采用泰勒分散法通过简易微流控装置测量电解质溶液的分散系数

本研究的目标是设计并构建一个易于使用的微流控实验平台，适用于回答广泛的基础流体科学问题。最大的挑战在于利用低成本设备，开发出一种可重复且灵活的微通道制造工艺，同时达到足够的精度。本研究旨在解决当前在测量电解质物种增强扩散性方面，缺乏易于获取且精确的实验装置与实验方案的问题。

我们的平台还能够可视化多物种离子相互作用。我们的实验装置和方案成本低廉、易于获取且准确可靠。所采用的低成本微通道制造技术可在数分钟内生产出定制设计的芯片。

首先，在连接的计算机上启动裁切机设计软件。直接在软件中设计微通道顶层，或从外部软件导入兼容的设计文件。然后将一块21厘米长、5厘米宽的聚酯薄膜矩形片材粘贴到切割垫的粘性表面。

使用美纹纸胶带将矩形的四周边缘全部粘贴固定。接下来，将切割垫板装入手工切割机中，使标记的边缘与设备上的箭头指示对齐。将刀片插入手工切割机的第一个刀架插槽中。

单击显示器设计页面右上角的“发送”按钮，进入审核界面。然后将刀片深度设置为九，压力设置为 33，划切次数设置为一次，速度设置为一。接着单击“发送”，将任务提交至裁切机并启动切割过程。

从切割机上取下切割垫后，使用镊子将切割片上的阴性聚酯材料去除。接下来，使用裁切机设计软件设计环形聚酰胺垫圈，或从兼容软件中导入垫圈设计。取一段长21厘米的聚酰胺胶带，将粘性面朝上贴在切割垫上，并用美纹纸胶带固定其四个边缘。

输入聚酰胺胶带的切割设置，刀深为九，压力为一，次数为一，速度为一。点击“发送”以将垫片切割任务提交至裁切机。然后将切割好的聚酯片放置在干净、平坦的表面上，使凸起面朝上。

使用镊子从切割好的聚酰胺胶带上去下一片垫圈，并将其放置在3D打印端口的平坦底面。将端口与流体入口孔对齐，并利用垫圈将其固定在平铺的聚酯薄膜上。随后在通风橱中，一边向下按压端口以形成防水密封，一边在其周围边缘涂上少量瞬干胶。

为了制备聚酰胺微通道主体，可使用裁切机设计软件或通过导入兼容的外部设计文件来设计微通道主体。将一段21厘米长的聚酰胺胶带粘性面向上贴附在切割垫上。然后，将切割垫装入裁切机中，使切割垫上的标记边缘与设备上的箭头指示对齐。

单击设计页面右上角的“发送”以查看材料和切割设置。使用与垫圈相同的切割参数。单击“发送”以将切割任务提交至裁切机。

然后将切割垫从切割机中取出，用镊子将通道设计中的阴性聚酰胺材料移除。现在将聚酰胺胶带粘性面朝上放置在平坦、清洁的表面上。小心地将聚酯矩形片放置在暴露的聚酰胺胶带上，使聚酰胺条带在聚酯片宽度方向上居中。

使用滚筒均匀施加向下的压力，以消除较大的气泡，并目视检查是否存在任何碎屑或变形。随后，翻转聚酰胺胶带组件，从粘合面去除保护盖。将带有3D打印接口的顶部聚酯膜与聚酰胺胶带的入口和出口对齐，然后小心地将聚酯膜覆盖在聚酰胺层上。

对于注射泵的设置，使用去离子水填充一支0.5毫升的玻璃注射器。将注射器安装到可编程注射泵上，并按下快进按钮，直至水开始从注射器尖端流出。然后，截取一段50厘米长的聚四氟乙烯管。

使用镊子将管路的两端连接到27号针头，方法是将管路套在针头上并向下拉动。用去离子水充满连接好的针头和管路，直至针头开口处形成凸形弯月面。将针头连接到泵上预装的玻璃注射器，确保注射器和针头中均无气泡存在。

将注射泵设置为仅输注模式。在泵的界面上输入注射器类型和尺寸为0.5毫升。使用宽度为2.54厘米的美纹纸胶带，将完全组装好的微流控针头固定在光源面板上。

接下来，将一个20毫米F2微距镜头安装到相机上，并连接至遥控触发装置。架设三脚架，将相机固定在光源板上方，镜头倾斜向下对准实验区域。调整构图，使视野中心对准聚酰胺胶带上的采样点切口处。

通过远程触发器设置相机，每隔一秒钟拍摄一次图像。在示踪剂入口孔上覆盖一层透明胶带，以防止液体泄漏，确保胶带的一边折叠形成一个小标签，便于后续移除。连接并启动可编程注射泵，以极低的流速将去离子水缓慢注入微通道中。

然后用制备好的示踪剂溶液填充一支0.5微升微量移液器吸头。利用折叠的标签，揭开覆盖在示踪剂入口孔上的胶带。用低絮状擦拭纸的一角轻轻吸去入口孔中多余的去离子水，并等待30秒，使水前沿稳定。

30 秒后，使用移液器将示踪剂溶液加入进样孔中。立即用最小压力并以连续动作将胶带重新平整地覆盖在孔上，以重新密封进样口。确认注射泵已设定为目标体积流速后，同时启动注射泵并触发远程相机，开始成像。

如果矩形叠加层的水平边缘未与微通道壁对齐，请将光标悬停在矩形角上，点击并旋转图像，直到水平边与通道壁平行。按下任意键继续。图像弹窗将关闭并以校正后的方向重新打开。

单击并拖动以选择一个正方形区域，其边长等于通道宽度，并以捕获点为中心。按下任意键继续，图像弹窗将关闭。然后从 RGB 图像中提取所选裁剪区域内每个像素的蓝色通道强度。

通过从最大蓝色通道值255中减去每个值来反转这些值。计算裁剪区域内所有像素的反转蓝色通道的平均强度值。保存每个计算得到的值，以生成捕获点处平均反转蓝色通道强度的时间序列。

使用代码中的非线性曲线拟合工具箱输入平均倒置蓝光通道强度的完整时间序列。随时间变化的平均倒置蓝光通道强度绘图显示，实验数据与理论定制弥散拟合结果高度一致，其中 140 秒、150 秒和 200 秒的时间点清晰可见。在三种不同长径比条件下进行的实验所得弥散因子结果与理论预测值具有良好一致性。