PL238579B1

PL238579B1 - Microflow system for production of monodispersive drops

Info

Publication number: PL238579B1
Application number: PL425543A
Authority: PL
Inventors: Adam Opalski; Karol Makuch; Yu-kai LAI; Yu-Kai Lai; Piotr Garstecki
Original assignee: Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2021-09-06
Also published as: PL425543A1

Abstract

Układ mikroprzepływowy do wytwarzania monodyspersyjnych kropli obejmujący: a. kanał główny, stanowiący zamknięty ściankami bocznymi przewód, posiadający wlot, przeznaczony do łączenia ze źródłem płynu i wylot, przeznaczony do łączenia z rezerwuarem, stanowiącym zbiornik, którego co najmniej jeden poprzeczny wymiar wewnętrzny jest znacznie większy od maksymalnego poprzecznego wymiaru wewnętrznego kanału głównego, korzystnie przynajmniej 2 razy większy, korzystniej nie mniej niż 6 razy większy, b. stopień, stanowiący końcowy odcinek kanału głównego w obrębie którego powstają krople, charakteryzujący się tym, że kanał główny obejmuje co najmniej dwa połączone ze sobą sąsiadujące kanały zwane żłobieniami, o tych samych wymiarach i kształcie przekroju poprzecznego a ponadto oddzielone ściankami bocznymi, których wysokość jest wysokością (H) kanału głównego czyli odległością pomiędzy sufitem i podłogą kanału głównego, a ponadto w obrębie stopnia o długości 0,5 - 2 mm, korzystnie 1 - 2 mm, korzystniej 2 mm, znajduje się prześwit rozciągający się na całej szerokości kanału głównego i stanowiący obszar wspólny wszystkich żłobień, rozciągający się od sufitu kanału głównego na głębokość (h), przy czym wysokość ścianek bocznych żłobień stanowi różnicę pomiędzy wysokością (H) kanału głównego i głębokością (h), gdzie 0 < h < 100% wysokości (H).A microfluidic system for the production of monodisperse drops including: a. a main channel, which is a conduit closed with side walls, having an inlet, intended for connection to a source of fluid, and an outlet, intended for connection with a reservoir, which is a tank, the internal transverse dimension of which is much larger. from the maximum transverse internal dimension of the main channel, preferably at least 2 times larger, more preferably not less than 6 times larger, b. step, constituting the final section of the main channel within which drops are formed, characterized in that the main channel includes at least two connected adjacent channels called grooves, with the same dimensions and cross-sectional shape and separated by side walls, the height of which is the height (H) of the main channel, i.e. the distance between the ceiling and the floor of the main channel, and also within a step of 0.5 - 2 mm, preferably 1 - 2 mm, more preferably 2 mm, there is a clearance extending over the entire width of the main channel and constituting the common area of all the grooves, extending from the ceiling of the main channel to a depth (h), the height of the side walls of the grooves being the difference between height (H) of the main channel and depth (h), where 0 < h < 100% of the height (H).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ mikroprzepływowy do wytwarzania monodyspersyjnych kropli, umożliwiający podział zadanej objętości cieczy na monodyspersyjne krople o ustalonej objętości. Wynalazek dotyczy budowy urządzenia - układu mikroprzepływowego, która pozwala na wysokoprzepustową produkcję jednorodnych kropli płynu w niemieszającym się płynie.The subject of the invention is a microfluidic system for the production of monodisperse drops, which enables the division of a given volume of a liquid into monodisperse drops of a fixed volume. The invention relates to the construction of a device - a microfluidic system, which allows high-throughput production of homogeneous drops of liquid in an immiscible fluid.

Przegląd stanu technikiOverview of the state of the art

Istnieją układy mikroprzepływowe pozwalające na produkcję monodyspersyjnych kropli w układach mikroprzepływowych w sposób pasywny, tj. przez wykorzystanie sił powierzchniowych (a nie ścinających) do utworzenia kropli. Aby wytworzyć gradient sił powierzchniowych płyn poddawany emulsyfikacji jest wprowadzany poprzez mikrokanał do znacznie większego zbiornika wypełnionego niemieszającym się płynem (fazą zewnętrzną) - w literaturze określa się taki typ emulsyfikacji jako emulsyfikację stopniową (ang. step emulsification).There are microfluidic systems that allow the production of monodisperse droplets in microfluidic systems in a passive way, i.e. by using surface (not shear) forces to form the drop. To create a surface force gradient, the fluid to be emulsified is introduced through a microchannel into a much larger tank filled with the immiscible fluid (external phase) - this type of emulsification is referred to in the literature as step emulsification.

Istnieją dwa zasadnicze typy układów wykorzystujących emulsyfikację stopniową, opisywane w literaturze jako: i) urządzenia do emulsyfikacji mikrokanałowej, MCE (ang. microchannel emulsification , Kawakatsu T, Kikuchi Y, and Nakajima M. 1997. Regular-sized cell creation in microchannel emulsification by visual microprocessing method. J. Am. Oil Chem. Soc. 74(3): 317-21, Vladisavljević GT, Ekanem EE, Zhang Z, Khalid N, Kobayashi I, Nakajima M. 2018. Long-term stability of droplet production by microchannel (step) emulsification in microfluidic silicon chips with large number of terraced microchannels. Chem. Eng. J. 333 (September): 380-91), oraz ii) urządzenia produkujące krople na stopniu, EDGE (ang. edge-based droplet generation, van Dijke K, Veldhuis G, Schroen K, and Boom R. 2009. Parallelized edge-based droplet generation (EDGE) devices. Lab Chip. 9(19): 2824-30).There are two main types of systems using staged emulsification, described in the literature as: i) microchannel emulsification devices, MCE (microchannel emulsification, Kawakatsu T, Kikuchi Y, and Nakajima M. 1997. Regular-sized cell creation in microchannel emulsification by visual microprocessing method. J. Am. Oil Chem. Soc. 74 (3): 317-21, Vladisavljević GT, Ekanem EE, Zhang Z, Khalid N, Kobayashi I, Nakajima M. 2018. Long-term stability of droplet production by microchannel (step) emulsification in microfluidic silicon chips with large number of terraced microchannels. Chem. Eng. J. 333 (September): 380-91), and ii) edge-based droplet generation (EDGE) devices. van Dijke K, Veldhuis G, Schroen K, and Boom R. 2009. Parallelized edge-based droplet generation (EDGE) devices. Lab Chip. 9 (19): 2824-30).

W przypadku urządzeń typu MCE w układzie mikroprzepływowym kanał główny na połączeniu ze zbiornikiem wypełnionym fazą zewnętrzną jest dzielony na dużo małych dysz. Z każdej dyszy tworzy się naraz co najwyżej jedna kropla, a dysze są od siebie fizycznie oddzielone ściankami. Powstające krople są monodyspersyjne, ale przepustowość urządzeń jest dość niska.In the case of MCE devices in a microflow system, the main channel at the connection with the tank filled with the external phase is divided into many small nozzles. From each nozzle, at most one drop is formed at a time, and the nozzles are physically separated from each other by walls. The generated droplets are monodisperse, but the capacity of the devices is quite low.

