De stapsgewijze emulgering is een variant van de techniek voor het genereren van druppels die ‘co-flow’ wordt genoemd. Deze nieuwe techniek is gebaseerd op de instabiliteit van een tweefasige vloeistofdraad die wordt veroorzaakt door een abrupte verandering in de stromingsbegrenzing (figuur 1). De techniek is meer direct geïnspireerd op microkanaalemulgering, aangezien er gebruik wordt gemaakt van microgefabriceerde kanaalnetwerken die een opmerkelijk nauwkeurige geometrische regeling van de druppelgrootte mogelijk maken.
Werkingsprincipe van stapsgewijze emulgering
De stapsgewijze emulgeringstechniek wordt gebruikt om druppeltjes te produceren met diameters variërend van nanometers tot honderden micrometers. Om dit proces uit te voeren, bestaat de benodigde apparatuur uit een kanaal voor de gedispergeerde fase, een reservoir voor de continue fase en een spuitmond, waarvan de hoogte aanzienlijk verschilt van die van het reservoir.
Om deze techniek te beschrijven, zijn er verschillende geometrische modellen opgesteld. Van deze modellen is het vooral het quasi-statische mechanisme dat door de meeste onderzoekers wordt gehanteerd om te begrijpen hoe de druppels ontstaan. Volgens Dangla et al. (2013, J Phys D Appl Phys) is dit model gebaseerd op drie hypothesen:
- de gedispergeerde fase is niet in staat de wanden van het kanaal te bevochtigen, waardoor er geen druppels kunnen ontstaan,
- het zwaartekrachteffect is verwaarloosbaar,
- het systeem ontwikkelt zich op een quasi-statische manier.
Om via stapsgewijze emulgering met succes druppeltjes te genereren, moet eerst de continue fase, die de oppervlakteactieve stof bevat, worden geïnjecteerd om het reservoir te vullen. Vervolgens wordt de gedispergeerde, niet-mengbare fase in het kanaal geïnjecteerd. Wanneer de stroom van de gedispergeerde fase door de stap stroomt, ontstaat er dus stroomafwaarts van de stap een bolletje. Naarmate de gedispergeerde fase continu wordt geïnjecteerd, neemt de gemiddelde kromming van het bolletje af, terwijl de omvang ervan toeneemt (figuur 2).
Soorten ontwerpen voor stapsgewijze emulgering
De emulgeringsstap in een microkanaal met groeven wordt bij het gebruik van druk of stroomsnelheid bepaald door de grensvlakspanning die de druppelvorming regelt. Traditioneel bestaat het microkanaal met groeven uit een kanaal voor de gedispergeerde fase, een spuitmond, een terras en een reservoir voor de continue fase (figuur 3a). Dit soort apparaat kan op een siliciumwafer worden vervaardigd door middel van fotolithografie en oriëntatieafhankelijk etsen.
Een tweede voorbeeld is het gebruik van een recht microkanaal voor stapsgewijze emulgering, waarvan de structuur langwerpige, rechte gaten bevat voor de vorming van druppeltjes (figuur 3b). De diameter van de druppeltjes is lineair gerelateerd aan de diepte van het rechte gat, die ruwweg een veelvoud van 4 is. Voor de vervaardiging van dit apparaat kan gebruik worden gemaakt van diepe reactieve ionenetsing (DRIE) op een siliciumwafer.
Een andere emulsificatiestructuur waarmee druppels bij hoge stroomsnelheden kunnen worden gegenereerd, is het Edge Droplet Generation Device (EDGE). In dit geval gaat het niet langer om een recht gat, maar om een breed, ondiep plateau dat als spuitmond fungeert, waarin gelijktijdig parallelle druppels uit één enkele spuitmond worden gegenereerd (Figuur 3c). Om dit apparaat te vervaardigen, wordt een siliciumwafer geëtst met behulp van de DRIE-techniek (Deep Reactive Ion Etching) en vervolgens aan een glasplaat gehecht.
Tot nu toe zijn in de bovengenoemde apparaten uitsluitend rechthoekige spuitmonden gebruikt. Driehoekige spuitmonden hebben echter veel betere prestaties laten zien. De driehoekige spuitmond fungeert dan als een terras voor de terugstroming van de continue fase met de uitgerekte dwarsdoorsnede (figuur 3d). Op deze manier biedt de driehoekige spuitmond een onafhankelijke lokale ruimte voor de vorming van druppeltjes, om ongewenste interferentie tussen de gedispergeerde en de continue fase te voorkomen.
Bij stapsgewijze emulgering is het belangrijk om op te merken dat de grootte van de monodisperse druppeltjes samenhangt met de geometrische kenmerken van het microkanaal, wat betekent dat de diameter van de druppeltjes moeilijk aan te passen is zodra het microkanaal eenmaal is ontworpen.
Hoewel de druppelgrootte door de geometrie wordt beperkt, is stapsgewijze emulgering een robuust hulpmiddel, met name in combinatie met detectie-, identificatie- en informatietechnologieën, waardoor de meting van bio-informatie zal worden verbeterd.
