Manipulation of Monodisperse Emulsions in Microchannels
Manipulation von monodispersen Emulsionen in Mikrokanälen
von Enkhtuul Surenjav
Datum der mündl. Prüfung:2008-12-15
Erschienen:2009-02-25
Betreuer:Prof. Dr. Ralf Seemann
Gutachter:Prof. Dr. Stephan Herminghaus
Gutachter:Prof. Dr. Eberhard Bodenschatz
Dateien
Name:surenjav.pdf
Size:5.07Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
The manipulation of monodisperse gel emulsions confined in a microfluidic channel network has been investigated. Monodisperse gel emulsions were organized by spatial confinement as a function of dispersed phase volume fraction and manipulated using fixed ("passive") and switchable ("active") channel geometries. Furthermore, quasi two-dimensional structural transitions of static emulsion topologies have been studied as a function of lateral force. The controlled droplet formation, targeted electrocoalescence of pairs of droplets, and manipulation of the droplets using the channel geometry has been used to study fibrin network formation and manipulation within the droplet.Transitions between certain arrangements in an emulsion flowing through a channel can be induced, e.g. by varying the geometry of the channel along its length. Due to the finite energy required to change a certain droplet arrangement, these transitions are inherently hysteretic and depend not only on the droplet size but also on the volume fraction of the dispersed phase. We studied these droplet rearrangements for various channel geometries including constrictions and corners as a function of volume fraction and droplet size. The stability of certain droplet arrangements and their transitions are discussed for static droplet arrangements. We studied the influence of dispersed phase volume fraction and drop size by applying lateral force to the emulsion.To actively manipulate the emulsion arrangements in a microchannel we used a ferrofluid as the continuous phase of the emulsion. By applying external magnetic fields to the confined arrangement, we could observe a transition between two droplet arrangements. In this case, a temporarily created ferrofluid plug caused by inhomogeneous magnetic field changes the channel geometry which leads to the transition.In combination with a technique to coalesce targeted pairs of droplets, we performed in situ measurements of the formation, manipulation, and structure of droplet-encapsulated fibrin networks. In the dynamic case, where droplets were travelling continuously through the channels, we observed fibrin network aggregation due to the velocity distribution of the flow field inside the droplet. However, when the droplet is parked in the reaction chamber until the fibrin network is fully developed, then controllably deformed, we observed elastic recovery of the fibrin network.
Keywords: microfluidics; manipulation; emulsion; droplet; microchannels
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Die Frage wie räumlich auf mikrofluide Kanalnetzwerke begrenzte monodisperse Gelemulsionen auf verschiedene Manipulationen reagieren, wurde in der vorliegenden Arbeit bearbeitet. In verschiedenen Kanalgeometrien wurde die Tropfenanordnung in Abhängigkeit von der Volumenfraktion der dispergierten Phase untersucht, wobei sowohl statische ("passive") als auch schaltbare ("aktive") Kanalgeometrien genutzt wurden. Weiterhin wurden quasi-zweidimensionale Strukturübergänge an statischen Tropfenanordnungen in Abhängigkeit von der lateral aufgeprägten Kraft betrachtet. Schließlich wurden mehrere Methoden, insbesondere die kontrollierte Tropfenerzeugung, die gezielte Elektrokoaleszenz von Tropfenpaaren und die Manipulation von Tropfen in verschiedenen Kanalgeometrien, angewendet, um die Bildung und Manipulation von Fibrinnetzwerken innerhalb von Tropfen zu studieren.Übergänge zwischen bestimmten Tropfenanordnungen in einer durch einen Kanal fließen-den Emulsion können beispielsweise induziert werden, indem die Kanalgeometrie im Verlauf des Kanals verändert wird. Aufgrund der endlichen Energie, die benötigt wird, um eine bestimmte Tropfenanordnung umzuorganisieren, sind diese Übergänge inhärent hysteretisch und hängen nicht nur von der Tropfengröße, sondern auch vom Volumenanteil der dispergierten Phase ab. Es wurden die Tropfenumordnungen für verschiedene Kanalgeometrien, wie Einengungen und Ecken, abhängig vom Volumenanteil und Tropfengröße studiert. Des Weiteren war auch der Einfluss der Volumenfraktion und der Tropfengröße auf Übergänge in der Tropfenanordnung bei Einwirkung einer lateralen Kraft Gegenstand der Arbeit.Um die Emulsionsanordnungen in einem Mikrokanal aktiv manipulieren zu können wurden Ferrofluide als kontinuierliche Phase der Emulsion verwendet. Durch das Anlegen von externen Magnetfeldern an die geschlossene Anordnung konnten Übergänge zwischen zwei Tropfenanordnungen beobachtet werden. Dabei wurden vorübergehend ferrofluidische An-sammlungen hergestellt, die die Kanalgeometrie so veränderten, dass Strukturübergänge zu beobachten waren.In Kombination mit einer Technik, bei der gezielt Paare von Tropfen fusioniert werden, wurde die Bildung und Manipulation in situ sowie die Struktur von in Tropfen eingeschlossenen Fibrinnetzwerken untersucht. Im dynamischen Fall, bei dem sich Tropfen kontinuierlich durch die Kanäle bewegen, wurde die Aggregation von Fibrinnetzwerken in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitsverteilung im Strömungsfeld innerhalb des Tropfens beobachtet. Wurde der Tropfen aber in der Reaktionskammer bis zur vollständigen Entwicklung des Fibrinnetz-werkes "geparkt" und dann kontrolliert deformiert, wurde anders als im dynamischen Fall eine elastische Wiederherstellung der ursprünglichen Form des Fibrinnetzwerkes beobachtet.
Schlagwörter: Mikrofluidik; Manipulation; Emulsion; Tropfen; Mikrokanälen