W przypadku urządzeń typu EDGE szeroki kanał główny łączy się ze zbiornikiem wypełnionym fazą zewnętrzną, tworząc jedną bardzo szeroką dyszę. Wzdłuż dyszy, na krawędzi kanału głównego i zbiornika z fazą zewnętrzną, tworzy się jednocześnie wiele kropli. Pozwala to na uzyskanie wysokiej przepustowości, kosztem zmniejszenia monodyspersyjności w stosunku do urządzeń typu MCE.In EDGE devices, the wide main channel connects to the tank filled with the outer phase, creating one very wide nozzle. Along the nozzle, at the edge of the main channel and the outer phase reservoir, many drops are formed simultaneously. This allows for high throughput at the cost of reducing monodispersity in relation to MCE devices.

W literaturze opisywane są także modyfikacje wyżej opisanych układów, o analogicznym mechanizmie działania, ale wykorzystujących inne rozwiązania materiałowe czy geometryczne np. układ typu „stonoga” (ang. millipede emulsifier) zawierający bardzo wiele fizycznie rozdzielonych dysz o specjalnej geometrii (Amstad E, Chemama M, Eggersdorfer M, Arriaga LR, Brenner MP, and Weitz DA. 2016. Robust scalable high throughput production of monodisperse drops. Lab Chip. 16: 138-55, Hati AG, Szymborski T, Steinacher M, and Amstad E. 2018. Production of monodisperse drops from viscous fluids. Lab Chip. 18: 648-54).The literature also describes modifications of the systems described above, with an analogous mechanism of action, but using different material or geometric solutions, e.g. a millipede emulsifier system containing many physically separated nozzles with a special geometry (Amstad E, Chemama M , Eggersdorfer M, Arriaga LR, Brenner MP, and Weitz DA. 2016. Robust scalable high throughput production of monodisperse drops. Lab Chip. 16: 138-55, Hati AG, Szymborski T, Steinacher M, and Amstad E. 2018. Production of monodisperse drops from viscous fluids. Lab Chip. 18: 648-54).

Żadne z powyższych rozwiązań nie zapewnia urządzenia do wytwarzania kropli jednej cieczy w drugiej, niemieszającej się z nią, które to urządzenie spełnia jednocześnie poniższe warunki:Neither of the foregoing solutions provides a device for producing a droplet of one liquid in another that is immiscible with it, the device simultaneously fulfilling the following conditions:

• kanałem głównym tłoczy się/pompuje tylko ciecz przeznaczoną do podziału na krople;• only the liquid intended to be divided into drops is pumped / pumped through the main channel;

• geometria układu definiuje podatność wielkości kropli na prędkość przepływu (tzn. jak bardzo średnia wielkość kropli rośnie wraz ze wzrostem przepływu fazy kroplowej);The geometry of the system defines the susceptibility of the droplet size to flow rate (ie, how much the mean droplet size increases with increasing flow of the droplet phase);

• objętość otrzymywanych kropli zależy tylko od geometrii złącza, a nie od parametrów pompowanej cieczy;• the volume of obtained drops depends only on the geometry of the junction and not on the parameters of the pumped liquid;

• objętość otrzymywanych kropli nie zależy od prędkości przepływu pompowanej cieczy w jak największym przedziale zmienności tych parametrów;• the volume of the obtained drops does not depend on the flow velocity of the pumped liquid in the largest possible range of variability of these parameters;

• otrzymuje się krople o ustalonej objętości przy możliwie najwyższych prędkościach przepływów pompowanej cieczy;• drops of a predetermined volume are obtained at the highest possible flow velocities of the pumped liquid;

• układ jest łatwy w produkcji;• the system is easy to manufacture;

• skalę produkcji można bardzo łatwo zwiększyć.• The scale of production can be scaled up very easily.

Celem wynalazku jest zaproponowanie urządzenia mikroprzepływowego umożliwiającego podział zadanej objętości cieczy na monodyspersyjne krople o ustalonej objętości, spełniającego powyższe warunki. Urządzenie to mogłoby być podłączone do dowolnego źródła zapewniającego ustalony przepływ płynu - od przepływu wymuszonego grawitacyjnie, przez podawanie płynu przez strzykawkę umieszczoną w pompie strzykawkowej poprzez użycie pipety. Wstrzykiwana do urządzenia ciecz ma wypływać już w postaci monodyspersyjnych kropel. Fazę kroplową stanowi roztwór wodny barwnika,The aim of the invention is to propose a microfluidic device which enables the division of a given volume of liquid into monodisperse droplets of a given volume, meeting the above conditions. The device could be connected to any source providing a steady flow of fluid - from gravity, to fluid administration through a syringe located in the syringe pump, through the use of a pipette. The liquid injected into the device is to flow out in the form of monodisperse droplets. The drip phase is an aqueous solution of the dye,

PL 238 579 B1 a fazę ciągłą perfluorowany olej (HFE7500, 3M, Stany Zjednoczone), z dodatkiem surfaktantów, o większej gęstości niż faza kroplowa, jednak inne pary niemieszających się płynów także tworzą emulsje.The continuous phase is a perfluorinated oil (HFE7500, 3M, USA), with added surfactants, more dense than the drop phase, but other vapors of immiscible fluids also form emulsions.

Wyżej wymienione problemy udało się rozwiązać w obecnym wynalazku. Przedmiotem wynalazku jestThe above-mentioned problems have been solved by the present invention. The subject of the invention is

Przedmiotem wynalazku jest układ mikroprzepływowy do wytwarzania monodyspersyjnych kropli zawierający kanał główny, stanowiący kanał dopływowy, stanowiący zamknięty ściankami bocznymi przewód, do którego połączony jest wlot fazy dyspergowanej i wlot fazy dyspergującej, i kanał dopływowy połączony jest ze stopniem do wytwarzania emulsji, stanowiącym końcowy odcinek kanału głównego w obrębie którego powstają krople, i stopień połączony jest z głębokim zbiornikiem, którego co najmniej jeden poprzeczny wymiar wewnętrzny jest znacznie większy od maksymalnego poprzecznego wymiaru wewnętrznego kanału głównego, korzystnie przynajmniej 2 razy większy, korzystniej nie mniej niż 6 razy większy, stanowiącym kanał odpływowy, i kanał odpływowy połączony jest ze stopniem do wytwarzania emulsji, który to kanał odpływowy jest zakończony wylotem, charakteryzujący się tym, że stopień w końcowej części kanału głównego obejmuje co najmniej dwa połączone ze sobą sąsiadujące kanały zwane żłobieniami, o tych samych wymiarach i kształcie przekroju poprzecznego, a ponadto oddzielone ściankami bocznymi, których wysokość jest wysokością H kanału głównego czyli odległością pomiędzy sufitem i podłogą kanału głównego, a ponadto w obrębie stopnia o długości 0,5-2 mm, korzystnie 1-2 mm, korzystniej 2 mm, znajduje się prześwit rozciągający się na całej szerokości kanału głównego i stanowiący obszar wspólny wszystkich żłobień, rozciągający się od sufitu kanału głównego na głębokość h, przy czym wysokość ścianek bocznych żłobień stanowi różnicę pomiędzy wysokością H kanału głównego i głębokością h gdzie 0<h<100% wysokości H, przy czym kanał główny ma przekrój poprzeczny o kształcie prostokąta, którego wysokość H wynosi od 0 do 1 mm, korzystnie 100 μm, przy czym głębokość prześwitu h wynosi od 0% do 50% wysokości H kanału głównego, przy czym odległość między brzegami sąsiadujących żłobień, Lg, nie przekracza 2 mm, przy czym szerokość pojedynczego żłobienia wg wynosi od 0 do 500 μm.The subject of the invention is a microfluidic system for the production of monodisperse drops, comprising a main channel, which is an inflow channel, constituting a conduit closed with sidewalls, to which the inlet of the dispersed phase and the inlet of the dispersing phase are connected, and the inflow channel is connected with the stage for producing an emulsion, which is the end section of the channel. the main channel within which the drops are formed, and the step is connected to a deep reservoir, the at least one internal transverse dimension of which is significantly greater than the maximum transverse internal dimension of the main channel, preferably at least 2 times greater, more preferably not less than 6 times greater, constituting the drainage channel , and the drainage channel is connected to an emulsion forming step, the drainage channel terminated in an outlet, characterized in that the step at an end part of the main channel comprises at least two adjacent channels connected to each other, called grooves, of the same type. same dimensions and cross-sectional shape, and furthermore separated by side walls, the height of which is the height H of the main channel, i.e. the distance between the ceiling and the floor of the main channel, and further within the step 0.5-2 mm long, preferably 1-2 mm, more preferably 2 mm, there is a clearance extending across the entire width of the main channel and being the common area of all the grooves, extending from the ceiling of the main channel to the depth h, the height of the side walls of the grooves being the difference between the height H of the main channel and the depth h where 0 <h <100% of height H, the main channel having a rectangular cross-section, the height H of which is from 0 to 1 mm, preferably 100 μm, the depth h being from 0% to 50% of the height H of the main channel, where the distance between the edges of adjacent grooves, Lg, does not exceed 2 mm, while the width of a single groove in g is from 0 to 500 μm.

