Generování mikrobublinek na průtokovém čipu

Generování mikrobublinek na průtokovém čipu

Generování mikrobublinek na průtokovém čipu
Úvod
Průtokové mikrofluidní systémy umožňují dokonalou kontrolu při tvoření emulzí
kapalina-plyn nebo dvou kapalin. Toho se dá využít například při kontrolovaném generování
mikrobublinek plynu nebo mikrokapiček. Použití mikrobublinek v medicíně dramaticky
vzrostlo v posledních deseti letech díky jejich uplatnění jako kontrastních látek při
ultrazvukovém zobrazování. Mikrobublinky slouží rovněž jako "dopravce" léčiv a kyslíku v
intravaskulárním systému, proto je velmi důležité umět kontrolovat jejich velikost [1].
Instrumentálně nejjednodušším zařízením je průtokový systém zobrazený na obrázku 1.
Kapalina je do systému hydrodynamicky přiváděna dvěma okolními kanálkami a plyn
kanálkem, umístěným uprostřed. V místě, kde se tyto tři kanálky střetávají, dochází k tvorbě
bublinek plynu. Jejich velikost a počet závisí na rychlosti proudění kapaliny a plynu. Vzniklé
bublinky nemají klasický kulovitý tvar, ale jsou nejčastěji planární. Tento jev je způsoben
výškou kanálku, do kterého jsou bublinky generovány.
Obrázek 1 Znázornění způsobu tvorby mikrobublinek na čipu a vysvětlení jejich planárního
tvaru [2].
Přístroje a chemikálie
Čip pro generování bublinek vyrobený z polydimethylsiloxanu (PDMS), spojovací
hadičky, hydrodynamická pumpa Nemesis, plastové injekční stříkačky o objemu 20 ml,
Digitální mikroskop, PC pro ovládání pump, digitálního mikroskopu a vyhodnocení analýz,
ultrazvuková lázeň, skleněné kádinky, 50 ml odměrná baňka, deionizovaná voda
a fluorescein.
Pracovní postup
1. Příprava roztoku fluoresceinu
Pro lepší pozorování vzniklých bublinek vzduchu použijeme jako kapalinu vodný
roztok fluoresceinu. Do 50 ml odměrné baňky navážíme množství fluoresceinu odpovídající
koncentraci 0,5 mmol/l a doplníme deionizovanou vodou po rysku. Odměrnou baňku
necháme po dobu 10 minut v ultrazvukové lázni při pokojové teplotě, aby došlo k úplnému
odplynění vzorku.
2. Generování mikrobublinek vzduchu
Vodný roztok fluoresceinu nasajeme do dvou plastových injekčních stříkaček o objemu
20 ml a pevně umístíme do automatického systému Nemesis. Injekční stříkačky spojíme
s krajními mikrokanálky pomocí spojovacích hadiček. Stejný postup opakujeme pro injekční
stříkačku se vzduchem, kterou spojíme s prostředním kanálkem. Čip umístíme pod digitální
mikroskop nastavený na zvětšení 10x tak, abychom zobrazili místo, kde se potkávají všechny
tři kanálky.
Pomocí softwaru systému Nemesis spustíme současně všechny tři pumpy při
konstantním průtoku 10 µl/min. Po chvíli vypneme pumpu, ve které je umístěna injekční
stříkačka se vzduchem, a necháme roztokem fluoresceinu naplnit zbytek objemu čipu. Pro
generování bublinek je nezbytné, aby byly všechny tři pumpy spuštěny současně. Velikost a
počet bublinek lze ovlivnit rychlostí průtoku kapaliny a plynu.
Postupně měňte rychlost průtoku fluoresceinu a vzduchu v rozmezí průtoků 1 až 15
µl/min (měňte pouze jeden parametr a druhý ponechte konstantní). Pomocí softwaru
k digitálnímu mikroskopu pořiďte snímky vznikajících bublinek pro všechny použité
kombinace průtoků (všechny snímky musí být pořízeny při stejném zvětšení).
3. Zpracování výsledků
Pravítkem změřte průměry bublinek na pořízených vytištěných snímcích. Získaného
hodnoty zpracujte v tabulce a vytvořte graf závislosti velikosti bublinek na průtoku kapaliny a
plynu. Na základě těchto výsledků rozhodněte, při jakých podmínkách je dosaženo
mikrobublinek o nejmenším a největším průměru. Matematický vzorec pro výpočet celkového
objemu vzniklých bublinek je daleko složitější a je zapotřebí mít speciální software
k vyhodnocení všech parametrů bublinky [3], k našim účelům postačí tento zjednodušení
model vyhodnocení.
Literatura
[1] C. J. Martinez, Bubble generation in microfluidic device, Bubble Science, Engineering
and Technology, 2009.
[2] P. Garstecki, A. M. Ganan-Calvo, G. M. Whitesides, Formation of bubbles and droplets
in microfluidic systems, Technical Sciences, 2005.
[3] S. L. Anna, N. Bontoux, H. A. Stone, Formation of dispersions using “flow focusing” in
microchannels, Applied physics letters, 2003.