Капельная микрофлюидика: точное управление для надежных исследований
Капельная микрофлюидика — одно из ключевых направлений микрофлюидики, сосредоточенное на манипуляции миниатюрными дискретными каплями внутри микроканалов. Объем таких капель обычно варьируется от пиколитров до нанолитров, а их использование имеет большое значение в научных и промышленных задачах. Среди применений — доставка лекарств, пищевая промышленность, косметика и передовые исследования в области микрофлюидики.
Проблемы при формировании капель
Стабильное и воспроизводимое образование капель — задача важная, но непростая. Основные трудности связаны с контролем размера, частоты и однородности капель, которые зависят от давления, скорости потока и вязкости жидкостей. Точная настройка этих параметров критична для оптимизации процессов и обеспечения воспроизводимости.
Надежное решение для генерации капель
Использование контроллера давления OB1 MK4 в сочетании с микроскопом OpenFrame обеспечивает простое и надежное решение для работы с капельными системами. Такой подход позволяет исследователям добиваться высокой точности и стабильности, значительно упрощая процесс создания капель для научных и промышленных задач.
Преимущества контроллера давления OB1 MK4
OB1 MK4 выделяется высоким разрешением регулировки давления и сверхбыстрым откликом (до 10 мс). Эти характеристики обеспечивают точное управление потоками жидкостей и стабильное формирование капель. Благодаря этому исследователи получают надежные и воспроизводимые результаты экспериментов.
Повышение точности с микроскопом OpenFrame
Микроскоп OpenFrame дополняет возможности OB1 MK4, предлагая:
- высокое разрешение визуализации и гибкость настройки платформы;
- мониторинг образования капель в режиме реального времени;
- быструю адаптацию экспериментальных условий для достижения оптимальных результатов;
- повышение точности и эффективности рабочих процессов.
Вместе эти приборы помогают преодолеть традиционные сложности капельной микрофлюидики, обеспечивая точность и воспроизводимость.
Применения капельной микрофлюидики
Биомедицинские исследования
- Высокопроизводительный скрининг: параллельное тестирование тысяч лекарственных соединений или биохимических реакций.
- Анализ отдельных клеток: изучение единичных клеток в изолированных каплях для получения точных данных.
- Диагностика: разработка «лаборатории на чипе» для экспресс-диагностики.
Науки о материалах
- Синтез наночастиц: получение однородных наночастиц для доставки лекарств, визуализации и электроники.
- Микрокапсулы: создание капсулированных материалов для контролируемого высвобождения.
- Эмульсии: разработка стабильных эмульсий для химической и косметической индустрии.
Пищевая промышленность
- Пищевые эмульсии: улучшение текстуры, вкуса и питательных свойств продуктов с помощью равномерных капельных эмульсий.
Экология
- Мониторинг загрязнителей: высокочувствительное выявление и анализ загрязняющих веществ.
Генерация капель под контролем микроскопа
Для успешного образования капель необходимо точно задать соотношение давлений (или скоростей потока) для двух несмешивающихся фаз. Экспериментальная установка включает:
- контроллер давления OB1 MK4;
- датчики расхода MFSD2 и MFSD3;
- микроскоп OpenFrame для визуализации и анализа процесса формирования капель.
Используемые материалы и оборудование:
- микрофлюидный чип Fluidic 440 (Microfluidic ChipShop);
- контроллер OB1 MK4 (2 канала, 0–2 бар);
- источник давления (0–2 бар);
- датчики расхода MFSD2 и MFSD3;
- флюидные сопротивления (PEEK трубки ID 100 и 175 мкм);
- держатель для двух резервуаров (по 15 мл);
- микроскоп OpenFrame (объектив 10×, камера Retiga E7);
- дистиллированная вода;
- масло для стабилизации капель (Droplet Genomics).
Протокол генерации капель «вода-в-масле»
1. Подключить источник давления к OB1.
2. Соединить OB1 с компьютером, запустить ПО ESI, активировать давление и выполнить калибровку.
3. Заполнить резервуары водой и маслом, подключить их к OB1.
4. Подключить датчики расхода (MFSD2 — вода, MFSD3 — масло) и активировать их в ПО.
5. Соединить резервуары с датчиками с помощью PTFE-трубок и адаптеров.
6. Добавить флюидные сопротивления для стабилизации потоков (100 мкм для воды, 175 мкм для масла).
7. Установить микрофлюидный чип на предметный столик микроскопа.
8. Запустить ПО Micro-Manager для управления микроскопом и выставить экспозицию.
9. Подобрать давление для обеих фаз. После достижения оптимального соотношения начнется образование капель.
10. Для ускорения записи использовать ROI-модуль камеры.
11. Обрабатывать изображения и видео в программе ImageJ.
Ключевые результаты
Размер и частота капель регулируются изменением расхода дисперсной и непрерывной фаз, а также диаметром сопла. В данном эксперименте при давлении 370 мбар для масляного канала и 120 мбар для водного канала были получены капли диаметром 92 ± 2 мкм.
Микроскопические изображения (светлое поле, объектив 10×, экспозиция 0,5 мс):
- А: чип, заполненный водой;
- B: сечение с двумя несмешивающимися фазами;
- C: процесс генерации капель (скорость камеры — 7 кадров/с).
Заключение
Проведенное исследование демонстрирует простой и воспроизводимый метод получения капель «вода-в-масле». Система на основе контроллера давления OB1 MK4 и микроскопа OpenFrame позволила формировать капли диаметром 92 ± 2 мкм и проводить их визуализацию при скорости съемки 7 кадров/с.
Точная настройка параметров эксперимента (давление, размер сопла) обеспечивает контроль над размером и частотой капель. Универсальность подхода делает его применимым как в биомедицинских исследованиях, так и в материаловедении, открывая новые возможности для инноваций в области микрофлюидики.
