L'emulsificazione a fasi è una variante della tecnica di generazione di goccioline denominata "co-flow". Questa nuova tecnica si basa sull'instabilità di un filo liquido bifase innescata da un cambiamento improvviso nel confinamento del flusso (Figura 1). Si ispira più direttamente all'emulsificazione a microcanali, poiché utilizza reti di canali microfabbricati che consentono un controllo geometrico estremamente preciso delle dimensioni delle goccioline.
Meccanismo di emulsificazione a fasi
La tecnica di emulsificazione a gradini viene utilizzata per generare goccioline con diametri che vanno dai nanometri a centinaia di micrometri. Per eseguire questo processo, l'attrezzatura necessaria è costituita da un canale per la fase dispersa, un serbatoio per la fase continua e un ugello, la cui altezza è significativamente diversa da quella del serbatoio.
Per caratterizzare questa tecnica, sono stati elaborati diversi modelli geometrici. Tra questi modelli, è il meccanismo quasi-statico quello che è stato adottato dalla maggior parte dei ricercatori per comprendere come si generano le gocce. Secondo Dangla et al. (2013, J Phys D Appl Phys), questo modello si basa su tre ipotesi:
- la fase dispersa non è in grado di bagnare le pareti del canale per consentire la formazione di goccioline,
- l'effetto gravitazionale è trascurabile,
- il sistema si evolve in modo quasi statico.
Per generare con successo le goccioline mediante emulsificazione a gradini, è necessario iniettare per prima cosa la fase continua contenente il tensioattivo, in modo da riempire il serbatoio. Successivamente, la fase dispersa immiscibile viene iniettata nel canale. Pertanto, man mano che il flusso della fase dispersa attraversa il gradino, a valle di quest’ultimo si forma una goccia. Man mano che la fase dispersa viene iniettata in modo continuo, la curvatura media della goccia diminuisce, mentre le sue dimensioni aumentano (Figura 2).
Tipi di configurazioni per l'emulsificazione a fasi
La fase di emulsificazione nei microcanali scanalati è regolata dalla tensione interfacciale per la formazione delle goccioline quando si utilizzano la pressione o la portata. Classicamente, il microcanale scanalato comprende un canale per la fase dispersa, un ugello, una terrazza e un serbatoio per la fase continua (Figura 3a). Questo tipo di dispositivo può essere realizzato su un wafer di silicio mediante fotolitografia e incisione dipendente dall’orientamento.
Un secondo esempio è l’uso di un microcanale rettilineo per l’emulsificazione graduale, la cui struttura comprende fori rettilinei allungati per la formazione di goccioline (Figura 3b). Il diametro delle goccioline è linearmente correlato alla profondità del foro rettilineo, che è approssimativamente un multiplo di 4. Per la realizzazione di questo dispositivo è possibile ricorrere all’incisione ionica reattiva profonda (DRIE) su un wafer di silicio.
Un’altra struttura di emulsificazione a più stadi che consente la generazione di goccioline ad alte portate è l’Edge Droplet Generation Device (EDGE). In questo caso, l’ugello non sarà più un foro diritto, ma un pianoro ampio e poco profondo, in cui vengono generate simultaneamente goccioline parallele da un unico ugello (Figura 3c). Per realizzare questo dispositivo, un wafer di silicio viene inciso utilizzando la tecnica di incisione ionica reattiva profonda (DRIE) e successivamente incollato a una lastra di vetro.
Finora, nei dispositivi sopra citati sono stati utilizzati solo ugelli rettangolari. Tuttavia, gli ugelli triangolari hanno dimostrato prestazioni nettamente superiori. L’ugello triangolare funge quindi da terrazza per il riflusso della fase continua con sezione trasversale allungata (Figura 3d). In questo modo, l’ugello triangolare offre un’area locale indipendente per la formazione delle goccioline, al fine di evitare interferenze indesiderate tra la fase dispersa e quella continua.
Nell'emulsificazione a fasi, è importante notare che la dimensione delle goccioline monodisperse è correlata alle caratteristiche geometriche del microcanale, il che significa che il diametro delle goccioline è difficile da regolare una volta progettato il microcanale.
Sebbene la dimensione delle goccioline sia limitata dalla geometria, l’emulsificazione a fasi è uno strumento affidabile, soprattutto se abbinata alle tecnologie di rilevamento, identificazione e informazione, che consentiranno di migliorare la misurazione delle bioinformazioni.