Korzystniej, odległość między brzegami sąsiadujących żłobień Lg wynosi 0,5-1 mm.More preferably, the distance between the edges of adjacent grooves Lg is 0.5-1 mm.

Korzystnie, głębokość prześwitu h wynosi od 20% do 46% wysokości H kanału głównego, korzystniej od 20% do 30%.Preferably, the clearance depth h is from 20% to 46% of the height H of the main channel, more preferably from 20% to 30%.

Korzystnie, przekrój poprzeczny kanału głównego jest prostokątny.Preferably, the cross section of the main channel is rectangular.

Korzystnie, szerokość pojedynczego żłobienia wg wynosi 100 μm.Preferably, the width of a single groove in g is 100 µm.

Korzystnie, szerokość stopnia emulsyfikującego wynosi od 3 do 30 mm, korzystnie 15 mm.Preferably, the width of the emulsifying step is from 3 to 30 mm, preferably 15 mm.

Korzystnie, układ według wynalazku jest wykonany z poliwęglanu, poli(metakrylanu metylu), szkła, krzemu, metalu lub poli(dimetylosiloksanu).Preferably, the system according to the invention is made of polycarbonate, poly (methyl methacrylate), glass, silicon, metal or poly (dimethylsiloxane).

Korzystnie, rezerwuar ograniczony jest ścianami bocznymi, ścianą dolną i ścianą górną, przy czym ściana dolna i ściana górna rezerwuaru są do siebie równoległe.Preferably, the reservoir is delimited by side walls, a bottom wall and a top wall, the bottom wall and the top wall of the reservoir being parallel to each other.

Korzystnie, układ mikroprzepływowy do wytwarzania monodyspersyjnych kropli stanowi końcówkę pipety.Preferably, the microflow system for producing the monodisperse droplets is a pipette tip.

Korzystnie, maksymalny poprzeczny wymiar wewnętrzny pojedynczego żłobienia nie przekracza 100 μm.Preferably, the maximum transverse internal dimension of a single groove does not exceed 100 µm.

Korzystnie, wlot jest połączony ze źródłem zapewniającym ustalony przepływ płynu, przykładowo przepływ wymuszony grawitacyjnie, przepływ w wyniku podawania płynu przez strzykawkę umieszczoną w pompie strzykawkowej.Preferably, the inlet is connected to a source providing a predetermined fluid flow, for example a gravity flow, flow due to the administration of fluid through a syringe located in the syringe pump.

Korzystnie, rezerwuar jest integralną częścią układu.Preferably, the reservoir is an integral part of the system.

Dzięki wynalazkowi połączono równolegle wiele kanałów mikroprzepływowych (o głębokości H) za pomocą płytkiego prześwitu (o głębokości h, h<H). W ten sposób powstał bardzo szeroki kanał o żłobkowanej strukturze. Stosunek PGR wysokości h/H, żłobienia do prześwitu, (ang. plateau-togroove ratio), jest kluczowym elementem opisywanego wynalazku, gdyż reguluje mechanizm formowania kropli i wpływa na podatność wielkości kropli na przepływ fazy kroplowej oraz na współczynnik zmienności kropli (definiowany jako odchylenie standardowe wielkości kropli w populacji dzielone przez średnią wielkość kropli w populacji).Thanks to the invention, a plurality of microfluidic channels (depth H) are connected in parallel by means of a shallow lumen (depth h, h <H). In this way, a very wide channel with a grooved structure was created. The plateau-togroove ratio PGR is a key element of the described invention as it regulates the drop formation mechanism and affects the susceptibility of the droplet size to the drip phase flow and the droplet variation coefficient (defined as population standard drop size divided by population mean drop size).

Odnosząc się do znanych rozwiązań, można powiedzieć, że wartość PGR dla urządzeń typu MCE wynosi PGR=0 (pełna przegroda między kanałami oznacza, że prześwit między nimi wynosi h=0,Referring to the known solutions, it can be said that the PGR value for MCE devices is PGR = 0 (a full partition between the channels means that the gap between them is h = 0,

PL 238 579 Β1 a co za tym idzie h/H też wynosi 0), a dla urządzeń typu EDGE wynosi 1 (prześwit między kanałami jest tej samej głębokości co wysokość kanału, h=H, więc h/H=1).PL 238 579 Β1 and thus h / H is also 0), and for EDGE devices it is 1 (the gap between the channels is the same depth as the height of the channel, h = H, so h / H = 1).

W kanale mikroprzepływowym, wyprodukowanym tak, aby elementy kanału miały różne wysokości, zachowanie płynu definiowane jest nie przez właściwości płynu, a przez geometrię kanału. Faza kroplowa płynąca przez szeroki żłobkowany kanał główny albo: i) będzie płynąć tylko przez żłobienia, albo ii) rozleje się na całą szerokość żłobkowanego kanału. Zależy to od wysokości (głębokości) h prześwitu łączącego kanały - jeśli prześwit jest o wysokości (głębokości) h równej bądź mniejszej połowie wysokości /-/żłobienia (dla h od 0 do ~H/2), faza kroplowa zostanie wyłącznie w żłobieniach. Jeśli prześwit będzie większy, od ~H/2 do H, faza kroplowa rozleje się na całą szerokość prześwitu kanału głównego.In a microfluidic channel, manufactured with the channel elements at different heights, the behavior of the fluid is defined not by the properties of the fluid but by the geometry of the channel. The drip phase flowing through the wide grooved main channel will either: i) flow through the grooves only, or ii) spread over the entire width of the grooved channel. It depends on the height (depth) h of the clearance connecting the channels - if the clearance is with a height (depth) h equal to or less than half the height / - / of the groove (for h from 0 to ~ H / 2), the drip phase will remain only in the grooves. If the lumen is greater, from ~ H / 2 to H, the drip phase will spread over the entire width of the main channel lumen.

