Oliën zijn essentieel bij het genereren van druppeltjes in microfluïdica. Ze fungeren ofwel als de continue fase die de gedispergeerde druppeltjes omgeeft, ofwel als de gedispergeerde fase zelf, waarbij ze druppeltjes vormen in een waterig medium. Dankzij hun veelzijdige eigenschappen is het mogelijk om de vorming en stabiliteit van druppeltjes nauwkeurig te regelen. Of het nu gaat om het stabiliseren van emulsies voor biologisch onderzoek of het faciliteren van reacties bij chemische synthese, oliën zijn cruciaal voor het succes van microfluïdische processen.
In deze blog gaan we in op de verschillende soorten oliën die worden gebruikt bij het genereren van druppels, hun kenmerkende eigenschappen en de belangrijkste aandachtspunten voor het optimaliseren van microfluïdische experimenten voor het genereren van druppels.
Oliën bij de vorming van druppeltjes
Oliën spelen een cruciale rol in de microfluïdica. Doordat ze niet mengbaar zijn met water en stabiele grensvlakken kunnen vormen, zijn ze ideaal voor het creëren van duidelijk afgebakende, afzonderlijke micro-omgevingen. Dankzij hun instelbare eigenschappen, zoals viscositeit, dichtheid en grensvlakspanning, bieden oliën uitzonderlijke controle over de druppelgrootte en -stabiliteit, waardoor ze beter presteren dan andere vloeistoffen bij druppelvorming en fasescheiding.
Bij het genereren van druppels zijn oliën zoals siliconen- en gefluoreerde oliën bijzonder waardevol vanwege hun chemische inertie, waardoor ze compatibel zijn met gevoelige biologische en chemische reagentia. Of ze nu als continue of als gedispergeerde fase fungeren, oliën leveren consistente prestaties, waardoor ze onmisbaar zijn in toepassingen zoals diagnostiek, celinkapseling en high-throughput screening.
Soorten oliën die worden gebruikt bij het genereren van druppels
In microfluïdische systemen worden diverse soorten oliën gebruikt, die elk unieke eigenschappen hebben waardoor ze geschikt zijn voor specifieke toepassingen. Van zeer gespecialiseerde gefluoreerde oliën tot meer toegankelijke opties zoals siliconen- of minerale oliën: de keuze van de olie kan een aanzienlijke invloed hebben op de vorming en stabiliteit van druppels. Hieronder volgt een overzicht van de meest gebruikte oliën in de microfluïdica en hun belangrijkste voordelen.
Gefluoreerde oliën
Gefluoreerde oliën, waaronder bekende soorten zoals FC40 en HFE7500, worden algemeen beschouwd als onmisbaar bij het genereren van druppels in microfluïdica, waar ze vaak als continue fase fungeren. Deze oliën hebben uitzonderlijke eigenschappen, zoals een lage oppervlaktespanning, chemische inertie, biocompatibiliteit en een hoge weerstand tegen verontreiniging. Gefluoreerde oliën, waaronder Fluo-Oils van Emulseo, zijn bijzonder waardevol in uiterst nauwkeurige biologische toepassingen zoals de ontwikkeling van geneesmiddelen en lab-on-a-chip-systemen, waar een precieze druppelgrootte en stabiliteit van cruciaal belang zijn.
💡 De productie van de veelgebruikte gefluoreerde oliën, Novec™ 7500 en Fluorinert™ FC-40, wordt dit jaar stopgezet vanwege toenemende regelgevende druk van het Europees Agentschap voor chemische stoffen (ECHA) en andere regelgevende instanties. Deze regelgeving is bedoeld om de milieu- en mogelijke gezondheidsrisico’s aan te pakken die verband houden met PFAS (per- en polyfluoralkylstoffen), de belangrijkste bestanddelen van deze oliën. Hoewel deze oliën onmisbaar zijn geweest in microfluïdische toepassingen, is het belangrijk om na te denken over betrouwbare alternatieve oplossingen te overwegen, nu de sector zich aan deze veranderingen aanpast.
Minerale oliën
Minerale oliën, verkregen door de destillatie van ruwe aardolie, zijn kleurloze, reukloze vloeistoffen die worden gebruikt bij het genereren van druppels in microfluïdica vanwege hun betaalbaarheid en stabiliteit. Door hun hoge viscositeit zijn ze bijzonder geschikt voor toepassingen waarbij een langzamere en beter gecontroleerde druppelvorming vereist is.
