Flow focus - Flow focusing

Flow focus je technologie jehož cílem je přímá tvorba kapek nebo bublin hydrodynamický prostředek. Výstupem je rozptýlená kapalina nebo plyn, často ve formě pokuty aerosol nebo emulze. Není zapotřebí žádná další hnací síla, kromě tradičního čerpání, což je zásadní rozdíl oproti jiným srovnatelným technologiím, jako je např elektrosprej (kde elektrické pole je potřeba). Tokové zaostřování i elektrosprej pracující v jejich nejrozšířenějším režimu produkují vysoce kvalitní spreje složené z homogenních a dobře kontrolovaných kapiček. Tokové zaostřování vynalezl prof. Alfonso M. Ganan-Calvo v roce 1994, patentováno v roce 1996 a poprvé publikováno v roce 1998.

Mechanismus

Základní princip tvoří a spojitá fáze tekutina (zaostřovací nebo plášťová tekutina) lemující nebo obklopující dispergovaná fáze (zaostřená nebo jádrová tekutina), aby došlo k odtržení kapiček nebo bublin v blízkosti otvoru, kterým jsou obě tekutiny vytlačovány. Tuto zásadu lze rozšířit na dva nebo více koaxiální tekutiny; plyny a kapaliny lze kombinovat; a v závislosti na geometrii přívodní trubice a otvorů, vzor toku může být válcový nebo rovinný.[1][2] Válcové i planární zaostřování toku vedlo k různým vývojům (viz také díla Petera Walzela).

Zařízení pro zaostřování toku se skládá z a tlaková komora pod stálým přívodem zaostřovací kapaliny. Uvnitř se kapilárou vstřikuje jedna nebo více zaostřených tekutin přívodní trubice jehož končetina se otevírá před malým otvorem a spojuje tlakovou komoru s vnějším okolím. Proud zaostřovací tekutiny formuje tekutinu meniskus do hrotu vedoucího k ustálenému mikro-nebo nano-paprsku opouštějícímu komoru otvorem; velikost paprsku je mnohem menší než výstupní otvor, což vylučuje jakýkoli kontakt (který může vést k nežádoucímu usazování nebo reakci). Kapilární nestabilita rozdělí stálý paprsek na homogenní kapičky nebo bubliny.

Plnicí trubice může být složena ze dvou nebo více soustředných jehel a různých nemísitelný kapaliny nebo plyny, které mají být vstřikovány, což vede ke kapkám sloučeniny.[3] Při vhodném vytvrzení mohou takové kapky vést k vícevrstvě mikrokapsle s několika skořápkami kontrolovatelné tloušťky. Tokové zaostřování zajišťuje extrémně rychlou a řízenou produkci až milionů kapiček za sekundu při rozpadu paprsku.

Role tangenciální viskózní stres je zásadní pro vytvoření stabilního tvaru menisku v zaostřování toku, jak je znázorněno v případě jednoduchého proudu kapaliny obklopeného plynem. Při absenci dostatečně silné tangenciální napětí, získá se kulatý vrchol menisku. Vykazovaly by se vnitřní i kapalné toky stagnace oblasti kolem kulatého vrcholu. The povrchové napětí napětí σ / D by bylo jednoduše vyváženo vhodným tlakovým skokem přes rozhraní. Pokud člověk pomalu tlačí průtok kapaliny Q, systém by plival přerušovaně přebytek kapaliny, aby obnovil rovnovážný tvar kulatého vrcholu. Když je však tangenciální napětí ve srovnání s σ / D dostatečně silné, lze povrch deformovat do stabilního zužujícího se tvaru, což umožňuje kontinuální a plynulé zrychlení kapaliny při kombinovaném působení tlakové ztráty ΔP a tangenciálního viskózního napětí τs na povrchu kapaliny.

Aplikace

Tokové zaostření lze mimo jiné použít v potravinářském, lékařském, farmaceutickém, kosmetickém, fotografickém a environmentálním průmyslu. Výroba složené částice je důležité pole: zapouzdření léku Lze citovat částice značené barvivem a vícejádrové částice.[4][5] Mezi další aplikace patří průtoková cytometrie[6][7] a mikrofluidní obvody.[8][9] Kontrastní látka jako kapičky a Mikrobubliny lze vyrábět v mikrofluidickém zařízení pro zaostřování toku.

Reference

  1. ^ Gañán-Calvo, Alfonso M. (01.01.1998). „Generování stabilních kapalných mikrozávit a monodisperzních postřiků o velikosti mikronů v proudech plynu“. Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 80 (2): 285–288. doi:10.1103 / fyzrevlett.80.285. ISSN  0031-9007.
  2. ^ Gañán-Calvo, Alfonso M .; Gordillo, José M. (11. 12. 2001). "Perfektně monodisperzní mikrobubliny podle zaměření kapilárního toku". Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 87 (27): 274501. doi:10.1103 / physrevlett.87.274501. ISSN  0031-9007.
  3. ^ Utada, A. S. (2005-04-22). "Monodisperzní dvojité emulze generované z mikrokapilárního zařízení". Věda. Americká asociace pro pokrok ve vědě (AAAS). 308 (5721): 537–541. doi:10.1126 / science.1109164. ISSN  0036-8075.
  4. ^ Martín-Banderas, Lucía; Flores-Mosquera, María; Riesco-Chueca, Pascual; Rodríguez-Gil, Alfonso; Cebolla, Ángel; Chávez, Sebastián; Gañán-Calvo, Alfonso M. (2005). „Flow Focusing: a Versatile Technology to Produce Size-Controlled and Specific-Morfhology Micropicles“. Malý. Wiley. 1 (7): 688–692. doi:10.1002 / smll.200500087. ISSN  1613-6810.
  5. ^ Dendukuri, Dhananjay; Doyle, Patrick S. (06.11.2009). "Syntéza a montáž polymerních mikročástic pomocí mikrofluidik". Pokročilé materiály. Wiley. 21 (41): 4071–4086. doi:10.1002 / adma.200803386. ISSN  0935-9648.
  6. ^ Chung, S .; Park, S. J .; Kim, J. K .; Chung, C .; Han, D.C .; Chang, J. K. (2003-10-01). „Plastový mikročipový průtokový cytometr založený na 2- a 3-dimenzionálním hydrodynamickém průtokovém zaostřování“. Technologie mikrosystémů. Springer Science and Business Media LLC. 9 (8): 525–533. doi:10.1007 / s00542-003-0302-2. ISSN  0946-7076.
  7. ^ Ward, Thomas; Faivre, Magalie; Abkarian, Manouk; Kámen, Howard A. (2005). „Mikrofluidní tokové zaostřování: Velikost kapek a změna měřítka při čerpání pomocí průtoku pomocí tlaku v tlaku“. Elektroforéza. Wiley. 26 (19): 3716–3724. doi:10.1002 / elps.200500173. ISSN  0173-0835.
  8. ^ Takeuchi, S .; Garstecki, P .; Weibel, D. B .; Whitesides, G. M. (2005-04-18). "Axisymmetric Flow-Focusing Microfluidic Device". Pokročilé materiály. Wiley. 17 (8): 1067–1072. doi:10.1002 / adma.200401738. ISSN  0935-9648.
  9. ^ Huebner, Ansgar; Sharma, Sanjiv; Srisa-Art, Monpichar; Hollfelder, Florian; Edel, Joshua B .; deMello, Andrew J. (2008). „Mikrokapky: Moře aplikací?“. Laboratoř na čipu. Royal Society of Chemistry (RSC). 8 (8): 1244. doi:10.1039 / b806405a. ISSN  1473-0197.