Zjawisko rozlewania się kropli w zależności od stosunku PGR wynika ze statycznej niestabilności hydrodynamicznej kontrolowanej przez lokalne zakrzywienia powierzchni porcji płynów (krzywizny interfejsu). Ciśnienie Laplace'a czoła porcji fazy kroplowej znajdującej się w żłobieniach (czyli ciśnienie na granicy fazy między fazą kroplową wychodzącą z kanału do zbiornika a fazą ciągłą wypełniającą zbiornik) można opisać zgodnie z prawem Laplace'a-Younga /2 2 λ ^Pczoło i 77 F TT^- ) \/J Wg J gdzie ato napięcie powierzchniowe na granicy faz, H to wysokość żłobienia, w_g to szerokość żłobienia, H a 2 promień każdej z dwóch krzywizn interfejsu.The phenomenon of droplet spreading depending on the PCR ratio results from the static hydrodynamic instability controlled by the local curvature of the surface of the liquid portion (interface curvature). The Laplace pressure of the front of the droplet phase portion located in the grooves (i.e. the pressure at the phase boundary between the droplet phase coming from the channel into the reservoir and the continuous phase filling the reservoir) can be described according to the Laplace-Young law / 2 2 λ ^ Phead i 77 F TT ^- ) \ / J Wg J where ato is the surface tension at the interface, H is the height of the gouge, in _g is the width of the gouge, H and 2 is the radius of each of the two interface curves.

Aby faza kroplowa mogła rozlać się na obszar prześwitu, ciśnienie Laplace'a na krawędzi żłobienie - prześwit musi być niższe od ciśnienia czoła fazy kroplowej. Zgodnie z prawem Laplace'a-YoungaIn order for the drip phase to spread over the lumen area, the Laplace pressure at the edge of the gouge - lumen must be lower than the pressure of the drop phase front. According to Laplace-Young law

ΛΡ — — h gdzie ato napięcie powierzchniowe na granicy faz, h to głębokość prześwitu między żłobieniami, a 2 promień jedynej krzywizny interfejsu.ΛΡ - - h where ato is the surface tension at the interface, h is the depth of the gap between the grooves, and 2 is the radius of the only curvature of the interface.

Na przejściu między żłobieniami a prześwitem jest tylko jedna krzywizna - płyn znajduje się w długim żłobieniu i krzywizna w kierunku zgodnym z kierunkiem prześwitu jest równa zeru. Porównując wartości ciśnień czoła i boku fazy kroplowej można obliczyć moment, w którym faza kroplowa będzie rozlewać się na prześwit:There is only one curvature at the transition between the grooves and the lumen - the fluid is in the long groove and the curvature in the direction of the lumen is zero. By comparing the pressure values of the frontal and side of the drip phase, it is possible to calculate the moment at which the droplet phase will spread over the lumen:

APbok < AP_CZO\_O APbok <AP _CZO \ _O

2σ 2σ 2σ h H Wg2σ 2σ 2σ h H Acc

111 h H Wg111 h H Acc

Przy założeniu, że w_g& H otrzymujemy zależność:Assuming that in _g & H we get the relationship:

Dla takich wartości h i H, gdzie PGR=h/H > 0,5 faza kroplowa będzie rozlewać się na obszar prześwitu łączący żłobienia (między żłobieniami). Jeśli płyn nie rozleje się na prześwit, ten będzie wypełniony fazą ciągłą. Jak wykazano wcześniej, dostęp fazy ciągłej do miejsca wytwarzania kropli (szyjka fazy kropelkowej) ma istotny wpływ na wielkość powstającej kropli (Dutka F, Opalski AS, and Garstecki P. 2016. Nano-liter droplet libraries from a pipette: step-emulsificatorthat stabilizes droplet volume against variation in flow ratę, Lab Chip. 16: 2044-49). Z tego powodu możliwość kontrolowania rozlewania kropli na prześwit ma istotny wpływ na wielkości powstających kropli w funkcji przepływu fazy kropelkowej oraz na jednorodność powstających populacji kropli, co zostało wykorzystane do otrzymania urządzeń mikroprzepływowych produkujących wysoko przepustowo monodyspersyjne populacje kropli.For such values of h and H, where PCR = h / H> 0.5, the drip phase will spread over the lumen area connecting the grooves (between the grooves). If no fluid is spilled into the lumen, this lumen will be filled with a continuous phase. As shown earlier, access of the continuous phase to the place of droplet production (the neck of the droplet phase) has a significant impact on the size of the droplet formed (Dutka F, Opalski AS, and Garstecki P. 2016. Nano-liter droplet libraries from a pipette: step-emulsificatorthat stabilizes droplet volume against variation in flow ratę, Lab Chip. 16: 2044-49). For this reason, the ability to control the droplet spreading on the lumen has a significant impact on the size of the formed droplets as a function of the droplet phase flow and on the homogeneity of the generated droplet populations, which has been used to obtain microfluidic devices producing high throughput monodisperse droplet populations.

PL 238 579 B1PL 238 579 B1

Bardzo ważną właściwością nowego urządzenia jest kontrola zależności objętości powstających kropli od prędkości przepływu w zależności od wariantu geometrycznego urządzenia. Od geometrii zależy też, czy urządzenie będzie wymagało dokładnej kontroli przepływu do wytworzenia monodyspersyjnej emulsji czy nie. Umożliwia to użytkownikowi dobranie właściwej geometrii do posiadanych środków produkcji w celu uzyskania emulsji o pożądanych właściwościach. Prosta budowa urządzenia i wykorzystanie praw fizyki optymalizujących przepływ i produkcję kropli zapewnia, że jest mniej elementów mogących się popsuć (np. zatkanie/zniekształcenie dyszy w pracach może doprowadzić do zmian parametrów pracy układu).A very important feature of the new device is the control of the dependence of the volume of the formed drops on the flow velocity, depending on the geometrical variant of the device. It also depends on the geometry whether the device will require precise flow control to produce a monodisperse emulsion or not. This allows the user to choose the right geometry for the means of production he has in order to obtain an emulsion with the desired properties. The simple design of the device and the use of physics optimizing the flow and droplet production ensure that there are fewer elements that can break (e.g. clogging / distortion of the nozzle in the works may lead to changes in the system's operating parameters).