Hoewel minerale oliën van grote waarde zijn voor industriële en wetenschappelijke toepassingen, wordt het gebruik ervan in gevoelige biologische contexten vaak beperkt vanwege de mogelijke toxiciteit. Desondanks worden zeer zuivere vormen van minerale olie wel gebruikt in cosmetica en de microbiologie.
Siliconenoliën
Siliconenoliën, die bestaan uit verbindingen van silicium, zuurstof en koolstof, worden vaak gebruikt bij het genereren van druppels in de microfluïdica vanwege hun uitstekende chemische stabiliteit en lage oppervlaktespanning. Omdat ze niet-toxisch en inert zijn, zijn ze ideaal voor gevoelige toepassingen waarbij niet-reactieve materialen vereist zijn.
Een belangrijk voordeel van siliconenoliën is hun stabiliteit bij hoge temperaturen, waardoor ze consistent presteren in processen met temperatuurschommelingen. Bovendien zorgt hun lage oppervlaktespanning voor een efficiënte druppelvorming en verbetert het de stabiliteit binnen microfluïdische systemen, waardoor ze een betrouwbare keuze zijn voor diverse toepassingen.
Plantaardige oliën
Plantaardige oliën, zoals zonnebloem-, olijf-, maïs- en koolzaadolie, zijn plantaardige alternatieven die worden gebruikt bij het genereren van druppeltjes in microfluïdica. Deze oliën worden gewaardeerd om hun milieuvriendelijke karakter en biocompatibiliteit, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor toepassingen in biologisch onderzoek.
Hun natuurlijke oorsprong en veiligheidsprofiel hebben bijgedragen aan hun groeiende populariteit in microfluïdische toepassingen, met name in toepassingen waarbij duurzaamheid en niet-giftige materialen voorop staan.
| Soorten olie | Voordelen | Veelvoorkomende toepassingen |
|---|---|---|
| Gefluoreerde oliën | ||
| Minerale oliën | ||
| Siliconenoliën | ||
| Plantaardige oliën |
De compatibiliteit van oliën met verschillende materialen varieert aanzienlijk en speelt een cruciale rol in de prestaties van microfluïdische systemen. Het gebruik van een olie die niet compatibel is met de materialen in uw systeem kan leiden tot chemische afbraak, verminderde prestaties of zelfs systeemstoringen.
💡 Raadpleeg voor meer informatie de tabel met chemische compatibiliteit voor minerale, siliconen- en gefluoreerde oliën, die een snel overzicht biedt van hoe deze oliën reageren met verschillende materialen.
Eigenschappen van oliën
Oliën zijn onmisbaar in de microfluïdica; de keuze ervan speelt een cruciale rol bij de vorming en stabiliteit van druppels en de algehele prestaties van het systeem. Belangrijke eigenschappen zoals viscositeit, grensvlakspanning en dichtheid hebben een directe invloed op de efficiëntie en precisie van de druppelvorming, waardoor ze essentiële factoren zijn voor succesvolle microfluïdische toepassingen.
Viscositeit
Viscositeit is een cruciale factor bij de vorming van druppels, aangezien deze het stromingsgedrag van de olie binnen het microfluïdische systeem bepaalt. Oliën met een hoge viscositeit kunnen de druppelvorming vertragen, waardoor de grootte en uniformiteit van grotere druppels beter kunnen worden geregeld. Omgekeerd bevorderen oliën met een lage viscositeit, zoals gefluoreerde oliën, een snellere druppelvorming, wat voordelig is voor het creëren van kleine, uniforme druppels. De optimale viscositeit hangt daarom af van de specifieke toepassing.
Dichtheid
De dichtheid van de olie heeft een directe invloed op de fasescheiding en de algehele stabiliteit van de druppelvorming. Oliën met een dichtheid die dicht bij die van de gedispergeerde fase ligt, zorgen voor een betere beheersbaarheid en een consistentere druppelvorming. Als de dichtheid van de olie te hoog of te laag is in vergelijking met de gedispergeerde vloeistof, kan dit leiden tot problemen zoals een onstabiele druppelvorming of onvoldoende fasescheiding (zoals afscheiding van een vetlaag of bezinking), wat een negatieve invloed kan hebben op de druppelgrootte en -stabiliteit.
