Een veelgebruikte microfluïdische benadering voor het creëren van emulsies is gebaseerd op de productie van druppels van de ene vloeistof gedispergeerd in een andere niet-mengbare vloeistof (voornamelijk oliën), met frequenties van de orde van één tot duizenden druppels per seconde. Druppelgebaseerde microfluïdica maakt gebruik van de interactie tussen de interfaciale spanning en de fluïdische schuifspanning om continue vloeistoffen te breken in segmenten van gelijke grootte binnen een microkanaal. Om deze reden kan de viscositeit van olie een kritische invloed hebben op verschillende parameters, zoals water-in-olie-emulsies, en met name op de manier waarop de druppelgrootte en de druppelgeneratiesnelheid worden beïnvloed.
Met de opkomst van microfluïdica is de markt voor oliën die specifiek voor dit veld zijn ontworpen aanzienlijk gegroeid. Het doel van dit overzicht is om de oliën die in de microfluïdica worden gebruikt te categoriseren op basis van hun verschillende fysisch-chemische kenmerken en hun impact op druppelparameters.
Wat is een surfactant?
Microfluïdica is een proces dat duizenden druppels per seconde genereert via een chip waarin twee niet-mengbare vloeistoffen circuleren in een netwerk van microkanalen, wat een emulsie vormt. Om deze druppels te stabiliseren is het noodzakelijk om een surfactant toe te voegen. Een surfactant is een amfifiele verbinding die de oppervlaktespanning verlaagt. Deze adsorbeert op natuurlijke wijze aan grensvlakken omdat hij is samengesteld uit een hydrofiel en een hydrofoob gedeelte. In deze context is het noodzakelijk om oliën te vinden die compatibel zijn met de surfactant en met het gebruikte materiaal (bijvoorbeeld cellen).
De verschillende soorten oliën
Traditioneel worden minerale oliën gebruikt met cellen. Denk hierbij aan inkapselingsmechanismen [Chaber M en Viovy JL. 2008 Proc Natl Acad Sci; Um E et al. 2010 Appl Phys Lett], en ook als een dubbel bacterieel emulsificatiesysteem om te screenen met incubatietijden van een paar minuten en beperkt tot ongeveer 2 uur [Aharoni et al. 2005 Chem Biol]. Onder de minerale oliën bevinden zich koolwaterstofoliën. Deze zijn daarom beperkt tot toepassingen zoals PCR waarbij de doelmoleculen (de DNA- of RNA-fragmenten) niet uitwisselen tussen de druppels. Fluorhoudende oliën zijn de enige voorbeelden waarbij celoverleving en -proliferatie zijn aangetoond bij langdurige incubatie van organismen [Schmitz CHJ et al. 2009 Lab Chip] waarbij gasuitwisseling cruciaal wordt. De keuze voor fluorhoudende oliën wordt hoofdzakelijk gedreven door twee punten: ten eerste zijn ze aantrekkelijk omdat de meeste organische verbindingen onoplosbaar zijn in deze oliën. De verbindingen die in de druppel zijn ingekapseld, mogen geen fase-separatie ondergaan en blijven daardoor in de druppel, wat de uitwisselingsbeperkingen van organische en siliconenoliën oplost. Het tweede voordeel van fluorhoudende oliën is hun biocompatibiliteit [Baret C. 2012 Lab Chip]. Bovendien zijn fluorhoudende oliën in staat gassen op te lossen, wat van cruciaal belang is voor de levensvatbaarheid van cellen. In mindere mate is het mogelijk om siliconenoliën te gebruiken, maar de incompatibiliteit met PDMS zorgt ervoor dat ze zeer weinig worden gebruikt in microfluïdica.Welke toepassing voor welke olie?