Wynalazek zostanie teraz bliżej przedstawiony w korzystnych przykładach wykonania, z odniesieniem do załączonego rysunku, na którym:The invention will now be illustrated in more detail in the preferred embodiments with reference to the accompanying drawing in which:

na fig. 1 przedstawiono zdjęcie układu mikroprzepływowego z kanałem głównym zawierającym 9 żłobień, odległych o 0,5 mm (po lewej stronie). Linią przerywaną zaznaczono fragment, przedstawiony po prawej stronie w powiększeniu, w trakcie procesu wytwarzania kropli wodnych w niemieszającym się oleju, na fig. 2 przedstawiono zdjęcie z profilometru optycznego układu mikroprzepływowego z jednym żłobieniem, na fig. 3 przedstawiono zdjęcie z profilometru optycznego układu mikroprzepływowego z 23 żłobieniami o H=100 μm, rozdzielone obszarami prześwitu o szerokości 0,5 mm i głębokości 30 μm każdy, na fig. 4 przedstawiono urządzenie mikroprzepływowe oraz mechanizm rozlewania się fazy kropelkowej w prześwicie. A. Puste urządzenie mikroprzepływowe. B. i C. Urządzenie mikroprzepływowe produkujące krople w przypadku nierozlewania się płynu poza żłobienia (B), oraz rozlewania (C). D. Rzut od boku i od przodu na fazę kropelkową nierozlewającą się poza żłobienie w urządzeniu ówcześnie wypełnionym fazą zewnętrzną. E. Rzut od boku i od przodu na fazę kropelkową rozlewającą się poza żłobienie w urządzeniu ówcześnie wypełnionym fazą zewnętrzną, na fig. 5 przedstawiono charakterystykę wpływu stosunku wysokości (głębokości) prześwitów i żłobień, PGR, na wielkość kropli w urządzeniach z jednym żłobieniem, na fig. 6 przedstawiono w postaci mapy powierzchni reprezentację związku między objętością kropli, prędkością przepływu fazy kroplowej i geometrią urządzenia opisaną jako h/H=PGR, na fig. 7 przedstawiono charakterystykę wielkości kropli i ich zmienności dla urządzeń o H=0,1 mm, szerokości całkowitej urządzenia=15 mm i odstępie między żłobieniami Lg=0,75 mm, na fig. 8 przedstawiono charakterystykę wielkości kropli i ich zmienności dla urządzeń o H=0,1 mm, w=15 mm i odstępie między żłobieniami Lg=0,5 mm, na fig. 9 przedstawiono charakterystykę wpływu Lg na wielkość kropli dla urządzeń o szerokości całkowitej urządzenia wynoszącej 15 mm, h/H=0,9. Wyszczególniono dwa skrajne przypadki (Lg=0,50 mm=500 μm, oraz Lg=0,75 mm=750 μm), na fig. 10 przedstawiono charakterystykę przepustowości układu - maksymalną prędkość przepływu fazy kroplowej pozwalającej na otrzymanie monodyspersyjnej emulsji, wielkość kropli dla maksymalnego przepływu pozwalającego na otrzymanie monodyspersyjnej emulsji, ile kropli na sekundę urządzenie wytwarza na milimetrze stopnia, ile płynu emulsyfikuje urządzenie na milimetrze stopnia, na fig. 11 przedstawiono wizualizację układu mikroprzepływowego na odcinku stopnia wg wynalazku w przekroju poprzecznym, zaś na fig. 12 przedstawiono mikrofotografię prototypu układu mikroprzepływowego wg wynalazku widziany z góry (po lewej stronie), a także zbliżenie na kanał główny w obrębie stopnia.Fig. 1 is a photograph of a microfluidic system with a main channel containing 9 grooves 0.5 mm apart (left). The dashed line marks the fragment shown on the right, enlarged, during the water drop production process in immiscible oil, Fig. 2 shows a photo from the optical profilometer of the microfluidic system with one groove, Fig. 3 shows a photo from the optical profilometer of the microfluidic system with With 23 grooves with H = 100 µm, separated by lumen areas 0.5 mm wide and 30 µm deep each, Fig. 4 shows the microfluidic device and the mechanism of the droplet phase spreading in the lumen. A. Empty microfluidic device. B. and C. A microfluidic device that produces droplets in the event of liquid not spilling outside the gouge (B), and for spilling (C). D. Side and front view of the droplet phase not spreading beyond the groove in the device then filled with the outer phase. E. Side and front view of the droplet phase spreading beyond the groove in the device then filled with the outer phase, Fig. 5 shows the characteristics of the influence of the ratio of the height (depth) of clearances and grooves, PGR, on the drop size in devices with one groove, on Fig. 6 shows in the form of a surface map the representation of the relationship between the droplet volume, the flow rate of the drip phase and the device geometry described as h / H = PCR, Fig. 7 shows the characteristics of the droplet size and their variability for devices with H = 0.1 mm, the overall width of the device = 15 mm and the groove spacing Lg = 0.75 mm, Fig. 8 shows the characteristics of the droplet size and their variability for devices with H = 0.1 mm, w = 15 mm and the groove spacing Lg = 0, 5 mm, Fig. 9 shows the characteristics of the influence of Lg on the droplet size for devices with a total device width of 15 mm, h / H = 0.9. Two extreme cases have been specified (Lg = 0.50 mm = 500 μm, and Lg = 0.75 mm = 750 μm), Fig. 10 shows the characteristics of the system throughput - the maximum flow velocity of the droplet phase allowing to obtain a monodisperse emulsion, the droplet size for maximum flow allowing to obtain a monodisperse emulsion, how many drops per second the device produces per millimeter of degree, how much fluid is emulsified by the device per millimeter of degree, fig. 11 shows a visualization of the microfluidic system in the step section according to the invention in cross-section, and fig. 12 shows a micrograph the prototype of the microfluidic system according to the invention seen from above (on the left), as well as a close-up of the main channel within the step.

Korzystne przykłady wykonania wynalazkuPreferred Embodiments of the Invention

1. Budowa układów mikroprzepływowych1. Construction of microfluidic systems

Układy, na których przeprowadzono eksperymenty wytworzone zostały w poliwęglanie. Każdy z układów składa się z kanału dopływowego (zwanego także kanałem głównym) o przekroju prostokątnym i kanału odpływowego (zwanego też rezerwuarem) o przekroju prostokątnym o większej szerokości i głębokości (fig. 1-4 oraz 12). W miejscu kontaktu obu kanałów (to jest przy wylocie kanału głównego do rezerwuaru) znajduje się stopień, tj. następuje skokowa zmiana głębokości kanału, na którym powstają krople. Przedstawiono to na fig. 1. Na krawędzi kanału głównego i rezerwuaru może powstawać jedna (w przypadku jednego żłobienia, jak na fig. 2) bądź wiele kropli (w przypadku wielu żłobień, jak na fig. 3, gdzie kierunek przepływu płynu zamienianego w krople jest od strony prawej, do lewej, gdzie widać głęboki zbiornik na fazę zewnętrzną) jednocześnie. Aby uniknąć deformacji kanałów zamiast termicznego łączenia płytek poliwęglanowych dociśnięto je do siebie śrubami i nakrętkami.The systems on which the experiments were carried out were made of polycarbonate. Each arrangement consists of an inflow channel (also called a main channel) with a rectangular section and a drainage channel (also called a reservoir) with a rectangular section of greater width and depth (Figures 1-4 and 12). At the point of contact of both channels (i.e. at the outlet of the main channel to the reservoir), there is a step, i.e. there is a step change in the depth of the channel on which the drops are formed. This is shown in Fig. 1. At the edge of the main channel and reservoir, one (in the case of one groove, as in Fig. 2) or multiple drops (in the case of multiple grooves, as in Fig. 3, it is from the right to the left, where you can see the deep reservoir for the outer phase) simultaneously. In order to avoid deformation of the channels, instead of thermal joining the polycarbonate plates, they were pressed together with bolts and nuts.

