Droplet generation and particle encapsulation with liquid bridge and liquid bridge breakup

Abstract

Microfluidics holds a great potential as it can perform typical laboratory operations using a fraction of the volume of reagents in significantly small time simultaneously. In microfluidics in general, smaller volume of samples and reagents are used than conventional methods. More experiments can be done with fewer amounts of samples than conventional methods, and the quantities of wastes can also be reduced, reducing experiment costs. In many continuous microfluidic systems with enclosed microchannels in a monolithic substrate, concentration gradients and fluid flow exist which give rise to diffusion and convection. As an alternative to continuous flow microfluidics, droplet-based microfluidics, or digital microfluidics (DMF), has been introduced. Encapsulation of reagents within nano-to-picoliter-sized droplets enables quantitative studies of a large number of reactors. The droplets serve as micro container that prevents mixing with continuous phase. The reaction kinetics can be monitored within the confined droplet when the reactants are encapculated within droplets. In order to further utilize droplet microfluidics, stable generation of ultrasmall droplets with a predetermined size should be first established. There have been many conventional researches on the droplet generating methods. Droplet generation methods are not limited to microfluidic droplet generations

however, microfluidic approaches to droplet formation are efficient in both quality and quantity because the length scale of the droplet and the geometries of the system are comparable. The majority of microfluidic methods produce droplet diameters ranging from a few micrometers to hundreds of micrometers in a monodispersed - uniform, evenly spaced, continuous – stream with in 1-3% of relative standard deviation. To generate droplets, only when needed with a definite number of droplets or on-demand, electric pulse, piezo-electric, microsolenoid, pneumatic or thermal methods are commonly used. These methods generally generate droplets with the size of the nozzle or the mask, i.e. smaller drops can be made using a smaller nozzle. The operating conditions including driving pulse duration and shape, which depends on the fluidic properties, must be tuned empirically for proper operation. In this manner, a dispensing method regardless of nozzle size and fluidic properties are required. Here I suggest several new techniques to dispense droplets on demand on a solid substrate or in liquid, with and without electric field. Depending on the dispensing method, the resulting droplet size ranges from few micrometers to several hundred micrometers in radius. In each method, particles or cells can be encapsulated with different experimental configuration. So the encapsulation process is also included. Here I also suggest a new method of concentrating molecules in a droplet with ion concentration polarization. I described a theoretical description on droplet generation in general. Each method would have different regime of dispensing based on different nondimensional number. Also, I suggested a simple method of direct, or pseudo-direct method of drop dispensing on a solid substrate. With simple structure, we could overcome the limits of a pin-type direct dispensing method. This could be done in three different ways, without electric field, with well-defined electric field, and a simple piezo-ignitor. In addition, satellite formation during liquid bridge break up will be presented as a new method of generating picoliter droplet in oil medium. Satellites of different sizes were dispensed with different outer, inner fluid and high speed imaging devices were used to look into the very detail of their dynamics. At last, preconcentration process using ion concentration polarization is described. All the method presented in this paper results in small droplets. With same concentration, the signal intensity decreases with the decrease in droplet size. In this manner, a method to increase the concentration is presented.