In de volgende tabellen vindt u de benodigde oliën voor elke toepassing en de bijbehorende surfactants. Deze tabellen zijn overgenomen uit Baret 2012 Lab Chip.Siliconenolie
| Surfactant | DC200 | PDMS | AR20 |
| Triton X-100 | PCR (complexe oliemix) | ||
| SDS (in water) | Olie-in-water-emulsificatie | ||
| ABIL EM90 | Gerichte evolutie | ||
| Geen surfactant | Opslag van chemische verbindingen Emulsificatie | Raman-meting |
Koolwaterstofolie
| Surfactant | Hexadecaan | Tetra-/octa-/dodecaan | Minerale olie | Isopar M | Plantaardig / organisch |
| Span 80 | Emulsificatie Coalescentie Druppelsplitsing Interfaciale instabiliteiten Lasermanipulatie Electrocoalescentie Druppelsortering | Emulsificatie Druppelpatronen Chemische koppeling | Proteïne-expressie Druppelpatronen Moleculaire uitwisseling Celencapsulatie Chemische reacties Elektrisch aangedreven emulsificatie Elektrobevochtiging emulsificatie | Emulsificatie Druppelparing Electrocoalescentie | |
| Monoleïne Oliezuur | Tip streaming | Dubbellaags (squalane) | |||
| Tween 20/80 | Dynamische oppervlaktespanning Emulsificatie | ||||
| Synperonic PEF C12E8 | Dynamische oppervlaktespanning | Tip streaming | |||
| SDS | Dynamische oppervlaktespanning Emulsificatie | ||||
| n-butanol | Interfaciale reologie | ||||
| ABIL EM90 | PCR in druppel Gerichte evolutie | ||||
| Fosfolipide | Lipidedubbellaag | ||||
| Geen surfactant | Druppelhydrodynamica PCR in druppels | Druppelhydrodynamica (zonnebloemolie) |
Gefluoreerde olie
| Surfactant | PFH/PFC/PFD/PFPH | Draagolie (Raindance Technologies) | HFE/Novec | FC40 | FC70/FC77 | FC3283 |
| PF-octanol | Reactiekinetiek Eiwitkristallisatie | microPIV | Stofscreening Celdsortering | Eiwitkristallisatie | ||
| PF-decanol PF-TD zuur | PCR in druppel | Eiwitadsorptie | ||||
| PF-TD OEG | Eiwitadsorptie Chemistrode | |||||
| PFPE- COOH | Druppels splitsen Druppeldetectie | Elektrocoalescentie | ||||
| PFPE- COONH4 | Cellen in druppel | Meervoudige emulsie | Cellen in druppels Druppelhydrodynamica Chemische reactie | |||
| PFPE-PEG | Cellen in druppel PCR Diagnostiek | Gerichte evolutie Picoinjector PCR en diagnostiek DNA-amplificatie Micro-organismen sorteren Gisten in druppels | Cellen in druppels Dropspot Coalescentie Chemische gradiënten Druppelscheiding Electrocoalescentie | Moleculaire uitwisseling Chemische gradiënten | ||
| PFPE-DMP | Cellen in druppels Coalescentie | Bacteriën in druppels | ||||
| Korte ketens | Oppervlaktespanning en emulsificatie | |||||
| Geen surfactant | Bacteriën/antibiotica | |||||
| FluoSurf | Cellen in druppel PCR Diagnostiek | Water-in-olie druppelgeneratie Encapsulatie Alginaat/Polyacrylaat/Agarose/Epoxy beads 3D celkweek in druppel PCR en diagnostisch DNA Enkele-celanalyse Celdsortering | Water-in-olie druppelgeneratie Encapsulatie Alginaat/Polyacrylaat/Agarose/Epoxy beads 3D celkweek in druppel PCR en diagnostisch DNA Enkele-celanalyse Celdsortering |
Compatibiliteit tussen oliën en chipmaterialen
De keuze van de olie in relatie tot het materiaal van het microfluidic device is eveneens een parameter die niet mag worden verwaarloosd. De olie staat immers in direct contact met de wanden van de kanalen en een chemische reactie daartussen kan cruciaal zijn voor het verwachte eindresultaat (bijv. de vorming van druppels met een nauwkeurige grootte). Een wijziging van het materiaal voor het microfluidic systeem vereist dan ook een aanpassing van de gebruikte olie. Het is namelijk imperatief dat de olie de wanden correct bevochtigt om water-in-olie-druppels te vormen in plaats van olie-in-water-druppels. Deze korte sectie helpt u daarom bij het selecteren van de juiste olie voor de materialen die zijn gebruikt bij de vervaardiging van uw microfluidic devices.Gefluoreerde oliën