PL 238 579 B1PL 238 579 B1

Używane płyny i tego konsekwencjeThe fluids used and the consequences of this

Aby zapobiec zwilżaniu ścianek układów przez krople wodne, kanały pokryto substancją modyfikującą poliwęglan (Novec® 1720, firmy 3M z USA). Jako fazy kroplowej używano roztworów wodnych, które mają mniejszą gęstość od stosowanych olejów. Zatem w przeprowadzonych eksperymentach układy umieszczone były pionowo do góry, aby umożliwić łatwy, grawitacyjny odpływ powstałych kropel. Można także użyć innej pary płynów (lżejszej fazy ciągłej i cięższej kroplowej) i odwrócić urządzenie tak, aby cięższe krople opadały grawitacyjnie. Jak wykazano we wcześniejszych pracach, boczny przepływ nie ma wielkiego wpływu na proces tworzenia kropli, można więc łatwo zmodyfikować układ tak, by krople transportować od miejsca tworzenia do miejsca zbierania za pomocą krzyżowego przepływu fazy ciągłej (Vladisavljevic GT, Kobayashi I, and Nakajima M. 2012. Production of uniform droplets using membrane, microchannel and microfluidic emulsification devices, Microfluid Nanofluidics 13(1): 151-78).To prevent water droplets from wetting the walls of the systems, the channels were coated with a polycarbonate modifier (Novec® 1720, 3M, USA). Water solutions having a lower density than the oils used were used as the drip phase. Thus, in the experiments carried out, the systems were placed vertically upwards to allow easy, gravitational drainage of the formed droplets. You can also use a different pair of fluids (the lighter continuous phase and the heavier drip phase) and invert the device so that the heavier droplets fall by gravity. As shown in previous work, the lateral flow does not have a great influence on the droplet formation process, so the system can be easily modified to transport droplets from the formation site to the collection site using continuous phase cross-flow (Vladisavljevic GT, Kobayashi I, and Nakajima M. 2012. Production of uniform droplets using membrane, microchannel and microfluidic emulsification devices, Microfluid Nanofluidics 13 (1): 151-78).

Materiały i metody przeprowadzania eksperymentów:Materials and methods of conducting experiments:

Prędkość przepływu zmieniano za pomocą pompy strzykawkowej firmy Cetoni GMBH (Niemcy), a po ustaleniu przepływu dokonano pomiaru średnicy i tym samym objętości kropli za pomocą programu na licencji open-source ADM 1.0b9 (Chong ZZ, Tor SB, Ganan-Calvo AM, Chong ZJ, Loh NH, Nguyen NT, and Tan SH. 2016. Automated droplet measurement (ADM): an enhanced video processing software for rapid droplet measurements. Microfluid. Nanofluidics. 20(4): 1-14) i skryptu napisanego w programie MATLAB (Mathworks, USA). Jako fazy ciągłej użyto oleju HFE7500 z dodatkiem 2% wagowo surfaktantu PFPE-PEG-PFPE, a jako fazy kroplowej wody destylowanej z dodatkiem barwnika Czerwień Kongo.The flow rate was varied using a syringe pump from Cetoni GMBH (Germany), and after determining the flow, the diameter and therefore the droplet volume were measured using an open-source ADM 1.0b9 program (Chong ZZ, Tor SB, Ganan-Calvo AM, Chong ZJ, Loh NH, Nguyen NT, and Tan SH. 2016. Automated droplet measurement (ADM): an enhanced video processing software for rapid droplet measurements. Microfluid. Nanofluidics. 20 (4): 1-14) and MATLAB script (Mathworks, USA). HFE7500 oil with the addition of 2% by weight of PFPE-PEG-PFPE surfactant was used as a continuous phase, and distilled water with the addition of Congo Red dye was used as a drop phase.

2. Porównanie kanałów: płaskiego, żłobkowanego, wielu niezależnych kanałów2. Channel comparison: flat, grooved, many independent channels

Wprowadzono nowy rodzaj geometrii poprzez modyfikację stopnia składającego się z wielu całkowicie rozdzielonych kanałów, równo rozmieszczonych wzdłuż krawędzi stopnia (MCE i EDGE). Przykładowe urządzenie zaprezentowano na fig. 11. Dla jednego żłobienia powstaje monodyspersyjna emulsja, jednak korzystniejsze jest wykorzystanie wielu żłobień i zwiększenie przepustowości wytwarzania emulsji. Modyfikacja stopnia w kanale głównym polega na zmniejszeniu wysokości przegrody między kanałami o wartość h (liczoną od sufitu tj. sklepienia takiego kanału/żłobienia) tak, że powstał prześwit między sufitem a podłogą kanału łączący sąsiadujące kanały (żłobienia).A new type of geometry has been introduced by modifying the step consisting of many completely separated channels, evenly spaced along the edge of the step (MCE and EDGE). An exemplary device is shown in Fig. 11. One gouge produces a monodisperse emulsion, but it is more advantageous to use multiple grooves and increase the emulsion throughput. Modification of the step in the main channel consists in reducing the height of the partition between the channels by the value h (calculated from the ceiling, i.e. the vault of such a channel / groove), so that there is a clearance between the ceiling and the channel floor connecting the adjacent channels (grooves).

Optymalizacja wartości PGR dla pojedynczego żłobienia:Optimization of the PGR value for a single gouge:

Przeprowadzono pomiary na 6 różnych układach (znajdujących się na 6 płytkach o sygnaturze SN 1563), w których prześwit między podłogą a sufitem krawędzi emulsyfikującej między żłobieniem a ścianą (h) zmienia się od 0 (całkowity brak prześwitu) do 1 (prześwit o wysokości żłobienia). Dla różnych wartości h zaobserwowane i opisano różne odpowiedzi układu, co przedstawiono na fig. 5. Kontrolując wysokość prześwitu łączącego sąsiadujące kanały scharakteryzowano powstawanie kropli przez emulsyfikację na krawędzi jako wielkość kropli w funkcji przepływu. Wszystkie urządzenia produkowały monodyspersyjne krople w badanych warunkach. Najmniejsze krople produkowało urządzenie o najmniejszej niezerowej wartości PGR, tj. 0,2. Największe krople powstawały dla urządzeń o wysokich wartościach parametru PGR (0,84 i 1). W zakresie małych wartości przepływu fazy kroplowej najszybciej objętość produkowanych kropli rosła dla urządzenia bez prześwitu (tj. PGR=0).Measurements were carried out on 6 different systems (located on 6 tiles with the reference SN 1563), in which the clearance between the floor and the ceiling of the emulsifying edge between the groove and the wall (h) varies from 0 (no clearance at all) to 1 (clearance with the groove height) ). For different h values, different system responses were observed and described as shown in Figure 5. By controlling the clearance height connecting adjacent channels, droplet formation was characterized by edge emulsification as droplet size as a function of flow. All devices produced monodisperse droplets under the tested conditions. The smallest drops were produced by the device with the smallest non-zero value of PCR, i.e. 0.2. The largest drops were created for devices with high values of the PGR parameter (0.84 and 1). In the range of small values of the drip phase flow, the volume of produced drops grew fastest for the device without lumen (ie PCR = 0).