Grensvlakspanning
De grensvlakspanning tussen de olie en de andere fase is een cruciale factor voor de stabiliteit van druppels. Een lage grensvlakspanning bevordert de vorming van kleinere, stabielere druppels doordat de energie die nodig is om de druppel te vormen en in stand te houden, wordt verminderd. Gefluoreerde oliën, die bekend staan om hun lage grensvlakspanning, krijgen in de microfluïdica vaak de voorkeur omdat ze de vorming van stabiele druppels vergemakkelijken en de algehele procesefficiëntie verbeteren.
Enkele toepassingen van deze oliën in de microfluïdica
Door hun uiteenlopende eigenschappen zijn oliën geschikt voor een breed scala aan microfluïdische toepassingen. Afhankelijk van het type olie en de gewenste emulsie zijn specifieke oppervlakteactieve stoffen nodig om de druppeltjes te stabiliseren en optimale prestaties te garanderen.
Hieronderworden drie tabellenweergegeven met enkele toepassingen van gefluoreerde, minerale,siliconen- enplantaardigeoliën, samen met de oppervlakteactieve stoffen waarmee ze compatibel zijn. Deze tabellen zijn ontleend aan het werk van Jean-Christophe Baret (Lab Chip, 2012, 12, 422–433) en vormen een waardevolle referentie bij het kiezen van de juiste combinatie van olie en oppervlakteactieve stof voor uw microfluïdische toepassing.
| Oppervlakteactieve stof | HFE/Novec 7500 | FC40 |
|---|---|---|
| PF-octanol | - | Micro-PIV |
| PF-decanol | - | PCR in druppeltjes |
| PFPE-COOH | Het splitsen van druppels Druppeldetectie | Elektrocoalescentie |
| PFPE-COONH4 | Meervoudige emulsies | Cellen in druppeltjes Hydrodynamica van druppeltjes Chemische reactie |
| PFPE-PEG | Geleide evolutie Pico-injector PCR en diagnostiek DNA-amplificatie Sorteren van micro-organismen Gisten in druppeltjes | Cellen in druppeltjes Dropspot Coalescentie Chemische gradiënten Druppelscheiding Elektrocoalescentie |
| PFPE-DMP | Cellen in druppeltjes Coalescentie | Bacteriën in druppeltjes |
| Geen oppervlakteactieve stof | Bacteriën Antibiotica | Bacteriën Antibiotica |
| Oppervlakteactieve stof | DC200 | PDMS | AR20 |
|---|---|---|---|
| Triton X-100 | - | - | PCR |
| SDS (in water) | - | Emulsificatie van olie in water | - |
| ABIL EM90 | - | - | Geleide evolutie |
| Geen oppervlakteactieve stof | Opslag van chemische verbindingen Emulgering | Raman-meting | - |
| Oppervlakteactieve stof | Minerale olie | Plantaardige olie |
|---|---|---|
| Span80 | Eiwitexpressie Druppelpatronen Moleculaire uitwisseling Celinkapseling Chemische reacties Elektrisch ondersteunde emulgering Elektrowetting bij emulgering | - |
| Monoleïne | - | Dubbellaagjes (squalane) |
| Oliezuur | Tip: streamen | - |
| C12E8 | Tip: streamen | - |
| N-butanol | Grensvlakreologie | - |
| ABIL EM90 | PCR in druppeltjes Gerichte evolutie | - |
| Geen oppervlakteactieve stof | Hydrodynamica van druppels PCR in druppels | Hydrodynamica van druppels (zonnebloemolie) |
💡 Conclusie
Oliën zijn onmisbaar bij het genereren van druppels in de microfluïdica en bieden de veelzijdigheid en precisie die nodig zijn voor diverse toepassingen, van biologisch onderzoek tot materiaalsynthese. De keuze van de juiste olie is cruciaal voor het welslagen van experimenten, aangezien elke optie zijn eigen voordelen en uitdagingen met zich meebrengt. Inzicht in de eigenschappen en toepassingen van verschillende oliesoorten helpt bij het maken van weloverwogen keuzes die de prestaties en stabiliteit van het systeem verbeteren.
Blijf ons volgen voor nieuwe artikelen met diepgaande analyses van innovatieve microfluïdische technieken, praktische oplossingen voor uitdagingen op het gebied van regelgeving en tips van experts voor het optimaliseren van processen voor het genereren van druppels. Tot dan, laat je druppel niet knappen 🫧!
📧 Mocht u vragen of opmerkingen hebben, neem dan gerust contact met ons op via contact@darwin-microfluidics.com.