De meest voor de hand liggende keuze blijft die van gefluoreerde oliën, aangezien deze compatibel zijn met de meeste metalen, kunststoffen en elastomeren, waarvan FC 40 de bekendste is. Ze worden tevens sterk aanbevolen in devices van Teflon/PEEK, met name voor druppelnucleatietoepassingen om dichter bij homogene nucleatie te komen [Ildefonso et al. 2013 J. Am. Chem. Soc.]. In dat geval wordt gebruikgemaakt van gefluoreerde olie van het FMS-type.Siliconenoliën
Uiteraard worden siliconeoliën ten zeerste aanbevolen voor microfluidic devices vervaardigd uit silicone. Ze zijn eveneens compatibel met PDMS of een nieuw materiaal genaamd COC (Cyclic Olefin Copolymer).Minerale oliën
Wat betreft minerale oliën is er zeer weinig informatie beschikbaar over de compatibiliteit met materialen van microfluidic devices. Er is echter gerapporteerd dat deze oliën goed kunnen worden gebruikt in combinatie met devices van polycarbonaat (PC).Voorbeelden van de invloed van olie op druppelparameters
Impact van olieviscositeit op de druppelgrootte
In Yao et al. 2019 werd gedemineraliseerd water met een rode kleurstof en minerale olie (Zhanhong Chemical Industry, Guangzhou, China) gemengd met een surfactant (Span-80, 7,5 g/L, Sigma-Aldrich, St. Louis, MI, USA) gebruikt als respectievelijk de gedispergeerde en de continue fase. Vier verschillende viscositeiten (5, 7, 10 en 15 cSt) van de minerale oliën werden getest om te onderzoeken hoe de verschillende viscositeiten van de continue fase de druppelgrootte en de druppelgeneratiesnelheid beïnvloeden in een water-in-olie-emulsie. Zoals te zien is in Figuur 2 en Tabel 4, nam de druppelgrootte af naarmate de olieviscositeit toenam.| Pw : Po (mbar) | 5 cSt | 7 cSt | 10 cSt | 15 cSt |
|
30 : 40 60 : 80 90 : 120 120 : 160 150 : 200 |
68,3 ± 2,0 43,6 ± 2,1 37,1 ± 1,8 34,0 ± 1,9 32,1 ± 1,0 |
57,0 ± 1,7 39,5 ± 1,8 33,4 ± 2,0 30,7 ± 0,9 29,1 ± 1,1 |
51,0 ± 1,7 35,5 ± 1,7 31,0 ± 1,0 28,1 ± 1,0 26,9 ± 1,1 |
46,3 ± 1,8 32,2 ± 0,9 28,9 ± 0,9 26,0 ± 1,1 25,1 ± 1,3 |
Tabel 4 : Gemiddelde diameter van druppels bij verschillende olieviscositeiten en stroomdrukken (µm), ontleend aan Yao et al. 2019 Micromachines
Invloed van olieviscositeit op de druppelgeneratiesnelheid
Zoals te zien is in tabel 5 en figuur 3, tonen Yao et al. 2019 aan dat het aantal gegenereerde druppels per tijdseenheid afnam bij het gebruik van viscousere olie onder alle geteste stroomdrukcondities, waarbij sterke lineaire correlaties werden waargenomen (R2 > 0,99 voor alle stroomdrukcondities).| Pw : Po (mbar) | 5 cSt | 7 cSt | 10 cSt | 15 cSt |
|
30 : 40 60 : 80 90 : 120 120 : 160 150 : 200 |
76 ± 1 157 ± 0 239 ± 8 275 ± 3 581 ± 12 |
66 ± 1 126 ± 2 215 ± 6 334 ± 6 499 ± 12 |
54 ± 1 107 ± 3 182 ± 6 283 ± 3 411 ± 12 |
45 ± 0 93 ± 2 149 ± 1 223 ± 3 305 ± 8 |
Tabel 4 : Gemiddelde druppelgeneratiesnelheid bij verschillende olieviscositeiten en stromingsdrukken (µm) overgenomen van Yao et al. 2019 Micromachine.
Conclusie
De keuze van de olie hangt in essentie af van uw toepassing. Er moet echter ook rekening worden gehouden met andere parameters, zoals de compatibiliteit tussen olie en surfactant en tussen olie en materiaal. Aangezien de fysische parameters van de continue fase het verwachte resultaat kunnen beïnvloeden, is het belangrijk om bijvoorbeeld rekening te houden met de viscositeit van de olie.