Optymalizacja wartości PGR dla wielu żłobień:Optimization of the PGR value for multiple gouges:

Przeprowadzono pomiary na 11 różnych układach (znajdujących się na 11 płytkach o sygnaturze SN 1682 oraz SN 1708), w których prześwit między podłogą a sufitem krawędzi emulsyfikującej pomiędzy kanałami (h) zmienia się od 0 (całkowite rozgrodzenie kanałów) do 1 (całkowite usunięcie przegród i stworzenie jednego szerokiego kanału). Dla różnych wartości h zaobserwowano i opisano różne odpowiedzi układu, co przedstawiono na fig. 6-8. Kontrolując wysokość prześwitu łączącego sąsiadujące kanały scharakteryzowano powstawanie kropli przez emulsyfikację na krawędzi jako wielkość kropli w funkcji przepływu. Opisano zakres prędkości przepływu płynu, w których urządzenie produkuje monodyspersyjną emulsję (fig. 10). Zawiera się on w granicach 200 μL/min dla urządzeń o wysokiej wartości PGR, zarówno dla Lg=0,5 mm jak i 0,75 mm, do 800-1200 μL/min dla urządzeń o niskich wartościach PGR (0,2-0,3), dla Lg=0,5 i 0,75 mm. Co z tego wynika, najwięcej kropli produkowano dla urządzeń o PGR wynoszącym ~0,2-0,3 (30-50 kropli na sekundę na całe urządzenie). Inaczej interpretując tę wielkość, najwięcej fazy kroplowej emulsyfikowane jest na urządzeniach o wartościach PGR międzyMeasurements were carried out on 11 different systems (located on 11 tiles with the reference SN 1682 and SN 1708), in which the clearance between the floor and the ceiling of the emulsifying edge between the channels (h) varies from 0 (complete separation of the channels) to 1 (complete removal of the partitions and creating one wide channel). For different h values, different system responses were observed and described as shown in Figures 6-8. By controlling the height of the lumen connecting adjacent channels, the drop formation by edge emulsification was characterized as droplet size as a function of flow. The range of fluid flow velocities over which the device produces a monodisperse emulsion is described (Fig. 10). It is within the limits of 200 μL / min for devices with high PGR values, both for Lg = 0.5 mm and 0.75 mm, up to 800-1200 μL / min for devices with low PGR values (0.2-0 , 3), for Lg = 0.5 and 0.75 mm. As a result, the most drops were produced for devices with a PCR of ~ 0.2-0.3 (30-50 drops per second for the entire device). Interpreting this value differently, most of the drip phase is emulsified on devices with PCR values between

PL 238 579 B1 a 0,5, korzystnie 0,2-0,3. Urządzenia o PGR>0,5 także dają monodyspersyjne krople, ale większe i wolniej.A PL of 0.5, preferably 0.2-0.3. Devices with PGR> 0.5 also produce monodisperse droplets, but larger and slower.

Optymalizacja wartości Lg:Optimization of the Lg value:

Przeprowadzono pomiary na 11 różnych układach (znajdujących się na 11 płytkach o sygnaturach SN 1682), w których odległość Lg pomiędzy sąsiadującymi kanałami (żłobieniami) o wysokości H=100 gm, wynosiły 500 do 1000 gm, przy wysokości h=90 gm. Zależność objętości kropel od prędkości przepływu dla układów o różnej odległości pomiędzy kanałami przedstawiona jest na fig. 9. Poszczególne urządzenia zostały oznaczone podpisem znajdującym się z prawej strony wykresu. Najwyższy podpis odpowiada najwyżej zakończonej linii, najniższy - najniżej zakończonej.Measurements were carried out on 11 different systems (located on 11 plates with the reference SN 1682), in which the distance Lg between adjacent channels (grooves) with a height of H = 100 gm was 500 to 1000 gm, at a height of h = 90 gm. The dependence of the droplet volume on the flow velocity for systems with different distances between the channels is shown in Fig. 9. The individual devices are marked with the caption on the right side of the graph. The highest signature corresponds to the highest completed line, the lowest - to the lowest.

Wykazano, że szerokość prześwitów wpływa na rozmiar kropli w pewnym zakresie. Wynika to z tego jak bardzo sąsiadujące żłobienia tworzące krople „rywalizują” między sobą o dostęp do napływającej fazy kroplowej. Dla Lg=500 gm krople są największe, co wynika ze zbyt gęstego upakowania żłobień - nie każde żłobienie wytwarzało krople. Najkorzystniejszym wariantem urządzenia (produkującym najmniejsze krople) okazało się urządzenie o Lg=750 gm. Wpływ odległości pomiędzy kanałami na rozrzut wielkości produkowanych kropli jest niewielki, a zmiany pomiędzy poszczególnymi zmianami nie są systematyczne - są spowodowane skończoną dokładnością fabrykacji.The width of the lumen has been shown to influence the droplet size to a certain extent. This is due to the fact how much the adjacent grooves forming the droplets "compete" with each other for access to the incoming drip phase. For Lg = 500 gm the drops are the largest, which results from too dense packing of the grooves - not every groove produced drops. The device with Lg = 750 gm turned out to be the most advantageous variant of the device (producing the smallest drops). The influence of the distance between the channels on the dispersion of the size of the produced droplets is small, and the changes between the individual changes are not systematic - they are caused by the finite accuracy of fabrication.

3. Objętości kropel w zależności od wielkości układu (skalowanie)3. Drop volumes depending on the size of the system (scaling)

Przeprowadzono eksperyment dla urządzenia: układu mikroprzepływowego z mikrokanałem (kanałem głównym) z jednym żłobieniem oraz dla urządzenia z mikrokanałem (kanałem głównym) z wieloma żłobieniami. Przeprowadzono pomiary na 12 różnych układach (znajdujących się na 12 płytkach o sygnaturze SN 1563 oraz SN 1708), w których odległość pomiędzy sąsiadującymi kanałami (a dokładniej odległość między brzegami sąsiadujących kanałów, tzw. żłobień), Lg, wynosiła 500 gm (w przypadku mikrokanału z pojedynczym żłobieniem, to żłobienie z obu stron także było otoczone prześwitami bocznymi o długości 500 gm, kończącymi się na ściance mikrokanału). Zależność objętości kropel od prędkości przepływu dla układów o różnej ilości żłobień o różnej głębokości prześwitów h przedstawiona jest na fig. 5 (jedno żłobienie) i fig. 6-8 (23 żłobienia, dla Lg 0,5 mm, 17 żłobień dla Lg 0,75 mm).An experiment was carried out for the device: a microfluidic system with a microchannel (main channel) with one groove and for a device with a microchannel (main channel) with many grooves. Measurements were carried out on 12 different systems (located on 12 boards with the signatures SN 1563 and SN 1708), in which the distance between adjacent channels (or more precisely the distance between the edges of adjacent channels, the so-called grooves), Lg, was 500 gm (in the case of the microchannel with a single groove, this groove on both sides was also surrounded by 500gm long side clearances ending at the wall of the microchannel). The dependence of the volume of droplets on the flow velocity for systems with different number of grooves with different depths of clearances h is shown in Fig. 5 (one groove) and Fig. 6-8 (23 grooves, for Lg 0.5 mm, 17 grooves for Lg 0, 75 mm).