미세유체역학은 많은 가능성을 갖고 있음에도 많은 한계가 지적되어왔다. 이는 큰 종횡비로 인한 물질의 확산 및 분산에 의한 것으로, 화학 반응의 속도를 늦추고, 물질의 검출을 어렵게 만든다. 이를 개선하기 위해 액적을 이용한 미세유체 역학 – 디지털 미세유체역학 – 이 대두되었다. 액적을 섞이지 않는 다른 유체로 감싸서 이송하는 이러한 방식은 기존의 미세유체역학에 비해 다양한 장점들을 갖고 있다. 개별 액적을 하나의 반응기로 사용할 수 있으며, 이 개별 액적을 개별 이송할 수 있는 점은 기존의 미세유체역학에서 수행할 수 없었던 혁신적인 기능이다.이런 기능을 수행하기 위해서 가장 중요한 것은 안정적인 액적을 기판이나 다른 유체 속에 생성하는 것이다. 기존에는 압전 소자를 이용한 부피 팽창을 이용한 잉크젯 방식이나, 직접 핀을 기판이 부착시켜 액적을 하나씩 생성하는 방식을 이용하여왔다. 이는 작은 액적을 안정적으로 만드는 방법으로 사용할 만 하나, 압전소자 방식의 경우, 특수한 잉크를 기반으로 개발된 방식으로, 액성이 변하게 되면, 그에 맞게 운용 조건을 바꾸어야하는 단점과 더불어, 액적 분사과정에 있어 많은 스트레스가 액적에 가해지기에 생체물질을 분사하기에 부적합하다는 단점을 갖고 있다. 핀 방식의 경우, 직접 고체 기판에 부착되기 때문에, 이로 인한 핀과 기판의 손상이 있으며, 핀에 저장되는 액체의 양이 제한적이기 때문에 연속적인 액적 생성에 제한적이다. 이에, 기판에 액적을 생성하는 방법으로 양 끝이 열린 모세관을 이용하는 방법과, 액체에 액적을 생성하는 방법으로 위성 액적 (Satellite) 을 이용하는 방법을 창안하였다.기판에 액적을 생성하는 방법은, 직접 접촉을 통한 방법과, 전기장을 이용해서 직접 접촉을 하지 않고 바로 액주를 형성하는 방법을 제안하였다. 직접 접촉을 하는 방식은, 기존의 방식 대비, 안정적으로 액적이 생성가능하다는 장점과 기판의 방향을 바꾸어, 추가적인 오염에서 자유롭다는 장점이 있으며, 전기장을 사용하여 액주를 만드는 방식은 노즐과 기판의 직접 접촉을 막아주기 때문에 물리적인 손상을 피할 수 있다는 장점이 있다. 전기장의 경우, 최소한의 전압을 최소한의 시간동안만 가해주면 되기 때문에, 고가의 고전압발생장치를 사용할 것 없이, 휴대용 가스 버너의 점화기로 사용되는 압전소자를 이용해서도 액적이 생성가능함을 보였다. 위성 액적은 액주 붕괴 시에 항상 나타나는 부산물로, 오랜 기간 수 많은 사람들은 이를 제거하기 위해 많은 노력을 해 왔다. 이는 특정 조건에서만 제거될 수 있으며, 역으로 생각해보면 거의 항상 나타나는 현상이기에 이를 이용하면, 안정적으로, 노즐의 사이즈보다 수십에서 수백배 작은 액적을 안정적으로 생성할 수 있는 방법이다. 이를 이용하기 위해 액적의 크기, 액적의 점도, 그리고 액주의 신장 속도를 변화시켜가며 실험을 하였다. 동일한 점도 및 크기게어 액주의 신장 속도와 무관하게 위성 액적은 생성되었으며, 초고속 카메라를 통해 확인하여보았을 때, 위성의 액적 크기는 액주 붕괴 시, 액성에만 관계있다는 사실을 확인하였다. 이를 이용하여, 일반적인 핀셋을 이용하여, 손의 힘을 이용하여 미세 액적을 생성하는 장치를 고안, 확인하였다. 액적의 크기가 작아질수록, 외부에서 액적 내부의 신호를 포착하는 것은 어렵다. 이를 개선하기 위해 나노크기의 채널의 전기 이중층 겹침을 이용하여, 하전 분자들이 농축되는 ICP 현상을 이용하였다. 일반적으로 이런 현상은 막혀있는 미세채널에서 이루어지기에, 농축된 분자들이 확산 및 분산이 되는 단점이 존재한다. 이에, 채널의 양 끝단을 공기중에 노출시켜, 액체가 흐를 때에 액적이 형성되게 하였으며, 이 경우, 표면 장력이 유체 채널의 역할을 하기 때문에, 농축된 액적을 기 개발된 직접 접촉 방식을 통한 액적 분사 혹은 위성 액적을 통한 액적 분사로 활용할 수 있다.