviesa el escalón, surge un bulbo aguas abajo del mismo. A medida que la fase dispersa se inyecta de forma continua, la curvatura media del bulbo disminuye mientras aumenta su tamaño (Figura 2).
Tipos de diseño de emulsificación escalonada
La emulsificación por microcanal de tipo ranurado está gobernada por la tensión interfacial para la formación de gotas cuando se utiliza presión o caudal. Clásicamente, el microcanal ranurado incluye un canal de fase dispersa, una boquilla, una terraza y un depósito de fase continua (Figura 3a). Este tipo de dispositivo se puede fabricar sobre una oblea de silicio mediante fotolitografía y ataque químico dependiente de la orientación.
Un segundo ejemplo es el uso de un microcanal recto para la emulsificación escalonada, cuya estructura incluye orificios rectos alargados para la formación de gotas (Figura 3b). El diámetro de la gota está relacionado linealmente con la profundidad del orificio recto, que es aproximadamente un múltiplo de 4. Para la fabricación de este dispositivo, se puede utilizar el grabado iónico reactivo profundo (DRIE) en una oblea de silicio.
Otra estructura de emulsificación escalonada que permite la generación de gotas a altos caudales es el dispositivo de generación de gotas en el borde (EDGE). En esta ocasión ya no se trata de un orificio recto, sino de una plataforma ancha y poco profunda que actúa como boquilla, en la cual se generan gotas en paralelo de forma simultánea desde una única boquilla (Figura 3c). Para fabricar este dispositivo, se graba una oblea de silicio mediante la técnica de grabado iónico reactivo profundo (DRIE) y luego se une a una placa de vidrio.
Hasta ahora, en los dispositivos mencionados anteriormente solo se han utilizado boquillas rectangulares. Sin embargo, las boquillas triangulares han demostrado un rendimiento muy superior. La boquilla triangular actúa entonces como una terraza para el reflujo de la fase continua con la sección transversal estirada (Figura 3d). De este modo, la boquilla triangular proporciona un área local independiente para la formación de gotas con el fin de evitar interferencias no deseadas entre las fases dispersa y continua.
En la emulsificación escalonada, es importante señalar que el tamaño de las gotas monodispersas está relacionado con las características geométricas del microcanal, lo que significa que el diámetro de la gota es difícil de ajustar una vez que se ha diseñado el microcanal.
Aunque está limitada en cuanto al tamaño de gota por la geometría, la emulsificación escalonada es una herramienta robusta, especialmente cuando se combina con tecnologías de detección, identificación y procesamiento de información, lo cual mejorará la medición de la bioinformación.
