Hoe vermijdt u luchtbellen in een microfluïdisch systeem?

Jullie hebben het waarschijnlijk allemaal wel eens meegemaakt: het ontstaan van luchtbellen in de microfluïdica is een veelvoorkomend verschijnsel en kan in het ergste geval een experiment van meerdere dagen volledig verpesten.

In andere gevallen kunnen luchtbellen, zonder het experiment te verpesten, het verkregen resultaat beïnvloeden, wat nadelig kan zijn wanneer de resultaten worden gepubliceerd. Deze bellen ontstaan op verschillende momenten: tijdens het laden van de microfluïdische chip, tijdens een ingreep aan hetzelfde microfluïdische apparaat, of na een rustperiode in de incubator. Gelukkig zijn er inmiddels apparaten waarmee je je chip kunt manipuleren zonder dat er luchtbellen ontstaan.

In dit overzicht zullen we eerst bekijken waarom deze luchtbellen ontstaan. Vervolgens zullen we tips en trucs geven om ze te voorkomen, en apparaten introduceren die ervoor zorgen dat er geen luchtbellen in je microfluïdische apparaat komen.

Waarom ontstaan er luchtbellen?

Er moet met veel factoren rekening worden gehouden bij de beslissing om microfluïdica in te zetten als het belangrijkste instrument voor wetenschappelijke experimenten. Er ontstaat namelijk vaak een luchtbel wanneer er kleine oneffenheden in het oppervlak aanwezig zijn (Harvey-kernen), die als een „katalysator“ fungeren en enkele nanoliters lucht kunnen vasthouden. Deze enkele nanoliters lucht kunnen alleen worden vastgehouden als de contacthoek van de vloeistof die op dit punt wordt aangebracht, een lage bevochtigbaarheid heeft. De grootte van deze luchtbel zal variëren als de temperatuur- en drukomstandigheden veranderen.

De materiaalkeuze, de productiemethode en de coating zijn bepalend voor het ontstaan van luchtbellen. Deze keuzes zijn des te belangrijker als het microfluïdische apparaat zelf is vervaardigd.

Helaas is dit niet de enige manier om luchtbellen in het microfluïdische apparaat te creëren. Een andere manier is namelijk om de luchtbel in het apparaat te brengen, uiteraard niet opzettelijk, maar door in te grijpen op de chip. Het meest voorkomende voorbeeld is het toevoeren van een tweede oplossing (geneesmiddel, kleurstoffen, cellen,…) via een ‘ tube ’-verbinding. Deze stap is cruciaal, want als een luchtbel in de ‘ tube ’ wordt vergeten, kan deze binnendringen en mogelijk naar een ander deel van het apparaat migreren, wat het experiment zal schaden.

Tijdens microfluïdische experimenten kunnen luchtbellen ontstaan als één of meerdere koppelingen lekken. Verschillende gebruikers hebben ook gemeld dat PDMS, een poreus materiaal, luchtbellen in het microfluïdische apparaat kan veroorzaken, vooral na langdurig gebruik.

Tot slot is het opgeloste gas nog een ander cruciaal punt. Het gas dat in gasvorm aanwezig is in de vloeistoffen die tijdens het experiment worden gebruikt, kan namelijk bij een plotselinge verandering in temperatuur en druk leiden tot de vorming van luchtbellen.

Drukveranderingen kunnen ook leiden tot de desorptie van een luchtlaagje dat zich op de wand van een microkanaal bevindt.

💡Tips en trucs om luchtbellen te voorkomen

• Wanneer een tweede vloeistof aan de chip wordt toegevoegd, moet de temperatuur ervan in evenwicht komen met de temperatuur van de eerste vloeistof in de chip. Een temperatuurverschil tussen de twee vloeistoffen zou de omvang van reeds aanwezige belletjes kunnen vergroten als gevolg van de Harvey-kernen.
• Bij het gebruik van PDMS wordt gebruikt voor de vervaardiging van microfluïdische apparaten. Een van de manieren om een lage bevochtigbaarheid van de contacthoek tussen de vloeistof en de wand te voorkomen, is het verhogen van de hydrofiliciteit door middel van een zuurstofplasma-behandeling, of door het oppervlak te functionaliseren door hydrofiele groepen toe te voegen (oppervlaktebehandeling).
• Controleer of het systeem goed is afgedicht tussen de verschillende onderdelen van de chip, maar ook van het gehele apparaat (connectoren, enz.). Zoals te zien is in de bespreking over microfluïdische volumes, zijn connectoren bronnen van doodvolume maar ook van luchtbellen. Om ervoor te zorgen dat de afdichting correct wordt uitgevoerd, kunt u lijm of epoxyharsen gebruiken.
• Een ander punt met betrekking tot connectoren is dat het aantal ervan tot het strikt noodzakelijke minimum moet worden beperkt.

Apparaten om luchtbellen in je microfluïdische chips te voorkomen

Als je het beu bent dat je microfluïdica-experimenten mislopen vanwege luchtbellen, dan zijn deze apparaten echt iets voor jou! In dit gedeelte heeft Darwin Microfluidics speciaal voor jou drie apparaten geselecteerd om luchtbellen te beperken.

Bubbelvangersysteem

De luchtbelvanger is een passief apparaat met verschillende voordelen, waaronder:

• In-line verwijdering van luchtbellen, met of zonder aansluiting op het vide
• Voorkomt luchtbellen in de buurt van je cellen
• Eenvoudige vervanging van de membranen om besmetting te voorkomen

Deze luchtbelvanger heeft een PTFE membraan. De oplossing met luchtbellen wordt in de vanger geperst en de luchtbellen worden via een microporeus teflonmembraan verwijderd. U kunt er desgewenst voor kiezen om een vide -pomp aan te sluiten op de achterste uitlaat van de vanger (actieve modus) om de prestaties van de luchtbellenvanger te verbeteren. Maar de vanger levert in de meeste opstellingen al aanzienlijke prestaties bij het opvangen van luchtbellen, zelfs als er geen pomp is aangesloten (passieve modus).