Zaobserwowano, że w przypadku układów z pojedynczymi żłobieniami powstawały mniejsze i monodyspersyjne krople, w bardzo wąskim zakresie przepływów (do 45 gL/min na dyszę). W przypadku przeskalowanych urządzeń, z wieloma żłobieniami (17 dla Lg=0,75 mm oraz 23 dla Lg=0,5 mm) rozmiary kropli były porównywalne dla niskich wartości PGR (<0,5), a zdecydowanie większe dla dużych wartości PGR (>,5). Zakres pracy urządzenia był szerszy, gdyż monodyspersyjne krople otrzymywano do prędkości przepływu: i) 1300 gL/min (PGR=0,2, Lg=0,5 mm), odpowiadające 56,5 gL/min na żłobienie dla Lg=0,5 oraz ii) 800 gL/min (PGR=0,3, Lg=0,75 mm) odpowiadające 47 gL/min na żłobienie (fig. 10).It was observed that in the case of single-slot systems, smaller and monodisperse droplets were produced, in a very narrow flow range (up to 45 gL / min per nozzle). In the case of scaled devices with many grooves (17 for Lg = 0.75 mm and 23 for Lg = 0.5 mm), the droplet sizes were comparable for low PGR values (<0.5), and definitely larger for large PGR values ( >, 5). The operating range of the device was wider, as monodisperse drops were obtained up to the flow rate: i) 1300 gL / min (PGR = 0.2, Lg = 0.5 mm), corresponding to 56.5 gL / min per gouge for Lg = 0.5 and ii) 800 gL / min (PCR = 0.3, Lg = 0.75 mm) corresponding to 47 gL / min per gouge (Figure 10).

4. Podsumowanie4. Summary

Zaprojektowano i wykonano w poliwęglanie układy mikrofluidyczne umożliwiające podział zadanej objętości cieczy na monodyspersyjne krople. Dzięki wprowadzeniu prześwitu łączącego sąsiadujące kanały w szeroki i żłobkowany kanał główny uzyskano kontrolę nad reżimem produkcji kropli, a tym samym nad związkiem objętości powstających kropli z prędkością przepływu. Podczas serii eksperymentów wybrano optymalną wysokość prześwitu (między 0,2 a 0,3 wysokości żłobienia) i zdefiniowano wpływ rozmieszczenia kanału wzdłuż szerokiej krawędzi emulsyfikującej (optymalne rozmieszczenie o Lg=0,75 mm dla żłobień o szerokości w=120 gm). Umieszczenie licznych żłobień w jednym układzie pozwala na niewielkie zwiększenie przepustowości układu (47 gL/min na żłobienie dla wielu żłobień w stosunku do 45 gL/min dla pojedynczego żłobienia), przy zachowaniu wysokiej monodyspersyjnością emulsji. Można jeszcze bardziej zwiększyć przepustowość (liczoną jako ilość fazy kroplowej emulsyfikowanej w czasie) poprzez zmianę odległości między żłobieniami Lg (dla Lg=0,5 otrzymano 56,5 gL/min na żłobienie, o 25% więcej niż w przypadku układu z pojedynczym żłobieniem). Dodatkowo, do obsługi wielu żłobień połączonych prześwitem wystarczy jedno źródło ciśnienia, podczas gdy do obsługi wielu oddzielnych urządzeń potrzebne by było źródło ciśnienia na każde urządzenie.Microfluidic systems were designed and manufactured in polycarbonate, enabling the division of a given volume of liquid into monodisperse droplets. By introducing the clearance connecting the adjacent channels into a wide and grooved main channel, control over the drop production regime was obtained, and thus over the relationship between the volume of the generated drops and the flow velocity. During a series of experiments, the optimal height of the lumen was selected (between 0.2 and 0.3 of the gouge height) and the influence of the channel arrangement along the wide emulsifying edge was defined (optimal distribution with Lg = 0.75 mm for grooves with a width of w = 120 gm). Placing multiple grooves in one system allows for a slight increase in the throughput of the system (47 gL / min for multiple grooves versus 45 gL / min for a single groove), while maintaining high monodispersity of the emulsion. It is possible to further increase the throughput (calculated as the amount of the droplet phase emulsified in time) by changing the distance between the grooves Lg (for Lg = 0.5, 56.5 gL / min per gouge was obtained, by 25% more than in the case of a single gouge system) . In addition, a single pressure source would be sufficient to support multiple lumen-connected slots, while a pressure source would be required for each device to operate multiple separate devices.

Opisane powyżej układy poliwęglanowe obejmują rezerwuar, który jest ich integralną częścią. Jednak w zakresie wynalazku mieszczą się też układy nieobejmujące rezerwuaru, ale posiadające kanał główny zmodyfikowany w sposób opisany w zastrzeżeniach patentowych.The polycarbonate systems described above include a reservoir that is an integral part thereof. However, also within the scope of the invention are systems not comprising a reservoir but having a main channel modified as described in the claims.

Claims

Patent claims

1. Microflow system for the production of monodisperse drops, comprising a main channel, which is an inflow channel, which is a conduit closed with sidewalls, to which the inlet of the dispersed phase and the inlet of the dispersing phase are connected, and the inflow channel is connected with an emulsion melt, which is the end section of the main channel within which the drops are formed and the step is connected to a deep reservoir, at least one internal transverse dimension of which is significantly greater than the maximum transverse internal dimension of the main channel, preferably at least 2 times larger, more preferably not less than 6 times larger, constituting the drainage channel, and a drainage channel connected to an emulsion forming step, the drainage channel terminating in an outlet, characterized in that the step at an end portion of the main channel comprises at least two adjoining channels connected to each other, called grooves, of the same size and shape. of the cross-section and further separated by side walls, the height of which is the height H of the main channel, i.e. the distance between the ceiling and the floor of the main channel, and within a step of 0.5-2 mm, preferably 1-2 mm, more preferably 2 mm, there is a clearance extending over the entire width of the main channel and being the common area of all the grooves, extending from the ceiling of the main channel to the depth h, the height of the side walls of the grooves being the difference between the height H of the main channel and the depth h where 0 <h <100% of the height H , the main channel having a rectangular cross-section, the height H of which is from 0 to 1 mm, preferably 100 gm, the clearance depth h being between 0 and 50% of the height H of the main channel, the distance between the edges of adjacent grooves, Lg, does not exceed 2 mm, and the width of a single groove in g is from 0 to 500 gm.

2. The system according to claim The method of claim 2, characterized in that the distance between the edges of adjacent grooves, Lg, is 0.5-1 mm.

An arrangement according to any one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the clearance depth h is from 20% to 46% of the height H of the main channel, more preferably from 20 to 30%.

System according to any of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the cross-section of the main channel is rectangular.

An arrangement according to any one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the width of a single groove in g is 100 gm.

System according to any one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the width of the emulsifying step is from 3 to 30 mm, preferably 15 mm.

A system according to any one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that it is made of polycarbonate, polymethyl methacrylate), glass, silicon, metal or poly (dimethylsiloxane).

System according to any of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the drainage channel is delimited by side walls, a bottom wall and a top wall, the bottom wall and the top wall of the drainage channel being parallel to each other.

System according to any one of claims 1 to 8, characterized in that it is a pipette tip.

10. An arrangement according to any one of the preceding claims 1 to 19, characterized in that the maximum internal transverse dimension of a single groove is not greater than 100 gm.

A system according to any of the preceding claims 1 to 10, characterized in that the inlet of the dispersed phase is connected to a source providing a predetermined fluid flow, for example a gravity flow, a flow due to the administration of fluid through a syringe located in the syringe pump.

A system according to any of the preceding claims 1 to 11, characterized in that the drainage channel is an integral part of the system.