In questa rassegna esploriamo due dei design più utilizzati per la generazione di gocce: T-junction e focalizzazione di flusso. Innanzitutto, discutiamo di come sia possibile prevedere le dimensioni delle gocce in microfluidica. Successivamente, introduciamo i risultati ottenuti per due chip con due comuni oli fluorurati, basati sull'uso di un sistema di controllo della pressione e di dispositivi microfluidici offerti da Darwin Microfluidics.
Materiale
Per eseguire la nostra caratterizzazione, abbiamo scelto di utilizzare un controller di pressione e due tipi di chip: un chip in PDMS con geometria a focalizzazione di flusso e un chip in policarbonato che integra diversi design di T-junction (vedere la figura 1).
Questi esperimenti ci hanno permesso di valutare le dimensioni delle gocce in base alle diverse geometrie dei sistemi di generazione delle gocce, ma anche in base al tipo di olio utilizzato (FluoDrop 40 e FluoDrop 7500 (con il 2% di FluoSurf), che sono gli oli fluorurati più comunemente utilizzati in microfluidica).
Come prevedere le dimensioni delle tue gocce?
Una fase imprescindibile in tutti i dispositivi basati su gocciole è la formazione delle gocciole stesse. Un generatore di gocciole deve garantire prestazioni specifiche per l'applicazione, che includano una dimensione delle gocciole e una frequenza di generazione prestabilite, pur producendo gocciole monodisperse. Le prestazioni desiderate vengono solitamente raggiunte attraverso diverse iterazioni di progettazione inefficienti in termini di costi e tempo.
Per agevolare questa fase di generazione delle gocciole, sono stati condotti diversi studi volti a prevedere le dimensioni delle gocciole in base alla geometria del generatore e alla viscosità della fase continua impiegata.
Ad esempio, Prileszky e collaboratori dimostrano che le dimensioni delle gocciole prodotte in una T-junction seguono una distribuzione gamma (vedere la figura 2), fornendo ulteriori approfondimenti sulla fisica del processo di rottura e sulle proprietà delle emulsioni generate in ambito microfluidico. Essi mostrano che le dimensioni delle gocciole prodotte in una T-junction sono distribuite secondo una legge gamma, il che consente una migliore comprensione della fisica del processo di rottura e delle proprietà delle emulsioni generate nella microfluidica. La conoscenza della distribuzione di probabilità sottostante permette di controllare la dimensione delle gocciole realizzate con materiali viscosi. Comprendere come la viscosità della fase dispersa influenzi le dimensioni delle gocciole è essenziale per creare gocciole con la geometria e le proprietà corrette [Prileszky et al. 2016 AIChE Journal].
La distribuzione gamma risulta essere il modello che si adatta meglio, superando persino la più comune distribuzione log-normale, come dimostrato dalla marcata disparità tra le statistiche di Anderson-Darling (questo test misura la distanza tra una distribuzione ipotizzata e il modello empirico sull'intera funzione di ripartizione cumulativa (cdf) della distribuzione ipotizzata) e i relativi valori p ricavati dai grafici di probabilità rappresentativi.
Lo sviluppo di una descrizione probabilistica di un processo fisico porta alla correlazione delle misurazioni con i parametri fisici. Senza comprendere la forma della distribuzione di una variabile casuale, il rumore sistematico nei dati sperimentali si traduce direttamente in errori sistematici in una correlazione proposta. Tuttavia, filtrando il rumore mediante il confronto tra una distribuzione sperimentale e una teorica, è possibile stimare con maggiore accuratezza la media della distribuzione reale, riducendo al minimo la propagazione dell'errore attraverso le analisi di regressione. Di conseguenza, identificare la distribuzione gamma come rappresentativa della variabilità delle dimensioni delle gocciole formate in una T-junction consente una correlazione più accurata delle dimensioni delle gocciole con la viscosità e la portata della fase dispersa [Prileszky et al. 2016 AIChE Journal].
Un'altra tecnica per prevedere le dimensioni delle gocciole è la simulazione numerica tramite il software COMSOL. In questo esempio viene analizzato il processo di formazione delle gocciole in un dispositivo microfluidico a focalizzazione di flusso (flow-focusing). Sono emersi diversi risultati: è stato dimostrato che l'accuratezza della soluzione numerica aumenta all'aumentare della portata dell'acqua. Infatti, l'errore medio è diminuito dal 14,6 al 6,96% aumentando la portata dell'acqua da 0,3 a 0,6 µL/min. Successivamente, è stata studiata la variazione del raggio delle gocciole in funzione del rapporto di portata e del numero di capillari. È emerso che questi due parametri rappresentano i fattori principali che influenzano le dimensioni delle gocciole, piuttosto che le portate di acqua e olio. Infine, è stato dimostrato che il numero di capillari gioca un ruolo più determinante nella definizione del raggio delle gocciole rispetto al rapporto di portata [Lashkaripour et al. 2015 JAMECH].
Caratterizzazione delle dimensioni delle gocciole per due chip standard (flow-focusing e T-junction)
Per eseguire questa caratterizzazione, abbiamo deciso di valutare le dimensioni delle gocciole generate mediante flow-focusing e T-junction utilizzando 2 oli fluorurati ampiamente impiegati nella microfluidica. Nella tabella seguente sono riportati i risultati ottenuti.
| Geometria del generatore di gocciole | Dimensione delle gocciole (µm) con olio FluoDrop 40* | Dimensione delle gocciole (µm) con olio FluoDrop 7500* |
| Flow-focusing (DG-DM1-45) | 20 → 79 | 21 → 93 |
| T-junction (CS-10000176) design 1 | 98 → 312 | 60 → 494 |
| T-junction (CS-10000176) design 2 | 18 → 70,002 | 12 → 70 |
| T-junction (CS-10000176) design 3 | 11 → 79 | 22 → 78 |
| T-junction (CS-10000176) design 4 | 94 → 484 | 96 → 387 |
| Design 5 del t-junction (CS-10000176) | 270 → 876 | 345 → 700 |
*La viscosità di HFE è 0,77 cSt e la viscosità di FC40 è 2,2 cSt
In base alla pubblicazione di Nekouei e Vanapalli (2017), l'interpretazione di questi risultati dimostra che maggiore è la viscosità della fase continua, minore è la dimensione delle gocce generate.
